МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1994 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано для измерения массового расхода жидкостей и газов электрическими методами и может найти применение в технических устройствах другого назначения, работающих в условиях изменения температуры контролируемой среды. Оно может эффективно использоваться в тензометрии, термокондуктометрии и других технических решениях с использованием автобалансных резисторных мостов.

Известен тепловой расходомер, содержащий источник стабилизированного напряжения, два уравновешенных резисторных моста, в выходных диагоналях (измерительные диагонали) которых включены исполнительные электродвигатели, в измерительное (рабочее) плечо одного из резисторных мостов включен измерительный термометр сопротивления (термопреобразователь сопротивления), а в измерительное (рабочее) плечо другого - компенсационный термометр сопротивления (термообразователь сопротивления), при этом измерительный прибор связан с обоими мостами посредством включенных в его цепи управляемых резисторов, управляющие входы которых кинематически связаны с валом соответствующего исполнительного электродвигателя, причем в цепь питания каждого моста последовательно включен регулируемый резистор, управляющий вход которого кинематически связан с исполнительным электродвигателем [1].

Недостатком известного устройства со стабилизацией мощности, подводимой к термопреобразователям сопротивления, является нелинейность шкалы, высокая инерционность, вызванная наличием реверсивного электродвигателя в цепи обратной связи, и погрешность измерения, вызванная различием условий теплообмена непосредственно в трубопроводе и его "кармане".

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для регистрации потока жидкости с компенсатором влияния окружающей температуры, поддерживающее поток жидкости, транспортируемой в определенном направлении и контролирующее окружающую температуру. Оно содержит приспособление, которое фиксирует по меньшей мере два резистора (термопреобразователя сопротивления), омываемых потоком жидкости. Две параллельные ветви (диагонали питания) первой мостовой схемы подсоединены к источнику регулируемого напряжения. Выходной элемент мостовой схемы подсоединен в диагональ (измерительная диагональ) этой схемы. В первую ветвь включен первый из указанных резисторов (первый термопреобразователь сопротивления), используемый в качестве нагревательного элемента. Термочувствительный резистор (второй термопреобразователь сопротивления), связанный с фиксирующим приспособлением за счет теплообмена), регистрирует окружающую температуру жидкости и включен во вторую ветвь указанной мостовой схемы. Цепь обратной связи, передающая сигнал рассогласования, подключена своим входом к выходному элементу (измерительной диагонали) мостовой схемы. Выходной элемент (источник регулируемого напряжения) этой цепи (цепи обратной связи стабилизации температуры первого термопреобразователя сопротивления) подключен к указанным ветвям (диагонали питания) мостовой схемы и выполняет функцию источника регулируемого напряжения, который управляет возбуждением (питанием) первой мостовой схемы. Вторая мостовая схема имеет две ветви (две диагонали), одна из которых (измерительная диагональ) подключена к цепи обратной связи системы, поддерживающей поток жидкости, а другая (диагональ питания) подключена к выходному элементу цепи обратной связи (т. е. параллельно диагонали питания первой мостовой схемы), причем в одну из этих ветвей (второй мостовой схемы) включен второй из указанных резисторов (второй термопреобразователь сопротивления) [2].

Недостатком известного устройства является узкий диапазон работы, в пределах которого осуществляется температурная компенсация, что обусловлено параллельным подключением обеих мостотвых измерительных схем к одному источнику регулируемого напряжения, посредством которого обеспечивается равновесный режим работы первой мостовой измерительной схемы, осуществляющей стабилизацию температуры первого термопреобразователя сопротивления, используемого в качестве нагревательного элемента. Вторая мостовая измерительная схема работает в неравновесном режиме, вследствие чего устройство используется в ограниченном диапазоне температур и расходов транспортируемой среды, что ограничивает его применение в области поддержания стабилизации заданного расхода потока жидкости, транспортируемой в определенном направлении по трубопроводу.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации погрешности, вызванной изменением температуры среды во всем диапазоне возможных значений, и расширения диапазона контролируемых расходов.

Поставленная цель достигается тем, что массовый расходомер для трубопровода содержит две мостовые измерительные схемы, в плечи сравнения которых включены термонезависимые резисторы, а в рабочие плечи - термопреобразователи сопротивления, установленные в трубопроводе, и снабженный системой стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, у которой вход в цепи обратной связи подключен к измерительной диагонали мостовой измерительной схемы, а выход подключен к ее диагонали питания, причем обе мостовые схемы снабжены системами стабилизации температуры термопреобразователей сопротивления, выбранных одинаковыми и установленных на одном участке трубопровода, с одинаковыми температурными и гидродинамическими характеристиками измеряемого потока, а сопротивления термонезависимых резисторов в плечах сравнения каждой мостовой измерительной схемы равны сопротивлению термопреобразователя сопротивления при температуре стабилизации своего моста, причем температура стабилизации одного моста равна верхнему пределу диапазона возможных температур контролируемой среды в трубопроводе, а разность температур стабилизации обеих мостовых измерительных схем пропорциональна диапазону измеряемых расходов и выбрана по градуировочной характеристике расходомера, выходы систем стабилизации которого подключены к вычислительнолму блоку, соединенному с показывающим прибором.

