Тепловой расходометр

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

Й АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 18.09.78 (21) 2665492/18-10 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М.К .

G 01 F 1/68

Государственный комитет

Опубликовано 15.08.81. Бюллетень №30

Дата опубликования описания 25.08.81 (53) УДК 681.121 (088.8) м делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения

Д. Г. Краснов и П. П. Судако (7I) Заявитель (54) ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения скорости и расходов жидкостей и газов, а также может быть использовано для контроля потоков с переменными во времени теплофизическими свойствами измеряемой и скружающей среды.

Известны устройства для измерения расхода, содержащие измерительную трубку с расположенными на ней нагревателем и термочувствительными элементами, тепломерную систему, состоящую из двух тепломерных термоприемников, вспомогательного нагревателя и электроизоляционной ленты, при этом измерительный нагреватель и термочувствительные элементы включены в схему измерения, а тепломерные термоприемники и вспомогательный нагреватель — в схему стабилизации нулевого перепада температур на тепломерной системе (1).

Однако наличие в известном устройстве между тепломерной системой, потоком теплоизоляции и стенки трубы, по которой протекает газ или жидкость, приводит к тому, что поддержание нулевого температурного перепада на теплоизоляции имеет повышенную инерционность, и это снижает точность измерения массового расхода при быстро; меняющихся температурах окружающей среды и потока.

Наиболее близким к предлагаемому является тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с рас5 положенными на нем нагревателем, двумя измерительными термочувствительными элементами, установленными по обе стороны от нагревателя, компенсационный термочувствительный элемент, установленный перед первым измерительным термочувстви10 тельным элементом по направлению потока, схему измерения в виде двух мостовых схем, в первую из которых включен первый по направлению движения потока измерительный и компенсационный термочувствительный элемент, во вторую включены два измерительных термочувствительных элемента и выходной блок (2).

В этом устройстве нельзя осуществить полной компенсации погрешностей от изменения температуры окружающей среды, температуры потока на входе в измерительный участок,- что сказывается на точности измерения.

855401

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Это достигается тем, что тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем нагревателем, двумя измерительными термочувствительными элементами, установленными по обе стороны от измерительного нагревателя, компенсационный термочувствительный элемент, установленный перед первым измерительным термочувствительным элементом по направлению потока, схему измерения в виде двух мостовых схем, в первую из которых включены первый по направлению движения потока измерительный и компенсационный термочувствительные элементы, во вторую включены два измерительных термочувствительных элемента и выходной блок, снабжен тремя тепломерными элементами, каждый из которых выполнен в виде термочувствительного элемента и совмещенного с ним нагревателя, расположенными на трех участках измерительного трубопровода между компенсационным и измерительными термоприемниками и нагревателем, а в схему измерения дополнительно введены две мостовые схемы, две схемы сравнения, три схемы управления, два ключа, схема определения знака разбаланса, схема вычитания, схема сравнения с опорным сигналом, при этом в третью мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, в четвертую мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным элементом, выходы первой и третьей мостовых схем подключены через первую схему сравнения к входу первой схемы управления, выход которой подключен к входам ключей, подключенных к нагревателям тепломерных элементов, расположенных между компенсационным и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагрева,телем, при этом к вторым входам ключей через схему определения знака разбаланса подключен выход первой мостовой схемы, выходы второй и четвертой мостовой схемы через вторую схему сравнения и вторую схему управления подключены к нагревателю тепломерного элемента, расположенного между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным о

25 зо

55 элементом, выходы первой и четвертой мостовых схем через схему вычитания и схему. сравнения с опорным сигналом подключены к третьей схеме сравнения, выходы которой подключены к измерительному нагревателю и к выходному блоку.

На фиг. 1 представлена схема первичного преобразователя теплового расходомера; на фиг. 2 — измерительная блок-схема; на фиг; 3 — кривые изменения температуры потока газа или жидкости и тепломерных элементов при температуре потока меньше температуры окружающей среды; на фиг. 4 — кривые изменения температуры контролируемого потока и тепломерных элементов при температуре потока больше температуры окружающей среды.

