ТЕПЛОВОЙ МИКРОРАСХОДОМЕР ГАЗА Российский патент 2005 года по МПК G01F1/684 G01F1/69 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым микрорасходомерам для измерения массового расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с.

Общим недостатком тепловых расходомеров, независимо от принципа измерения, положенного в основу их работы, является зависимость их показаний от ориентации расходомера. Эта зависимость наиболее существенна в области малых расходов (малых скоростей потока газа) из-за влияния естественной конвекции.

Известен способ измерения расхода газа, заключающийся в том, что нагреваемый электрическим током теплочувствительный элемент в виде цилиндрической спирали (ТЧЭ) помещается в теплоизолированный корпус-газопровод и охлаждается протекающим по газопроводу потоком газа. Изменение температуры омываемого потоком газа ТЧЭ сопровождается изменением его поверхностной спектральной энергетической светимости, которое регистрируется через оптическое окно в стенке газопровода с помощью преобразователя оптического излучения (ПОИ) [1]. Этот расходомер принят за прототип.

Недостатками расходомера [1] являются зависимость показаний от ориентации в вертикальной плоскости его продольной оси; перпендикулярность газового потока и потока излучения, в силу чего поперечный характер обтекания ТЧЭ потоком газа и регистрацию потока излучения поверхности ТЧЭ можно обеспечить только при выполнении ТЧЭ в форме цилиндрической спирали.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении указанных недостатков при одновременном повышении точности, чувствительности, надежности расходомера и в удвоении доступного измерению диапазона расхода газа.

Предлагаемое техническое решение изобретения состоит в том, что (см. фиг.1) в металлическом корпусе расходомера создаются две идентичные измерительные камеры 1, 1’ в каждой из которых размещаются нагреваемые электрическим током проволочные сдирали 2 и 2' плоского типа с герметизированными токоподводами 3 и 3'. Поток излучения всей поверхности спирали подается непосредственно через герметично закрепленные в корпусе световоды 4, 4' (по одному с каждой стороны спирали и выполняющие одновременно роль оптических окон) на преобразователи оптического излучения 5, 5' (ПОИ типа фотодиода). Ориентационная независимость показаний расходомера обеспечивается подводом (в отводом) газового потока к измерительным камерам в строго противоположных направлениях с помощью практически идентичных систем выполненных в корпусе расходомера газоподводящих 6 и газоотводящих 6' каналов, соединенных с камерами.

Объединение системы каналов 6, 6' с каналами для световодов делает газовые потоки в потоки излучения параллельными, в силу чего характер обтекания спирали газовым потоком остается поперечным при любой ее форме, а не только цилиндрической, как у прототипа.

Разделение входящего газового потока на два расходом G/2 каждый перед их подводом к камерам с ТЧЭ означает, что через каждую камеру проходит газовый поток расходом G/2. Это приводит к увеличению в два раза диапазона расхода газа, доступного измерению данным расходомером.

Используемый принцип измерения обеспечивает наибольшую чувствительность именно в области малых расходов газа. Уменьшение вдвое расхода газа через измерительную камеру с ТЧЭ автоматически приводит, в силу указанной выше причины, к существенному увеличению чувствительности и точности предлагаемого устройства.

Использование четырех фотодиодов, каждый из которых вырабатывает свой выходной сигнал, существенно повышает надежность устройства в целом, которое остается работоспособным даже при выхода из строя остальных фотодиодов, при наличии предварительно полученных расходных характеристик для каждого из фотодиодов и их возможных комбинаций.

Автономность и малая инерционность предлагаемого расходомера обусловлены, как и у прототипа, сильным перегревом (1200 К) ТЧЭ относительно температуры входящего газа, который к тому же подогревается в газоподводящей системе каналов, выполненных в нагреваемом ТЧЭ корпусе, в выбором принципа измерения, заключающимся в бесконтактном способе регистрации потока излучения ТЧЭ с помощью малоинерционных ПОИ.