Возможна также реализация массового расходомера, в который введен общий источник установочного напряжения, подключенный через переменные резисторы и диоды гальванической развязки к диагоналям питания мостовых измерительных схем.

Выполнение обеих мостовых измерительных схем автобалансными за счет введения второй системы стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, выбор одинаковых термопреобразователей сопротивления и включение их в схему измерения таким образом, что каждый из них работает одновременно и как источник тепла, и как измеритель собственной температуры в контролируемой среде, а также вычисление вызванной изменением массового расхода разности приращений мощностей самонагрева измерительным током термопреобразователей сопротивления, измеренных на выходах систем стабилизации, является новым по отношению к прототипу.

Также новым по отношению к прототипу является введение общего (для обеих мостовых измерительных схем) источника установочного напряжения, вызванной изменением массового расхода разности.

Исследование показало, что совместное применение двух самобалансирующихся мостов с одинаковыми термопреобразователями сопротивления, установленными на одном участке трубопровода с одинаковыми тепловыми и гидродинамическими характеристиками, установка в плечах сравнения измерительных мостов таких значений сопротивлений термонезависимых резисторов, при которых температура стабилизации одного моста равна максимальному значению температуры контролируемой среды, а температура стабилизации другого моста превышает температуру стабилизации первого моста на разность, пропорциональную диапазону расходов массового расходомера, измерительные мосты которого связаны между собой источником установочного напряжения и вычислительным блоком, входы которого подключены к системе стабилизации, а выходы - к показывающему прибору - все это является новым по отношению к прототипу. Следует отметить, что только совместное применение указанных признаков приводит к достижению поставленной цели.

Было найдено устройство для измерения расхода в трубопроводе, которое также содержит два термопреобразователя сопротивления (два термистора), прикрепляемых к внешней поверхности стенки трубопровода. Термистор нагревается установленным рядом нагревателем. Оба термистора включены в мостовую схему, в которую включены также два других резистора, не подвергаемых действию контролируемого потока. Противолежащие углы схемы соединены с входом дифференциального усилителя, а нагреватель соединен с входом усилителя. Усилитель обеспечивает ток нагрева, необходимый для поддержания сбалансированного состояния схемы, т.е. для поддержания постоянного перепада температур между термисторами (термопреобразователями сопротивления). Чем больше расход потока, тем больше должен быть ток нагревателя. Этот ток является мерой расхода потока. Между выходом дифференциального усилителя и его инвертирующим выходом предусмотрена цепь обратной связи.

Сравнение свойств усилителя для измерения расхода в известном решении и предлагаемом показало, что в известном устройстве термопреобразователь сопротивления выполняет функцию чувствительного элемента, а в предлагаемом не только чувствительного элемента, но и нагревателя. Кроме того, в предлагаемом расходомере для расширения диапазона измерения используются два автобалансных моста. Реализованные в предложенном техническом решении вычислительные функции позволили расширить диапазон измерения расходов и учитывать изменение температуры контролируемой среды во всем диапазоне возможных значений.

Это свидетельствует о том, что заявляемое техническое решение содержит всю совокупность признаков и соответствует требованию "существенные отличия".

Положительный эффект достигается совокупностью всех признаков, но причиной достижения поставленной цели - расширенеие диапазона измерения и повышение точности измерения за счет компенсации погрешности, вызванной изменением температуры среды, транспортируемой по трубопроводу, - является то, что при определении разности Δ Р мощностей P_θ1 и P_θ2, подводимых к термопреобразователям сопротивления R_θ1 и R_θ2при их самонагреве измерительными токами до температуры θ₁ и θ₂соответственно, полностью исключается температура контроллируемой среды θ_cp, во всем диапазоне измеряемых значений. Действительно, мощности самонагрева термопреобразователей сопротивления определяются из выражений
P_θ1=α˙S(θ₁-θ_cp) , (1)
P_θ2=α˙S(θ₂-θ_cp) , (2) где α - коэффициент теплообмена;
S - площадь поверхности термопреобразователя сопротивления, участвующая в тепмлообмене.

Вычитая из выражения (1) выражение (2), находим
ΔP=P_θ1-P_θ2=α˙S(θ₁-θ₂) . (3)
В отличие от прототипа, у которого область применения ограничена пределами линеаризации второго моста, работающего в режиме стабилизации расхода, в предложенном техническом решении температурная компенсация осуществляется полностью во всем диапазоне рабочих значений расходов и температур контролируемой среды.

Дополнительный эффект достигается за счет автоматического поддержания постоянства сопротивления термопреобразователя сопротивления и его температуры во всем диапазоне измеряемых расходов. В этом случае исключается влияние нестабильности термометрической зависимости
R_θ=R_o/(1+αΔθ) , (4)
на точность результатов измерения, так как во всем диапазоне измеряемых расходов используется только одна точка этой характеристики.

На фиг.1 приведена схема массового расходомера для трубопровода с цифровым отсчетом; на фиг.2 - схема массового расходомера с аналоговым отсчетом.

