Микрорасходомер газа с задаваемым значением чувствительности

Расходомер содержит: герметичный корпус 1 с теплообменником 2 и газораспределительной камерой 3, с которой герметично соединены два идентичных канала - измерительный 4 и термокомпенсационный 5, с размещенными в них идентичными термисторами с косвенным нагревом - 6, 7, которые включены в качестве управляющих элементов в схемы: 8 - стабилизации теплового режима измерительного термистора 6, 11 - стабилизации теплового режима теплоносителя. Со спиралью измерительного термистора 6 последовательно соединено нагрузочное сопротивление R_H, падение напряжения на котором при протекании по нему тока косвенного нагрева является выходным сигналом микрорасходомера. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения, возможность задания чувствительности по расходу независимо от контролируемого газа. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в устройствах для измерения расхода газа.

Известен тепловой расходомер, содержащий корпус, в котором размещаются: теплообменник управляемой мощности, газораспределительная камера и герметично соединенные с ней измерительный и термокомпенсационный каналы. В одном из которых располагается измерительное полупроводниковое сопротивление (термистор), включенное в блок преобразования выходного сигнала, а в другом - идентичный термистор, включенный в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации контролируемого газового потока - теплоносителя - на задаваемых температурных уровнях. На внешних поверхностях каналов расположены дополнительные нагреватели [1].

В статическом состоянии расходомер заполняется подлежащим последующему контролю газом и при отсутствии расхода с помощью схемы термостабилизации газ нагревается до температуры Т_п, которая поддерживается схемой неизменной при любом расходе. Температура измерительного термистора изменением силы тока косвенного нагрева, протекающего через его спираль, устанавливается на уровне

Т₀>Т_п и его сопротивление становится равным R(T₀). Величина силы тока I₀ фиксируется на достигнутом уровне и впоследствии остается неизменной (I₀=const). С появлением расхода контролируемого газа температура измерительного термистора изменяется, в силу чего изменяется и величина его омического сопротивления R(G), являющаяся выходным сигналом расходомера, регистрируемого блоком преобразования выходного сигнала (омметром или частотомером).

По большинству совпадающих признаков этот расходомер принят в качестве прототипа.

Наличие схемы термостабилизации теплоносителя на задаваемом уровне, превосходящем температуры входящего в расходомер контролируемого газа и внешней среды, обеспечивает независимость показаний расходомера от этих температур, т.е. его температурную автономность. Однако процесс конвективного теплообмена не оптимизирован - мощность потока конвективной теплоотдачи Q_α(G)=α(G)·θ(G)·S=W₀=I₀ ²r=const (r - coпротивление спирали термистора) остается постоянной, так как, несмотря на увеличение с ростом расхода коэффициента теплоотдачи α(G), одновременно уменьшается температурный напор

θ(G)=[T(G)-T_п]=W₀/α(G)·S.

К недостаткам известной конструкции можно, на наш взгляд, отнести невысокую ее чувствительность по расходу и, как следствие, недостаточно высокую точность измерений, а также отсутствие возможности задания величины чувствительности независимо от рода контролируемого газа. Кроме того, форма выходного сигнала - омическая или частотная - усложняет процедуру его автоматической регистрации.

Целью предлагаемого изобретения является создание теплового расходомера, лишенного недостатков прототипа. В частности, к задачам, которые поставили перед собой авторы, относятся: повышение точности измерения расхода контролируемого вещества; существенное повышение чувствительности по расходу, обеспечение возможности задания ее величины независимо от рода контролируемого газа.

Поставленная цель достигается тем, что в микрорасходомере газа измерительный термистор включается в качестве управляющего элемента в схему стабилизации его теплового режима на задаваемом температурном уровне. Нагрузкой в схеме стабилизации служит спираль косвенного нагрева измерительного термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление задаваемой величины, падение напряжения на котором становится выходным сигналом микрорасходомера.

Предлагаемое техническое решение состоит в смене режима работы расходомера - вместо режима постоянной мощности расходомер работает в режиме постоянного температурного напора θ₀=Т₀-Т_п, где Т₀=const и Т_п=const - температуры измерительного термистора и теплоносителя, остающиеся неизменными при любом расходе. В этом режиме работы независимость от расхода температуры измерительного термистора обеспечивается изменением с расходом силы тока косвенного нагрева, величина которой становится функцией расхода I_к.н = I_к.н(G). Мощность потока конвективной теплоотдачи, пропорциональная коэффициенту теплоотдачи α(G), растет с расходом как α(G), поскольку температурный напор

θ₀=W_кн(G)/α(G)·S=1² _к.н(G)·r/α(G)·S=const. Последовательное подключение к спирали косвенного нагрева измерительного термистора нагрузочного сопротивления R_H, падение напряжения на котором становится выходным сигналом расходомера, позволяет задавать чувствительность расходомера по соотношению S_U=R_H·S₁, т.е. увеличивать чувствительность по току в R_н раз. Во столько же раз возрастает и уровень выходного сигнала U_н(G)=R_н-I_к.н.(G), что приводит к повышению точности измерения расхода предлагаемым расходомером. Для автоматического управления силой тока косвенного нагрева с целью обеспечения постоянства температуры измерительного термистора последний включается в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации его температуры на постоянном уровне Т₀, нагрузкой которой является спираль измерительного термистора и нагрузочное сопротивление R_н. Таким образом, расходомер содержит две схемы термостабилизации: измерительного термистора на уровне Т₀ и теплоносителя на задаваемых уровнях Т_п.

