RU136564U1

RU136564U1 - LOW FLOW SENSOR

Info

Publication number: RU136564U1
Application number: RU2013135341/28U
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Петрович Заярный; Игорь Владимирович Волков; Алексей Михайлович Макаров; Юрий Павлович Сердобинцев
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2014-01-10

Abstract

1. Датчик малых расходов жидкости, содержащий корпус с соосными входным и выходным патрубками и узел съема информации, включающий оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и светопрозрачный элемент, отличающийся тем, что датчик снабжен оптической системой, состоящей из рассеивающей и собирающей линз и двух пластин с щелевидной горизонтальной прорезью, формирующей измерительную плоскость в виде светового потока внутри светопрозрачного элемента, снабженного каплеобразователем и установленного в отверстии в корпусе перпендикулярно его оси.2. Датчик малых расходов жидкости по п.1, отличающийся тем, что светопрозрачный элемент выполнен в виде цилиндра и установлен в отверстии цилиндрической формы.3. Датчик малых расходов жидкости по п.1, отличающийся тем, что в качестве светопрозрачного элемента используют капельную камеру инфузионной системы, установленную в отверстии конусообразной формы.1. A sensor of low liquid flow rates, comprising a housing with coaxial inlet and outlet nozzles and an information pickup unit, including an optically coupled radiation source, a photodetector and a translucent element, characterized in that the sensor is equipped with an optical system consisting of scattering and collecting lenses and two plates with a slit-like horizontal slot forming a measuring plane in the form of a light flux inside a translucent element equipped with a droplet former and installed in the hole in the housing Behold perpendicular to osi.2. The small liquid flow sensor according to claim 1, characterized in that the translucent element is made in the form of a cylinder and is installed in a cylindrical hole. The low liquid flow sensor according to claim 1, characterized in that a drip chamber of the infusion system installed in a cone-shaped opening is used as a translucent element.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в химической, биохимической промышленности и медицине в качестве бесконтактного датчика расхода жидкостей, например растворов лекарственных средств в инфузионных системах, жидких химических веществ, в том числе катализаторов и титров.The utility model relates to measuring technique and can be used in the chemical, biochemical industry and medicine as a non-contact sensor for the flow of liquids, for example, solutions of drugs in infusion systems, liquid chemicals, including catalysts and titers.

Известна капельница для расходомера [Литвак В.И. Фотоэлектрические датчики в системах контроля, управления и регулирования. М.: Наука, 1966 г., С. 289-290, рис. 6.37], которая содержит корпус с капельницей, каплеобразователь, источник излучения и фотоприемник, расположенные в перпендикулярной плоскости относительно движения капли. При каждом пересечении луча фотоприемник подает электрический сигнал на электронную схему расходомера. В расходомере предусмотрена возможность определения полного числа капель при помощи счетчика на декатронах.Known dropper for a flow meter [Litvak V.I. Photoelectric sensors in monitoring, control and regulation systems. M .: Nauka, 1966, S. 289-290, Fig. 6.37], which contains a housing with a dropper, a droplet former, a radiation source and a photodetector located in a perpendicular plane relative to the movement of the droplet. At each intersection of the beam, the photodetector supplies an electrical signal to the electronic circuit of the flowmeter. The flowmeter provides the ability to determine the total number of drops using a counter on decatrons.

В связи с тем, что вес капли зависит от поверхностного натяжения, для получения высокой точности измерений необходимо стабилизировать температуру жидкости, расход которой измеряется. Кроме того, данному типу датчика необходима обязательная предварительная калибровка, определяющая объем капли измеряемой жидкости. Устройство имеет достаточно большие размеры, что осложняет его использование. Все эти недостатки ограничивают область применения устройства, снижают его точность и надежность.Due to the fact that the droplet weight depends on the surface tension, to obtain high accuracy of measurements, it is necessary to stabilize the temperature of the liquid, the flow rate of which is measured. In addition, this type of sensor requires mandatory preliminary calibration, which determines the volume of a drop of measured liquid. The device is large enough, which complicates its use. All these disadvantages limit the scope of the device, reduce its accuracy and reliability.

