Тепловой микрорасходомер газа

Изобретение предназначено для измерения расхода газа в диапазоне до 50 мг/с. Микрорасходомер содержит корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней двумя измерительными и двумя термокомпенсационными каналами, в которых размещены теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов с косвенным нагревом. Термистор в одном термокомпенсационном канале включен в качестве управляющего элемента в электронную схему стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом температурном уровне. Для обеспечения постоянного температурного напора измерительные термисторы в качестве управляющих элементов включены в электронную схему стабилизации их теплового режима на задаваемом температурном уровне. Термистор во втором термокомпенсационном канале подключен к измерителю его омического сопротивления для контроля качества работы схемы стабилизации теплового режима теплоносителя. Изобретение обладает повышенными точностью и чувствительностью за счет максимальной интенсификации процесса конвективного теплообмена путем стабилизации температурного напора на задаваемом уровне. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0÷50 мг/с при широком варьировании температур газового потока и внешней среды.

Процесс конвективного теплообмена в тепловых расходомерах газа зависит как от величины коэффициента теплоотдачи, так и от разности температур теплочувствительного элемента (ТЧЭ) и омывающего его газового потока - температурного напора. Оптимизация этого процесса осуществляется стабилизацией теплового режима ТЧЭ на задаваемом температурном уровне независимо от расхода газа. Этот принцип измерения постоянства температуры ТЧЭ реализован в расходомере [1]. Недостатками этого расходомера являются: малая чувствительность, обусловленная использованием ТЧЭ с металлической проводимостью; непостоянство температурного напора, вследствие того, что не фиксируется температура газового потока, а это требует введения температурных поправок, а также ориентационная зависимость показаний расходомера.

Известен автономный четырехканальный микрорасходомер газа, содержащий герметичный теплоизолированный металлический корпус с находящимися в нем теплообменником-нагревателем 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 в виде идентичных полупроводниковых сопротивлений (термисторов) с косвенным нагревом, а на внешней поверхности каналов установлены дополнительные нагреватели. ТЧЭ в измерительных каналах электрически соединены последовательно и включены в блок преобразования выходного сигнала; их спирали косвенного нагрева так же соединены последовательно и через них пропускается постоянной силы ток косвенного нагрева (следовательно, постоянна и вводимая в измерительные термисторы мощность W_к.н). ТЧЭ в термокомпенсационных каналах электрически соединены последовательно и включены в качестве управляющих элементов в электронную схему обеспечения теплового режима теплоносителя на задаваемом температурном уровне (автономизация расходомера). Блок преобразования выходного сигнала представляет собой либо омметр, показывающий величину суммарного сопротивления измерительных термисторов (расходная характеристика в омической форме - R(G)), либо специальную схему преобразования сопротивления термисторов в частоту - R(G)→f(G), с показывающим частоту частотомером [2]. По большинству совпадающих признаков этот расходомер принят за прототип.

Недостаток расходомера [2] заключается в том, что при постоянной вводимой мощности с ростом расхода коэффициент теплоотдачи α(G) увеличивается, а температурный напор t(G) уменьшается вследствие уменьшения температуры ТЧЭ (T_п=Const), но произведение этих величин не зависит от расхода и остается равным их начальному значению, равному величине вводимой мощности в начальном состоянии, т.е. в отсутствие расхода. Таким образом, интенсификации процесса конвективного теплообмена за счет увеличения α(G) с расходом не происходит.

Задача изобретения состоит в предложении нового принципа измерения и устройства для его реализации, позволяющего максимально интенсифицировать процесс конвективного теплообмена в системе с целью увеличения точности и чувствительности микрорасходомера.

Поставленная задача достигается тем, что для обеспечения постоянного температурного напора измерительные термисторы в качестве управляющих элементов включены в электронную схему стабилизации их теплового режима на задаваемом температурном уровне, а расположенный во втором термокомпенсационном канале термистор подключен к измерителю его омического сопротивления для контроля качества работы схемы стабилизации теплового режима теплоносителя.

