Устройство микрорасходомера газа повышенной чувствительности и надежности

 

Изобретение предназначено для измерения расхода газа (в частности, ксенона) в диапазоне до 100 мг/с при широком варьировании температур. Тепловой расходомер содержит теплоизолированный корпус - газопровод, в котором размещен теплочувствительный элемент (ТЧЭ), нагреваемый электрическим током до температур 1200 К. По обе стороны спирали ТЧЭ в стенке газопровода расположены два оптических окна для регистрации спектральной энергетической светимости всей поверхности ТЧЭ двумя преобразователями оптического излучения. Для формирования близкого к плоскому фронта набегающего на ТЧЭ потока газа на расстоянии ~3 калибров от ТЧЭ установлена перфорированная пластина (сетка) с отверстиями диаметром ~0,3 мм. Расходомер имеет увеличенную чувствительность при одновременном повышении надежности. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике - к измерению массового расхода и к устройству тепловых расходомеров газа, предназначенного для использования в системе контроля и регулирования в диапазоне расхода 0-100 мг/с при широком варьировании входной температуры газа и температуры внешней среды, и может применяться в космических двигателях малой тяги (ЭРД МГ) и в других отраслях промышленности.

Известны способы измерения расхода газа и тепловые расходомеры, основанные на учете эффекта теплового воздействия на газ, расход которого измеряется [1]. Способ имеет существенные недостатки - не позволяет проводить измерение в широком диапазоне расхода газа без безопасной линии, показания расходомера зависят от температур входного газа и внешней среды (отсутствует автономность), обладает большой инерционностью и малой чувствительностью.

Известный способ измерения расхода газа заключается в том (см. чертеж), что нагреваемый электрическим током теплочувствительный элемент в виде спирали 1 цилиндрического типа (ТЧЭ) с токоподводами 4 помещается в теплоизолированный трубопровод 2 с теплоизоляцией 7 и охлаждается протекающим по трубопроводу потоком газа. Трубопровод является одновременно и корпусом 2 устройства. Изменение температуры омываемого потоком газа теплочувствительного элемента сопровождается изменением спектральной энергетической светимости его поверхности, которое регистрируется через оптическое окно 3 в стенке трубопровода 2 с помощью преобразователя оптического излучения 5 (ПОИ) [2]. Способ имеет следующие недостатки - недостаточная чувствительность при больших расходах вследствие сильного уменьшения энергетической светимости поверхности охлаждаемого газовым потоком ТЧЭ (особенно у таких тяжелых газов как ксенон, криптон); регистрация светимости только части (половины) излучающей поверхности ТЧЭ, недостаточная надежность, особенно при эксплуатации в космических условиях или при длительных испытаниях на ресурс на стендах из-за наличия только одного ПОИ; отсутствие элемента, способствующего формированию оптимального профиля скорости набегающего на ТЧЭ потока газа.

Задачей настоящего изобретения являются увеличения чувствительности расходомера и его надежности, повышение эффективности воздействия потока газа на теплочувствительный элемент.

Предлагаемое техническое решение изобретения состоит в том, что (см. чертеж) в стенке трубопровода 2 с теплоизоляцией 7 напротив оптического окна 3 располагается еще одно оптическое окно 3'. Данное решение приводит к удвоению величины выходного сигнала (или его изменения), так как позволяет регистрировать спектральную энергетическую светимость всей поверхности теплочувствительного элемента. Использование двух, по возможности, идентичных преобразователей оптического излучения 5 и 5’ существенно повышает надежность устройства в целом, так как при выходе из строя одного из ПОИ можно продолжать работу, пользуясь тарировочными характеристиками другого ПОИ. Устройство снабжается тремя тарировочными характеристиками: а) с обоими работающими ПОИ - 5 и 5’; б) с работающим ПЭИ 5; в) с работающим ПОИ 5’, чем и обуславливается повышение надежности устройства в целом.