Первичный преобразователь теплового расходомера включает корпус, состоящий из двух частей 1 и 2, внутри которого размещена измерительная трубка 3 представляющая собой измерительный участок трубопровода, соединенная с частью 2 корпуса через электроизоляционную втулку 4. Часть

1 корпуса и измерительная трубка 3 выполнены из магнитомягкого материала, что позволяет защитить внутреннюю часть первичного преобразователя от действия внешних электромагнитных и электростатических .полей. В измерительной трубке 3 помещены измерительные нагреватель 5 и термочувствительные элементы 6 и 7, выполненные в виде сеток из платиновой проволоки, намотанных на тепло- и электроизоляционных каркасах, компенсационный термочувствительный элемент 8. На трех участках измерительной трубки между компенсационным и измерительными термочувствительными элементами и нагревателем расположены тепло мерные элементы 9 — 11, каждый из которых выполнен в виде термочувствительного элемента 12 — 14, намотанного из проволоки бифилярно со вспомогательными нагревателями 15 — 17 и теплоизолированные друг от друга каркасами измерительных термочувствительных элементов и нагревателя, а от измерительной трубки— теплоизоляционными стаканами 18. Все элементы закреплены в измерительной трубке

3 при помощи гайки 19. Для вывода проводовприменен герморазъем 20, Измерительная блок-схема включает мостовую схему 21, в которую включены первый по направлению потока измерительный и компенсационный термочувствительные элементы 6 и 8, вторую мостовую схему 22, в которую включейы два измерительных термочувствительных элемента 6 и 7, третью мостовую схему 23, в которую включены термоприемники тепломерных элементов 12 и 13, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом, первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным

855401

20 где

at (= t 2t1, ht,= t (— t2,,, Ыь= t — (tí+ Д1н);

h,t г= tN — tг 6t 3 (н+ 5t(() 13

Ы =1 — 1; =t — t i

Поскольку Ыг и Ыз измерить невозможно, так как в месте расположения измерительного нагревателя нельзя разместить термочувствительный элемент, то не- 50 обходимо сделать Ь1 г и Ы э одинаковыми и равными разности Ь1(, которую возможно измерить с помощью компенсационного

8 и первого измерительного 6 термочувствительного элемента. В этом случае Ыг= л А (и м (2д)

Для достижения равенства Ь|г.= ht3=

= 4t1 необходимо, чтобы длины участков, расположенных между компенсационным, нагревателем, четвертую мостовую схему 24, в которую включены термоприемники тепломерных элементов 12 и 14, две схемы 25 и

26 сравнения, три схемы 27 — 29 управления, схему 30 сравнения с опорным сигналом, два ключа 31 и 32, схему 33 определения знака разбаланса, нагреватели 15—

17 тепломерных элементов, схему 34 вычитания, выходной блок 35. На фиг. 3 и 4 кривая 36 изображает изменение температуры потока газа или жидкости по длине измерительного участка, кривая 37 изображает изменение температуры трех тепломерных элементов.

Тепловой расходомер работает следующим образом.

Из графиков видно, что

6t((=< >= — (г+ Ь ь) (фиг. 4), Ын=ы: Ь(+ (htг+ Мь) (фиг. 3), СР (4 но Ь|г= — AQ, à kt3= — Ь 03поэтому

W в общем случае

ht((= — = Ы вЂ” (Ь|ь+ Ыь) откуда рИ

Ср f д4. -(htz+ b ts))

t 1 — температура потока в месте установки компенсационного термоприемника 10;

t z — температура потока в мес- 2s те установки первого измерительного термоприемника 6; — температура потока перед измерительным нагревателем 5;

t 3 — температура потока в месте установки второго измерительного термоприемника 7;

t4, tg, t 6 — температура тепломерных д

W термоприемников 12 — 14;

6t((= — прирост температуры поСрМ тока с массовым расходом

М за счет введения в него тепловой мощности W, выделяемой на измеритель- 40 ном нагревателе 5, здесь

Cp — удельная изобарная теплоемкость потока. измерительными термочувствительными элементами и измерительным нагревателем бы-. ли одинаковы (L на фиг. 3 и 4) и законы изменения температуры потока за счет теплообмена с окружающей средой на каждом из этих участков были одинаковыми. Для этого, учитывая прямопропорциональную зависимость интенсивности теплообмена с окружающей средой от разности температур потока и стенки канала, создается равный перепад температур между стенкой канала на каждом из указанных участков и потоком на входе в этот участок

1 — 11=тъ — тг=1е — (ты+ 1н) (фиг 3), t (— t ((=tg — tg= (t((+ ht(() — ts) (фиг. 4).

Роль стенки канала на каждом из участков выполняет тепломерный элемент, включающий тепломерный термоприемник и вспомогательный нагреватель.

