Датчик малых расходов жидкости
Владельцы патента RU 2469277:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для определения расхода слабых (порядка десятков - сотен миллилитров в секунду) потоков жидкости. Сущность: устройство содержит резистивный нагреватель, установленный на трубе с потоком жидкости, калориметрический электронный измеритель расхода жидкости, функциональный преобразователь напряжения в частоту. При этом выход калориметрического электронного измерителя расхода жидкости подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту. Указанный преобразователь выполняет обратно пропорциональное преобразование напряжения в частоту, то есть имеет функцию преобразования 1/х. Технический результат: определение расхода слабых потоков жидкости. 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения расходов жидкости при слабых потоках порядка десятков - сотен миллилитров в секунду, например, для медицинских и биохимических применений.
Известны датчики, выполненные на основе лопастного колеса или подвешенной лопасти-флюгера [Д.И.Агейкин, Е.Н.Костина, Н.Н.Кузнецова. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965]. При трубопроводе малого диаметра, как и в медицинских или биохимических применениях, такие датчики непригодны, так как в данном случае имеют низкую точность из-за относительно высокого момента трогания и необходимости дополнительного преобразования в электрический сигнал.
Наиболее близким к разработанному датчику малых расходов жидкости является устройство, в котором задача решается посредством использования явления теплопереноса в потоке жидкости [Д.И.Агейкин, Е.Н.Костина, Н.Н.Кузнецова. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965]. Расход измеряется путем определения разности температур жидкости в местах установки двух терморезистивных датчиков, позволяющих получать электрический сигнал на выходе устройства. Устройство содержит резистивный нагреватель, терморезисторы, операционные усилители, конденсатор, резисторы, источник опорного напряжения.
Недостатком такого датчика расхода является то, что его выходное напряжение возрастает при уменьшении расхода жидкости, зависимость имеет характер обратной пропорциональной зависимости, что создает определенные неудобства в системах регулирования, а при использовании в цифровых системах требуются специальные меры для уменьшения погрешностей квантования и устранения влияния помех.
Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств.
Технический результат изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего прямую пропорциональную зависимость выходной величины от расхода жидкости для слабых потоков и удобство использования в цифровых устройствах регулирования.
Технический результат достигается тем, что датчик малых расходов жидкости, содержащий резистивный нагреватель, установленный на трубе с потоком жидкости, калориметрический электронный измеритель расхода жидкости, функциональный преобразователь напряжения в частоту, отличающийся тем, что выход калориметрического электронного измерителя расхода жидкости подключен к входу преобразователя, осуществляющего обратно пропорциональное преобразование входной величины х (напряжение) в выходную величину (частота), т.е. имеющего функцию преобразования 1/х.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства.
На фиг.2 представлена принципиальная схема устройства.
Блок-схема содержит: резистивный нагреватель 1, охватывающий трубопровод, в котором измеряется расход жидкости; калориметрический электронный измеритель малого расхода жидкости 2; преобразователь напряжения в частоту 3. Принципиальная схема устройства (без резистивного нагревателя) представлена на фиг.2, где пунктирной линией выделены функциональные блоки схемы. Калориметрический измеритель 2 состоит из: мостовой схемы 4, включающей два терморезистора 5 и 6, помещенных в поток жидкости на входе в зону нагрева и на выходе из нее, резисторы в плечах мостика 7, 8 и потенциометр 9; операционного усилителя 10, состоящего из усилителя 11 и резисторов 12, 13, 14, 15; фильтра с большой постоянной времени 16 из резистора 17 и конденсатора 18. Преобразователь напряжения в частоту 3 включает: операционный усилитель 19, состоящий из усилителя 20, резисторов 21 и 22 и потенциометра 23; интегратор 24, состоящий из усилителя 25 и конденсатора 26; ключ разрядки 27, состоящий из полевого транзистора 28, резистора 29, диода 30; компаратор 31, состоящий из усилителя 32 и резисторов 33, 34.
Выход калориметрического датчика 2 соединен со входом преобразователя напряжения в частоту 3. Выводы мостовой схемы 4 подключены к входам операционного усилителя 10; выход операционного усилителя 10 через фильтр 16 соединен со входом операционного усилителя 19; выход операционного усилителя 19 поступает на вход компаратора 31; другой вход компаратора 31 соединен с выходом интегратора 24; ключ разрядки 27 подключен в обратную связь усилителя 25 и через диодно-резисторную цепочку 29, 30 соединен с выходом компаратора; источник опорного напряжения подключен к входу мостовой схемы и к входу интегратора через резисторы 35 и 36 и стабилизатор 37.
Рассмотрим работу устройства (фиг.2).
В калориметрическом датчике расхода жидкости первый из терморезисторов 5 расположен в потоке перед охватывающим трубопровод резистивным нагревателем и измеряет температуру жидкости на входе в зону нагрева. Другой терморезистор 6 измеряет температуру жидкости после ее нагрева. Терморезисторы 5 и 6 служат плечами мостовой схемы вместе с резисторами 7 и 8. Напряжение разбаланса мостовой схемы усиливается операционным усилителем 10. Для сглаживания разброса отсчетов, вызванного влиянием возможных флуктуаций потока вследствие, например, неравномерности подачи жидкости от насоса, на выходе операционного усилителя 10 включен фильтр 16 с большой постоянной времени. Высокое выходное сопротивление этого фильтра диктует необходимость использования на входе преобразователя напряжения в частоту 3 операционного усилителя 19 с малым входным током для развязки с остальной частью схемы. Преобразователь 3 преобразует входное напряжение в диапазоне 0-10 В, обратно пропорциональное расходу жидкости, которое поступает от датчика 2, в выходную частоту 1 кГц-2 Гц с функцией 1/х. Интегратор 24 интегрирует ток от источника эталонного напряжения. Для поддержания постоянной скорости интегрирования входной ток задается от стабилизатора 37. Линейные изменения отрицательного входного напряжения усилителя 25 сравниваются на компараторе 32 с измеряемым сигналом от датчика 2. Как только выходное напряжение интегратора 24 превысит измеряемый сигнал, включается полевой транзистор 28 в ключе разрядки 27 и происходит возврат линейно изменяющегося сигнала на выходе интегратора 24. Потенциометры 9 и 23 служат для градуировки устройства.
Таким образом, предложенный датчик измеряет расход жидкости и позволяет нелинейный сигнал с обратной зависимостью, поступающий от калориметрического датчика малых расходов жидкости, преобразовать в сигнал, прямо пропорциональный расходу жидкости, частотная форма этого сигнала допускает достаточно простое преобразование в цифровую форму.
Датчик малых расходов жидкости, характеризующийся тем, что содержит резистивный нагреватель, установленный на трубе с потоком жидкости, калориметрический электронный измеритель расхода жидкости, функциональный преобразователь напряжения в частоту, при этом выход калориметрического электронного измерителя расхода жидкости подключен к входу преобразователя напряжения в частоту с функцией преобразования 1/х.
