Способ теплового измерения расхода и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СоаЕЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (111

З(511 G 01 Г 1/68

Н ABT0PCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3265788/18-10 (22) 23.03.81 (46) 30.11.84. Бюл. N 44 (72) Н.Д,Дубовой1 С.А.Поволоцкий и A.À.Ñàçoíoâ (7 } ) Москов ский институт электронной техники (53) 681. 121. 8(088. 8) (56) 1. Азимов Р. К, Измерительные преобразователи с распределенными параметрами. М., "Энергия", 1977, с. 50-53.

2. Авторское свиДетельство СССР.

1(767525, кл. G 01 F 1/68, 1980. (54) СПОСОБ ТЕПЛОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ1ЦЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Способ теплового измерения расхода жидкости или газа путем циклического нагревания охлаждаемого контролируемым потоком термочувствительного элемента между его верхним и нижним граничными значениями температуры, при котором .о расходе судят по времени перехода термочувствительного элемента из одного темпера- турного состояния в другое, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения расхода, нижнее граничное значение уровня охлаждения потоком термочувствительного элемента изменяют во времени пропорционально изменению температуры потока, при этом разность между температурами нагрева и охлаждения поддерживают постоянной, 2. Устройство для теплового измерения расхода, содержащее измерительный кварцевьп термочувствительный элемент, расположенный в потоке трубопровода, выводы которого подключены к входам автогенератора, нагреватель кварцевого термочувствительного элемента, подключенный к выходу источника питания, вычитатель и устройство индикации, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены первый и второй

55-триггеры, управляемый элемент задержки, первый, второй и третий компараторы, преобразователь частота— код, первый и второй сумматоры, арифметическое устройство, первое, второе, третье и четвертое запоминающие устройства и преобразователь время код, у которого информационный вход подключен к прямому выходу второго

Rá-триггера и потенциальному входу третьего компаратора, управляющий потенциальный вход подключен к выходу первого R5 -триггера, входу источника питания и первому входу управляемого элемента.задержки, а выходная шина преобразователя время— код подключена через арифметическое устройство к первой входной шине вычитателя, у которого вторая входная шина подключена к выходной шине четвертого запоминающего устройства, а выходная шина вычитателя подключена к входной шине устройства индикации, управляющий потенциальный вход которого подключен к инверсному выходу второго R5 -триггера, у которого первый вход подключен к выходу второго компаратора и входу сброса первого

Ю-триггера, у которого первый вход запуска подключен к выходу первого компаратора и к первому входу перезаписи второго запоминающего устрой11268 l 8 ства, а второй вход запуска первого

Щ-триггера подключен к выходу управляемого элемента задержки и второму вхбду перезаписи второго запоминающего устройства, у которого входная шина подключена к первым входным шинам первого, второго и третьего компараторов и выходной шине преобразователя частота — код вход которого подключен к выходу автогенератора и второму входу управляемого элемента задержки, а выхоцная шина второго запоминающего устройства подключена

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения скорости или расхода потока газа либо жидкости.

Известен способ теплового измерения расхода жидкости или газа путем циклического нагревания охлаждаемого контролируемым потоком термочувствительного элемента (ТЧЭ) между его верхним и нижним граничными значения- ми температуры, согласно которому о расходе судят по времени перехода

ТЧЭ иэ одного температурного состояния в другое jl) .

Недостатком этого способа является необходимость в использований дополнительных компенсационного канала в измерительном участке трубопро. вода и компенсационного ТЧЭ, Известно также устройство для що теплового измерения расхода,. выполненное структурно в виде измеритель ного и компенсационного независимых самобаланснруемых контуров, каждЫ иэ которых содержит включенные .по- я следовательно одноименные кварцевый термочувствительный элемент (КТЧЭ), автогенератор, вычитатель частоты, преобразователь частота-напряжение и источник питания, выполненный в виде интегратора, выход которого подключен к одноименному нагревателю КТЧЭ, Устройство также содержит общие аналоговый вычитатель, формирователь

Опорной частоты и узел аналогового масштабирования.