Поддержание равенства (4 — t (= tg 1г заключается в следующем. Из этого равенства имеем

t((— t4=tt — ((ИЛИ t5 — 14= Ы1 величина ht (измеряется первой мостовой схемой 21, величина tg — t4 — второй мостовой схемой 22, а их равенство поддерживается за счет вспомогательных нагревателей тепломерных элементов 15 и 16.

Если Ы() 0 (фиг. 3) и ht(>tq — t то напряжения небаланса первой 21 и второй мостовой схемы 22 поступают на вход схемы 26 сравнения, сигнал с выхода которой вызывает увеличение выходного напряжения схемы 27 управления, подводимого к ключам 31 и 32. Одновременно подается сигнал с выхода схемы ЗЗ определения знака разбаланса на открытие только ключа

32, который включает нагреватель 16 тепломерного элемента. Температура нагревателя 16 и тепломерного термоприемника 13 возрастает до тех пор, пока не установится равенство Ы (=(в — t4. Сигнал с выхода схемы 26 сравнения становится равным нулю и напряжение на выходе схемы

27 управления стабилизируется на, достигнутом уровне. Ключ 31 закрыт и нагреватель тепломерного элемента 15 отключен.

При ht(>0 (фиг. 3) Ы(

27 управления, что приводит к снижению температуры tg до тех пор, пока не установится равенство ht (= t t4. Ключ 31 закрыт, а вспомогательный нагреватель 15 отключен.

Когда Л11(0 (фиг. 4) и Iht (t (1 — 14, напряжение небаланса первой и второй мостовой схем 21 и 22 поступа(ог на вход схемы 26 сравнения, сигнал с выхода которой вызывает увеличение выходного напряжения схемы 27 управления, подводимого к ключам 31 и 32. Одновременно подается сигнал с выхода схемы ЗЗ определения знака разбаланса на открытие ключа 31, который включает нагреватель 15. Темпера855401

15 и тура нагревателя 15 и тепломерного термоприемника 12 tg возрастает до тех пор, пока не установится равенство / Ы

Г1ри этом сигнал с выхода схемы 26 сравнения становится равным нулю, и напряжение на выходе схемы 27 управления стабилизируется на достигнутом уровне. Ключ 32 закрыт и нагреватель 16 отключен.

Если Ы1<0 (фиг. 4) и /ht()ts — t4, то сигнал с выхода схемы 26 сравнения вызывает уменьшение напряжения на выходе схемы 27 управления, что приводит к снижению температуры t4 до тех пор, пока не установится равенство /Д1 >/= t S — t4.

При этом ключ закрыт, а нагреватель 16 отключен. Поддержание равенства tg — 1 =

= t p — ((н+ Ыя) заключается в следующем.

Из равенства имеем tr,— tq= Ztt (фиг. 3 и 4).

Величина t6 — f4 измеряется третьей мостовой схемой 23, величина Д(— четвертой мостовой схемой 24, а их равенство поддерживается за счет нагревателя тепломерного элемента 17.

Величины ht и t — tc, являются только положительными, поскольку ht при минимальной теплоизоляции измерительной трубки 3 больше, чем ht1 -dt s, обусловленные теплообменом потока с окружающей средой.

Если д1)1 е — tq, то напряжение небаланса третьей 23 и четвертой 24 мостовой схемы поступает на вход схемы 25 сравнения, сигнал с выхода которой вызывает увеличение напряжения на выходе схемы 29 управления, подводимого к нагревателю 17. Его температура и, соответственно, температура тепломерного термоприемника 14 t е возрастает до тех пор, пока не установится равенство 5t= tg — t При этом сигнал с выхода схемы 25 сравнения становится равным нулю и напряжение на выходе схемы

29 управления стабилизируется на достигнутом уровне.

Если Л; (to †„ xo сигнал с выхода схемы 25 сравнения вызывает уменьшение напряжения на выходе схемы 29 управления,что приводит к снижению температуры 1е до тех пор, пока не установится равенство

4t =1е — т4-.

Таким образом, закон изменения температуры потока за счет теплообмена с окружающей средой поддерживается одинаковым на всех участках измерительной трубки, благодаря чему bt 1= Ыz= dt s.

В этих случаях мощность W, потребляемая измерительным нагревателем 5 является мерой массового расхода газа или жидкости М, если величина 5t — 2 Д1 постоянная и достигается следующим образом.

Величина ht 1 измеряется первой мостовой схемой 21, напряжение небаланса которой заводится на один вход схемы 34 вычитания, а на другой вход схемы заводится напряжение небаланса с четвертой мостовой схемы 24, измеряющей величину ht.

