СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПОТОКА Российский патент 2000 года по МПК G01F1/708 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способам измерения расхода потоков веществ.

Среди тепловых способов измерения расхода различают контактный (калориметрический) и неконтактный (термоконвективный) способы измерения. Достоинством обеих способов является возможность измерения массового расхода при условии неизменности теплоемкости измеряемого вещества. Еще одно достоинство термоконвективных расходомеров - отсутствие контакта с измеряемым веществом. Недостаток тех и других - большая инерционность. Для повышения быстродействия используют различные методы, один из которых меточный.

Известные неконтактные способы измерения скоростей и расходов потоков жидкостей и газов основаны на измерении времени переноса тепловой метки между двумя сечениями измерительного участка, в которых производится регистрация метки /Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л., Машиностроение, 1989. - 701 с./.

Наиболее близким по своей методике является неконтактный способ измерения расхода потоков на основе тепловых меток, в котором с целью введения коррекции по составу контролируемой среды и определения массового расхода дополнительно измеряют скорость охлаждения метки /Авторское свидетельство СССР N 832341, кл. G 01 F 1/70, (прототип)/.

Основным недостатком указанного неконтактного способа является ограниченная точность, обусловленная следующими факторами.

1. Однозначная зависимость между скоростью (темпом) регулярного охлаждения метки в процессе переноса ее потоком с величиной коэффициента температуропроводности (α_c) измеряемой среды имеет место только при отсутствии теплопотерь в окружающую измерительный преобразователь расходомера внешнюю среду или при постоянстве их. В реальных условиях, при измерении расхода неконтактным тепловым методом теплопотерь в окружающую среду практически избежать не удается, кроме того их величина зависит от расхода, что и приводит к увеличению погрешности измерения величины α_c, а следовательно, к снижению точности определения массового расхода.

2. Реализация измерения скорости (темпа) охлаждения метки по формуле:

где T_м -температура метки;
T_п - температура потока (измеряемой среды);
τ - время,
сопряжена с достаточно сложными совокупными измерениями, включающими операции логарифмирования и дифференцирования, что также ограничивает точность измерения.

Поэтому актуальна проблема повышения точности измерения расхода меточным неконтактным тепловым (термоконвективным) методом.

Решение этой проблемы достигается тем, что дополнительно измеряют время переноса тепловой метки между ее источником и фиксированным (контрольным) участком.

В неконтактных термоконвективных преобразователях расхода при реализации меточного метода измерения процессы переноса теплоты от источника меток (нагревателя) в поток вещества и от потока к термопреобразователям осуществляются через стенку канала путем теплопроводности и конвекции.

Для исключения инерционности указанных тепловых процессов время переноса метки определяется на контрольном участке между двумя термопреобразователями по моментам достижения максимумов их реакций при прохождении тепловой метки. Эта величина времени переноса метки (τ_к) по контрольному (фиксированному) участку однозначно связана с объемным расходом и не зависит от свойств и состава измеряемой среды. Именно регистрация по максимумам реакции на метку обеспечивает инвариантность показаний расходомера к свойствам и составу измеряемой среды. Это подтверждено экспериментально (см. фиг. 2), а также следующими аналитическими выкладками.

Из анализа решение идеализированной задачи о распространении теплового импульса (метки) в потоке жидкости:

где T_п(x,t) - температура потока жидкости;
T_о - начальная температура тепловой метки;
x - линейная координата;
α_c - коэффициент температуропроводности жидкости;
2 • l - начальная длина тепловой метки;
следует, что при достижении максимумом метки зоны регистрации (то есть при ∂T_п/∂τ = 0) имеет место соотношение:

справедливость которого возможна только при выполнении условия x = v • t или t = x/l, то есть в рамках принятых допущений время переноса метки определяется только координатой регистратора (термопреобразователя) и средней скоростью (объемным расходом) жидкости и не зависит от ее свойств.

