Способ теплового измерения расхода и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01F1/68 

ства, а второй вход запуска первогб Й3 триггера подключен к выходу управляемого элемента задержки и второму входу перезаписи второго запоминающего устройства, у которого входная шина под1слючена к первым входным шинам первого, второго и третьего компараторов и выходной шине преобразователя частота - код, вход которого подключен к выходу автогенератора и второму входу управляемого элемента задержки, а выходная шина второго запоминающего устройства подключена

26818

к второй входной шине первого компаратора и первым входным тинам первого и второго сумматоров, вторые входные шины которых подключены к выходным шинам соответственно первого и третьего запоминающих устройств, а выходные шины сумматоров подключены у первого - к второй входной шине второго компаратора, а у второго - к второй входной шине третьего компаратора , у которого выход под- ключен к второму входу второго R5 триггера.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения скорости или расхода потока газа либо жидкости. Известен способ теплового измере.ния расхода жидкости или газа путем циклического нагревания охлаждаемого контролируемым потоком термочувствительного элемента (ТЧЭ) между его верхним и нижним граничными значения ми температуры, согласно которому о расходе судят по времени перехода ТЧЭ из одного температурного состояния в другое ГО. Недостатком этого способа является необходимость в использований дополнительных компенсационного кана ла в измерительном участке трубопровода и компенсационного ТЧЭ. Известно также устройство для теплового измерения расхода, выполненное структурно в виде измерительного и компенсационного независимых самобалансируемых контуров, каждый из которых содержит включе1шые .последовательно одноименные кварцевый термочувствительный элемент (КТЧЭ), автогенератор, вычитатель частоты, преобразователь частота-напряжение и источник питания, выполненный в виде интегратора, выход которого подключен к одноименному нагревателю КТЧЭ. Устройство также содержит общие аналоговый вычитатель, формирователь опорной частоты и узел аналогового масштабирования, Выходной сигнал измерительного контура Является функцией -гемпературы и скорости, а компенсационного контура - только температуры контролируемого потока. В результате вычитания выходных сигналов этих двух контуров на выходе расходомера выделяется разностный сигнал, характеризующий скорость или при постоянном сечении трубопровода - расход потока. Идентичность преобразования обоих ;сонтуров обеспечивается узлом аналогового масштабирования 2j , Недостатком устройства является го, что оно ориентировано на использование дополнительных компенсационного КТЧЭ и компенсационного канала в измерительном участке трубопровода. Цель изобретения - повышение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что согласно способу теплового измерения расхода жидкости или газа путем циклического нагревания охлаждаемого контролируемым потоком КТЧЭ между его верхним и нижним граничными значениями температуры, при котором о расходе судят по времени перехода КТЧЭ из одного температурного состояния в другое, нижнее граничное значение уровня охлаждения потоком КТЧЭ изменяют во времени пропорционально изменению температуры потока, при этом разность между температурами нагрева и охлаждения поддерживают постоянной. В,.устройстве для теплового измерения расхода содержащем измерительный КГЧЭ, расположенный в потоке трубопровода,выводы которого подключены ко входам автогенератора и нагреватель КТЧЭ, подключенньй к выход источника питания, вычитатель и устройство индикации, дополнительно введены в него первый и второй RSтриггеры, управляемый элемент задержки, первый, второй и третий компараторы, преобразователь частота-ко первый и второй сумматоры, арифметическое устройство, первое, второе, третье и i-етвертое запоминающие устройства и преобразователя время код, у которого ин(})Ормационньй вход подключен к прямому выходу второго RS-триггера и потенциальному входу третьего компаратора, а управляющий потенциальный вход подключен к выходу первого RS-триггера, вход-у источника питания и первому входу управляемого элемента задержки, а выходная шина преобразователя время - код подключена через арифметическое устройство к первой входной шине вычитателя, у которого вторая входная шина подключен к выходной шине четвертого запоминающего устройства, а выходная шина вычитателя подключена к входной шине устройства индикации, управляющий потенциальный вход которого подключен к инверсному выходу второго RS-тригге ра, у которого первый вход подключен к выходу второго компаратора и входу сброса первого RS-триггера, у которо го первый вход запуска подключен к выходу первого компаратора и к перво му входу перезаписи второго запоминанщего устройства, а второй вход запуска первого RS-триггера подключен к выходу управляемого элемента задержки и второму входу перезаписи второго запоминающего устройства, у которого входная шина подключена к первым входным шинам первого, второго и третьего компараторов и выходной шине преобраьователя частота-код, вход которого подключен к выходу автогенератора и второму входу управляемого элемента задержки, а выходная шина второго запоминающего устройства подключена ко второй входной шине первого компаратора и первым входным шинам первого и второго сумматоров, вторые входные шины которых подключены к выходным шинам соответственно первого и третьего запоминаюпщх устройств, а выходные шины сумматоров подключены у первого - ко второй входной шине второго компаратора, а у второго - ко второй входной шине третьего компаратора, у которого выход подключен ко второму входу второго RS-триггера. На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы работы устройства; на фиг.З - диаграмма функционирования устройства. Устройство (фиг.1) содержит измерительный кварцевый термочувствительный элемент 1, расположенный в трубопроводе 2, нагреватель 3, источник питания 4, первый Н8-триггер 5, автогенератор 6, первый 7 и второй 8 компараторы, сумматор 9, первое запоминающее устройство 10, управляемый элемент задержки I1, второе . запоминающее устройство 12, преобразователь частота-код 13, третий компаратор 14, второй сумматор 15, тре-тье запоминающее устройство 16, второй RS-триггер 17, преобразователь время-код 18, арифметическое устройство 19, четвертое запоминающее устройство 20, вычитатель 2-1 и устройство индикации 22, Устройство работает следующим об разом. В исходном состоянии, до включения питания КТЧЭ1 имеет температуру контролируемой среды (ТдТ . При включении питания происходит автоматическое возбуждение автогенератора 6 на частоте (ig , пропорциональной текущему значению температуры КТЧЭ , Спустя время, равное времени задержки элемента 11, сигналы автогенератора 6 устанавливают триггер 5 в исходное состояние и одновременно осуществляют запись с заданным допуском в запоминающее устройство 12 кода двоичного числа, соответствующего текущему значению частоты (if) автогенератора 6, предварительно преобразованного преобразователем 13. Триггер 5 включает при этом источник питания 4, вьшолненный в виде генератора тока, которьй с помощью нагревателя 3 осуществляет нагрев КТЧЭГ до верхнего граничного значения тем пературы перегрева Т Т , соот- . ветствующей его резонансной частоте (fti) Запоминающее устройство 10 предназначено для хранения кода двоичного числа, соответствующего выбранной постоянной разности частот t,f, f - f( Const., Информация запоминающего устройства 10 суммиS112

