Счетчик массового расхода газа

 

(19) RU <и) (ЯЦЕК ООХРХ 68

K ПА П".БТУ

Комитет. Российской Федерации по патентам и товарным знакам

1 (21) 5058579/1 0 (22) 14,0892 (46) 15.11.93 Бюл. No 41-42 .(76) Попов Лев Николаевич; Толстопятов Сергей

Николаевич; Гладков Юрий Иванович; Генинг Ру- . дольф Робертович (54) СЧЕТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ГАЗА (57) Использование: в измерительной технике, в частности в счетчиках массового расхода для из— мерения газовых энергоносителей, воздуха и тд.

Сущность изобретения: счетчик массового расхода газа содержит один термоанемометрический датчик 1, два терморегулятора 2 и 3, один трубопровод

4, один первичный преобразователь 5, один бпак пинеаризации 6 и один регистратор расхода 7. 4 ил.

2003048

Изобретение относитсл к измерительной технике и может быть использовано для измерения масссвого расхода газовых энергоносителей, воздуха и пр.

Известно устройство измерения массового расхода газа, содержащее термоанемометрический датчик скорости движенил газа, первичный преобразователь, блок линеаризации и регистратор расхода. Блоклинеаризации имеет два каскада, каждый иэ которых содержит устройство возведенил сигнала в квадрат и устройство сдвига уровня, Такой слой линеаризации.реализует передаточную функци1о, 5

U« =(u — u )2/(Uо — U2)2/U, (1) имеющую три независимых параметра Up, О1, U2 позволяющие идеально скомпенсировать погрешность в трех точках характеристики. е

Недостатком устройства является его сложность и низкая точность из-за временной и температурной нестабильности устройства возведения аналогового сигнала в квадрат.

Известно устройство измерения массового расхода газа, отличающееся от рассмотренного тем, что блок линеаризации содержит соединенные каскадно: устройство сдвига уровня, логарифмический масштабирующий и антилогарифмирующий преобразователи и реализует передаточную функцию.

35

Оных =(Овх U1) /О2 ° -(2) Три независимых параметра 01, U2. К позволяют идеально скомпенсировать погрешность в трех точках характеристики. 40

Недостатком устройства лвляетсл его сложность и низкая точность из-за временной и температурной нестабильности логарифмирующего и антилогарифмирующего преобразователей. Кроме того, поскольку 45 входным сигналом регистрирующего устройства является напряжение, регистрация расхода в цифровой форме требует применения аналого-цифрового преобразователя, дополнительного усложняющего устройст- 50 ео и увеличивающего суммарную погрешность измерения.

Недостатком данного устройства лвляется сложность и низкая точность измерения расхода. 55

Целью изобретения явллетсл упрощение устройства и повышение точности измерсния массового расхода газа, Поставленная цель достигаетсл тем, что в счетчике массового расхода газа блок линеаризации содержит операционный усилитель, соединенный каскадно с ждущим мультивибратором, выход которого, являющийся выходом блока линеаризации, соединен с управляющими входами первого и второго ключа; прямой вход операционного усилителл соединен с выходом источника опорного напряжения, а его инвертирующий вход соединен; через первый резистор со входом преобразователя, через второй резистор и параллельно соединенные конденсатор и первый ключ с общей шиной, через второй ключ выходом резистивного делителл, вход которого соединен с входом преобразователя, через последовательно соединенные интегрирующий конденсатор и корректирующий резистор с выходом операционного усилителл.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого счетчика массового расхода газа; на фиг. 2 — электрическал принципиальная схема блока линеаризации, передаточнал характеристика которого приведена на фиг, 3. Возмо>кная реализация регистратора расхода дана на фиг. 4.

Счетчик массового расхода газа содержит термоанемометрический датчик 1 в виде двух терморезисторов 2 и 3, размещаемых в трубопроводе 4, подключенных к первичному преобразователю 5, выход которого соединен со входом каскадно соединенных блока линеаризации 6 и регистратора расхода 7.

