ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР Российский патент 1998 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в устройствах для измерения расхода газа и жидкости.

Известен тепловой расходомер, содержащий корпус с выполненными в нем основным каналом, снабженным диафрагмой, и измерительным каналом, включающим измерительную трубку с расположенными на ней двумя нагреваемыми термочувствительными элементами (терморезисторами), включенными в мостовую измерительную схему, и размещенный между стенками корпуса и измерительной трубкой теплозащитный кожух [1].

В статическом состоянии, при отсутствии контролируемого вещества резистивний мост, одно из плеч которого образовано терморезисторами, находится в равновесии. С появлением расхода контролируемого вещества, например^ газа, температура первого терморезистора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих температур пропорциональна расходу контролируемого вещества. При этом на точность измерения значительное влияние оказывают изменения температуры потока контролируемого вещества и температуры окружающей среды. Например, при изменении температуры окружающей среды градуировочная характеристика расходомера смещается, так как изменение температуры первого терморезистора приводит к изменению влияния потока на второй терморезистор, что обуславливает появление дополнительной разности температур терморезисторов, т. е. появление соответствующей погрешности измерения. Теплозащитный кожух, выполненный из низкотеплопроводного материала, несколько снижает эту погрешность. Однако теплозащитный кожух в процессе работы теплового расходомера сам медленно нагревается, что приводит к тепловой перебалансировке в измерительном канале. Это обуславливает длительное время до достижения степени готовности теплового расходомера.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является тепловой расходомер, содержащий корпус с выполненными в нем основным каналом, снабженным диафрагмой, и измерительным каналом, включающим измерительную трубку с расположенными на ней нагревателем и терморезисторами, включенными в мостовую измерительную схему, и размещенный между стенками корпуса и измерительной трубкой коаксиально по отношению к ней теплоизолятор [2].

Теплоизолятор в этом тепловом расходомере выполнен в виде теплоизоляционного экрана, например, из пластмассы или керамики, установленного с зазором 0,8-1,0 мм к измерительной трубке.

Этот тепловой расходомер работает аналогично описанному выше. Наличие теплоизоляционного экрана позволяет несколько повысить точность измерения расхода, поскольку в щелевом зазоре не развиваются конвективные потоки, что снижает составляющую погрешности, обусловленную изменениями положения теплового расходомера в пространстве и температуры окружающей среды. Однако все же изменения температуры окружающей среды оказывают существенное влияние на процесс измерения, особенно в широком диапазоне рабочих температур эксплуатации.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании теплового расходомера, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении точности измерения расхода контролируемого вещества при одновременном расширении диапазона рабочих температур эксплуатации.

Это достигается тем, что в тепловом расходомере, содержащем корпус с выполненными в нем основным каналом, снабженным диафрагмой, и измерительным каналом, включающим измерительную трубку с расположенными на ней нагревателем и терморезисторами, включенными в мостовую измерительную схему, и размещенный между стенками корпуса и измерительной трубкой коаксиально по отношению к ней теплоизолятор, введены размещенный между теплоизолятором и измерительной трубкой массивный полый экран, расположенный на его внешней поверхности термостатирующий нагреватель, соединенный с блоком регулирования температуры, и входной и выходной теплопередающие вкладыши, размещенные вплотную к внутренней поверхности массивного полого экрана у соответствующих его торцов, при этом массивный полый экран и теплопередающие вкладыши выполнены из высокотеплопроводного материала, в каждом теплопередающем вкладыше выполнен соосно с измерительной трубкой сквозной канал, а массивный полый экран закреплен в корпусе посредством двух вставок со сквозным отверстием, соосным с измерительной трубкой, выполненных из низкотеплопроводного материала. В тепловом расходомере массивный полый экран может быть выполнен в форме цилиндра. Сквозной канал в теплопередающих вкладышах может быть выполнен щелевидным прямоугольной формы.

Новым в изобретении является введение и размещение массивного полого экрана, термостатирующего нагревателя, теплопередающих вкладышей со сквозными каналами и вставок со сквозными отверстиями, а также выбор материала массивного полого экрана, теплопередающих вкладышей и вставок. Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Оно содержит корпус 1 с основным 2 и измерительным 3 каналами, диафрагму 4, измерительную трубку 5, нагреватель и терморезисторы (выполненные, например, совмещенными в виде двух нагреваемых термочувствительных элементов - терморезисторов 6 и 7), мостовую измерительную схему 8, теплоизолятор 9, массивный полый экран 10, термостатирующий нагреватель 11, блок регулирования температуры 12, входной 13 и выходной 14 теплопередающие вкладыши, две вставки 15. В теплопередающих вкладышах 13, 14 выполнены сквозные каналы 16, во вставках 15 - сквозные отверстия 17. Корпус 1 снабжен также входным 18 и выходным 19 штуцерами. Массивный полый экран 10 и теплопередающие вкладыши 13, 14 выполнены из высокотеплопроводного материала, например, меди, алюминия. Теплоизолятор 9 выполнен, например, в виде наполнителя из каолиновой ваты. Вставки 15 выполнены из низкотеплопроводного материала, например, текстолита. Измерительная трубка 5 выполнена, например, из никеля. Терморезисторы 6, 7 и термостатирующий нагреватель 11 выполнены, например, в виде проволочной намотки. Массивный полый экран 10 выполнен преимущественно в форме цилиндра. Сквозные каналы 16 выполнены преимущественно щелевидными прямоугольной формы. Выбор размеров щели обусловлен расходом контролируемого вещества и его коэффициентом теплопроводности и удельной теплоемкости.