Массовый расходомер для трубопровода содержит две мостовые измерительные схемы 1 и 2, в рабочие плечи 3 и 4 которых включены термопреобразователи R_θ1 и R_θ2 сопротивлений, а в плечи 5 и 6 сравнения - термонезависимые резисторы R₁ и R₂. Величины сопротивлений резисторов R₁ и R₂ найдены из номинальной статической характеристики и выбраны равными сопротивлению R_θ термопреобразователя сопротивления своего моста (соответственно R_θ1 и R_θ2) в установившемся режиме работы при температуре стабилизации (соответственно θ₁ и θ₂). В устройство входят цепи 7 обратной связи, содержащие усилители 8 разбаланса моста, подключенные к измерительной диагонали а-b.

В примере реализации с цифровым отсчетом (см. фиг.1) цепь обратной связи содержит также последовательно включенные генератор 9 управляемой частоты, формирователь 10 импульсов тока и подключенный к диагонали питания с-d аттенюатор 11 импульсного сигнала. Мостовые измерительные схемы 1 и 2 совместно с цепью 7 обратной связи образуют системы 12 стабилизации температур θ₁ и θ₂ термопреобразователей сопротивления R_θ1и R_θ2, каждый из которых одновременно является и нагревателем, и датчиком температуры. Для гальванической развязки устройство оснащено диодами 13. Питание мостовых измерительных схем 1 и 2 может быть как автономным по каналам цепи 7 обратной связи, так и совмещенным, когда к диагоналям питания с-d подсоединен параллельно цепи 7 обратной связи и общий источник 14 установочного напряжения, подключенный посредством переменных резисторов 15 и ограничительных резисторов 16. Под установочным напряжением понимается напряжение, необходимое для приведения мостовых измерительных схем 1 и 2 в равновесное сопротивление при нулевых расходах контролируемой среды в трубопроводе.

Системы 12 стабилизации имеют измерительные выходы е и m, сигналы которых функционально связаны с приращениями мощностей самонагрева измерительными токами термопреобразователей R 1 м R 2 сопротивления, в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. К выодам е и m систем 12 стабилизации подключен измерительно-вычислительный блок 17, соединенный с показывающим прибором 18. Термонезависимвый резистор 19 подключен между выходом е и корпусом (точка d), а термонезависимый резистор 20 подключен между точками m и d (см. фиг.2). Падение напряжения на резисторе 19 между точками е и d пропорционально вызванному изменением расхода приращению мощности самонагрева термонагревателя R 1 в рабочем плече 3 мостовой измерительной схемы 1, а падение напряжения на резисторе 20 пропорционально вызванному тем же изменением расхода приращению мощности самонагрева термопреобразователя R 2 сопротивления в рабочем плече 4 мостовой измерительной схемы 2.

Массовый расходомер для трубопровода работает следующим образом.

Система 12 стабилизации температур реализует изотермический режим работы, при котором стабилизируются температура термопреобразователя R 1 сопротивления рабочего плеча 3 мостовой схемы 1 и температура термопреобразователя R 2 сопротивления рабочего плеча 4 мостовой измерительной схемы 2. Стабилизация обеспечивается в широком диапаоне изменения внешних возмущающих факторов, в том числе при изменении расхода и температуры контролируепмой среды в трубопроводе, как это следует из выражений (1), (2) и (3).

Устройство может работать как с источником 14 установочного напряжения, так и без него, но с большими погрешностями измерений. При использовании совмещенного питания схем с параллельным подключением диагоналей питания c-D к цепи 7 обратной связи и к общему источнику 14 установочного напряжения через регулировочные резисторы 15 и ограничительные резисторы 16, перед началом эксплуатации предусматривается предварительная настройка. В процессе такой настройки мостовые измерительные схемы 1 и 2 приводятся в равновесие с помощью резистороов 15 при отколюченной цепи 7 обратной связи и при нулевом расоде контролируемого потока.

В установившемся режиме напряжение на выходе усилителя 8 в цепи обратной связи 7 устанавливается равным 0. Устройство подготовлено к работе, цепь обратной связи замыкается и при изменении расхода дальнейшая балансировка мостовых схем 1 и 2 сопротивлений осуществляется электрическими сигналами в цепи 7 обратной связи. в примере реализации устройства с цифровым отсчетом (см.фиг.1) цепь 7 обратной связи содержит также генератор 9 управляемой частоты, формирователь 10 импульсов тока и подключенный к диагонали питания аттенюатор 11 импульсного сигнала. Термопреобразователи сопротивления R 1 и R 2 выбраны одинаковыми и установлены на одном участке трубопровода с одинаковыми температурными и гидродинамическими характеристиками контролируемой среды. При изменении расхода G контролируемой среды изменяются условия теплообмена между контролируемой средой и термопреобразователями R 1 и R 2 сопротивления в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. Возникающие в этом случае изменения сопротивлений рабочих плеч 3 и 4 приводят к нарушению баланса мостовых измерительных схем 1 и 2, которое компенсируется приращением и мощностей самонагрева за счет изменения сигналов цепи 7 обратной связи. В общем случае связь между приращением мощности самонагрева термопреобразователя R сопротивления и сигналами цепи 7 обратной связи характеризуется следующим выражением:
(4) где Е - уровень сигнала напряжения цепи обратной связи, амплитуда импульса в импульсном режиме работы;
Т - длительность питающего импульса;
Fо.с и 1/Tо.с - частота подачи питающих импульсов длительности Т цепи 7 обратной связи, с периодом То.с.

