ДАТЧИК РАСХОДОМЕРА Российский патент 2016 года по МПК G01N11/00 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к расходомерам.

Точнее, изобретение предоставляет датчик для расходомера, который может использоваться в различных устройствах для измерения параметров потока, использующих полупроводниковые либо керамические терморезисторы. Данное описание не относится к другим типам расходомера, как те, которые базируются на электромагнитной волне.

ОПИСАНИЕ ПРЕДЫДУЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Технологии измерения расхода потока с использованием тепла, которые базируются на принципе ответа чувствительных к температуре резистивных нагревательных элементов, известны и были доступны на протяжении многих лет. На данный момент этот тип измерения осуществляется, когда датчик инструмента расположен либо внутри, либо снаружи трубы, сквозь которую протекает текучая субстанция.

Устройства для измерения расхода текучей субстанции с помощью расположения датчика снаружи трубы описываются в заявках на патент US 2004/0000196 и US 2003/0049877. Этот тип устройства имеет преимущество, состоящее в том, что датчик защищен от текучей субстанции, расход которой измеряется. Однако датчики этого типа требуют разработки и производства специального чипа на подложке. Поскольку стенка трубы является теплорезистивной, то происходит задержка с ответом датчика на изменения в расходе потока текучей субстанции, и, кроме того, этот тип устройства требует долговременной стабилизации перед началом измерения.

Устройство для измерения расхода текучей субстанции путем размещения датчика либо сенсорного элемента внутри трубы описывается во многих патентах и заявках на патент США, например в патентах US 3085431, US 4028689, US 7302844 и заявках на патент US 2006/0080050, US 2008/0080588 и US 2009/0071244. Такой терморезисторный датчик расходомера предыдущего уровня техники состоит из прямо либо косвенно подогреваемого терморезистора с выводами, которые покрыты металлической трубкой. Трубка отделяет терморезистор от текучей субстанции вне себя, поскольку керамические терморезисторы, даже при измерениях параметров газового потока, легко поглощают водяной пар, который вредно влияет на их рабочие характеристики. При измерении параметров потока жидкости необходимо избегать прямого контакта жидкости с терморезистором либо с его электрической схемой.

Внутренний объем трубки должен быть достаточно большим, чтобы вместить терморезистор с двумя проводами, помещенными в теплопроводную смолу. Трубка располагается непосредственно в поток текучей субстанции. Терморезистор внутри трубки меняет свое сопротивление в ответ на количество тепла, уносимого текучей субстанцией, протекающей вне трубки, с некоторой задержкой по времени вследствие температурного градиента между температурой текучей субстанции вне трубки и температурой терморезистора внутри трубки.

При более быстром предоставлении ответа, нежели это делают датчики, расположенные вне трубы, такие терморезисторные датчики имеют ряд недостатков. В терморезисторных датчиках предыдущего уровня техники тело терморезистора изолировано внутри металлической трубки достаточно далеко от точки измерения параметров потока для создания температурного градиента между терморезистором и средой вне трубки. Кроме того, присутствие трубки внутри потока изменяет картину течения и скорости, поскольку она создает препятствие потоку текучей субстанции в трубе. При измерении величин расхода потока нечистых либо грязных жидкостей в маленьких трубах датчик, кроме собственного воздействия на картину течения и скорость текучей субстанции, протекающей по трубе, становится покрытым скоплением веществ на его открытых поверхностях, ухудшая точность измерения и создавая необходимость разобрать прибор для чистки. В конце концов, цена производства таких терморезисторных датчиков является относительно высокой, поскольку это требует сложных механических приборов для удержания трубки(ок) на месте.

ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому, одной из задач данного изобретения является устранение недостатков расходомеров предыдущего уровня техники и предоставление датчика, способного быстро предоставлять ответ.