Тепловой расходомер работает следующим образом. При подаче на мостовую измерительную схему 8 напряжения питания происходит нагрев терморезисторов 6, 7 и как следствие измерительной трубки 5. Контролируемое вещество, например газ, в тепловой расходомер подают через входной штуцер 18. Часть его проходит по измерительному каналу 3, а другая - по основному каналу 2 с диафрагмой 4, которая определяет соотношения сопротивлений каналов 2 и 3 и позволяет изменить диапазон измерения расхода. Поток контролируемого вещества перераспределяет температуру по длине измерительной трубки 5, в результате чего изменяются величины сопротивления терморезисторов 6, 7 и нарушается равновесие моста мостовой измерительной схемы 8. При этом величина ее разбаланса пропорциональна расходу контролируемого вещества. Блок регулирования температуры 12 задает температуру термостатирующего нагревателя 11 равной или близкой наибольшей рабочей температуре окружающей среды. При включении этого блока массивный полый экран 10 и теплопередающие вкладыши 13, 14 нагреваются до постоянной температуры, которая остается одной и той же, несмотря на изменения температуры окружающей среды. Контролируемое вещество, которое подается в тепловой расходомер после наступления в нем теплового баланса, проходя через сквозной канал входного теплопередающего вкладыша 13, приобретает температуру массивного полого экрана 10 и поступает в измерительную трубку 5 с постоянной температурой. Таким образом, и поток контролируемого вещества, поступающего в измерительную трубку 5, и среда, окружающая измерительную трубку 5 с терморезисторами 6, 7, имеют стабильную температуру. Это исключает влияние на точность теплового расходомера изменений температуры подаваемого в тепловой расходомер контролируемого вещества и температуры окружающей среды.

Пример. Тепловой расходомер газа рассчитан на измерения расхода до 50 л/ч. Он выполнен на основе никелевой измерительной трубки 5 диаметром 1,4 мм с толщиной стенок 0,05 мм. Терморезисторы 6, 7 изготовлены из никелевой проволоки диаметром 0,03 мм, покрытой теплостойкой эмалью, и имеют сопротивление каждый по 90 0м. Массивный полый экран 10 и теплопередающие вкладыши 13, 14 выполнены из меди. Массивный полый экран 10 в форме цилиндра имеет внешний диаметр 10 мм, толщину стенок 1 мм. Сквозные каналы 16 выполнены щелевидными прямоугольной формы и имеют высоту 8 мм, ширину 1,4 мм и длину 10 мм. Термостатирующий нагреватель 11 изготовлен из медной эмалированной проволоки диаметром 0,6 мм. Вставки 15 выполнены из текстолита. Теплоизолятор 9 образован заполнением корпуса 1 каолиновой ватой. Его толщина от стенки корпуса 1 до наружной поверхности массивного полого экрана 10 составляет 15 мм. Блок регулирования температуры 12, работающий по принципу импульсного измерения и регулирования температуры, обеспечивает температуру массивного полого экрана 10, равную 45РС, и поддерживает ее с точностью ±1^oC. Колебания температуры подаваемого газа и окружающей среды в пределах стандартных для такого типа приборов интервалов рабочих температур практически не сказываются на точности измерений этого теплового расходомера при эксплуатации до температур порядка 45^oC.

Тепловой расходомер, выполненный в соответствии с изобретением, имеет более высокую точность при эксплуатации в широких интервалах температур по сравнению с аналогичными известными тепловыми расходомерами.

Источники информации:
1. Преобразователь расхода газа ПРГ-1. Паспорт ИЛЕВ.407131.001ПС.М.: 1986.

2. SU Авторское свидетельство, 1545084, кл. G 01 F 1/68, 1986.

Сущность изобретения: в измерительном канале 3 корпуса размещена трубка 5, на которой расположены терморезисторы 6, 7, включенные в мостовую измерительную схему. Массивный экран 10, расположенный между трубкой 5 и теплоизолятором 9, и теплопередающие вкладыши 13, 14 выполнены из высокотеплопроводного материала. Вкладыши имеют сквозные каналы, соосные с измерительной трубкой 5. С помощью термостатирующего нагревателя экран и вкладыши нагреваются до постоянной температуры. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Тепловой расходомер, содержащий корпус с выполненными в нем основным каналом, снабженным диафрагмой, и измерительным каналом, включающим измерительную трубку с расположенными на ней нагревателем и терморезисторами, включенными в мостовую измерительную схему, и размещенный между стенками корпуса и измерительной трубкой коаксиально по отношению к ней теплоизолятор, отличающийся тем, что в него введены размещенный между теплоизолятором и измерительной трубкой массивный полый экран, расположенный на его внешней поверхности термостатирующий нагреватель, соединенный с блоком регулирования температуры, и входной и выходной теплопередающие вкладыши, размещенные вплотную к внутренней поверхности массивного полого экрана у соответствующих его торцов, при этом массивный полый экран и теплопередающие вкладыши выполнены из высокотеплопроводного материала, в каждом теплопередающем вкладыше выполнен соосно с измерительной трубкой сквозной канал, а массивный полый экран закреплен в корпусе посредством двух вставок со сквозным отверстием, соосным с измерительной трубкой, выполненных из низкотеплопроводного материала. 2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что массивный полый экран выполнен в форме цилиндра. 3. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что сквозной канал в теплопередающих вкладышах выполнен щелевидным прямоугольной формы.