Выходной сигнал измерительного контура является функцией темнератук второй входной шине первого компаратора и первым входным шинам первого и второго сумматоров, вторые вход. ные шины которых подключены к выходным шинам соответственно первого и третьего запоминающих устройств, а выходные шины сумматоров подключены у первого вЂ, к второй входной шине второго компаратора, а у второго — к второй входной шине третьего компаратора, у которого выход подключен к второму входу второго

85 — триггера.

2 ры и скорости, а компенсационного контура — только температуры контролируемого потока. В результате вычитания выходных сигналов этих двух контуров на выходе расходомера выделяется разностный сигнал, характеризующий скорость или при постоянном сечении трубопровода — расход потока.

Идентичность прео9раэования обоих контуров обеспечивается узлом аналогового масштабирования f2)

Недостатком устройства является го, что оно ориентировано на исполь" зование дополнительных компенсационного КТЧЭ и компенсационного канала в измерительном участке трубопровода.

Цель изобретения — повышение точности измерения, Указанная цель достигается тем, что согласно способу теплового измерения расхода жидкости илн газа путем циклического нагревания охлаждаемого контролируемым потоком КТЧЭ между его верхним и нижним граничными значениями температуры, при котором о расходе судят по времени перехода.

КТЧЭ из одного температурного состояния в другое, нижнее граничное значение уровня охлаждения потоком КТЧЭ изменяют во времени пропорционально изменению температуры потока, при этом разность между температурами нагрева и охлаждения поддерживают постоянной, В, устройстве для теплового измерения расхода содержащем измеритель> ный КТЧЭ расположенный в потоке трубопровода, выводы которого подклю!

)26 чены ко входам автогенератора и нагреватель КТЧЭ, подключенный к выходу источника питания, вычитатель и устройство индикации, дополнительно введены в него первый и второй RS5 триггеры, управляемый элемент задержки, первый, второй и третий ком- . параторы, преобразователь частота-код, первый и второй сумматоры, арифметическое устройство, первое, второе, третье и етвертое запоминающие устройства и преобразователя время код, у которого информационный вход подключен к прямому выходу второго

RS-триггера и потенциальному входу !

5 третьего компаратора, а управляющий потенциальный вход подключен к выходу первого РБ-триггера, входу источника питания и первому входу управляемого элемента зад ржки, а выходная шина преобразователя время — код подключена через арифметическое устройство первой входной шине вычитателя, у которого вторая входная шина подключена к выходной шине четвертого запоминаю- 25 щего устройства, а выходная шина вычитателя подключена к входной шине устройства индикации, управляющий потенциальный вход которого подключен к инверсному выходу второго RS-триггера у которого первый вход подключен к выходу второго компаратора и входу сброса первого RS-триггера, у кот срого первый вход запуска подключен к выходу первого компаратора и к первому входу перезаписи второго запоми- 35 нающего устройства, а второй вход запуска первого RS-триггера подключен к выходу управляемого элемента задержки и второму входу перезаписи второго запоминающего устройства, у 40 которого входная шина подключена к первым входным шинам первого, второго и третьего компараторов и выходной шине преобразователя частота-код, вход которого подключен к выходу автогенератора и второму входу управляемого элемента задержки, а выходная шина второго запоминающего устройства подключена ко второй входной шине первого компаратора и первым 50 входным шинам первого и второго сумматоров, вторые входные шины которых подключены к выходным шинам соответственно первого и третьего запоми-. нающих устройств, а выходные шины 55 сумматоров подключены у первого — ко второй входной шине второго компара тора, а у второго - ко второй входнои

818 4 шине третьего компаратора, у которого выход подключен ко второму входу второго RS-триггера.

На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — временные диаграммы работы устройства> на фиг.3 — диаграмма функционирования устройства.

Устройство (фиг.1) содержит измерительный кварцевый термочувствитель" ныи элемент 1, расположенный в трубопроводе 2, нагреватель 3, источник питания 4, первый RS-триггер 5, автогенератор 6, первый 7 и второй

8 компараторы, сумматор 9, первое запоминающее устройство 10, управляемый элемент задержки !1, второе

Ф запоминающее устройство 12, преобразователь частота-код 3, третий ком" паратор 14, второй сумматор 15, третье запоминающее устройство 16, второй RH-триггер 17, преобразователь время-код 18, арифметическое устрой" ство 19, четвертое запоминающее устройство 20, вычитатель 2.1 и устройство индикации 22.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, до включения питания КТЧЭ1 имеет температуру контролируемой среды (То) . При включении питания происходит автоматическое возбуждение автогенератора 6 на частоте (<, пропорциональной текущему значению температуры КТЧЭ!

