УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОРАСХОДА ГАЗА Российский патент 2003 года по МПК G01F1/69 G01P5/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению массового расхода газа и к устройству тепловых расходомеров газа, предназначенных для использования в системах контроля и регулирования расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с при широком варьировании входной температуры газа и температуры внешней среды.

Известны тепловые расходомеры, основанные на учете эффекта теплового воздействия на среду [1].

Такие расходомеры содержат корпус, трубопровод с расположенными (расположенным) на нем нагревателями (нагревателем) [2, 3]. Датчиками температуры на участках трубопровода, являющегося измерительным элементом (ИЭ), служат или сами нагреватели [2], или термодатчик, размещенный на выходном конце ИЭ [3].

Для исключения влияния температуры окружающей среды корпус расходомера [2] термостатируется с помощью отдельного нагревателя. Корпус расходомера [3] теплоизолируется, причем теплоизолирующий участок снабжен устройством регулировки его температуры.

Для уменьшения влияния температуры входящего в ИЭ газа термостатируемый корпус расходомера [2] снабжен теплообменником, протекая по которому газ прогревается до некоторой неконтролируемой температуры, необязательно равной температуре корпуса.

Влияние температуры газа, входящего в расходомер [4], частично компенсируется электронными устройствами, вырабатывающими компенсирующими сигнал как функцию температуры входящего газа.

Известен тепловой расходомер, содержащий корпус, измерительный газопровод с расположенным в нем теплочувствительным элементом (ТЧЭ) с металлической проводимостью, средства автоматики для поддержания температуры ТЧЭ постоянной. Подаваемое на ТЧЭ напряжение характеризует расход газа [5].

Общим недостатком расходомеров [2]-[5] является недостаточная чувствительность систем термостабилизации корпуса газопровода или ТЧЭ, обусловленная использованием датчиков с металлической проводимостью, обладающих малыми значениями температурного коэффициента сопротивления (ТКС).

Известны расходомеры, содержащие корпус-газопровод с измерительным и компенсационным каналом (каналами), в которых расположены ТЧЭ-термисторы [6], пироэлектрические термодатчики [7]. Оба расходомера обладают весьма сложными отслеживающими тепловой режим системы электронными устройствами, что снижает надежность их работы. По числу совпадающих отличительных признаков тепловой расходомер [6] принят за прототип.

Задачей настоящего изобретения является предложение и реализация наиболее простого устройства для измерения расхода газа, обеспечивающего, в то же время, автономность расходомера (т.е. независимость его показаний от значений температур входящего газа Т_вх и окружающей среды Т_ср), повышение его точности, чувствительности и надежности при одновременном расширении диапазона измерений массового расхода, газа.

Предлагаемое техническое решение изобретения состоит в том, что в известном способе измерения расхода газа, заключающемся в помещении нагретого ТЧЭ в охлаждающий его поток газа (см. [5], [6], [7]), для обеспечения автономности расходомера осуществляется термостабилизация газового потока на фиксированном температурном уровне Т_п, независящем от Т_вх и Т_ср, с помощью нагревателей, мощность которых управляется другим ТЧЭ-термистором, идентичным измерительному ТЧЭ, и находящемся в компенсационном канале, идентичном рабочему каналу. Разделение газового потока на два одинаковых по расходу (G/2) и температуре (Т_п) потока осуществляется с помощью газораспределительной камеры (ГРК).

На чертеже изображен общий вид предложенного расходомера газа. Он содержит: теплоизолированный (внутри и снаружи в зависимости от условий эксплуатации) герметичный металлический корпус 1 с входным и выходным отверстиями под штуцеры; нагреватель - теплообменник (ТО) 2 с нихромовой спиралью 10 внутри него; газораспределительную камеру (ГРК) 3, герметично соединенную с ТО и с двумя идентичными каналами 4, 5; измерительный ТЧЭ 6 (полупроводниковый термистор) с косвенным подогревом током I_к.п., включенный в схему преобразователя 7 выходного сигнала в электрический; термокомпенсационный ТЧЭ 8 (термистор полупроводниковый), включенный в электронную схему блока 9 управления мощностью нагревателя ТО (БУМ), нагрузкой которого служат спираль 10 теплообменника и нагреватели 11 и 12 на внешних поверхностях каналов 4,5.

Расходомер работает следующим образом. Через входной штуцер (не показан) газ температуры Т_вх поступает в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т_r и попадает в газораспределительную камеру (ГРК) 3, делящую газовый поток на два одинаковых по расходу (G/2) и температуре потока, поступающие затем в измерительный 4 и в термокомпенсационный 5 каналы соответственно.