Из приведенного выражения (5) следует, что управление в цепи 7 обратной связи может быть осуществлено тремя техническими реализациями
Устанавливают постоянный уровень Е м F, при этом постоянство R достигается за счет изменения длительности Т питающего импульса, образуется система 12 стабилизации на базе времяимпульсного (широтно-импульсного) управления в соответствии с выражением
Р = k1 Т (6) где k1 = E2 Fo.c/R (постоянная величина)
Устанавливают постоянный уровень Е и Т, при этом постоянство R достигается за счет изменения частоты Fо.с питающих импувльсов цепи 7 обратной связи. ОБразуется частотно-импульсная система 12 стабилизации, рассмотренная в примре, представленном на фиг.1 В этом случае реализуется выражение
Р = k2 Fo.c, (7) где k2 = E2 T/R (постоянная величина)
Устанавливают длительность питающего импульса Т = То.с, тогда Т и Fо.с сокращаются и выражение (5) преобразуется из дискретной зависимости в непрерывную
Р = Е2/R (8)
Аналоговая система 12 стабилизации, основанная на использование зависимости (8) приведена на фиг.2. В рассматриваемом примере приращение Р мощности самонагрева термопреобразователя R сопротивления формируется в цепи 7 обратной связи путем изменения уровня сигнала напряжения Е согласно выражению (8). В общем случае массовый расходомер состоит из двух одинаковых систем 12 стабилизации, содержащих мостовые измерительные схемы 1 и 2, в рабочие плечи 3 и 4 которпых включены одинаковые термопреобразователи R 1 и R 2 сопротивления. Задание температур стабилизации 1 и 2 осуществляется путем ввода определенных значений сопротивлений плеч 5 и 6 сравнения, выбранных в соответствии с номинальной статической характеристикой термопреобразователя сопротивдления.

Температура стабилизпации, например 1, мостовой измерительной схемы 1 одной системы 12 стабилизации выбрана равной максимально возможной температуре среды контролируемого потока в трубопроводе, а температура стабилизации, например 2, мостовой измерительной схемы 2 другой системы 12 стабилизации превышает температуру 1 на величину разности, пропорциональную диапазону измеряемых расходов, определяемому при градуировке прибора.

Разность Р мощностей самонагрева термопреобразователей R 1 и R 2 находится при автономном питания мостовых измерительных схем 1 и 2 согласно (3) из выражения
Р = P 1 - P 2 = S( ) (9)
и, аналогично, при совмещенном питания из выражения
Р = Р 1 - Р 2 = S( ) (10)
Исходя из того, что коэффициент теплообмена функционально связан с расходом, а коэффициенты S, 1 и 2 являются постоянными величинами, расход G контролируемой среды и разность мощностей самонагрева согласно (4) связаны между собой следующим выражением:
(11) где n - показатель, зависящий от режима потока (для калориметрических расходомеров n = 1, для расходомеров пограничного слоя при ламинарном потоке n = 0,33 и при турбулентном потоке n = 0,8);
Ко - коэффициент, включающзий поправки от факторов, которые можно учесть только в процессе градуировки, к таким факторам относятся расположение термопреобразователей сопротивления относительно потока, распределение уровня температур вдоль и вокруг термопреобразователя сопротивления, зависимость к-та тепмлообмена от его размеров и т.д.;
= 1- 2 - разность температур стабилизации термопреобразователя сопротивления R 1 и R 2, мостовых схем 1 и 2 сопротивлений.

В примере технической реализации устройства с цифровым отсчетом (см. фиг. 1) изменение расхода приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленный сигнал разбаланса через усилитель 8 подается на вход генератора 9 управляемой частоты Р , подключенного к формирователю 10 импульсов тока, связанного с диагональю питания с-d мостовой измерительной схемы 1 (20 через аттенюатор 11. Когда в результате изменения частоты Fо.с изменение мощности самонагрева Р ( Р ) изменит сопротивление термопреобразователя R 1(R 2) до значения, соответствующего установленному в плечах сравнения 5(6), мостовая измерительная схема 1(2) приходит в состояние равновесия. Новому значению расхода будет соответствовать новое значение частоты Fо. с в цепи 7 рбратной связи системы 12 стабилизации. Несмотря на то, что оба термопреобразователя R 1 и R 2 выбраны одинаковыми, установлены на одном участке трубопровода, в одинаковых условиях и омываются одним и тем же потоком. Частоты Fо.с1 и Fо.с2 на выходах генераторов 9 управляемой частоты и пропорциональные им приращения мощности Р 1 и Р 2 в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2 отличаются между собой, что вызвано различием сопротивлений резисторов в плечах 5 и 6 сравнения мостовых измерительных схем 1 и 2. В плечах сравнения одного моста сопротивлений устанавливается сопротивление, по номинальной статической характеристике соответствующее максимально возможной температуре потока в трубопроводе контролируемой среды, а в плечах сравнения другого моста сопротивлений устанавливается сопротивление по температуре, превышающей температуру рабочего плеча первого моста на разность температур, пропорциональную диапазону измеряемых расходов. Эта разность температур устанавливается эмперически при градуировке расходомера.