Спустя время, равное времени задержки элемента 11, сигналы автогенератора 6 устанавливают триггер 5 в исходное состояние и одновременно осуществляют запись с заданным допуском в запоминающее устройство 12 кода двоичного числа, соответствующего те" кущему значению частоты (f 1 автогенератора 6, предварительно преоб- разованного преобразователем 13.

Триггер 5 включает при этом источник питания 4, выполненный в виде гене" ратора тока, который с помощью нагреГ вателя 3 осуществляет нагрев КТЧЭ1 до верхнего граничного значения температуры перегрева Т 3 Т, соот-. ветствующей его резонансной частоте

I, f.„ . Запоминающее устройство 10 предназначено для хранения кода двоичного числа, соответствующего выбранной постоянной разности частот ! 1 = 6 - c = Const. Информация запоминающего устройства 10 сумми1126818 руется непрерывно сумматором 9 с кЬдом двоичного числа, соответствующего частоте f и хранящемся в запоминающем устройстве 12, а результат сложения поступает на компаратор 8 °

При достижении в результате нагрева

КТЧЭ температуры перегрева Т = Т + Ь Т, где Т, = Const,, происходит совпадение кода двоичного числа, соответствующего частоте (g„) 10 автогенератора 6 с кодом двоичного числа, формируемого сумматором 9, после чего компаратор 8 переключает триггеры 5 и 17 в новые состояния, при которых нагреватель 3 обесточивается. Верхнее граничное значение температуры перегрева КТЧЭ) будет соответствовать при этом началу его режима регулярного теплообмена, и он

Находится при этом в состоянии го- 20 товности к проведению процесса измерения. Начиная с этого момента, КТЧЭ1 . начинает охлаждаться за счет свободной либо вынужденной конвенкции до температуры нижнего граничного значения охлаждения То и затем далее до температуры контролируемой среды

Я = Var после чего цикл нагрев,й=... охлаждение будет периодически повторяться. Базовый диапазон изменения температуры КТЧЭ при его охлаждении Т =Тц — Тд= Сопз1, повремени прохождения которого судят о расходе, выбирают значительно уже полного диапазона колебаний температуры КТЧЭ 1,35 т,е, Ь Т2 (< 6T< что позволяет дополнительно ослабить влияние на результат измерения временного дрейфа температуры Т- . Нижнее граничное значение температуры охлаждения Тб измери- 40 тельного базового интервала ЬТ выбирают из условия Т > y Т q Т .Значение о

Т изменяется непрерывно и пропорциоб нально во времени с изменением темпе. ратуры Т ° Код двоичного числа, соот-45 ветствующего разности температур фТ постоянно хранится в третьем запоминающем устройстве 16; Этот код непрерывно суммируется сумматором 15 с кодом, хранящимся в запоминающем 50 устройстве 12. Результат суммирования поступает на компаратор 14, который непрерывно сравнивает его с кодовым представлением текущей частоты автогенератора б, При охлаждении КТЧЭ1 до температуры Tä происходит совпадение сравниваемых кодов и компаратор

14 переключает триггер )7 в исходное состояние, а КТЧЭ) продолжает охлаждаться далее до температуры Т . Время нахождения триггера 17 в предьдущем состоянии, равное gt обратно ропорционально скорости V охлаждения

КТЧЭ1 . контролируемым потоком, т,е.