Фиксирование абсолютной спектральной характеристики ПОИ осуществляется их помещением в термостабилизированные на температурном уровне Т=323 К теплоизолированные капсулы 5, 5 '. Указанное значение температурного уровня является оптимальным, так как дальнейшее его увеличению приведет к резкому возрастанию темнового тока фотодиода [2], что нежелательно. Температурный режим капсулы поддерживается на заданном уровне автоматически с помощью специальной контролирующе-управляющей электронной схемы (см. фиг.2). Для термостабилизации капсул служат вмонтированные в них идентичные нихромовые спирали, напряжение на которые подается после усиления с диагонали мостовой схемы. В одно из плеч моста включен терморезистор, сопротивление которого при Т=323 К заранее определено. Терморезистор размещается в одной из капсул. При отклонении температуры капсулы от заданного уровня (т.е. сопротивления терморезистора при сбалансированном мосте) напряжение с диагонали разбалансированного моста после усиления подводится к спиралям капсул, ликвидируя разбалансировку моста.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Подводимый через расположенную в нагретом от ТЧЭ корпусе газоподводящую систему 6 каналов газ поступает в каналы со световодами 4, 4' и через них - в измерительные камеры с нагретыми через токоподводы 3 и 3' спиралями 2 и 2' (ТЧЭ) соответственно и уходит через систему каналов 6' в систему газовой подачи. Охлаждаемые потоком газа расходом G/2 спирали 2 и 2' (ТЧЭ) уменьшают свою поверхностную спектральную энергетическую светимость, что и регистрируется через световоды 4, 4' преобразователями оптического излучения 5, 5' (ПОИ). Выходные информативные сигналы с ПОИ 5, 5' в форме электрического (вольтового) сигнала поступают на вход электронного блока обработки и преобразования сигнала (БОПС) (на фиг.1 не показан). В качестве БОПС могут служить цифровой вольтметр, на вход которого подается напряжение с сопротивления нагрузки параллельно включенных фотодиодов; напряжение с нагрузочного сопротивления фотодиодов можно подавать на АЦП, подключенный к ПК с программой пересчета напряжения в расход согласно предварительно заложенной в нее расходной характеристике расходомера. Расходная характеристика представляет собою экспериментально определенную зависимость измеряемой величины падения напряжения на нагрузочном сопротивлении фотодиодов от задаваемого расхода газа.

Устройство содержит корпус с двумя идентичными камерами, в каждой из которых расположен нагреваемый электрическим током высокотемпературный (1200 К) теплочувствительный элемент (ТЧЭ) в форме плоской спирали. По системам каналов корпуса к камерам поступают и отводятся газовые потоки с половинным расходом. В корпусе, по одному с каждой стороны ТЧЭ, герметично закреплены четыре световода. Для регистрации потока излучения всей поверхности обоих ТЧЭ, проходящего через световоды, служат четыре преобразователя оптического излучения (ПОИ) типа фотодиодов, помещенные в капсулы, температура которых стабилизируется на заданном уровне. Сигналы с ПОИ поступают на цифровой вольтметр. Изобретение обеспечивает увеличение точности и чувствительности при одновременном удвоении диапазона измерения, а также имеет повышенную надежность при сохранении автономности и малой инерционности. 2 ил.

Тепловой микрорасходомер газа, содержащий корпус, в котором выполнены: две идентичные измерительные камеры, в каждой из которых расположен проволочный нагреваемый электрическим током теплочувствительный элемент в форме плоской спирали; и системы каналов, подводящих к измерительным камерам и отводящих от них газовые потоки с половинным расходом входящего газового потока каждый, соответственно в противоположных направлениях, герметично закрепленные в корпусе по одному с каждой стороны спирали световоды, и четыре преобразователя оптического излучения, помещенные в термостабилизированные капсулы и служащие для регистрации потока излучения всей поверхности обоих теплочувствительных элементов, проходящего через световоды.