Частоты с выходом е и m обоих генераторов 9 управляемой частоты подаются на вход измерительно-вычислительного блока 17, где согласно выражению (7) они преобразуются в расход, который отображается показывающим прибором 18.

В схеме с цифровым отсчетом (см. фиг.1) предпочтителен биполярный формирователь 10 импульсов тока. Биполярные импульсы не содержат постоянной составляющей, что целесообразно для исключения влияния на коэффициент преобразования мостовой измерительной схемы постоянной составляющей тока самонагрева, питающейся от источника 14 установочного напряжения. Аттенюаторы 11 необходимы для согласования чувствительностей мостовых измерительных схем 1 и 2 и для учета разброса параметров термопреобразователей сопротивления R одного типа относительно номинальной статической характеристики.

В примере технической реализации устройства с аналоговым отсчетом (см. фиг. 2) цепь обратной связи содержит усилитель 8 разбаланса мостовой измерительной схемы, выходы которого подключены к измерительной диагонали а-b, а выходы - к диагонали питания с-d мостовых измерительных схем 1 и 2. Изменение контролируемого расхода G приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленные сигналы разбаланса с выхода усилителя 8 ртазбаланса подаются на диагонали питания с-d постовых измерительных схем 1 и 2. В результате изменяются приращения Р 1 и Р 2 мощности самонагрева термопреобразователей R 1 и R 2 сопротивления, в установившемся режиме восстанавливаются температуры 1, 2 и сопротивления R 1, R 2 термопреобразователей сопротивления, а по новому значению приращения Р 1 и Р 2 судят о новом значении измеряемого расхода, величина которого определяется в измерительно-вычислительном блоке 17 по падениям напряжений на резисторах 19 и 20, по которым протекает измерительный ток. Величины сопротивлений резисторов 19 и 20 пропорциональны сопротивлениям R 1 и R 2 рабочих плеч своих мостовых измерительных схем
(12)
(13)
Учитывая, что ток в диагонали питания мостовой измерительной схемы в установившемся состоянии симметричного моста равен удвоенному значению тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, можно записать
I19 = 2i (14)
I19 = 2I 1
I20 = 2I 2 (15)
Тогда согласно (12) - (15) падения напряжения на резисторах 19 и 20 оказывается равным приращениям мощности самонагрева на термопреобразователях сопротивления
Е19 = I19 R19 = AI P 1 (16)
E20 = I20 R20 = AI P 2 (17)
В измерительно-вычислительном блоке 17 реализуется выражение
Е = (Е19 - Е20) (Е19 + Е20)/В А2( 1 - 2) (18)
Учитывая что , можно записать согласно (3)
Е = где = Ко, т.е. выходной сигнал измерительно-вычислительного блока, отображаемый показывающим прибором 18, прямо пропорционален измеряемому расходу G. По сравнению с прототипом массовый расходомер длоя трубопровода обладает следующими преимуществами.

Исключается погрешность, вызванная изменением температуры контролируемой среды . Действительно, как видно из формул (1), (2) и (3), при определении Р величина сокращается.

Существенно расширяется диапазон измерения в результате того, что обе мостовые измерительные схемы снабжены системами стабилизации температуры термопреобразователей сопротивления. Расширение диапазона измерения достигается путем изменения разности , а также путем изменения уровня сигнала в цепи обратной связи за счет к-та усидлия усилителя при аналоговой реализации или за счет регулировки аттенюатора в случае реализации прибора на цифровых элементах.

Существенно пвышена чувствительность за счет совмещенного питания мостовой измерительной схемы, при котором разогрев термопреобразователя сопротивления при нулевых расходах осуществляется за счет источника установочного напряжения, а токи цепи обратной связи используются толко для дополнительного разогрева, вызванного изменением расхода.

Обеспечивается возможность измерения расходов с высокой точностью при использовании высокочувствительных термопреобразователей сопротивления с низкими метрологическими свойствами (например, при использовании полупроводниковых терморезисторов). Это достигается за счет схемного решения, обеспечивающего работу устройства в изотермическом режиме, при котором мостовая измерительная схема работает в одной точке номинальной статической характеристики термопреобразователя сопротивления.

По сравнению с прототипом в данной конструкции обеспечивается быстродействие за счет охвата обоих термопреобразователей сопротивления отрицательной обратной связью по мощности. В этом случае уменьшение эквивалентной постоянной времени мостовой измерительной схемы по отношению к постоянной времени термопреобразователя сопротивления пропорционально коэффициенту отрицательной обратной связи своей мостовой измерительной схемы. Кроме того, за счет устройства повышается точность измерения ≈ в 1,3 раза.

Системы 12 стабилизации имеют измерительные выходы е и m, сигналы которых функционально связаны с приращениями мощностей самонагрева измерительными токами термопреобразователей R_θ1 и R_θ2 сопротивления, в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. К выходам е и m систем 12 стабилизации подключен измерительно-вычислительный блок 17, соединенный с показывающим прибором 18. Термонезависимвый резистор 19 подключен между выходом е и корпусом (точка d), а термонезависимый резистор 20 подключен между точками m и d (см. фиг.2). Падение напряжения на резисторе 19 между точками е и d пропорционально вызванному изменением расхода приращению δP_θ1 мощности самонагрева термонагревателя R_θ1 в рабочем плече 3 мостовой измерительной схемы 1, а падение напряжения на резисторе 20 пропорционально вызванному тем же изменением расхода приращению δP_θ2 мощности самонагрева термопреобразователя R_θ2 сопротивления в рабочем плече 4 мостовой измерительной схемы 2.