25 зо

Выходное напряжение схемы 34 вычитания соответствует величине 6t — 2 Ы > и поступает на вход схемы 30 сравнения с опорным сигналом V опорное, которое соответствует выбранному и заранее заданному значению Ы вЂ” 2 Ы1.

Если выходное напряжение схемы 34 вычитания меньше опорного напряжения Vonopное, то сигнал со схемы 30 сравнения с опорным сигналом вызывает увеличение выходного напряжения схемы 28 управления, подзодимого к измерительному нагревателю 5.

Его температура и, следовательно, температура потока возрастает до тех пор, пока соответствующее величине ht — 2 Ы1 выходное напряжение со схемы 34 вычитания не сравняется с опорным напряжением V опояное. При этом сигнал с выхода схемы 30 сравнения с опорным сигналом становится равным нулю, а выходное напряжение со схемы 28 управления стабилизируется на достигнутом уровне.

Если выходное напряжение со схемы 34 вычитания больше опорного напряжения, то сигнал со схемы 30 сравнения с опорным сигналом вызывает уменьшение выходного напряжения схемы 28 управления, что ведет к уменьшению температуры потока (и до тех пор, пока выходное напряжение со схемы 34 вычитания не сравняется с опорным напряжением. Таким образом поддерживается постоянство величины 5t — 2Ы1, а массовый расход газа или жидкости М оказывается прямопропорциональньв мощности W, потребляемой измерительным нагревателем 5, которая и измеряется выходным блоком 35, представляющим собой, например ваттметр, отградуированный в единицах массового расхода.

Поскольку на всех трех участках измерительной трубки, расположенной между компенсационным, измерительными термочувствительными элементами и измерительным нагревателем поддерживается одинаковый закон изменения температуры потока за счет теплообмена с окружающей средой независимо от перепада температур между потоком и окружающей средой, то повышается точность измерения массового расхода при температуре окружающей среды больше температуры потока.

Таким образом, измерение перепада температур между потоком и стенкой канала и поддерживание его постоянным на входе в каждый из трех участков измерительной трубки осуществляется тепломерными элемента ми, расположенными на внутренней поверхности измерительной трубки и играющими роль стенки канала, снижается инерционность и повышается точность измерения переменного массового расхода при быстроменяющихся температурах потока и окружающей среды.

855401

Формула изобретения

ЫХод

ВхОд

Фиг.1

Тепловой расходомер, с держащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем нагревателем, двумя измерительными термочувствительными элементами, установленными по обе стороны от нагревателя, компенсационный термочувствительный элемент, установленный пе1 ед первым измерительным термочувствительным элементом по направлению потока, схему измерения в виде двух мостовых схем, в первую из которых включены первый по направлению движения потока измерительный и компенсационный термочувствительные элементы, во вторую включены два измерительных термочувствительных элемента и выходной блок, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен тремя тепломерными элементами, каждый из которых выполнен в виде термочувствительного элемента и совмещенного с ним нагревателя, расположенными на трех участках измерительного трубопровода между компенсационным и измерительными термоприемниками и нагревателем, а в схему измерения дополнительно введены две мостовые схемы, две схемы сравнения, три схемы управления, два ключа, схема определения знака разбаланса,. схема вычитания, схема сравнения с опорным сигналом, при этом в третью мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, в четвертую мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным элементом, выходы первой и третьей мостовых схем подключены через первую схему сравнения к входу первой схемы управления, выход которой подключен к входам ключей, подключенных к нагревателям тепломерных элементов, расположенных между компенсационным и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, при этом к вторым входам ключей через схему определения знака разбаланса подключен вых4д первой мостовой схемы, выходы второй и четвертой мостовой схемы через вторую схему сравнения и вторую схему управления подключены к нагревателю тепломерного элемента, расположенного между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным элементом, выходы первой и четвертой мостовых схем через схему вы25 читания и схему сравнения с опорным сигналом подключены к третьей схеме сравнения, выходы которой подключены к измерительному нагревателю и к выходному блоку.

30 Источники йнформации, принятые во внимание при экспертизе

1. Коротков П. А. Тепловые расходомеры. Л., «Машиностроение», 1969, с. 92.

2. Коротков П. А. Тепловые расходомеры. Л., «Машиностроение, 1969, с. 150 (прототип) .

855401

Составитель Н. Андреев

Редактор Т. Гыршкан Техред А. Войкас Корректор В. Синицкая

Заказ 6885/ 56 Тираж 702 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4