Сущность технического решения поясняется чертежом, где

изображен общий вид предложенного расходомера с задаваемым значением чувствительности. Он содержит: теплоизолированный внутри герметичный металлический корпус 1 с входным и выходным штуцерами (не показаны); нагреватель-теплообменник 2 (ТО) с нихромовой спиралью 10 внутри него; газораспределительную камеру 3 (ГРК), герметично соединенную с ТО и с двумя идентичными каналами 4, 5, в каждом из которых расположены идентичные термисторы 6 и 7; измерительный термистор 6 в канале 4 включен в качестве управляющего элемента в электронную схему 8 (СТР_G) стабилизации его теплового режима на задаваемом уровне Т₀, нагрузкой которой служит спираль косвенного нагрева этого термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление (резистор) R_H, падение напряжения на котором измеряется вольтметром 9; термокомпенсационный термистор 7 в канале 5 включен в качестве управляющего элемента в электронную схему 11 (СТР_т) стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемых уровнях Т_п, нагрузкой которой служит спираль 10 теплообменника и электрически соединенные с ней последовательно дополнительные нагреватели 12, 13 на внешних поверхностях каналов.

Работа расходомера с задаваемым значением чувствительности осуществляется следующим образом.

Через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Т_вх поступает в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т_г и попадает в газораспределительную камеру 3, делящую газовый поток на два одинаковых по расходу (G/2) и температуре потока, поступающих затем в измерительный 4 и в термокомпенсационный 5 каналы соответственно. Термистор 7, размещенный в термокомпенсационном канале 5, принимает температуру Т_г вышедшего из теплообменника потока газа расходом G/2, и его омическое сопротивление становится равным R(T_г). Если Т_г≠Т_п - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т_вх и Т_c, под действием сигнала рассогласования ±ΔR(T_г, Т_п) с блока 11 управления мощностью (СТР_т) к спиралям 10, 12, 13 подводится дополнительная мощность ±ΔW(T_г, Т_п), сводящая сигнал рассогласования к нулю. Это приводит, как и у прототипа, к стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом уровне Т_п, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т_вх и Т_с, т.е. его температурная автономность. Функции дополнительных нагревателей на внешних поверхностях каналов те же, что и у прототипа.

Измерительный термистор 6 в измерительном канале 4 нагревается током косвенного нагрева до задаваемой температуры Т₀>Т_п. При этом его сопротивление становится равным R(T₀). Подача расхода приводит к уменьшению его температуры на величину ΔT, следовательно, к увеличению его сопротивления на величину ±ΔR(ΔT). Под действием этого сигнала рассогласования блок 8 управления силой тока косвенного нагрева (СТР_G) вырабатывает дополнительный ток +ΔI_к.н(ΔT) (дополнительную мощность +ΔW_KH(ΔТ) косвенного нагрева), сводящий сигнал рассогласования к нулю, вследствие чего температура термистора вновь становится равной Т₀, а его сопротивление - R(T₀). Падение напряжения на нагрузочном сопротивлении увеличивается и становится равным U_н=R_н·(I_кн.+ΔI_кн). Из каналов газовые потоки расходом G/2 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G через выходной штуцер (не показан) уходит в газовую сеть.

Практика работы с расходомером показала, что выходной сигнал изменяется в пределах: U_N2≈65÷85 В; U_Ar≈86÷109 В; U_xe≈83÷106 В в диапазоне расхода 0÷12 мг/с (через один канал) при величинах нагрузочных сопротивлений: (R_H)_N2=5,6 к; (R_н)_Ar≈7,5 к; (R)_Xe≈13,3 к и заданной чувствительности для всех контролируемых газов S_U=2 В/(мг·с^-1).

Таким образом, чувствительность расходомера не зависит от рода газа, что очень важно в случае измерения расхода газов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами, таких, например, как азот и ксенон. Очевидным достоинством этого расходомера является так же то, что минимальный выходной сигнал (при G=0) составляет десятки вольт, и это исключает дрейф нуля, который наблюдается у известных тепловых расходомеров. Отмеченными достоинствами не обладает ни один из известных тепловых расходомеров.

Микрорасходомер газа, содержащий корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней измерительным и термокомпенсационным каналами, на внешних поверхностях которых размещены нагреватели, при этом в измерительном канале размещен измерительный термистор, а в термокомпенсационном канале - термокомпенсационный термистор, включенный в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации теплоносителя на задаваемых уровнях, отличающийся тем, что измерительный термистор включен в качестве управляющего элемента в схему стабилизации его теплового режима на задаваемом температурном уровне, нагрузкой которой служит спираль косвенного нагрева измерительного термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление задаваемой величины, падение напряжения на котором является выходным сигналом микрорасходомера.