При этом стабилизация температуры теплоносителя на задаваемом уровне Т_п - как и в [2] - обеспечивает и постоянство напора - t(G)=T₀-T_п=t₀.

Следовательно, в расходомере, базирующемся на новом принципе - постоянстве температурного напора - интенсивность процесса конвективного теплообмена будет с ростом расхода возрастать за счет увеличения α(G). Рост конвективной теплоотдачи компенсируется ростом вводимой в измерительные термисторы мощности косвенного нагрева, становящейся функцией расхода W(G)_к.н. и обеспечивающей постоянство температуры измерительных термисторов.

Величина α(G, T(G), Т_г) зависит от температур ТЧЭ и теплоносителя [3]. В расходомере с W₀=const температура ТЧЭ с ростом расхода падает, в силу чего даже при неизменной температуре теплоносителя величина α(G, T(G)) будет уменьшаться. Поэтому ее увеличение с ростом расхода будет меньшим. У расходомера с t₀=const этого уменьшения α(G) не будет и с ростом расхода он будет возрастать на большую величину, чем у расходомера с W₀=const. Таким образом, режим работы расходомера с t₀=const (с переменной W(G)) обеспечивает в совокупности существенно большую интенсивность процесса конвективного теплообмена и, как следствие, большие значения точности и чувствительности.

На чертеже изображен общий вид предложенного расходомера с постоянным температурным напором. Он содержит: теплоизолированный (внутри и снаружи в зависимости от условий эксплуатации) герметичный металлический корпус 1 с входным и выходным штуцерами (не показаны); нагреватель-теплообменник (ТО) 2 с нихромовой спиралью 10 внутри него; газораспределительную камеру (ГРК) 3, герметично соединенную с ТО и с четырьмя идентичными каналами 4, 4', 5, 5'; идентичные измерительные электрически последовательно соединенные термисторы 6, 6', включенные в качестве управляющих элементов в электронную схему 8 (СТР-1) стабилизации их теплового режима на задаваемом уровне, нагрузкой которой служат электрически последовательно соединенные спирали косвенного нагрева этих термисторов, и показывающий силу тока амперметр 9; термокомпенсационный термистор 7 в канале 5, включенный, как и в [2], в качестве управляющего элемента в электронную схему 13 (СТР-2) стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом уровне, нагрузкой которой служит спираль 10 теплообменника и дополнительные нагреватели 11, 11', 12, 12' на внешних поверхностях каналов; контролирующий температуру теплоносителя термистор 7' в канале 5', подключенный к измерителю его омического сопротивления омметру 14.

Предлагаемый расходомер с t₀=const 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 3, делящую газовый поток на четыре одинаковые по расходу (G/4) и температуре потока, поступающие затем в измерительные 4, 4' каналы, в термокомпенсационный канал 5 и в контрольный канал 5' соответственно. При этом в расположенные входами друг к другу каналы - 4, 4' и 5, 5' - газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации продольной оси расходомера, чем и обеспечивается, как и у прототипа, ориентационная независимость его показаний.

ТЧЭ 7, размещенный в термокомпенсационном канале 5, принимает температуру Т_г вышедшего из теплообменника потока газа расходом G/4, 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 13 управления мощностью (СТР-2) к спиралям 10, 11, 11', 12, 12', соединенным последовательно, 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_c, т.е. его автономность. В отличие от прототипа управление СТР-2 осуществляется одним термистором 7. Качество ее работы контролируется с помощью 14 по величине сопротивления термистора 7', которая должна равняться R₇×(Т_п). Функции дополнительных нагревателей на внешних поверхностях каналов те же, что и у прототипа.

