Тепловой преобразователь расхода газа Советский патент 1985 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в измерительных устройствах и системах, содержащих преобразователи расхода газа - устройства, непосредственно воспринимающие расход газа и преобразующие его в другую величину (электрический йИгНал), удобную для измерения, Цель изобретений - повышение чувствительности пЫ р гистрации малых истоков газа й-уменьшение энергопотребления. ,. На фиг. Т изображен вариант преобраэгойатёля с нагревателем, расположенным под горизонтальным каналом; на фиг.2 - вариант преобразователя с двумя открытыми книзу дополнительными полостями с термочувствительными элементами , на фиг.З - вариант преобразователя со сферическими зеркала ми. На чертежах изображены общие виды вариантов предлагаемого теплового преобразователя расхода газа с разрезом его вертикальной плоскостью, проходящей через нагреватель и центры термочувствительных элементов. Преобразователь имеет вертикально расположенную плоскость симметрии, перпендикулярную вертикальной плоскости, которая проходит через нагреватель и термочувствительные элементы. Линия пересечения этих плоскостей обозначена на чертежах штрихпунктирными линиями. Вариант преобразователя с вынесен ным вниз нагревателем (фиг.1) применим преимущественно при малой высоте поперечного сечения горизонтально го канала. Преобразователь имеет камеру с корпусом 1, изготовлен из хорошо теплопроводящего материала (например, металла). Корпус имеет вертикальную плоскость симметрии, перпендикулярную оси горизонтального канала, который расположен внутри горизонтальных трубок 2 и 3. Линия пересечения этой плоскости симметрии с плоскостью чертежа обозначена вертикальной штрих-пунктирной линией. Эти горизонтальные трубки выполнены также иа хорошо теплопроводящего материала (например, металла) и расположены симметрично относительно плоскости симметрии, перпендикулярной оси канала. Так же симметрично размещен и вьтолнен экран 4 в виде 1 42 перевернутого стакана с отверстием в центре дна. Экран изготовлен из теплоизолирующего материала. Элементы 2-4 расположены внутри камеры так, что они не касаются передней и задней плоских стенок камеры, параллельных плоскости чертежа. Между этими элементами и корпусом камеры имеются вертикально расположенные зазоры (щели) (ширина которых на фиг.1 ограничена вертикальными пунктирными линиями). Термочувствитель- . ные элементы 5 и 6 расположены соответственно в левой и правой частях 7 и 8 горизонтального канала, размещенных внутри горизонтальных трубок 2 и 3. Термочувствительные элементы включены в электрическую измерительную схему (не показана) обычным образом. Нагреватель 9 газа выполнен в виде нихромовой спирали. Ее выводные концы 10 выполнены медненными для уменьшения потерь электроэнергии. Эти выводы закреплены с помощью электрических и тепловых изоляторов 11 на корпусе преобразователя. Изоляторы также герметизируют внутреннюю полость камеры с нижней стороны. Спираль электроподогрева размещена ниже термочувствительньк элементов 5 и 6, она расположена под горизонтальным кана- лом 7-8 внутри дополнительной полости, под экраном 4 и под общей частью для канала и дополнительной полости. В частности, нагреватель 9 расположен под вертикальной щелью 12, которая образована торцами горизонтальных трубок 2 и 3. Дополнительная газовая полость содержит нижнюю часть 13, расположенную ниже нагревателя 9 и верхняя часть 14 полости. Находящаяся непосредственно под экраном 4 порция газа нагревается от спирали 9, Нагретый газ через верти- . кальную щель 12 непрерывно поступает в верхнюю часть 14 полости. Здесь газ охлаждается и вдоль холодных стенок корпуса опускается вниз - в нижнюю часть 13 полости, расположенную ниже нагревателя 9. Отсюда газ засасывается под экран 4 к нагревателю и т.д. В результате, в той части горизонтального канала, которая является общей с вертикальной щелью, непрерьшно поддерживается повьштенная температура газа. Пусть, например, измеряемый газовый поток направлен слева направо.

При подключенном электронагревателе 9 измеряемая разность температур элементов 6 и 5 в основном обеспечивается за счет нагретого газа, частично проталкиваемого измеряемым потоком из вертикальной щели 12 в правую часть горизонтального канала 8. При этом, чем больше измеряемый расход газа, тем больше горячего газа достигает термочувствительного элемента 6 и тем больше измеряемая разность-температур элементов 6 и 5. Последнкяо воспринимают в виде электрического сигнала, по величине которого и судят о величине измеряемого расхода.