Расположенный в канале 5 теплочувствительный ТЧЭ 8 принимает температуру набегающего потока газа, и его омическое сопротивление становится равным R(T_r). Если Т_r≠Т_п - максимальной из возможных по условиям эксплуатации значениям Т_вх и Т_ср, то под действием сигнала рассогласования ΔR (Т_r, Т_п) с блока управления 9 к нагревательным спиралям 10, 11, 12 подводится мощность, сводящая ΔR к нулю. Это приводит к термостабилизации газового потока на фиксированном уровне Т_п, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т_вх и Т_ср, т.е. его автономность. Дополнительные спирали 11, 12 на стенках каналов 4, 5 компенсируют остывание газа при его протекании по ГРК и способствуют более быстрому достижению фиксированного температурного уровня Т_н теплоносителя. Дополнительный подогрев стенок каналов 4, 5 улучшает защиту ТЧЭ от температуры Т_ср и одновременно снижает поправку на радиационный теплообмен ТЧЭ со стенками этих каналов.

Теплочувствительный элемент ТЧЭ 6 в измерительном канале 4 перегрет током косвенного подогрева I_к.п. на величину ΔT - 20 К относительно фиксированного уровня Т_п омывающего его газового потока с расходом G/2. При взаимодействии с охлаждающим газовым потоком температура термистора ТЧЭ изменяется, что вызывает изменение его омического сопротивления и, тем самым, величины преобразованного схемой 7 выходного электрического сигнала, являющегося мерой расхода газа через измерительный канал (т.е. G/2).

Из каналов 4, 5 газовые потоки, расходом G/2 каждый, поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера и газ расходом G уходит в газовую сеть через выходной штуцер (не показан).

Таким образом, термостабилнзация газового потока на фиксированном уровне позволяет выделить расход как единственную и однозначную функцию влияния на энтальпию ТЧЭ независимо от значений температур входящего газа Т_вх и внешней среды Т_ср. В отличие от прототипа постоянной поддерживается не температура ТЧЭ, а температура газового потока на уровне Т_п с помощью нагревателей, мощность которых управляется схемой термостабилизации.

Повышение точности и чувствительности заявляемого расходомера обеспечивается, как и у прототипа, использованием в качестве датчиков температур полупроводниковых термисторов.

В отличие от прототипа предлагаемый расходомер имеет два канала, выполненных идентичными, в силу чего любой из них может рассматриваться как байпасная линия с расходом G/2. У прототипа неодинаковость каналов по сечению требует знания коэффициента деления потока между каналами. Этот же недостаток присущ и расходомеру [7].

Надежность устройства зависит от количества и сложности управляющих систем. В предлагаемом расходомере такая система - система термостабилизации газового потока - одна, в то время как у прототипа их три с положительными и отрицательными обратными связями, управляемыми программно. Использование расходомера [7] с его сложнейшей обслуживающей электронно-тепловой системой оправдано только в специальных случаях быстрых пульсаций температуры и скорости (расхода) газового потока.

Литература
1.Коротков П.А. в др. Тепловые расходомеры. - Л.: Машиностроение, 1969.

2. Авторское свидетельство SU 1223065, кл. G 01 F 1/68, 1986.

3. Авторское свидетельство SU 586330, G 01 F 1/68, 1977.

4. Патент ФРГ 2929427, МКИ G 01 F 1/68.

5. Патент FR 2459962, МКИ G 01 F 1/68.

6. Патент US 4653321, кл. 73-197, 1987.

7. Авторское свидетельство SU 870945, М. Кл. 4 G 01 F 1/68, 1981.

Тепловой микрорасходомер содержит герметичный теплоизолированный металлический корпус с расположенными в нем теплообменником-нагревателем и газораспределительной камерой для подачи поступающего в нее потока в измерительный и термокомпенсационный каналы, выполненные идентичными. В каналах корпуса размещены теплочувствительные элементы (ТЧЭ) в виде полупроводниковых термисторов косвенного нагрева, а на внешней поверхности каналов установлены дополнительные нагреватели. ТЧЭ термокомпенсационного канала включен в электронную схему блока управления мощностью нагревателей. Изобретение обеспечивает повышение точности и чувствительности измерений в широком диапазоне температур поступающего газа и внешней среды, а также обладает повышенной надежностью. 1 ил.

Тепловой микрорасходомер, содержащий корпус с расположенными в нем газораспределительной камерой и каналами для размещения соответствующих теплочувствительных элементов - измерительного, выполненного в виде полупроводникового термистора с косвенным нагревом, и термокомпенсационного - в виде полупроводникового термистора, отличающийся тем, что в него введены нагреватель-теплообменник управляемой мощности, нагреватели, размещенные на стенках каналов корпуса, выполненных идентичными, и блок управления мощностью нагревателя-теплообменника и нагревателей каналов, в электронную схему которого включен термокомпенсационный теплочувствительный элемент.