Известно устройство для измерения расхода жидкостей [Патент РФ №2247328, МПК G01F 1/52, 2005 г.], содержащее измерительный блок и преобразователь в унифицированный сигнал. Измерительный блок выполнен в виде цилиндра с входным и выходным отверстиями. Во входном отверстии установлена труба для подвода жидкости. В выходном отверстии установлена щелевая труба с вертикальным щелевым отверстием. Верхний конец щелевой трубы расположен относительно торцевой поверхности цилиндра на расстоянии ее диаметра. Изобретение позволяет непрерывно измерять расход невязких жидкостей и преобразовывать измеренные величины расхода в унифицированный импульсный сигнал, например пневматический или электрический.A device for measuring the flow rate of liquids [RF Patent No. 2247328, IPC G01F 1/52, 2005], comprising a measuring unit and a converter into a unified signal. The measuring unit is made in the form of a cylinder with inlet and outlet openings. A pipe for supplying liquid is installed in the inlet. A slotted tube with a vertical slotted hole is installed in the outlet. The upper end of the slit pipe is located relative to the end surface of the cylinder at a distance of its diameter. The invention allows to continuously measure the flow rate of inviscid liquids and convert the measured flow rates into a unified pulse signal, for example pneumatic or electric.

Устройство может найти применение в отраслях промышленности, использующих малые расходы жидкостей, например, в спиртовой или гидролизной промышленности, однако, применение данного устройства не позволяет произвести измерение расхода капельной жидкости, подаваемой дискретно. Конструктивные особенности устройства не позволяют выполнять точные измерения при очень малом расходе жидкости порядка 1 л/час. Кроме того, устройство имеет достаточно сложную конструкцию и требует точной и трудоемкой настройки для измерения различного расхода жидкости и измерения расхода жидкостей с различными свойствами. Контактный метод измерения, используемый в устройстве, не позволяет применять его для измерения расхода ядовитых и агрессивных жидкостей. Все это ограничивает область применения устройства, снижает его долговечность и точность измерения.The device may find application in industries that use low flow rates of liquids, for example, in the alcohol or hydrolysis industry, however, the use of this device does not allow measurement of the flow rate of dropping liquid supplied discretely. The design features of the device do not allow accurate measurements at a very low flow rate of about 1 l / h. In addition, the device has a rather complicated design and requires precise and time-consuming settings to measure different flow rates and measure flow rates of liquids with different properties. The contact measurement method used in the device does not allow it to be used to measure the flow rate of toxic and aggressive liquids. All this limits the scope of the device, reduces its durability and accuracy.

Наиболее близким техническим решением является датчик расхода жидкости [Патент РФ №2035720, МПК G01N 21/85, G01F 1/06, 1992 г.], содержащий источник излучения и фотоприемник, установленные соосно с диаметрально противоположных сторон вала микротурбинки в отверстия, выполненные в корпусе. Светопрозрачное кольцо установлено в паз, ширина и глубина которого соответственно равны высоте и толщине светопрозрачного кольца, микротурбинка содержит четное число лопаток, равномерно установленных по образующей вала. В валу между лопатками радиально выполнены сквозные отверстия, с помощью которых оптически связаны источник излучения и фотоприемник. Частота вращения микротурбинки пропорциональна скорости протекания через датчик жидкости, что позволяет определить ее расход.The closest technical solution is a fluid flow sensor [RF Patent No. 2035720, IPC G01N 21/85, G01F 1/06, 1992], comprising a radiation source and a photodetector mounted coaxially from diametrically opposite sides of the microturbine shaft into holes made in the housing . A translucent ring is installed in the groove, the width and depth of which are respectively equal to the height and thickness of the translucent ring, the microturbine contains an even number of blades uniformly installed along the generatrix of the shaft. Through holes are radially made in the shaft between the blades, through which the radiation source and the photodetector are optically coupled. The microturbine rotational speed is proportional to the flow rate through the fluid sensor, which makes it possible to determine its flow rate.