Блок линеаризации 6 содержит операционный усилитель 8, соединенный каскадно с ждущим мультивибратором 9, выход которого соединен с выходной клеммой 10 и с управлл1ощими входами ключей 11 и 12; прямой вход операционного усилителя 8 со единен с выходом источника опорного напряжения 13, а его инвертирующий вход соединен через резистор 14 с вх одной клеммой 15 — через резистор 16 и йараллельно соединенные конденсатор 17 и ключ 12 с общей шиной — через ключ 11 с выходом резистивного делителя напряжения 18, вход которого соединен с входной клеммой

15, — через последовательно соединенные интегрирующий конденсатор 19 и корректирующий резистор 20 с выходом операционного усилителя 8, Предложенный вариант реализации регистратора расхода содержит входную клемму 21 для приема импульсов с частотой

F, поступающих с выхода нелинейного преобразователя напряжения в частоту, масштабирующий делитель частоты 22, счетчик импульсов 23, устройство индикации 24, клемму 25 для подключения автономного питания 26.

2003048

40

Счетчик массового расхода газа работает следующим образом, Первичный преобразователь фоомирует через термореэистор 2 ток, нагренающий этот терморезистор до такой температуры, при которой отношение сопротивлений термо рези сто ров 2 и 3 достигает задан ного (измерительным мостом) постоянного уровня.

В режиме термодинамического равновесил электрическая мощность, подводимая к терморезистору 2 тратится на теплообмен с окружающей средой. Имеются четыре пути такого теплообмена: излучение, теплопроводность установочной арматуры, естественная конвекция и теплообмен за счет обдува термореэистора 2 газом в трубопроводе 4. Мощность,затрачиваемая на излучение, теплопроводность и естественную конвекциюлвллетсл постоянной величиной, определяемой конструкцией датчика. Мощность, затрачиваемая на теплообмен эа счет обдува,определлется произведением плотности газа р на его скорость v в трубопроводе 4 в точке установки датчика. При ламинарном потоке скорость пропорциональная средней скорости vcp дви>кения газа в трубопроводе 4. При этом произведение р v

Регистратор расхода 7 в этом случае может быть выполнен в ниде цифрового устройства, показанного на фиг. 4, производящего масштабирование, счет импульсов и индикацию результата. Для сохранения результата счета при отключении внешнего (сетевого) питания (+Опи ) используется автономный источник 26, формирующий, напряжение +U nm, достаточное для сохране1 нил информации в счетчике 23, Для правильной работы блока линеаризации необходимо установить опорное напряжение Е источника 13 равным начальному значению напряжения U, снимаемого с первичного преобразователл 5, при нулевой скорости движенил газа через трубопровод 4, Тогда при разомкнутых кл1очах 11, 12 и 0 ) Е интегрирующий конденсатор 19 будет заряжаться током, протекающим через резистор 14, вследствие чего напрл>кение на выходе операционного усилителя 8 уменьшается. В момент, когда это напряжение достигнет порога срабатывания ждущего мультивибратора 9, на выходе этого мультивибратора формируется импульс длительностью г. Под действием этого импульса ключи 11 и 12 замыкаются, что приводит к формированию дополнительного (раэрлдного) тока через интегрирующий . конденсатор, направленный противоположной упомянутому зарядному току, протекающему через резистор 14. Параметры резисторов 14, 15, а также резисторов делителя 1.8 таковы, что значение разрядного тока больше значенил зарядного тока во всем рабочем диапазоне значений U. При этом на интервале действия импульса напряжение на выходе операционного усилителя Я увеличивается и к моменту окончания импульса становится больше порога срабатывания ждущего мультинибра1 ора 9. Реально, вследствие паразитной задержки срабатыванил ждущего мультивибратора 9 и паразитной задержки коммутации ключей 11 и l2, значение напряжения на выходе операционного усилителя в момент замыкания упомянутых ключей меньше значения статического порога срабатывания ждущего мультивибратора на величину динамической погрешности, Чтобы исключить влияние этой погрешности, а также влияние возможного гистерсзиса характеристики запуска мультинибратора 9 на работу устройства н области предельно

6oJlbLtlHx значений напряжения U, при KGTOрых положительное приращение напря>кения на интегрирующем конденсаторе на интервале действия импульса стремится к нулю, последовательно с конденсатором включен корректирующий резистор 20. Дейстние этого резистора проявляется в формировании коммутационных скачков напряжения на выходе операционного усилителя 8 (положительного скачка при замыкании ключей 11, 12 и. отрицательного скачка при их размыкании). Сопротивление корректирующего резистора 20 необходимо выбрать так, что амплитуда скачков была

2003048 больше суммы максимального значения динамической погрешности и максимальной ширины петли гистереэиса характеристики запуска мультивибратора 9. После окончания импульса ключи 11 и 12 размыкаются.