В случае сравнительно большой высоты поперечного сечения горизонтального канала, когда чувствительность преимущественно ограничена конвекцией (а не излучением от нагревателя к чувствительным элементам), преимущественно применим вариант, изображенный на фиг.2.

Все элементы преобразователя размещены внутри корпуса 15, изготовленного из хорошо теплопроводящего материала, например металла. Преобразователь имеет плоскость симметрии перпендикулярную плоскости чертежа. Линия пересечения этой плоскости сим метрии с плоскостью чертежа обозначе на на фиг.2 вертикальной штрих-пунктирной линией. Внутри горизонтального канала 16 расположен нагреватель 17, вьтолненный в виде одной или ряда параллельных натянутых металлических нитей (в частности вольфрамовых) , которые размещены в основной плоскости симметрии преобразователя.

Термочувствительные элементы 18 и 19 сферического бусинкового или цилиндрического типов расположены выше уровня размещения нагревателя.

Для большего повышения чувствительности преобразователя расхода газа над горизонтальным каналом 16 расположены две дополнительные сообщаклциеся с каналом полузамкнутые полости 20 и 21, открытые книзу. В каждой из полостей размещено по одному термочувствительному элементу 18 и 19. Полости отделены друг от друга вертикальной полой перегородкой 22, которая расположена над нагревателем, причем полости с перегородкой выполнены симметрично относительно плоскости симметрии (вертикальная штрих-пунктирная линия).

Стенки дополнительных полостей 20 и 21, включая и перегородку 22 между ними, выполнены теплоизолирующиьш, например в виде вакуумирйванной или газонаполненной теплоизолирующей полости 23, отделенной снизу тонким призматическим или цилиндрическим экраном 24 в виде двустороннего металлического (или металлизированного) зеркала с малым значением степени черноты. Левая и правая половины экрана 24 в месте соединения образуют при этом полую перегородку 22 между полостями 20 и 21.

Предлагаемый преобразователь (вариант, изображенный на фиг.2), работает следукицим образом.

Соприкасающаяся с нагревателем порция газа становится более нагретой, чем остальной газ в полости преобразователя. В результате в камере преобразователя возникают восходящие газовые струи с Цвух сторон нагрвателя (слева и справа), которые повьш1ают температуру газа вокруг термочувствительных элементов. Если измеряемый газовый поток отсутствует, то оба термочувствительных элемента нагреты до одинаковой температуры, и равен нулю выходной сигнал измерительной системы, к которой дифференциально (разностно) подключены термочувствительные элементы.

Если измеряемый газовый поток направлен, например, слева направо,восходящие от нагревателя струи нагретого газа отклоняются измеряемым потоком вправо, нагревая элемент 19 до .более высокой температуры, чем элемент 18. Чем больше измеряемый поток, тем больше струи нагретого газа отклоняются вправо и тем больше измеряемая разность температур элементов 19 и 18. Последнюю воспринимают в виде электрического сигнала, по значению которого и судят о значении измеряемого расхода газа.