Однако чувствительность датчика сравнительно невысокая и при небольших расходах погрешность измерения значительно возрастает. Это не позволяет использовать датчик, например, в качестве датчика малых расходов жидкости, где необходима высокая чувствительность, небольшая масса, высокая надежность и малые габариты.However, the sensitivity of the sensor is relatively low and, at low costs, the measurement error increases significantly. This does not allow the use of a sensor, for example, as a sensor of low liquid flow rates, where high sensitivity, low weight, high reliability and small dimensions are required.

Сложность изготовления некоторых элементов датчика повышает его стоимость, а конструкция узла съема информации не позволяет определять расход темной и непрозрачной жидкости. Контактный метод измерения не позволяет использовать датчик в агрессивных и ядовитых средах.The complexity of manufacturing some of the sensor elements increases its cost, and the design of the information retrieval unit does not allow to determine the flow rate of dark and opaque liquid. The contact measurement method does not allow the use of the sensor in aggressive and toxic environments.

Все эти недостатки снижают точность измерения малых расходов жидкости, ограничивают область применения датчика и усложняют его конструкцию.All these disadvantages reduce the accuracy of measuring small liquid flow rates, limit the scope of the sensor and complicate its design.

Технический результат полезной модели заключается в повышении точности измерения малых расходов жидкости и расширении диапазона измеряемых расходов любой жидкости.The technical result of the utility model is to increase the accuracy of measuring small fluid flow rates and expand the range of measured flow rates of any fluid.

Указанный технический результат достигается тем, что датчик малых расходов жидкости, содержащий корпус с соосными входным и выходным патрубками и узел съема информации, включающий оптически связанные между собой источник излучения, фотоприемник и светопрозрачный элемент, отличается тем, что датчик снабжен оптической системой, состоящей из рассеивающей и собирающей линз и двух пластин с щелевидной горизонтальной прорезью, формирующей измерительную плоскость в виде светового потока внутри светопрозрачного элемента, снабженного каплеобразователем и установленного в отверстии в корпусе перпендикулярно его оси.The specified technical result is achieved in that the low liquid flow sensor, comprising a housing with coaxial inlet and outlet nozzles and an information pickup unit including an optically coupled radiation source, a photodetector and a translucent element, is characterized in that the sensor is equipped with an optical system consisting of a scattering system and collecting lenses and two plates with a slit-like horizontal slot forming a measuring plane in the form of a light flux inside a translucent element equipped with a drop photoelectret and mounted in the bore in the housing perpendicularly to its axis.

Датчик малых расходов жидкости характеризуется тем, что светопрозрачный элемент выполнен в виде цилиндра и установлен в отверстии цилиндрической формы.The low liquid flow sensor is characterized in that the translucent element is made in the form of a cylinder and is installed in a cylindrical hole.

Датчик малых расходов жидкости характеризуется тем, что в качестве светопрозрачного элемента используют капельную камеру инфузионной системы, установленную в отверстии конусообразной формы.The low liquid flow sensor is characterized in that a drip chamber of the infusion system installed in a cone-shaped opening is used as a translucent element.