Теплочувствительные элементы 6, 6' в измерительных каналах 4, 4' нагреты током косвенного нагрева до некоторой задаваемой температуры Т₀>Т_п.При этом сопротивление каждого термистора становится равным R(T₀). Подача или изменение расхода приводят к изменению их сопротивления на величину ±ΔR(T₀, Т). Под действием этого сигнала рассогласования блок 8 управления силой тока косвенного нагрева (СТР-1) вырабатывает дополнительный ток ±ΔI_к.н.(Т₀,Т) (дополнительную мощность ±ΔW_к.н.(Т₀, Т)), сводящий сигнал рассогласования к нулю, вследствие чего температура термисторов вновь становится равной Т₀, а их сопротивление - R(Т₀). Сила установившегося тока I_к.н.(G) косвенного нагрева регистрируется амперметром 9. Таким образом, расходной характеристикой расходомера становится I_к.н.(G), а не R(G), как у прототипа.

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

Системы стабилизации теплового режима измерительных термисторов (уровень Т₀) и теплоносителя (уровень Т_п) СТР-1 и СТР-2 представляют собой схемы резистивного деления напряжения (напряжение питания U_п=Const), управляющими элементами в которых служат сопротивления измерительных 6, 6' термисторов (2R(T₀)) и сопротивление термистора 7 (R(T_п)) соответственно. Другим элементом схемы служат переменные резисторы, сопротивление которых выставляется равным 2R(T₀) в СТР-1 и R(T_п) - в СТР-2 в зависимости от задаваемых уровней Т₀ и Т_п.Напряжение, снимаемое с термисторов 6, 6', подается на вход усилителя тока косвенного нагрева, нагрузкой которого служат спирали этих термисторов, а с термистора 7 - на вход усилителя тока, нагрузкой которого служат, как и у прототипа, спираль 10 теплообменника и нагреватели 11, 11', 12, 12' на внешних поверхностях каналов.

Расходомер может работать и в режиме ручного управления. В этом случае измерительные термисторы 6, 6' подключаются к измерителю сопротивления (омметру), как и у прототипа. При отклонении его показаний от величины 2R(T₀) оператор изменяет силу тока косвенного нагрева так, чтобы сопротивление стало равным 2R(T₀). Выходным сигналом является сила тока косвенного нагрева, регистрируемая 9.

Пример реализации. На базе термисторов СТ1-27 с косвенным нагревом был создан расходомер с постоянным температурным напором (Т₀=348K, Т_п=308K, t₀=40K). Полученные расходные характеристики I_к.н.(G) азота и аргона носят близкий к линейному характер (отклонение <3%) в диапазоне расхода от нуля до ˜12 мг/с. При этом диапазон изменения силы тока косвенного нагрева составил: 12,8÷16,7 мА у азота и 11,6÷14,7 мА у аргона, а мощность косвенного нагрева изменялась в диапазоне ˜16÷27 мВт у азота и ˜13÷21 мВт у аргона. Температура теплоносителя поддерживалась системой СТР-2 на уровне Т_п±0,12K. Усредненная по диапазону чувствительность dW(G)/dG составила: у азота - 1123 мкВт/(мг/с), у аргона - 792 мкВт/(мг/с), а у расходомера постоянной мощности она равна 325 Ом/(мг/с) и 250 Ом/(мг/с) соответственно.

Источники информации

1. Патент FR №2459962, МКИ G01F 1/68.

2. Румянцев А.В. Тепловой микрорасходомер газа. Патент RU №2262666, МКИ G01F 1/68, 2005.

3. Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). - М.: Энергия, 1978, с.223.

Тепловой микрорасходомер газа, содержащий корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней двумя измерительными и двумя термокомпенсационными каналами, в которых размещены теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов с косвенным нагревом, при этом термистор в одном термокомпенсационном канале включен в качестве управляющего элемента в электронную схему стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом температурном уровне, отличающийся тем, что для обеспечения постоянного температурного напора измерительные термисторы в качестве управляющих элементов включены в электронную схему стабилизации их теплового режима на задаваемом температурном уровне, а расположенный во втором термокомпенсационном канале термистор подключен к измерителю его омического сопротивления для контроля качества работы схемы стабилизации теплового режима теплоносителя.