Тепловой, переменной мощности расходомер газа

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с. Сущность: в корпусе устройства размещены теплообменник управляемой мощности с нагревательной спиралью, газораспределительная камера, два измерительных и два термокомпенсационных канала, в которых установлены теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов, дополнительные спирали. Измерительные и термокомпенсационные каналы герметично соединены с газораспределительной камерой. Дополнительные спирали размещены на внешних поверхностях измерительных и термокомпенсационных каналов. Термисторы термокомпенсационных каналов, а также последовательно соединенные спираль теплообменника и дополнительные спирали подключены к блоку управления мощностью. При этом в качестве теплочувствительных элементов используются идентичные термисторы без косвенного нагрева. Нагрев термисторов в измерительных каналах осуществляется непосредственно проходящим через них током от источника питания неизменного во времени постоянного напряжения. Блок преобразования выходного сигнала выполнен в виде мостовой схемы, одно из плеч которой составляют последовательно соединенные между собой термисторы в измерительных каналах. Технический результат: повышение чувствительности устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с.

Общими недостатками тепловых расходомеров являются: малая величина выходного сигнала, что требует создания для увеличения сигнала сложных усилительных схем; недостаточные точность и чувствительность, большая тепловая инерционность.

Известен автономный четырехканальный расходомер газа, содержащий герметичный теплоизолированный металлический корпус с расположенными в нем теплообменником с нагревательной спиралью и газораспределительной камерой для подачи поступающего в нее потока газа в два измерительные и в два термокомпенсационные каналы, выполненные идентичными. В каналах размещены теплочувствительные элементы (ТЧЭ) в виде соединенных последовательно полупроводниковых сопротивлений (термисторов) с косвенным нагревом, при этом подводимая к ним мощность постоянна, а на внешних поверхностях каналов установлены дополнительные нагревательные спирали. ТЧЭ термокомпенсационных каналов включены в электронную схему блока управления мощностью теплообменника и дополнительных нагревательных спиралей [1]. Этот расходомер принят за прототип.

Недостатками расходомера [1] являются: малая величина выходного сигнала (порядка 1,5 В); недостаточные точность и чувствительность; большая постоянная времени (˜4-6 с). Задача настоящего изобретения заключается в устранении этих недостатков.

Предлагаемое техническое решение изобретения состоит в том, что, в отличие от прототипа, в каждом из каналов располагаются теплочувствительные элементы (ТЧЭ) 6, 6' и 7, 7' соответственно представляющие собой термисторы без косвенного нагрева. Одноцифровые термисторы в каналах электрически соединены последовательно.

Предлагаемый расходомер работает 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 (ГРК) 3, делящую газовый поток на четыре одинаковых по расходу (G/4) и температуре потока, поступающие затем в измерительные 4, 4' и в термокомпенсационные 5, 5' каналы соответственно. При этом в одинаковые по функции каналы газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации оси расходомера, чем обеспечивается ориентационная независимость его показаний, как и у прототипа.

Расположенные в каналах 5, 5' теплочувствительные элементы 7, 7' принимают температуру набегающего потока газа, и их омическое сопротивление становится равным R (T_г). Если Т_г≠Т_п - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т_вх и Т_cp, под действием сигнала рассогласования ΔR(T_г, Т_п) с блока управления мощностью (БУМ) 8, к которому электрически подключены терми-сторы 7, 7', к последовательно соединенным спиралям 10, 11, 11', 12, 12' подводится мощность, сводящая ΔR к нулю. Это приводит к термостабилизации потока на фиксированном уровне Т_п, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т_вх и Т_cp, т.е. его автономность, как и у прототипа. Функция дополнительных спиралей 11, 11', 12, 12' на внешних поверхностях каналов та же, что и у прототипа.