Дальнейшей задачей данного изобретения является предоставление датчика, который будет беспрерывно работать без необходимости технического обслуживания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение решает вышеупомянутые задачи путем предоставления устройства для определения расхода потока жидкости, проходящего в трубе, изготовленной из материала, имеющего низкую теплопроводность, при этом упомянутое устройство содержит датчик, расположенный по меньшей мере частично внутри стенки упомянутой трубы, при этом выступающие поверхности загерметизированных компонентов, которые являются частью упомянутого датчика, по существу, параллельны внутренней поверхности упомянутой стенки, при этом упомянутый датчик в рабочем состоянии соединен с управляющим и отображающим устройством, при этом упомянутый датчик содержит печатную плату (РСВ), на которой установлены по меньшей мере два терморезистора: верхний по потоку терморезистор, служащий для базовых измерений, и расположенный на расстоянии нижний по потоку терморезистор с самоподогревом для измерения изменений температуры поверхности упомянутого нижнего по потоку терморезистора, охлаждающегося упомянутой жидкостью, протекающей в упомянутой трубе, при этом упомянутое управляющее и отображающее устройство периодически измеряет электрическое сопротивление упомянутых терморезисторов для формирования сигналов, которые обрабатываются электронными средствами упомянутого управляющего и отображающего устройства для указания величин расхода потока.

ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется устройство, дополнительно содержащее запоминающий элемент для хранения его данных калибровки.

В дальнейшем преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется устройство, в котором упомянутые терморезисторы, которые должны контактировать с упомянутой текучей субстанцией, помещены в теплопроводный электроизолирующий компаунд.

В ином преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется низковольтный упомянутый нижний по потоку терморезистор с самоподогревом незначительной важности, при этом упомянутый датчик дополнительно содержит нагревательный элемент, расположенный вблизи с возможность теплопередачи к упомянутому нижнему по потоку терморезистору, и при этом упомянутый нижний по потоку терморезистор имеет сопротивление выше чем 1 К Ω (при 25°С), а упомянутый резистор имеет сопротивление ниже чем 100 Ω.

В дальнейшем преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется низковольтное устройство, в котором упомянутый нагревательный элемент установлен на той же поверхности печатной платы (РСВ), что и упомянутые терморезисторы, расположен вблизи и соединен с возможностью теплопередачи с упомянутым нижним по потоку терморезистором общим заземляющим медным припаиваемым контактным элементом и упомянутым теплопроводным компаундом.

В дальнейшем преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется низковольтное устройство, в котором упомянутый нагревательный элемент установлен на поверхности упомянутой печатной платы (РСВ), обращенной в сторону от упомянутой текучей субстанции, расположен вблизи и соединен с возможностью теплопередачи с упомянутым вторым нижним по потоку терморезистором общим заземляющим медным припаиваемым контактным элементом, который соединяет две поверхности гибкой печатной платы (РСВ).

В еще ином преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется устройство, в котором упомянутый датчик в рабочем состоянии соединен с упомянутым управляющим и отображающим устройством с помощью одной группы, включающей соединительный кабель, электронную схему и электромагнитный передатчик/приемник.

В наиболее преимущественном варианте выполнения данного изобретения предоставляется устройство, в котором упомянутая печатная плата (РСВ) является гибкой, а компоненты установлены на ней технологией поверхностного монтажа.

Датчик может собираться во многих конфигурациях и может активироваться управляющим устройством в одном из трех режимов либо их комбинации, например, подачей к нему постоянной мощности, сохраняя постоянную разницу температур между текучей субстанцией и одним из терморезисторов, либо генерируя тепловые импульсы от нагревательного элемента, которые обнаруживаются в одном из терморезисторов ("времяпролетном"). Потом микроконтроллер в управляющем устройстве преобразовывает зависящий от расхода потока сигнал от датчика на величины расхода потока и необязательно вычисляет накопленные количества текучей субстанции.

Использование гибкой печатной платы (РСВ) устраняет потребность в соединении проводами с каждым из электрических компонентов и необходимость в дополнительных механических приборах для расположения электрических компонентов в их требуемом положении. Также устраняется необходимость в разработке специального сенсорного чипа на подложке для выполнения тех же функций и, таким образом, предоставляется возможность использования доступных на рынке электрических компонентов без оболочки. Гибкая печатная плата также учитывает использование трубы, изготовленной из полимера либо эластомера, для установки себя на ней.

Использование SMD-компонентов, отличающихся очень маленькой теплоемкостью, учитывает быстрое нагревание и охлаждение компонентов и, таким образом, быстрый ответ на изменения потока. Для усовершенствования этого изобретения требуются SMD-терморезисторы.

