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

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

Общим недостатком тепловых расходомеров 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 автономный двухканальный микрорасходомер газа, содержащий герметичный теплоизолированный металлический корпус с расположенными в нем теплообменником-нагревателем и газораспределительной камерой для подачи поступающего в нее потока газа в измерительный и в термокомпенсационный каналы, выполненные идентичными. При этом все элементы расположены в горизонтальной плоскости. В каналах размещены теплочувствительные элементы (ТЧЭ) в виде полупроводниковых сопротивлений (термисторов ) с косвенным нагревом, а на внешней поверхности каналов установлены дополнительные нагреватели. ТЧЭ термокомпенсационного канала включен в электронную схему блока управления мощностью нагревателей [1]. Этот расходомер принят за прототип.

Недостатками расходомера [1] являются: зависимость показаний от величины угла между его вертикальной осью и нормалью к горизонтальной плоскости, в которой расположены все его элементы; малый диапазон расхода газа, доступный измерению с его помощью.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении этих недостатков.

Предлагаемое техническое решение изобретения состоит в том, что (см.чертеж) в герметичном металлическом корпусе 1 расходомера создаются не два, как у прототипа, а четыре параллельных идентичных канала - 4, 4' и 5, 5', герметично соединенных с газораспределительной камерой 3. В каждом из каналов располагаются теплочувствительные элементы (ТЧЭ) 6, 6' и 7, 7' соответственно, представляющие собой термисторы с косвенным нагревом, как и у прототипа. Одноцифровые термисторы электрически соединены последовательно.

Предлагаемый расходомер работает следующим образом. Через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Т_вх поступает в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т_г и попадает в газораспределительную камеру (ГРК) 3, делящую газовый поток на четыре одинаковых по расходу (G/4) и температуре потока, поступающих затем в измерительные 4, 4' и в термокомпенсационные 5, 5' каналы соответственно. При этом в одинаковые по функции каналы газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации вертикальной оси расходомера, чем и обеспечивается ориентационная независимость его показаний.

Расположенные в каналах 5, 5' теплочувствительные элементы 7, 7' принимают температуру набегающего потока газа, и их омическое сопротивление становится равным R(T_г). Если Т_г≠Т_п - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т_вх и Т_ср, под действием сигнала рассогласования ΔR(T_г, Т_п) с блока управления мощностью (БУМ) 8, к которому последовательно соединенные термисторы 7, 7' электрически подключены, к спиралям 10, 12, 12', 11', 11, соединенным последовательно, 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, как и у прототипа. Так как при расходе G/4 два последовательно соединенных термистора дают такой же сигнал рассогласования, как и один термистор при расходе G/2, то при одном и том же отклонении температуры газа от фиксированного значения Т_п чувствительность схемы к нему не изменится. Функции дополнительных спиралей 11, 11', 12, 12' на внешних поверхностях каналов те же, что и у прототипа (компенсация остывания газа при его протекании по ГРК; более быстрое достижение фиксированного уровня Т_п теплоносителем; улучшение защиты ТЧЭ от температуры среды и снижение поправки на радиационный теплообмен ТЧЭ со стенками каналов).

Теплочувствительные элементы 6, 6' в измерительных каналах 4, 4' перегреты током косвенного нагрева (спирали для косвенного нагрева соединены последовательно) на одну и ту же величину ΔT≈25 К относительно фиксированного температурного уровня Т_п, который имеют омывающие их газовые потоки с расходом G/4 каждый. При взаимодействии с охлаждающими газовыми потоками температура ТЧЭ 6, 6' изменяется, что вызывает изменение их омических сопротивлений и тем самым величины преобразованного схемой 9 выходного сигнала, являющегося мерой расхода газа через измерительные каналы (т.е. G/2). Так как термисторы 6, 6' соединены последовательно, то при омывании каждого из них газовым потоком с расходом G/4 выходной сигнал по величине будет практически таким же, как и при омывании одного термистора газовым потоком с расходом G/2, в силу чего чувствительность по расходу предлагаемого расходомера будет не хуже, чем у прототипа.

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

В отличие от прототипа предлагаемый расходомер имеет четыре канала, выполненных идентичными, в силу чего любой из них может рассматриваться как байпасная линия с расходом G/4. Это приводит к удвоению в сравнении с прототипом диапазона расхода газа, доступного измерению с помощью предлагаемого расходомера.

Источник информации

1. Патент RU N 2201580, кл. G 01 F 1/69, 2003.

В корпусе расходомера расположены теплообменник и газораспределительная камера, с которой герметично соединены четыре параллельных идентичных канала с идентичными термисторами: два измерительных и два термокомпенсационных. Термисторы одинаковых по функциональному назначению каналов, в которые в строго противоположных направлениях поступают потоки газа расходом G/4, соединены последовательно. Изобретение обеспечивает расширение диапазона измерения при сохранении автономности и чувствительности. 1 ил.

Тепловой микрорасходомер газа, содержащий корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней измерительным и термокомпенсационным каналами, в которых размещены соответствующие теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов с косвенным нагревом, отличающийся тем, что газораспределительная камера выполнена с возможностью разделения входящего в нее газового потока на четыре потока, одинаковых по расходу и температуре, и направления этих потоков в четыре параллельных идентичных канала - два измерительные с термисторами с косвенным нагревом и два термокомпенсационные с идентичными термисторами, при этом как в измерительные, так и в термокомпенсационные каналы потоки поступают в строго противоположных направлениях, а термисторы с косвенным нагревом и в измерительных, и в термокомпенсационных каналах электрически соединены между собой последовательно.