Отличиями заявляемого устройства является его конструктивное исполнение, при котором датчик малых расходов жидкости снабжен оптической системой, состоящей из рассеивающей (стеклянного цилиндра) и собирающей линз и двух пластин с щелевидной горизонтальной прорезью, формирующих направленный световой поток в виде светопрозрачной измерительной плоскости, проходящей через светопрозрачный элемент. При прохождении капли жидкости через измерительную плоскость луч искажается и интенсивность светового потока снижается. Фотоприемник передает сигнал на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Это позволяет точно определять малые расходы жидкости в каплях, что значительно расширяет диапазон измеряемых величин малого расхода жидкости. При этом обеспечивает бесконтактный метод измерения расхода жидкости, что позволяет измерять расход практически любой (в том числе агрессивной и ядовитой) жидкости, которая может образовывать капли.The differences of the claimed device is its design, in which the low liquid flow sensor is equipped with an optical system consisting of a scattering (glass cylinder) and collecting lenses and two plates with a slit-like horizontal slot, forming a directional light flux in the form of a translucent measuring plane passing through a translucent element . When a liquid droplet passes through the measuring plane, the beam is distorted and the light intensity decreases. The photodetector transmits a signal to an analog-to-digital converter (ADC). This allows you to accurately determine the low liquid flow rate in the drops, which greatly expands the range of measured values of low liquid flow rate. At the same time, it provides a non-contact method for measuring fluid flow, which makes it possible to measure the flow of almost any (including aggressive and toxic) fluid that can form droplets.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами ее конструкции. На фиг. 1 представлена схема конструкции датчика с цилиндрическим светопрозрачным элементом в разрезе, на фиг. 2 - схема конструкции датчика с цилиндрическим светопрозрачным элементом, вид сверху, на фиг. 3 - схема конструкции датчика с капельной камерой инфузионной системы.The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings of its design. In FIG. 1 is a sectional diagram of a construction of a sensor with a cylindrical translucent element; FIG. 2 is a structural diagram of a sensor with a cylindrical translucent element, a top view, in FIG. 3 is a design diagram of a sensor with a drip chamber of an infusion system.

Датчик малых расходов жидкости содержит корпус 1 с непрозрачными заглушками 2, внутри которого установлены крепежные кольца 3 и 4, оправы линз 5 и 6, пластины с щелевидной горизонтальной прорезью 7 и 8. В отверстии 9 перпендикулярно оси корпуса 1 расположен светопрозрачный элемент 10. В крепежном кольце 3 установлен источник излучения (лазерный светодиод) 11 с выводами 12, а в крепежном кольце 4 - фотоприемник (фототранзистор или фотодиод) 13 с выводами 14. В оправе 5 установлена рассеивающая линза 15, выполненная в виде стеклянного цилиндра, а в оправе 6 - собирающая линза 16. Светопрозрачный элемент 10 имеет входной 17 и выходной 18 патрубки для жидкости и каплеобразователь 19. Две линзы 15 и 16 и две пластины с щелевидной горизонтальной прорезью 7 и 8 образуют оптическую систему 20, преобразующую световой поток от источника излучения 11 и формирующую измерительную плоскость 21 внутри светопрозрачного элемента 10.The low liquid flow sensor comprises a housing 1 with opaque plugs 2, inside of which are fastening rings 3 and 4, lens frames 5 and 6, plates with a slit-like horizontal slot 7 and 8. In the hole 9, a translucent element 10 is located perpendicular to the axis of the housing 1. In the mounting ring 3 has a radiation source (laser LED) 11 with leads 12, and in the mounting ring 4 there is a photodetector (phototransistor or photodiode) 13 with leads 14. In frame 5, there is a scattering lens 15 made in the form of a glass cylinder, and in frame 6the collecting lens 16. The translucent element 10 has an inlet 17 and an outlet 18 nozzles for liquid and a droplet former 19. Two lenses 15 and 16 and two plates with a slit-like horizontal slot 7 and 8 form an optical system 20 that converts the light flux from the radiation source 11 and forms a measuring the plane 21 inside the translucent element 10.