Для формирования близкого к плоскому фронта набегающего на ТЧЭ потока газа, устанавливается на расстоянии трех-четырех калибров от ТЧЭ перфорированная (диаметр отверстий ~0,3 мм) пластина (или сетка) (см. чертеж) толщиной ~1-1,5 мм. На расстояниях, меньших 3D (трех калибров), будет происходить перегрев пластины (или сетки).

За прототип принято устройство [2]. Предлагаемое устройство работает следующим образом (см. чертеж). Подводимый по газопроводу 2 с теплоизоляцией 7 газ обтекает расположенный на расстоянии 2÷2,5 калибра от выходного сечения теплочувствительный элемент 1 (типа цилиндрической спирали), нагретый проходящим по нему через токоподводы 4, 4’ электрическим током до температуры ~1200 К, и уходит через выходное сечение в систему газовой подачи. Значительный перегрев высокотемпературного ТЧЭ 1 относительно температуры газа, которую последний приобрел при конвективном взаимодействии с нагреваемыми излучением от ТЧЭ стенками 2 газопровода с перфорированной пластиной 6, позволяет стабилизировать процесс теплоотдачи на поверхности ТЧЭ и, к тому же, уменьшить влияние температуры газа, которой он обладал на входе в устройство. Влияние температуры внешней среды уменьшается теплоизоляцией 7 наружных стенок 2 газопровода, нагреваемых изнутри излучением от ТЧЭ. Регистрация спектральной энергетической светимости всей поверхности ТЧЭ (у прототипа - половины поверхности), температура которой является функцией массового расхода газа, осуществляется через противоположно расположенные в стене газопровода 2 оптические окна 3 и 3’ преобразователями 5 и 5’ оптического излучения (см. чертеж).

Пример. Предлагаемый датчик расхода для измерения расхода ксенона при испытаниях электроракетного двигателя на испытательном стенде показал удвоение чувствительности, повышенную надежность (путем поочередного отключения ПОИ) и увеличение ресурса в целом.

Практически устройство изготовлено применительно к измерению расхода ксенона в ЭРД МТ модели М-100. Корпус датчика изготовляли из ковара 29НК с согласованным коэффициентом линейного термического расширения с огнеупорными стеклами окон и токовводов. Спираль изготовляли из нихрома Х20Н80. Теплоизоляцию корпуса осуществляли стеклотканью с пропиткой композицией КМ-41М на основе алюмохромофосфатного связующего (АХФС). Газоподвод и газовывод также изготовили из ковара. Сетка выполнялась из нержавеющей стали 12х18Н10Т с контактной точечной сваркой к стенке корпуса.

Таким образом, заявляемое устройство, обладая всеми достоинствами устройства [2], позволяет благодаря наличию второго оптического окна практически вдвое в сравнении с прототипом [2] увеличить чувствительность расходомера, существенно повысить надежность и ресурс, рационализировать условия теплообмена на поверхности ТЧЭ. При этом инерционность устройства остается на прежнем, как и у прототипа, низком уровне, и, как и у прототипа, определяется пренебрежимо малой инерционностью преобразователя оптического излучения (~10^-6 с) [3].

Источники информации

1. Короткой П.А. и др. Тепловые расходомеры. - Л.: Машиностроение, 1969.

2. Патент РФ №2164008. Устройство для измерения раскола газа (Авторы Румянцев Л.В., Васильев В.В.).

3. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986. - С.17. 169.

Формула изобретения

Устройство для измерения массового расхода газа, содержащее теплоизолированный корпус - газопровод с оптическим окном и с расположенным в газопроводе проволочным нагреваемым электрическим током теплочувствительным элементом в виде спирали, отличающееся тем, что в стенке газопровода по обе стороны спирали располагаются два оптических окна для регистрации спектральной энергетической светимости всей поверхности теплочувствительного элемента двумя преобразователями оптического излучения, а на пути газового потока на расстоянии ~3 калибров от теплочувствительного элемента устанавливают перфорированную пластину (сетку) с отверстиями диаметром ~0,3 мм.

РИСУНКИ