руется непрерывно сумматором 9 с кЬдом двоичного числа, соответствующего частоте fg и хранящемся в запоминающем устройстве 12, а результат сложения поступает на компаратор 8, При достижении в результате нагрева КТЧЭ1 температуры перегрева Т « 1 + Ь Т,-, где бТ, Const, происходит совпадение кода двоичного числа, соответствующего частоте (f,) автогенератора 6 с кодом двоичного числа, формируемого сумматором 9, после чего компаратор 8 переключает триггеры 5 и 17 в новые состояния, при которых нагреватель 3 обе сточивается. Верхнее граничное значение температуры перегрева КТЧЭЬ будет соответствовать при этом началу его режима регулярного теплообмена, и он Находится при этом в состоянии готовности к проведению процесса измерения. Начиная с этого момента, КТЧЭГ; начинает охлаждаться за счет свободной либо вынужденной конвенкции до температуры нижнего граничного значения охлаждения Т и затем далее до температуры контролируемой среды

11,. Vap , после чего цикл нагрев,i.

охлаячдение будет периодически повторяться. Базовый диапазон изменения температуры КТЧЭ I при его охлаждении TQ Const, по времени прохождения которого судят о расходе, выбирают значительно уже полного диапазона колебаний температуры КТЧЭ 1, т.е. Д Т„ « АТ , что позволяет дополнительно ослабить влияние на результат измерения временного дрейфа температуры Т. . Нижнее граничное значение температуры охлаждения Т, измерительного базового интервала дТ выбирают из условия Т f, Тд Тх .Значение T.J изменяется непрерывно и пропорционально во времени с изменением температуры . Код двоичного числа, соответствующего разности температур &Тл постоянно хранится в третьем запоминающем устройстве 16. Этот код непрерывно суммируется сумматором 15 с кодом, хранящимся в запоминающем устройстве 12,. Результат суммирования поступает на компаратор 14, который непрерывно сравнивает его с кодовым представлением текущей частоты автогенератора 6, При охлаждении КТЧЭ1 до температуры Т происходит совпадение сравниваемых кодов и компаратор 14 переключает триггер 17 в исходное