Массовый расходомер для трубопровода работает следующим образом.

Система 12 стабилизации температур реализует изотермический режим работы, при котором стабилизируются температура θ₁ термопреобразователя R_θ1 сопротивления рабочего плеча 3 мостовой схемы 1 и температура θ₂термопреобразователя R_θ2 сопротивления рабочего плеча 4 мостовой измерительной схемы 2. Стабилизация обеспечивается в широком диапаоне изменения внешних возмущающих факторов, в том числе при изменении расхода и температуры контролируемой среды в трубопроводе, как это следует из выражений (1), (2) и (3).

Устройство может работать как с источником 14 установочного напряжения, так и без него, но с большими погрешностями измерений. При использовании совмещенного питания схем с параллельным подключением диагоналей питания c-d к цепи 7 обратной связи и к общему источнику 14 установочного напряжения через регулировочные резисторы 15 и ограничительные резисторы 16, перед началом эксплуатации предусматривается предварительная настройка. В процессе такой настройки мостовые измерительные схемы 1 и 2 приводятся в равновесие с помощью резистороов 15 при отколюченной цепи 7 обратной связи и при нулевом расxоде контролируемого потока.

В установившемся режиме напряжение на выходе усилителя 8 в цепи обратной связи 7 устанавливается равным 0. Устройство подготовлено к работе, цепь обратной связи замыкается и при изменении расхода дальнейшая балансировка мостовых схем 1 и 2 сопротивлений осуществляется электрическими сигналами в цепи 7 обратной связи. В примере реализации устройства с цифровым отсчетом (см.фиг.1) цепь 7 обратной связи содержит также генератор 9 управляемой частоты, формирователь 10 импульсов тока и подключенный к диагонали питания аттенюатор 11 импульсного сигнала. Термопреобразователи сопротивления R_θ1 и R_θ2 выбраны одинаковыми и установлены на одном участке трубопровода с одинаковыми температурными и гидродинамическими характеристиками контролируемой среды. При изменении расхода G контролируемой среды изменяются условия теплообмена между контролируемой средой и термопреобразователями R_θ1 и R_θ2 сопротивления в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. Возникающие в этом случае изменения сопротивлений рабочих плеч 3 и 4 приводят к нарушению баланса мостовых измерительных схем 1 и 2, которое компенсируется приращением δP_θ1 и δP_θ2 мощностей самонагрева за счет изменения сигналов цепи 7 обратной связи. В общем случае связь между приращением δP_θ мощности самонагрева термопреобразователя R_θсопротивления и сигналами цепи 7 обратной связи характеризуется следующим выражением:
δR_θ = · F_oc , (5) где Е - уровень сигнала напряжения цепи обратной связи, амплитуда импульса в импульсном режиме работы;
Т - длительность питающего импульса;
F_о.с и 1/T_о.с - частота подачи питающих импульсов длительности Т цепи 7 обратной связи, с периодом Т_о.с.

Из приведенного выражения (5) следует, что управление в цепи 7 обратной связи может быть осуществлено тремя техническими реализациями.

Устанавливают постоянный уровень Е и F, при этом постоянство R_θдостигается за счет изменения длительности Т питающего импульса, образуется система 12 стабилизации на базе времяимпульсного (широтно-импульсного) управления в соответствии с выражением
δP_θ = k₁ ˙ Т , (6) где k₁ = E²˙F_o.c/R_θ (постоянная величина).

Устанавливают постоянный уровень Е и Т, при этом постоянство R_θдостигается за счет изменения частоты F_о.с питающих импульсов цепи 7 обратной связи. Образуется частотно-импульсная система 12 стабилизации, рассмотренная в примре, представленном на фиг.1 В этом случае реализуется выражение
δP_θ = k₂ ˙ F_o.c , (7) где k₂ = E²˙T/R_θ (постоянная величина).

Устанавливают длительность питающего импульса Т = Т_о.с, тогда Т и F_о.с сокращаются и выражение (5) преобразуется из дискретной зависимости в непрерывную
δP_θ= E²/R_θ. (8)
Аналоговая система 12 стабилизации, основанная на использовании зависимости (8) , приведена на фиг.2. В рассматриваемом примере приращение δP_θ мощности самонагрева термопреобразователя R_θсопротивления формируется в цепи 7 обратной связи путем изменения уровня сигнала напряжения Е согласно выражению (8). В общем случае массовый расходомер состоит из двух одинаковых систем 12 стабилизации, содержащих мостовые измерительные схемы 1 и 2, в рабочие плечи 3 и 4 которых включены одинаковые термопреобразователи R_θ1 и R_θ2 сопротивления. Задание температур стабилизации θ₁ и θ₂ осуществляется путем ввода определенных значений сопротивлений плеч 5 и 6 сравнения, выбранных в соответствии с номинальной статической характеристикой термопреобразователя сопротивления.