Диаметр светопрозрачного элемента 10 должен составлять не менее трех диаметров капли измеряемой жидкости и быть больше длины щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8. Длина щелевидной горизонтальной прорези пластины 8 несколько больше длины щелевидной горизонтальной прорези пластины 7. Длина щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8 меньше диаметров рассеивающей 15 и собирающей 16 линз.The diameter of the translucent element 10 should be at least three diameters of the drop of the measured liquid and be greater than the length of the slit-like horizontal slots of the plates 7 and 8. The length of the slit-like horizontal slot of the plate 8 is slightly greater than the length of the slit-like horizontal slot of the plate 7. The length of the slit-like horizontal cuts of the plates 7 and 8 is less than the diameters scattering 15 and collecting 16 lenses.

Для повышения точности измерения необходимо уменьшить высоту щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8 и обеспечить длину щелевидной горизонтальной прорези пластины 8 соразмерно проекции тени капли жидкости.To increase the measurement accuracy, it is necessary to reduce the height of the slit-like horizontal slots of the plates 7 and 8 and to ensure the length of the slit-like horizontal slot of the plate 8 in proportion to the projection of the shadow of a liquid drop.

Относительное смещение щелевидных горизонтальных прорезей пластин 7 и 8 недопустимо, т.к. это ведет к снижению чувствительности и точности датчика.The relative displacement of the slit-like horizontal slots of the plates 7 and 8 is unacceptable, because this leads to a decrease in the sensitivity and accuracy of the sensor.

Датчик малых расходов жидкости работает следующим образом.The sensor low flow rates is as follows.

Световые лучи от источника излучения 11, проходя через рассеивающую линзу 15 изменяют свое направление на близкое к параллельному и преобразуются в световой поток. После этого, пройдя через щелевидную горизонтальную прорезь пластины 7, световой поток формируется в виде измерительной плоскости 21, проходящей через светопрозрачный элемент 10, при этом частично преломляясь и частично рассеиваясь его стенками. При попадании капли, образованной каплеобразователем 19 в измерительную плоскость 21 световой поток искажается, а его интенсивность снижается. После светопрозрачного элемента 10 световой поток проходит через щелевидную горизонтальную прорезь пластины 8 и собирающую линзу 16. Это позволяет сфокусировать световой поток в виде луча, что обеспечивает надежное его попадание на фоточувствительный элемент фотоприемника 13. Щелевидная горизонтальная прорезь пластины 8 позволяет убрать рассеивание светового потока в вертикальной плоскости, которое создает дополнительную засветку фотоприемника, что ухудшает метрологические характеристики.The light rays from the radiation source 11 passing through the scattering lens 15 change their direction to close to parallel and are converted into a light stream. After that, passing through the slit-like horizontal slot of the plate 7, the light flux is formed in the form of a measuring plane 21 passing through the translucent element 10, while partially refracting and partially scattering by its walls. When a droplet formed by the droplet former 19 enters the measuring plane 21, the light flux is distorted, and its intensity decreases. After the translucent element 10, the luminous flux passes through the slit-like horizontal slot of the plate 8 and the collecting lens 16. This allows the luminous flux to be focused in the form of a beam, which ensures reliable contact with the photosensitive element of the photodetector 13. The slit-like horizontal slot of the plate 8 allows you to remove light scattering in the vertical plane, which creates additional illumination of the photodetector, which affects the metrological characteristics.

Сигнал с фотоприемника 13 преобразуется в электрический сигнал, подаваемый на АЦП.The signal from the photodetector 13 is converted into an electrical signal supplied to the ADC.

Нераспространению светового потока от источника излучения во всем объеме корпуса 1 датчика, а также его точной фокусировке способствует система непрозрачных оправ 5 и 6 линз и пластин 7 и 8.The non-proliferation of the light flux from the radiation source in the entire volume of the sensor housing 1, as well as its accurate focusing, are facilitated by a system of opaque frames 5 and 6 of the lenses and plates 7 and 8.