Когда происходят малые изменения во время процесса производства датчика 14 и поскольку каждый электронный компонент в датчике является по сути разным, то для наилучшей точности измерения требуется калибровка устройства. Запоминающий элемент 36 (например, EPROM) может использоваться для хранения данных калибровки. Данные калибровки представляют истинные данные о соотношении между сопротивлением и температурой компонентов в датчике.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет теперь описываться со ссылкой на сопровождающие чертежи, которые в виде примера представляют преимущественные варианты выполнения изобретения. Детали конструкции изображены только в случаи необходимости для фундаментального их понимания. С описанных примеров вместе с чертежами специалистам в этой отрасли станет понятным, как могут реализовываться дальнейшие формы изобретения.

На чертежах:

ФИГ.1 изображает схематический недетализированный вид преимущественного варианта выполнения устройства согласно изобретению;

ФИГ.2 изображает детализированный разрез, показывающий терморезистор, расположенный в стенке проточной трубы;

ФИГ.3 изображает схематический вид в вертикальном разрезе датчика, имеющего чип EPROM;

ФИГ.4 изображает детализированный разрез, показывающий загерметизированный терморезистор, расположенный в стенке проточной трубы;

ФИГ.5 изображает детализированный разрез, показывающий оба терморезистора и нагревательный элемент;

ФИГ.6 изображает то же, что и на ФИГ.5, за исключением того, что нагревательный элемент виден на противоположной поверхности печатной платы (РСВ);

ФИГ.7 изображает схематический недетализированный вид варианта выполнения устройства, в котором датчик и управляющее и отображающее устройство соединены между собой радиочастотной связью; и

ФИГ.8 изображает схематический вид управляющего и отображающего устройства, предусмотренного для регистрации объема текучей субстанции, проходящей по датчику на протяжении выбранного пользователем периода времени.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На ФИГ.1 видно устройство 10 для определения расхода потока жидкости, проходящего в трубе 12, которая преимущественно изготовлена из материала, имеющего низкую теплопроводность.

Как можно четче увидеть на ФИГ.2, датчик 14 частично расположен внутри стенки трубы 12. Выступающие поверхности 16 загерметизированных терморезисторов 20, 22 являются частью датчика 14 и, по существу, параллельны внутренней поверхности 24 трубы 12.

Датчик 14 в рабочем состоянии соединен кабелем 18 с управляющим и отображающим устройством 32. Датчик 14 содержит печатную плату (РСВ) 28, на которой установлены два терморезистора 20, 22. Верхний по потоку терморезистор 20 служит для базовых измерений, в то время как расположенный на расстоянии нижний по потоку терморезистор 22 с самоподогревом служит для измерения изменений температуры поверхности нижнего по потоку терморезистора, охлаждаемого жидкостью 30, протекающей в трубе. Охлаждение сильнее, когда поток сильнее, и нижний по потоку терморезистор 22 изменяет свое электрическое сопротивление относительно условия отсутствия потока. Направление изменения зависит от того, является ли терморезистор терморезистором типа МТС либо РСТ. Может использоваться любой.

Управляющее и отображающее устройство 32 периодически измеряет электрическое сопротивление терморезисторов 20, 22. Эти величины обрабатываются электронными средствами для формирования сигналов, которые принимаются управляющим и отображающим устройством 32 для указания величин расхода потока.

Ссылаясь на остальные фигуры, видим, что подобные цифровые обозначения используются для указания подобных деталей.

Возвращаясь теперь к ФИГ.3, видим, что здесь виден датчик 34, дополнительно содержащий запоминающий элемент 36, который можно располагать необязательно в нем, как изображено, либо в управляющем и отображающем устройстве 32, видном на ФИГ.1, для хранения данных калибровки устройства.

Во время процесса производства датчика 34 имеют место неизбежные слабые изменения, поскольку каждый электронный компонент в любой партии электронных компонентов имеет некоторое отклонение от нормального значения, которое обычно указывается на нем. Для обеспечения необходимой степени точности требуется калибровка этого устройства, осуществляемая на заводе перед поставкой. Это является главной задачей запоминающего компонента 36, который может соответственно быть компонентом типа EPROM. Данные калибровки представляют взаимоотношения между истинным сопротивлением и температурой конкретных компонентов, используемых в каждом конкретном датчике и в комбинации с самим датчиком.