Температура стабилизации, например θ₁, мостовой измерительной схемы 1 одной системы 12 стабилизации выбрана равной максимально возможной температуре среды контролируемого потока в трубопроводе, а температура стабилизации, например θ₂, мостовой измерительной схемы 2 другой системы 12 стабилизации превышает температуру θ₁ на величину разности, пропорциональную диапазону измеряемых расходов, определяемому при градуировке прибора.

Разность Δ Р мощностей самонагрева термопреобразователей R_θ1 и R_θ2находится при автономном питания мостовых измерительных схем 1 и 2 согласно (3) из выражения
ΔP=P_θ1-P_θ2=α˙S(θ₁-θ₂) , (9)
и, аналогично, при совмещенном питании из выражения
ΔP=δP_θ1-δP_θ2=α˙S(θ₁-θ₂). (10)
Исходя из того, что коэффициент α теплообмена функционально связан с расходом, а коэффициенты S, θ₁ и θ₂ являются постоянными величинами, расход G контролируемой среды и разность мощностей самонагрева согласно (4) связаны между собой следующим выражением:
Gⁿ= , (11) где n - показатель, зависящий от режима потока (для калориметрических расходомеров n = 1, для расходомеров пограничного слоя при ламинарном потоке n = 0,33 и при турбулентном потоке n = 0,8);
k_о - коэффициент, включающий поправки от факторов, которые можно учесть только в процессе градуировки, к таким факторам относятся расположение термопреобразователей сопротивления относительно потока, распределение уровня температур вдоль и вокруг термопреобразователя сопротивления, зависимость к-та теплообмена от его размеров и т.д.;
Δθ=θ₁ - θ₂ - разность температур стабилизации термопреобразователя сопротивления R_θ1 и R_θ2, мостовых схем 1 и 2 сопротивлений.

В примере технической реализации устройства с цифровым отсчетом (см. фиг. 1) изменение расхода приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленный сигнал разбаланса через усилитель 8 подается на вход генератора 9 управляемой частоты δP_θ, подключенного к формирователю 10 импульсов тока, связанного с диагональю питания с-d мостовой измерительной схемы 1 (2) через аттенюатор 11. Когда в результате изменения частоты F_о.с изменение мощности самонагрева δP_θ1(δP_θ2) изменит сопротивление термопреобразователя R_θ1 (R_θ2) до значения, соответствующего установленному в плечах сравнения 5(6), мостовая измерительная схема 1(2) приходит в состояние равновесия. Новому значению расхода будет соответствовать новое значение частоты F_о.с в цепи 7 обратной связи системы 12 стабилизации. Несмотря на то, что оба термопреобразователя R_θ1 и R_θ2 выбраны одинаковыми, установлены на одном участке трубопровода, в одинаковых условиях и омываются одним и тем же потоком. Частоты F_о.с1 и F_о.с2 на выходах генераторов 9 управляемой частоты и пропорциональные им приращения мощности δP_θ1 и δP_θ2 в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2 отличаются между собой, что вызвано различием сопротивлений резисторов в плечах 5 и 6 сравнения мостовых измерительных схем 1 и 2. В плечах сравнения одного моста сопротивлений устанавливается сопротивление, по номинальной статической характеристике соответствующее максимально возможной температуре потока в трубопроводе контролируемой среды, а в плечах сравнения другого моста сопротивлений устанавливается сопротивление по температуре, превышающей температуру рабочего плеча первого моста на разность температур, пропорциональную диапазону измеряемых расходов. Эта разность температур устанавливается эмпирически при градуировке расходомера.

Частоты с выходом е и m обоих генераторов 9 управляемой частоты подаются на вход измерительно-вычислительного блока 17, где согласно выражению (7) они преобразуются в расход, который отображается показывающим прибором 18.

В схеме с цифровым отсчетом (см. фиг.1) предпочтителен биполярный формирователь 10 импульсов тока. Биполярные импульсы не содержат постоянной составляющей, что целесообразно для исключения влияния на коэффициент преобразования мостовой измерительной схемы постоянной составляющей тока самонагрева, питающейся от источника 14 установочного напряжения. Аттенюаторы 11 необходимы для согласования чувствительностей мостовых измерительных схем 1 и 2 и для учета разброса параметров термопреобразователей сопротивления R_θ одного типа относительно номинальной статической характеристики.