К входному и выходному патрубкам светопрозрачного элемента, выполненного в виде светопрозрачного цилиндра (фиг. 1), подводятся трубки. Жидкость из входного патрубка в виде капель, образованных каплеобразователем, проходит через измерительную плоскость светопрозрачного цилиндра и отводится через выходной патрубок. При этом сигнал от измерительной плоскости в виде искаженного светового луча попадает на фотоприемник и передается на АЦП, где преобразуется в расход жидкости.To the inlet and outlet nozzles of a translucent element made in the form of a translucent cylinder (Fig. 1), tubes are supplied. The liquid from the inlet pipe in the form of droplets formed by the droplet former passes through the measuring plane of the translucent cylinder and is discharged through the outlet pipe. In this case, the signal from the measuring plane in the form of a distorted light beam enters the photodetector and is transmitted to the ADC, where it is converted into a liquid flow rate.

Светопрозрачным элементом с измерительной плоскостью, каплеобразователем, входным и выходным патрубками может являться капельная камера инфузионной системы, соответствующая ГОСТ 25047-87 «Устройства комплектные эксфузионные, инфузионные и трансфузионные однократного применения. Технические условия», установленная в конусообразное отверстие корпуса (фиг. 3). Капля жидкости из входного патрубка проходит через измерительную плоскость и искажает световой поток. Снижение интенсивности светового луча, действующего на фотоприемник, фиксируется и передается на АЦП, который преобразует изменение сигнала в расход жидкости. Это позволяет расширить область применения данного датчика и использовать его, например, в медицине для контроля расхода вливаемых реципиенту растворов, переливания крови, ее компонентов и т.д.A translucent element with a measuring plane, a droplet former, and inlet and outlet nozzles may be a drip chamber of the infusion system in accordance with GOST 25047-87 “Complete exfusion, infusion and transfusion devices for single use.” Technical conditions ”installed in the cone-shaped opening of the housing (Fig. 3). A drop of liquid from the inlet pipe passes through the measuring plane and distorts the light flux. The decrease in the intensity of the light beam acting on the photodetector is recorded and transmitted to the ADC, which converts the signal change into a liquid flow rate. This allows you to expand the scope of this sensor and use it, for example, in medicine to control the flow rate of the solutions infused into the recipient, transfusion of blood, its components, etc.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с имеющимися обеспечивает повышение точности измерения малых расходов жидкости, которая достигается увеличением количества дискретных преобразований, а также величины самой дискретизации сигнала при измерении за счет использования оптического метода измерения. При этом расширяется диапазон измеряемых величин малых расходов жидкости.Using the proposed device in comparison with the existing ones provides an increase in the accuracy of measuring small liquid flow rates, which is achieved by increasing the number of discrete transformations, as well as the magnitude of the signal discretization during measurement due to the use of the optical measurement method. At the same time, the range of measured values of small liquid flow rates is expanded.

Выполнение измерительной плоскости внутри светопрозрачного элемента, не контактирующего с оптической системой, обеспечивает бесконтактный метод измерения, что значительно расширяет область применения датчика и позволяет использовать его для измерения малых расходов практически любых жидкостей, проводить измерения в агрессивных и ядовитых средах.The implementation of the measuring plane inside a translucent element that is not in contact with the optical system provides a non-contact measurement method, which greatly expands the scope of the sensor and allows you to use it to measure low flow rates of virtually any liquid, to measure in aggressive and toxic environments.

Claims

1. A sensor of low liquid flow rates, comprising a housing with coaxial inlet and outlet nozzles and an information pickup unit, including an optically coupled radiation source, a photodetector and a translucent element, characterized in that the sensor is equipped with an optical system consisting of scattering and collecting lenses and two plates with a slit-like horizontal slot forming a measuring plane in the form of a light flux inside a translucent element equipped with a droplet former and installed in the hole in the housing Behold perpendicular to its axis.

2. The low liquid flow sensor according to claim 1, characterized in that the translucent element is made in the form of a cylinder and is installed in a cylindrical hole.

3. The low liquid flow sensor according to claim 1, characterized in that a drip chamber of the infusion system installed in a cone-shaped hole is used as a translucent element.