ФИГ.4 изображает деталь датчика, в котором терморезисторы, один из которых, 20, виден на фигуре, должны контактировать с текучей субстанцией 30, подаваемой в трубе 12.

Терморезистор 20 загерметизирован в теплопроводном электроизолирующем защитном компаунде 38. Как известно, хорошие проводники тепла обычно также проводят электричество, а специальные структуры с эпоксидной смолы и силиконовых адгезивов, которые отвечают данным требованиям, доступны на рынке для этой цели.

На ФИГ.5 видно часть низковольтного устройства 40, работающего с напряжением, типично ниже чем 15 В. В представленном варианте выполнения нижний по потоку терморезистор 42 с самоподогревом имеет незначительную ценность. Однако в представленном варианте выполнения, нагрев осуществляется электрическим резистором 44, расположенным вблизи нижнего по потоку терморезистора 42 с возможностью теплопередачи. В представленном варианте выполнения нижний по потоку терморезистор 42 имеет сопротивление выше чем 1 К Ω (при 25°С), а резистор 44 имеет сопротивление ниже чем 100 Ω.

Резистор 44 установлен на той же поверхности 46 печатной платы (РСВ) 28, что и терморезисторы 42, 48, расположен вблизи и соединен с возможность теплопередачи с нижним по потоку терморезистором 42 общим заземляющим медным припаиваемым контактным элементом 50 и теплопроводным компаундом 38. Использование SMD-компонентов, отличающихся очень малой теплоемкостью, учитывает быстрый нагрев и охлаждение компонентов и, таким образом, быстрый ответ на изменения потока. Для разработки прототипов этого изобретения используемые SMD-терморезисторы были МТС-терморезисторами с калибром 0603 и 0402, сопротивлением 33 К Ω (PN NCP18WB333J03RB of Murata Electronics North America) либо 47 K Ω (PNs ERT-JOEV473J либо ERT-J1W473J of Panasonic-ECG) и с соответствующими величинами B_25/50, равными 4050 К и 4700 К. Используемые терморезисторы были резисторами калибра 0805 с сопротивлением 10 Ω либо 20 Ω и мощностью 250 мВт (полупроводники Рома PNs ESR10EZPJ100 и, соответственно, ESR10EZPJ200).

Ссылаясь теперь на ФИГ.6, видим, что здесь изображена деталь дополнительного расходомера, имеющего датчик 54. Нагреватель 58 сопротивления установлен на поверхности 56 печатной платы (РСВ) 60, обращенной в сторону от текучей субстанции 30. Нагреватель 58 сопротивления расположен вблизи и соединен с возможностью теплопередачи с вторым нижним по потоку терморезистором 62 общим заземляющим медным припаиваемым контактным элементом 64, который соединяет две поверхности 56, 66 гибкой печатной платы 60.

ФИГ.7 изображает вариант выполнения устройства 68, в котором датчик 70 в рабочем состоянии соединен с управляющим и отображающим устройством 72 с помощью электромагнитного передатчика 74/приемника 76. Эта схема предоставляет больше свободы для расположения управляющего и отображающего устройства 72, но требует установки в датчик аккумулятора 78 как источника питания.

ФИГ.8 изображает произвольную схему, в которой устройство 80 запрограммировано таким образом, что оно также интегрирует, вычисляет и отображает расход потока. Объем текучей субстанции, проходящей в трубе, вычисляется и отображается, начиная с момента времени, выбранного пользователем путем нажатия клавиши 84 "Вычислить объем" на управляющем и отображающем устройстве 82. Альтернативно, вычисление может также начинаться автоматически, используя программное обеспечение путем определения условия "запуска".

Силовой входной кабель 86 виден на стороне устройства 82.

Пользователи могут вводить дополнительные данные, например "партия 739 уксусной кислоты", для дальнейшей идентификации текучей субстанции, которая подается, с использованием клавиатуры 88.

Объем описанного изобретения предусмотрен для включения всех вариантов выполнения, попадающих в объем правовой защиты следующей формулы изобретения. Вышеупомянутые примеры иллюстрируют полезные формы изобретения, но не рассматриваются как ограничивающие его объем правовой защиты, хотя специалистам в этой отрасли будет известно, что дополнительные варианты и модификации изобретения могут легко формулироваться без выхода за рамки следующей формулы изобретения.