В примере технической реализации устройства с аналоговым отсчетом (см. фиг. 2) цепь обратной связи содержит усилитель 8 разбаланса мостовой измерительной схемы, выходы которого подключены к измерительной диагонали а-b, а выходы - к диагонали питания с-d мостовых измерительных схем 1 и 2. Изменение контролируемого расхода G приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленные сигналы разбаланса с выхода усилителя 8 разбаланса подаются на диагонали питания с-d мостовых измерительных схем 1 и 2. В результате изменяются приращения δP_θ1 и δP_θ2 мощности самонагрева термопреобразователей R_θ1 и R_θ2сопротивления, в установившемся режиме восстанавливаются температуры θ₁, θ₂ и сопротивления R_θ1 и R_θ2 термопреобразователей сопротивления, а по новому значению приращения δP_θ1 и δP_θ2 судят о новом значении измеряемого расхода, величина которого определяется в измерительно-вычислительном блоке 17 по падениям напряжений на резисторах 19 и 20, по которым протекает измерительный ток. Величины сопротивлений резисторов 19 и 20 пропорциональны сопротивлениям R_θ1 и R_θ2 рабочих плеч своих мостовых измерительных схем
R₁₉= , (12)
, (13)
Учитывая, что ток в диагонали питания мостовой измерительной схемы в установившемся состоянии симметричного моста равен удвоенному значению тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, можно записать
=2i_θ (14)
=2
=2 (15)
Тогда согласно (12) - (15) падениe напряжения на резисторах 19 и 20 оказывается равным приращениям мощности самонагрева на термопреобразователях сопротивления
E₁₉= R₁₉= (16)
E₂₀= R₂₀= (17)
В измерительно-вычислительном блоке 17 реализуется выражение
Е = (Е₁₉ - Е₂₀) (Е₁₉ + Е₂₀)/В А₂(θ₁ - θ₂), (18)
Учитывая что Δθ = θ₁ - θ₂, можно записать согласно (3)
E= = , где = K_o , т.е. выходной сигнал измерительно-вычислительного блока, отображаемый показывающим прибором 18, прямо пропорционален измеряемому расходу G. По сравнению с прототипом массовый расходомер для трубопровода обладает следующими преимуществами.

Исключается погрешность, вызванная изменением температуры контролируемой среды θ_cp. Действительно, как видно из формул (1), (2) и (3), при определении Δ Р величина θ_cp сокращается.

Существенно расширяется диапазон измерения в результате того, что обе мостовые измерительные схемы снабжены системами стабилизации температуры термопреобразователей сопротивления. Расширение диапазона измерения достигается путем изменения разности θ₁ - θ₂, а также путем изменения уровня сигнала в цепи обратной связи за счет к-та усиления усилителя при аналоговой реализации или за счет регулировки аттенюатора в случае реализации прибора на цифровых элементах.

Существенно повышена чувствительность за счет совмещенного питания мостовой измерительной схемы, при котором разогрев термопреобразователя сопротивления при нулевых расходах осуществляется за счет источника установочного напряжения, а токи цепи обратной связи используются толко для дополнительного разогрева, вызванного изменением расхода.

Обеспечивается возможность измерения расходов с высокой точностью при использовании высокочувствительных термопреобразователей сопротивления с низкими метрологическими свойствами (например, при использовании полупроводниковых терморезисторов). Это достигается за счет схемного решения, обеспечивающего работу устройства в изотермическом режиме, при котором мостовая измерительная схема работает в одной точке номинальной статической характеристики термопреобразователя сопротивления.

По сравнению с прототипом в данной конструкции обеспечивается быстродействие за счет охвата обоих термопреобразователей сопротивления отрицательной обратной связью по мощности. В этом случае уменьшение эквивалентной постоянной времени мостовой измерительной схемы по отношению к постоянной времени термопреобразователя сопротивления пропорционально коэффициенту отрицательной обратной связи своей мостовой измерительной схемы. Кроме того, за счет устройства повышается точность измерения ≈ в 1,3 раза.

Использование: для измерения массового расхода жидкостей и газов электрическим методом. Сущность: массовый расходомер для трубопровода содержит две мостовые измерительные схемы, четыре рабочих плеча мостовых схем, две системы стабилизации, два усилителя, два генератора, два формирователя импульсов, два аттенюатора, четыре диода, два переменных резистора, два ограничительных резистора, один измерительно-вычислительный блок и один индикатор. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР, содержащий источник напряжения, первую и вторую измерительные мостовые схемы, в плечи сравнения которых включены термонезависимые резисторы, а в рабочие - термопреобразователи сопротивления, установленные в потоке измеряемой среды на измерительном участке трубопровода, при этом первая измерительная мостовая схема подключена измерительной диагональю к входу первой схемы стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, а диагональю питания - к ее первому выходу, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены вторая схема стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления второй измерительной мостовой схемы, подключенная входом к измерительной диагонали второй измерительной мостовой схемы, а первым выходом соединенная с диагональю питания второй измерительной мостовой схемы, а также последовательно соединенные измерительно-вычислительный блок и показывающий прибор, причем обе схемы стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления содержат вторые выходы, подключенные к соответствующим входам измерительно-вычислительного блока, а величины сопротивлений термонезависимых резисторов в плечах сравнения измерительных мостовых схем выбраны равными величинам сопротивлений соответствующих термопреобразователей сопротивления при заданных температурах стабилизации. 2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что схема стабилизации температуры выполнена в виде последовательно соединенных усилителя, генератор импульсов, формирователя импульсов и аттенюатора, подключенного выходом к второму выходу схемы стабилизации температуры, соединенной входом и первым выходом, с входом усилителя и выходом генератора импульсов соответственно. 3. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что схема стабилизации температуры выполнена в виде последовательно соединенных усилителя и термонезависимого резистора, подключенного соответственно первым и вторым выводами к первому и второму выходам схемы стабилизации температуры, соединенной своими входами с соответствующими входами усилителя.