gt ь 1/V. После преобразования преобразователем 18 этого временного интервала в код последний поступает на арифметическое устройство 19, которое осуществляет обратное преобразование его к виду с прямопропорциональной зависимостью, т,е, KV (где К вЂ” коэффициент пропорциональности) и одновременно осуществляет его масштабирование ° При отсутствии скоростной компоненты потока этот результат будет характеризовать только неинформационные теплопотери КТЧЭ . а не расход, Значение этих тейлопотерь автоматически поддерживается схемой устройства на постоянном уровне и при постоянных теплофизических свойствах среды их величина будет всегда постоянной, Это позволяет измерить предваритель" но их величину и результат измерений в форме двоичного числа хранить в четвертом запоминающем устройстве 20, В результате такой адаптируемости рабочего диапазона к изменениям текущей температуры контролируемой среды при отсутствии расхода вычитатель 21 будет компенсировать полностью результат измерения, а при наличии расхода — компенсировать только неинформационную составляющую теплопотерь. Результирующий сигнал вычитателя 21, характеризующий при постоянном сечении трубопровода 2 расход контролируемого потока, поступает на устройство индикации 22, которое осуществляет перезапись этой информации только при наличии соответствующего потенциального уровня на инверсном выходе триггера 17. КТЧЭ) при этом продолжает охлаждаться до температуры Т и при достижении ее зна0 чения происходит совпадение кода, хранящегося в запоминающем устройстве 12 с кодом текущей частоты КТЧЭ1

Компаратор 7 фиксирует это совпадение и выдает команду на перезапись информации в запоминающее устройство

12 и переключение триггера 5. Последний осуществляет при этом сброс в исходное состояние элемента задержки 11 и преобразователя 18 и вновь включает нагреватель КТЧЭ1

1126818

На этом предыдущий цикл измерения заканчивается и начинается следующий (см. фиг. 3), Длительность задержки элемента 11 выбирается большей

3 максимально возможного времени охлаж- 5 дения КТЧЭ1 от температуры Т до температуры Т, т ° е. с » д1 . Потенциальная связь между прямым выходом триггера 17 и разрешающим входом компаратора 14 запрещает срабатывание 10 последнего на значение температуры

Т при прохождении ее КТЧЭ1 в полуо цикле нагрева. Частота включения нагревателя определяется временем охлаждения КТЧЭ1 скоростным потоком. 15

Для повышения надежности схемотехнического отслеживания текущих изменений температуры контролируемой среды в предлагаемом устройстве используются одновременно два независимых бло- 20 ка (первый компаратор 7 и управляемый элемент задержки 1IIj,êoòoðûå функционально дублируют работу друг друга. Потенциально-временные диаграммы их работы 8 и 3 показаны на 25 фиг. 2, Аналогичные диаграммы работы автогенератора 6, первого триггера 5, преобразователя частота-код 13, второго запоминающего устройства 12, источника питания 4, второго компа- 30 ратора 8, второго триггера 17, преобразователя время-код 18, третьего компаратора 14 и-устройства индикации 22 показаны на фиг,2 — 2,4,5,6,7, 10, 11, 12, 13 и 14 соответственно. По- З5 тенциально-временные диаграммы работы первого 10, третьего 16 и четвертого 20 запоминающих устройств приведены на фиг.2 — 9, а диаграмма режимов измерения при отсутствии и на- 40 личии скоростной компоненты контролируемого потока показана на фиг.2 — 1.

Технико-зкономическая эффективность изобретения заключается в следующем.

Упрощается конструкция измерительного участка трубопровода за счет исключения из него компенсационного канала, компенсационного КТЧЭ и его нагревателей, Отпадает необходимость в подборе пар КТЧЭ с идентичными характеристиками, в использовании прецизионных подгоночных и регулировочных элементов, а также в операциях по их настройке, Исключаются погрешности, обусловленные неидентичностью характеристик преобразования измерительного и компенсационного КТЧЭ, так как в предлагаемом устройстве информационная и неинформационная составляющие расхода измеряются одним и тем же КТЧЭ и одним и тем же каналом и в одном и том же месте сечения измерительного участка трубопровода.

Дискретный последовательностный характер работы функциональных узлов предлагаемого устройства и низкая их загрузка во времени позволяют использовать последние для управления несколькими измерительными КТЧЭ многоканальных измерительных устройств в режиме разделения времени.

Стабильность получаемых опорных уровней отсчета в диапазоне девиации температуры КТЧЭ обеспечивается высокими точностными характеристиками его преобразования, Способ теплового измерения расхода, используемый в предлагаемом устройстве, может быть распространен на другие типы ТЧЭ и на другие виды измеряемых параметров.!

126818

1126818

Составитель Г.Тимофеев

Редактор А.Долинич Техред M.Гергель Корректор О.Лугован

Заказ 8681/31 Тираж 609 Подш сное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филйал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4