Благодаря наличию дополнительных полостей 20 и 21 нагретый газ от нагревателя поднимается в эти полости, а не удаляется от термочувствительных элементов 18 и 19 по верхним частям горизонтального канала. При наличии контролируемого расхода преимущественно заполняется та из полостей, которая расположена (по ходу газа) за нагревателем. Благодаря такому разделению порций газа по температуре и аккумуляции тепла в полостях с термочувствительными элементами также увеличивается их нагрев и повышается чувствительность тепловог преобразователя. Благодаря выполнению стенок дополнительных полостей 20 и 21 теплоизолирующими, поступающий в эти полости нагретый газ меньше охлаждается и термочувствительные элементы нагреваются до бодее высоки температур, что также приводит к уве личеник чувствительности преобраз.ователя. Вариант осуществления теплового преобразователя расхода газа в электрический сигнал, изображенный на фиг.З, содержит корпус преобразователя, выполненный из нагревательной и измерительной камер. Изготовленная из хорошо теплопроводящего материала например металла, стенка 25 нагревательной камеры выполнена с внутренне стороны в виде сферического зеркала 26, ограничивающего снаружи внутреннюю сферическую полость 27. Последня разделена пополам вертикальной перегородкой 28 с центральным сферическим отверстием 29, в котором разме щен нагреватель 30, имеющий форму, которая близка к сферической. Обращенная к нагревателю часть поверхнос ти перегородки также выполнена в виде сферического зеркала 31, частично ограничивающего снаружи полость сферического отверстия 29. Центры : сферических поверхностей (зеркал) 26 и 31 совмещены с центром нагревателя. В стенке 25 выполнены входной 32 и выходной 33 газовые каналы (для определенности принимаем направление контролируемого газового потока слева направо). Сферические термочувствительные элементы 34 и 35 расположены в центрах сферических полостей 36 и 37 измерительной камеры, которая расположена над нагревательной камерой. Стенки измерительной камеры вьтолнены теплоизолирующими, например полыми, в виде замкнутой вакуумированной или газонаполненной полости 38, ограниченной снаружи массивным металлическим, корпусом 39, а изнутри экра нами - сферическими вогнутыми зеркалами 40 и 41. Последние ограничивают снаружи полости 36 и 37 с газом, расход которого контролируют. Благодаря теплоизолирующим стенкам изме146 рительной камеры увеличивается нагрев термочувствительных элементов 34 и 35 от окружакяцих их порций нагретого газа и, следовательно, повышается чувствительность теплового преобразователя расхода газа.. Расход контролируемого газа опре- . деляют по возникающей при наличии расхода разности температур термочувствительных элементов 34 и 35 (они включаются известным образом в электрическую измерительную схему, которая не входит в комплект преобразователя расхода газа). Для уменьшения порога чувствительности теплового преобразователя расхода газа необходимо практическое равенство температур термочувствительных элементов 34 и 35 при отсутствии расхода контролируемого газа. С этой целью преобразователь выполнен симметричным относительно плоскости симметрии, перпендикулярной направлению входного и выходного газовых -каналов 32 и 33 (пересечение этой плоскости с плоскостью чертежа обозначено-вертикальной штрих-пунктирной линией). Находящийся в сферическом отверстии 29 газ нагревается непосредственно от нагревателя 30. Эта порция--газа становится более нагретой, чем остальной газ в полости 27. В результате в полостях возникают восходящие потоки нагретого газа, которые повышают температуры термочувствительных элементов 34 и 35. Однако разность температур их равна нулю, если измеряемый газовый поток через полость 27 и каналы 32 и 33 отсутствует. Контролируемый газовый поток, направленный, например, слева направо (т.е. входит через канал 32 в левую часть полости 27, затем через сферическое отверстие 29 в правую часть полости 27 и выходит через канал 33), управляет перераспределением струй нагретого газа, переносящих тепловые потоки от нагревателя 30 в полости 36 и 37, т.е. под действием потока уменьшается интенсивность струи нагретого газа от нагревателя в полость 36 и увеличивается интенсивность струи нагретого газа от нагревателя в полость 37. В результате нагретым газом преимущественно заполняется полость 37 (по сравнению с полостью 36), Возникает превьшение температуры термочувствительного элемента 35 над температурой термочувствительного элемента 34. Чем больше контролируемый расход, тем больше разность тепловых потоков, поступающих от нагревателя в полости 37 и 36, и тем больше измеряемая разность температур термочувствительных элементов 35 и 34, являющаяся мерой контролируемого расхода газа.

1. ТЕПЛОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАСХОДА ГАЗА в электрический сигнал, содержащий корпус с внутренним горизонтальным каналом для пропускания газа, нагреватель и два термочувствительных элемента, расположенных симметрично относительно плоскости,проходящей через нагреватель перпендикулярно направлению канала, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности при регистрации малых потоков газа, нагреватель расположен ниже уровня размещения термочувствительных элементов. 2. Преобразователь по п.1, о т ли чающий С я тем, что нагреватель расположен под горизонтальным каналом в дополнительной газовой полости, пересекающей горизонтальный канал над нагревателем. 3.Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что над горизонтальным каналом симметрично относительно плоскости, проходящей через нагреватель перпендикулярно направлению канала, расположены две разделенные перегородкой, сообщающиеся с каналом дополнительные полости, открытые книзу, при этом термочувствительные элементы размещены в этих полостях. 4.Преобразователь по п.З, о т личающийся тем, что стенки g дополнительных полостей и перегород(Л ка между ними вьтолнены теплоизолирующими, например полыми. 5.Преобразователь по пп.З и 4, отличающийся тем, что, с целью уменьшения энергопотребления. Горизонтальный канал содержит дополнительную полость сферической формы, в центре которой расположен нагреваа тель, поверхности дополнительных по лостей, в которых расположены термо чувствительные элементы, имеют форму со сфер, в центре которых помещены тер4 мочувствительные элементы, причем все поверхности сферических полостей выполнены зеркальными.

У////////////М / /5 / 21 Фиг.1 21

:

Фиг.З

7//////7//Л