состояние, аКТЧЭ продолжает охлаждаться далее до температуры Т. Врем нахождения триггера 17 в предыдущем состоянии, равное t, обратно пропорционально скорости V охлаждения КТЧЭ1 . контролируем1з1м потоком, т.е. tit 1/V. После преобразования преобразователем 18 этого временного интервала в код последний поступает на арифметическое устройство 19, которое осуществляет обратное преобразование его к виду с прямопропорциональной зависимостью, т.е. it-v KV (где К - коэффициент пропорциональности) и одновременно осуществляет его масштабирование. При отсутствии скоростной компоненты потока этот результат будет характеризовать только неинформационные теплопотери КТЧЭ; . а не расход. Значе ние этих теЛлопотерь автоматически поддерживается схемой устройства на постоянном уровне и при постоянных теплофизических свойствах среды их величина будет всегда постоянной. Это позволяет измерить предварительно их величину и результат измерений в форме двоичного числа хранить в четвертом запоминающем устройстве 20 В результате такой адаптируемости рабочего диапазона к изменениям текущей температуры контролируемой среды при отсутствии расхода вычитатель 21 будет компенсировать полностью результат измерения, а при наличии расхода - компенсировать только неинформационную составляющую теплопотерь. Результирующий сигнал вьгчитателя 21, характеризующий при постоянном сечении трубопровода 2 расход контролируемого потока, поступае на устройство индикации 22, которое осуществляет перезапись этой информации только при наличии соответству)щего потенциального уровня на инверсном выходе триггера 17. КТЧЭ при этом продолжает охлаждаться до температуры ТА и при достижении ее значения происходит совпадение кода, хранящегося в запоминающем устройстве 12 с кодом текущей частоты КТЧЭ1 Компаратор 7 фиксирует это совпадение и вьщает команду на перезапись информации в запоминающее устройство 12 и переключение триггера 5. Последний осуществляет при этом сброс в исходное состояние элемента задержки И и преобразователя 18 и вновь включает нагреватель КТЧЭ .

На этом предыдущий цикл измерения заканчивается и начинается следующий (см. фиг-З). Длительность задержки Ci элемента 1 1 выбирается большей максимально возможного времени охлаждения КТЧЭ1 от температуры Т до температуры Tg, т.е. it . Потенциальная связь между прямым выходом триггера 17 и разрешающим входом компаратора 14 запрещает срабатывание . последнего на значение температуры TQ при прохождении ее КТЧЭ1 в полуцикле нагрева. Частота включения нагревателя определяется временем охлаждения КТЧЭ1 скоростным потоком Дпя повьшения надежности схемотехнического отслеживания текущих изменений температуры контролируемой среды в предлагаемом устройстве используются одновременно два независимых блока (первый компаратор 7 и управлявNCsrii элемент задержки 1 у,которые функционально дублируют работу друг друга. Потенциально-временные диаграммы их работы 8 и 3 показаны на фиг.2, Аналогичные диаграммы работы автогенератора 6, первого триггера 5 преобразователя частота-код 13, второго запоминающего устройства 12, источника питания 4, второго компаратора В, второго триггера 17, преобразователя время-код 18, третьего компаратора.14 и-устройства индикации 22 показаны на фиг.2 - 2,4,5,6,7 10,11,12,13 и 14 соответственно. Потенциально-временные диаграммы работы первого 10, третьего 16 и четвертого 20 запоминающих устройств приведены на фиг.2 - 9, а диаграмма режимов измерения при отсутствии и наличии скоростной компоненты контролируемого потока показана на фиг.2 Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в следующем.

Упрощается конструкция измерительного участка трубопровода за счет исключения из него компенсационного канала, компенсационного КТЧЭ и его нагревателей.

Отпадает необходимость в подборе пар КТЧЭ с идентичными характеристиками, в использовании прецизионных подгоночных и регулировочных эле ментов, а также в операциях по их настройке.

Исключаются погрешности, обусловленные неидентичностью характеристик преобразования измерительного и компенсационного КТЧЭ, так как в предлагаемом устройстве информационная и неинформационная составляющие расхода измеряются одним и тем же КГЧЭ и одним и тем же каналом и в одном и том же месте сечения измерительного участка трубопровода.

Дискретный последовательностный характер работы функциональных узлов предлагаемого устройства и низкая их загрузка во времени позволяют исполь зовать последние для управления несколькими измерительными КТЧЭ многоканальных измерительных устройств в режиме разделения времени.

Стабильность получаемых опорных уровней отсчета в диапазоне девиации температуры КТЧЭ обеспечивается высокими точностными характеристиками его преобразования,

Способ теплового измерения расхода используемый в предлагаемом устройстве, может быть распространен на дру гие типы ТЧЭ и на другие виды измеряемых параметров.