Чтобы учесть изменение свойств (состава) измеряемой среды и определить массовый расход в условиях этого изменения, предлагается дополнительно измерять время переноса метки между источником метки (нагревателем) и фиксированным (контрольным) участком. Величина этого времени (τ_д) будет складываться не только из времени переноса метки потоком, но и из длительности процессов кондуктивно-конвективного переноса теплоты от нагревателя к потоку жидкости и от потока через стенку канала (металлической трубы) к термопреобразователю. Именно инерционность конвективной составляющей процессов формирования метки в потоке вещества и ее регистрации на наружной поверхности стенки канала (трубы) в зоне от нагревателя до фиксируемого (контрольного) участка существенно зависит не только от величины объемного расхода, но и от свойств (состава) среды. Если для простоты принять вариант, когда длина фиксируемого участка равна расстоянию от нагревателя до указанного фиксируемого участка (l₁ = l₂), то по разности (τ_д-τ_к) можно судить о свойствах среды (например, ее плотности) и обеспечить измерение массового расхода жидкости с переменными свойствами, получив при этом более высокую точность, за счет минимизации недостатков известного способа.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Расходомер содержит: канал (металлический патрубок) 1, на наружной поверхности стенки которого размещены нагреватель 2 (например, проволочный); 3 и 4 - измерительные термопреобразователи; 5 и 6 - компенсационные термопреобразователи (пленочные терморезисторы), включенные в схемы неуравновешенных мостов 7 и 8 постоянного тока с усилителями; блок 9 управления нагревателем и вычислительный (микропроцессорный) блок 10.

Способ осуществляется следующим образом. Блок управления 9 периодически включает нагреватель 2, генерируя в поток тепловые метки. При включении нагревателя подается команда микропроцессорному блоку 10 на начало измерения времени. По достижении максимума величины реакции на терморезисторе 3, от прохождения тепловой метки, усиленный выходной сигнал с моста 7 обеспечивает фиксацию времени переноса τ_д и начинается отсчет времени переноса метки между терморезисторами 3 и 4. При возникновении максимума сигнала на терморезисторе 4, через мост 8 с усилителем, блоком 10 определяется время переноса метки по контрольному участку τ_к, а следовательно, и величина объемного расхода G₀; по разности (τ_д-τ_к), определяемой также блоком 10, судят о свойствах потока (например, плотности) и затем определяют величину массового расхода (G_м = G₀•ρ). Графическая иллюстрация указанных операций представлена на фиг. 2 и 3, где
τизмк

- измеренное время переноса метки потоком по контрольному участку;
G_о ^изм - определенная блоком 10 величина объемного расхода;
τизмд - измеренное время переноса метки от нагревателя до контрольного участка;
ρ^изм - найденная блоком 10 величина плотности;
1-τ_к = f(G₀);
2,3,4,5-τ_д = f(G₀,ρ);

×-ρ = 1115 кг/м³.
Экспериментальная проверка предлагаемого способа и его сравнение с известным проводилась в диапазоне расходов 0 - 40 кг/ч на потоках водных растворов солей NaCl и Na₂CO₂, с концентрацией от 4 до 16% вес. Использовался первичный преобразователь со следующими параметрами:
- внутренний диаметр патрубка - d_вн = 5 мм;
- толщина стенки патрубка - δ_cт = 0,3 мм;
- материал патрубка - нержавеющая сталь;
- напряжение, подаваемое на нагреватель в момент импульса - U_н = 36B;
- длительность импульса - τ_н = 0,2 c.
Границы распределения погрешности определения τ_д (как дополнительного информативного параметра о свойствах среды) составляют не более 1.8%, а при определении скорости охлаждения метки (темпа) - порядка 3%. В итоге, как показали эксперименты, погрешность определения массового расхода предлагаемым методом, в условиях изменения свойств среды, на 1 - 1.2% ниже, чем у прототипа /Авторское свидетельство СССР N 832341, кл. G 01 F 1/70/.

Изобретение позволяет измерить массовый расход среды переменного состава. Термоконвективным преобразователем, включающим нагреватель и два пленочных терморезистора, расположенные на наружной поверхности трубы, измеряют время τ_д переноса тепловой метки между нагревателем и фиксированным (контрольным) участком, а также время τ_к переноса метки по контрольному участку. По разности (τ_д•τ_к) судят о плотности измеряемой среды. Величина τ_д служит для вычисления объемного расхода. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения массового расхода в условиях изменения свойств среды. 3 ил.

Способ измерения расхода потока с использованием термоконвективного преобразователя расхода, основанный на измерении времени τ_к переноса тепловой метки на фиксированном участке, с коррекцией по составу контролируемого потока, отличающийся тем, что дополнительно измеряют время τ_д переноса метки между ее источником и фиксированным участком и по разности (τ_д-τ_к) судят о составе среды.