При этом составляющая разрядного тока, задаваемая делителем 18, исчезает практически мгновенно, а составляющая этого тока, задаваемая резистором 15, уменьшается постепенно (no закону экспоненты с постоянной времени О равной произведению сопротивления резистора.16 и емкости конденсатора 17), Статическую передаточную характеристику блока линеаризации, определяемую как функциональную зависимость между частотой следования выходных импульсов F u постоянным (медленно изменяющимся) входным напряжением У, можно получить иэ условия баланса процесса заряда и разряда интегрирующего конденсатора 19, полагая, что в установившемся режиме суммарное приращение заряда наэтом конденсаторе за период следования импульсов равно нулю. Эта функциональная зависи-, мость описывается алгебраическим выражением где коэффициент А равен отношению сопротивления резистора 14 к сопротивлению нижнего плеча резистивного делителя 18, коэффициент 8 равен отношению сопротивления резистора 14 к сопротивлению резистора 15, коэффициент С равен отношению постоянной времени О к длительности выФормула изобретения

СЧЕТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ГАЗА, содержащий термоанемометрический датчик, помещенный в измерительный участок трубопровода и подключенный к первичному преобразователю, соединенному через блок линеариэации с регистратором расхода, отличающийся тем, что блок линеаризации выполнен е виде последовательно соединенных источника опорного напряжения, подключенного к прямому входу операционного усилителя, и ждущего мультивибратора, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей и является выходом блока линеариэации, вход которого через реэистивный делитель соединен с общей шиходного импульса т, коэффициент 0 равен отношению сопротивления резистора 14 к сопротивлению верхнего плеча резистивногоделителя 18. Совместно с опорным напря5 жением Е эти коэффициенты образуют пять независимых параметра характеристики передачи функционального преобразователя напряжения в частоту, позволяющие идеально скомпенсировать нелинейность зави10 симосФи U(p ч) в пяти точках. Примерное расположение этих точек показано на фиг. . 3. Вне этих точек методическая погрешность измерения массового расхода газа не превышает долей процента.

15 . Упрощение предлагаемого устройства достигается за счет того, что схемная реализация блока линеариэации проще аналогичных блоков, применяемых в известных счетчиках массового расхода газа %1, t4 2.

20 Повышение точности измерения массового.расхода газа обеспечивается тем, что вследствие увеличения числа параметров реализуемой передаточной функции уменьшена методическая погрешность линеари25 зации характеристики передачи устройства, а также тем, что стабильность указанных параметров, определяемая стабильностью отношений сопротивления резисторов, существенно выше, чем стабильность па30 раметра характеристики передачи известных устройств, в которых для реализации нелинейной характеристики блока линеаризаций используют свойства полупроводниковых P-n-переходов, 35 (56) Патент США М 4373387, кл. G 01 F 1/68, 1987.

Патент США М 4193300, кл; G 01 F1/68,,1980..

40 нои блока линеаризации и через первыи резистор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, соединенному со своим выходом через последова45 тельно включенные первый конденсатор и второй реЗистор и подключенному к общей шине блока линеаризации через последовательно соединенные третий резистор и

50 второй конденсатор, при этом первый ключ включен между средней точкой резистивного делителя и инвертирующим входом операционного усилителя, а второй ключ включен между общей шиной блока лйнеариэации и первой обкладкой второго конденсатора, а термоанемометрический датчик выполнен в виде двух терморезисторов.

2003048

+зим

Составитель Л. Попов

Техред M.Mîðãåíòàë

Корректор А. Козориз

Редактор Н. Семенова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3229

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101