В отличие от прототипа соединенные последовательно теплочувствительные элементы 6, 6' в измерительных каналах 4, 4' подключены непосредственно к источнику питания с U₀=Const (спирали для косвенного нагрева у термисторов отсутствуют) и перегреваются проходящим через них током на величину ΔT≈25-50К относительно фиксированного температурного уровня Т_п, который имеют омывающие их газовые потоки с расходом G/4 каждый. При взаимодействии с охлаждающими газовыми потоками температура ТЧЭ 6, 6' изменяется. Это вызывает увеличение их омических сопротивлений и, как следствие, уменьшение выделяющейся в них мощности. Таким образом, на температуру термисторов оказывают влияние два направленных в одну и ту же сторону эффекта - конвективное охлаждение и уменьшение выделяющейся в них мощности при постоянном напряжении питания, в то время как у прототипа влияет только один фактор - конвективное охлаждение при постоянной подводимой мощности. Поэтому точность и чувствительность предлагаемого расходомера будут безусловно выше, чем у прототипа.

Термисторы 6, 6' включаются в мостовую схему в качестве одного из его плеч и мост балансируется изменением напряжения питания до тех пор, пока напряжение в диагонали моста не станет равным нулю (отметим, что при термисторах с косвенным нагревом использование мостовой схемы невозможно). Это напряжение принимается за U₀ и поддерживается впоследствии неизменным. Уровень перегрева ΔТ термисторов относительно температуры Т_п термостабилизированного газового потока задается величиной сопротивлений плеч моста так, чтобы R=R(Т_п+ΔT), определяемой по известной для термисторов функции R=f(T). Напряжение, снимаемое с диагонали моста при различных расходах газа, служит мерой расхода через расходомер - Ud=f(G). Практика показала, что при использовании термисторов типа СТ1-18, выходной сигнал-напряжение в диагонали моста изменяется в пределах 0-33 В в диапазоне расхода воздуха 0÷11 мг/с. Таким образом, усредненная по диапазону чувствительность составляет 3 В/(мг/с), что намного превышает чувствительность всех известных расходомеров, в том числе и прототипа. Достаточно большой по величине выходной сигнал позволяет не использовать усилительные схемы различной степени сложности в целях обеспечения постоянства коэффициента усиления сигнала во всем диапазоне его изменения; не принимать меры для его помехозащищенности. Упрощение блока преобразования выходного сигнала приводит к повышению надежности устройства в целом.

Термистор с косвенным нагревом (типа СТ1-27) имеет, как правило, постоянную времени ˜4-6 с, так как в единой сборке содержит - помимо самого терморезистора - и нагревательную спираль. Возможности их дальнейшей миниатюризации с целью уменьшения постоянной времени практически исчерпаны. Термистор без косвенного нагрева (типа СТ1-18) имеет постоянную времени ˜1-3 с, т.е. в 4-2 раза меньшую тепловую инерционность. Следовательно, их использование в качестве теплочувствительных элементов автоматически приводит к существенному уменьшению постоянной времени расходомера в целом.

Из каналов 4, 4' и 5, 5' газовые потоки расходом G/4 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G уходит в газовую сеть через выходной штуцер (не показан).

Литература

1. Патент RU №2262666, кл. G01F 1/69, 2005.

Тепловой микрорасходомер газа, содержащий корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности с нагревательной спиралью, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней двумя измерительными и двумя термокомпенсационными каналами, в которых размещены соответствующие теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов, дополнительными спиралями, размещенными на внешних поверхностях измерительных и термокомпенсационных каналов, блок управления мощностью, к которому подключены термисторы термокомпенсационных каналов, а также последовательно соединенные спираль теплообменника и дополнительные спирали, отличающийся тем, что в качестве теплочувствительных элементов используются идентичные термисторы без косвенного нагрева, при этом нагрев термисторов в измерительных каналах осуществляется непосредственно проходящим через них током от источника питания неизменного во времени постоянного напряжения, а блок преобразования выходного сигнала выполнен в виде мостовой схемы, одно из плеч которой составляют последовательно соединенные между собой термисторы в измерительных каналах.