Тепловой расходомер

Изобретение относится к области измерительной техники. Расходомер содержит установленные на трубопроводе транзистор-нагреватель и два датчика температуры, включенные в мостовую схему, два источника опорного напряжения, сумматор, индикатор расхода. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения за счет используемой в устройстве схемы преобразования напряжения в ток, выполненной на транзисторе-нагревателе, операционном усилителе и токозадающем резисторе, а также благодаря стабилизации напряжения сток-исток транзистора с помощью стабилизатора напряжения и повторителя напряжения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к тепловым устройствам для измерения расхода жидкости или газа.

Известный тепловой расходомер [1] состоит из трубопровода, на котором находятся датчики температуры, расположенные по обе стороны от нагревающего транзистора, и измерительной схемы, сигнал на выходе которой с определенной степенью приближения пропорционален мощности отдаваемой нагревающим транзистором потоку. В частности, погрешности измерения обусловлены нестабильностью напряжений база-эмиттер (Uбэ) нагревающего транзистора и транзистора, используемого для преобразования напряжения в ток, которые зависят от тока эмиттера и температуры. Измерительная схема не учитывает ту часть мощности, которая рассеивается на переходе база-эмиттер нагревающего транзистора. В ней использован преобразователь напряжения в ток имеющий низкую точность.

Заявляемое изобретение предназначено для решения задачи повышения точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что известный тепловой расходомер, содержащий установленные на трубопроводе транзистор-нагреватель и два датчика температуры, расположенные по обе стороны от нагревателя и включенные в мостовую схему, два других плеча которой образованы постоянными резисторами, усилитель разбаланса, включенный в одну из диагоналей мостовой схемы, источник опорного напряжения, включенный в основную диагональ мостовой схемы, токозадающий резистор и операционный усилитель, согласно изобретению дополнительно содержит сумматор, повторитель напряжения, стабилизатор напряжения, индикатор расхода и второй источник опорного напряжения, к первому входу сумматора подключен выход усилителя разбаланса, ко второму входу сумматора подключен второй источник опорного напряжения, выход сумматора подключен к неинвертирующему входу ОУ, выход ОУ соединен с затвором транзистора-нагревателя, исток транзистора соединен с инвертирующим входом ОУ, со входом повторителя напряжения и, через токозадающий резистор, с общим проводом схемы, выход повторителя напряжения соединен с общим выводом стабилизатора напряжения, выход стабилизатора напряжения соединен со стоком транзистора, вход стабилизатора напряжения соединен с источником питания, а к выходу усилителя разбаланса подключен индикатор расхода.

На чертеже приведена блок-схема расходомера.

Расходомер состоит из трубопровода 1, датчиков температуры 2 и 3, расположенных по обе стороны от нагревающего транзистора 4, припаянного теплоотводом к трубопроводу, резисторов 5, соединенных в мостовую схему с датчиками температуры, источника 6 опорного напряжения, подсоединенного к одной из диагоналей мостовой схемы, усилителя 7 разбаланса, включенного в другую диагональ мостовой схемы, сумматора 8, одним из входов подсоединенного к выходу усилителя разбаланса, а другим - ко второму источнику опорного напряжения 9, операционного усилителя 10 (ОУ), неинвертирующий вход которого соединен с выходом сумматора, выход ОУ соединен с затвором транзистора-нагревателя, исток транзистора соединен с инвертирующим входом ОУ, со входом повторителя напряжения 11 и через токозадающий резистор 12 - с общим проводом схемы, выход повторителя напряжения соединен с общим выводом стабилизатора напряжения 13, выход стабилизатора напряжения соединен со стоком транзистора, вход стабилизатора напряжения соединен с источником питания 14, а к выходу усилителя разбаланса подключен индикатор расхода 15.

Расходомер работает следующим образом.