Изобретение предоставляет датчик для расходомера, который может использоваться в различных устройствах для измерений параметров потока, использующих полупроводниковые либо керамические терморезисторы. Изобретение включает устройство для определения расхода потока жидкости, проходящего в трубе, изготовленной из материла, имеющего низкую теплопроводность, имеющее датчик, расположенный по меньшей мере частично внутри стенки трубы, при этом часть датчика, по сути, параллельна внутренней поверхности стенки, при этом датчик в рабочем состоянии соединен с управляющим и отображающим устройством. Датчик содержит печатную плату (РСВ), на которой установлены по меньшей мере два терморезистора: верхний по потоку терморезистор, служащий для базовых измерений, и расположенный на расстоянии нижний по потоку терморезистор с самоподогревом. Управляющее и отображающее устройство периодически измеряет электрическое сопротивление терморезисторов для формирования сигналов, которые обрабатываются электронными средствами управляющего и отображающего устройства для указания значений расхода потока. Технический результат - повышение точности измерения, надежности работы и расширение области применения. 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для определения расхода потока текучей субстанции, проходящего в трубе, изготовленной из материала, имеющего низкую теплопроводность, при этом упомянутое устройство содержит датчик, расположенный по меньшей мере частично внутри стенки упомянутой трубы, при этом выступающие поверхности загерметизированных компонентов, которые являются частью упомянутого датчика, по существу, параллельны внутренней поверхности упомянутой стенки, при этом упомянутый датчик в рабочем состоянии соединен с управляющим и отображающим устройством, при этом упомянутый датчик имеет печатную плату (РСВ), на которой установлены по меньшей мере два терморезистора, при этом верхний по потоку терморезистор служит для базовых измерений, а расположенный на расстоянии нижний терморезистор с самоподогревом служит для измерения изменений температуры поверхности упомянутого нижнего по потоку терморезистора, выполненного с возможностью охлаждения упомянутой текучей субстанцией, протекающей в упомянутой трубе, при этом упомянутое управляющее и отображающее устройство выполнено с возможностью периодического измерения электрического сопротивления упомянутых терморезисторов для формирования сигналов, которые обрабатываются электронными средствами упомянутым управляющим и отображающим устройством для указания величин расхода потока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит запоминающий компонент для хранения его данных калибровки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые терморезисторы, которые должны контактировать с упомянутой текучей субстанцией, загерметизированы в теплопроводном электроизолирующем компаунде.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что самоподогрев упомянутого нижнего по потоку терморезистора является незначительным, при этом упомянутый датчик дополнительно имеет нагревательный элемент, расположенный вблизи к упомянутому нижнему по потоку терморезистору с возможностью теплопередачи, и при этом упомянутый нижний по потоку терморезистор имеет сопротивление выше чем 1 kΩ (при 25°C), а упомянутый резистор имеет сопротивление ниже чем 100 Ω.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что упомянутый нагревательный элемент установлен на той же поверхности печатной платы (РСВ), что и упомянутые терморезисторы, и расположен вблизи, и соединен с возможностью теплопередачи с упомянутым нижним по потоку терморезистором общим заземляющим медным припаиваемым элементом и упомянутым теплопроводным компаундом.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что упомянутый нагревательный элемент установлен на поверхности упомянутой печатной платы (РСВ), обращенной в сторону от упомянутой текучей субстанции, и расположен вблизи, и соединен с возможностью теплопередачи с упомянутым вторым нижним по потоку терморезистором общим заземляющим медным припаиваемым элементом, который соединяет две поверхности печатной платы (РСВ).

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый датчик в рабочем состоянии соединен с упомянутым управляющим и отображающим устройством с помощью одной группы, включающей соединительный кабель, электронную схему и электромагнитный передатчик/приемник.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутое управляющее и отображающее устройство предусмотрено для интегрирования, вычисления и отображения расхода потока, начиная от момента времени, выбранного пользователем путем нажатия клавиши "Вычислить объем" на упомянутом управляющем и отображающем устройстве.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутое управляющее и отображающее устройство предусмотрено для интегрирования, вычисления и отображения расхода потока, начиная процесс автоматически, используя программное обеспечение, путем определения условия "запуска".

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая печатная плата является гибкой и компоненты установлены на ней с помощью технологии поверхностного монтажа.