Усилитель разбаланса усиливает сигнал, поступающий с мостовой схемы, образованной датчиками температуры 2 и 3, резисторами 5. Датчик температуры 2 установлен рядом с транзистором, а датчик 3 должен располагаться со стороны входа потока вещества в трубопровод на достаточно большом расстоянии от транзистора, поскольку при симметричном относительно транзистора расположении датчиков 2 и 3 невозможно получить заданную разность ΔT температур датчиков при нулевой скорости потока вещества. Мост разбалансирован таким образом, чтобы при выбранном значении разности температур датчиков ΔT напряжение на выходе усилителя разбаланса равнялось нулю. При нулевой скорости потока (U=0) при первоначальной настройке устройства устанавливается такая величина напряжения V_a на выходе источника опорного напряжения 9, при которой напряжение V_b на выходе усилителя разбаланса 7 будет равно нулю. При этом на транзисторе 4 рассеивается стационарная составляющая мощности P_a.

При движении жидкости по трубопроводу часть тепла отбирается потоком от транзистора-нагревателя 4, напряжение разбаланса V_b с выхода усилителя разбаланса поступает на первый вход сумматора 8. На второй вход сумматора подается напряжение V_a от источника 9. Напряжение V_c=V_a+V_b с выхода сумматора поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя 10, выходное напряжение ОУ поступает на затвор транзистора и открывает его таким образом, чтобы напряжение на токозадающем резисторе 12 и на инвертирующем входе ОУ было равно напряжению на выходе сумматора. При этом ток стока транзистора 4 устанавливается равным I_c=(V_а+V_ь)/R, где R - величина сопротивления резистора 12. Стабилизатор напряжения 13 поддерживает постоянную величину напряжения между истоком и стоком транзистора. Повторитель напряжения 11 исключает протекание тока общего вывода стабилизатора напряжения 13 через резистор 12.

Посредством тепловой обратной связи схема расходомера изменяет отдаваемую нагревающим транзистором мощность и разность температур датчиков 2 и 3 поддерживается постоянной. Мощность, рассеиваемая на транзисторе-нагревателе 4, P_c=I_cV_s, где V_s - выходное напряжение стабилизатора 13. Она состоит из стационарной составляющей P_a=I_aV_s, соответствующей нулевой скорости потока (U=0), и динамической составляющей P_b=I_bV_s, соответствующей той части полной мощности Р_с, которая компенсирует потери тепла, уносимого потоком движущейся жидкости. Поскольку P_b˜I_b˜V_b, то на индикатор расхода 15 подается напряжение V_b, пропорциональное динамической мощности Р_b, которая пропорциональна расходу среды.

Повышение точности измерения в предлагаемом устройстве достигается за счет и использования схемы точного преобразования напряжения в ток на элементах 4, 10, 12 и стабилизации напряжения сток-исток транзистора 4 с помощью стабилизатора напряжения 13 и повторителя напряжения 11.

Использованная литература:

1. Авт.св. СССР №1456789, кл. G 01 F 1/68, 07.02.89. Бюл. №5.

Тепловой расходомер, содержащий установленные на трубопроводе транзистор-нагреватель и два датчика температуры, расположенные по обе стороны от нагревателя и включенные в мостовую схему, два других плеча которой образованы постоянными резисторами, усилитель разбаланса, включенный в одну из диагоналей мостовой схемы, источник опорного напряжения, включенный в основную диагональ мостовой схемы, токозадающий резистор и операционный усилитель, отличающийся тем, что дополнительно содержит сумматор, повторитель напряжения, стабилизатор напряжения, индикатор расхода и второй источник опорного напряжения, к первому входу сумматора подключен выход усилителя разбаланса, ко второму входу сумматора подключен второй источник опорного напряжения, выход сумматора подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с затвором транзистора-нагревателя, исток транзистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, со входом повторителя напряжения и через токозадающий резистор с общим проводом схемы, выход повторителя напряжения соединен с общим выводом стабилизатора напряжения, выход стабилизатора напряжения соединен со стоком транзистора, вход стабилизатора напряжения соединен с источником питания, а к выходу усилителя разбаланса подключен индикатор расхода.