Тепловой расходомер Советский патент 1980 года по МПК G01F1/68 G01P5/10 

1

Изобретение.относится к приборострЪению и может быть использовано для измерения скорости или расхода потока газа либо жидкости.j

Известны устройства с термозависмшмк датчиками,, которые могут быть использованы для измерения расхода и скорости различных сред Cll

Из известных устройств наиболее .10 близким по технической сущности .к изобретению является устройство, содержащее измерительный и компенсационный термочувствительные кварцевые элементы, расположенные один у стен- 5 ки трубопровода, а второй в контролируемом потоке. Термозависимые кварцевые резонаторы (ТКР) осуществляют стабилизацию автогенераторов, выходы которых через блок вьщеления разност-20 ной частоты, выполненный по схеме смесителя.и демодулятора, и преобразователь частота-напряжение подключены ко входу вычитающего устройства, выполненного в виде дифференциально- IS го усилителя, второй вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через усилитель мощности - к нагревателю стенки трубопровода.30

Это устройство представляет собой самобалансирующуюся схему, обеспечивающую постЬянстйо перепада температур между кварцевыми элементами за счет наличия цепи обратнрй связи.

Известное устройство имеет узкий рабочий диапазон, так как термочастотные характеристики (ТЧХ) обоих ТКР имеют линейные участки конечной длины. Нейдентичность ТЧХ вносит дополнительную погрешность в результат измерения. Устройство имеет недостаточную чувстви±ельность, так как ориентировано на использование ТКР с линейной ТЧХ, которые не могут иметь максимальный температурный коэффициент частоты и максимальную чувствительность 2 .

Цель изобретения - увеличение чувстви-цёльности и точности измерения.

Это достигается тем, что расходомер снабжен источником опорной частоты, к выходу автогенератора компенсационного канала подключены дополнительно введенные в схему и последовательно соединенные блок выделения разностной частоты, преобразователь частота-напряжение и интегратор, в измерительном канале между блоком

частота-напряжение и усилителем включён введенный в схему второй интёг™ paTtip, выходы интеграторов каждого К§й - подключены к нагревателям со ответственно измерительного и комйёйШиЩйного Резонаторов, выходы измерительного и компенсационного каналов подключены к введенному в схёу -второму аналаг эвЬму:в.ычи:такйцШу стройству..

Измерительный и компенсационный ТКР используются в качестве частотных, датчиков, которые могут работать в области максимальной чувствительности j температуре на нелинейной ТЧХ. Компенсационный ТКР предназначен для.комленсации влияния колебаний

температуры окружающей среды на точностные характеристики прибора.

Формирователь опорной частоты может быть выполнен, например, в виде автогенератора, синхронизированного тёрмбзавйсимым кварцевым резонатором. Устройства аналогового вычитания

могут быть выполнены в виде дифференциального усилителя.

Нагреватель каждого ТКР может быть выполнен , например, в виде пленочного нагревательного эдемента, совмеtueftt oro конструктивно с одним из

9JTeW EJbSoB; -:-;--- -- ;-.:---:-. На чертеже представлена функциональная схема описываемого теплового расходомера..

Тепловой расходомер состоит из измерительного 1 и .компенсационного 2. ТКР-пометенньох в трубопровод 3 с измеряемым потоком. Измерительный ТКР 1 установлен в измеряемом потоке, а компенсационный 2 -; в у1лублении труёопрбвода 3. Измерительный ТК1Р 1 подключен к автогенератору-4, а компенсационный ТКР 2 - к автогенератору 5, выходы которых подключе 1ы к первьм входам блоков б й 7 выделёния разностной частоты, у которых вторые йходы подключены совместно к выходу

формирователя 8 опорной частоты, а выходы через преобразователи 9 и 10

частота-напряжение и интеграторы 11 и 12 - к йагрева телям соответственно измерительного 1 и компенсационного 2 ТКР. Выходы интеграторов дополнительно подключены в измерительном ка нале через усилитель 13 и аналоговое вычитающее устройство 14, второй вход которого подключен к источнику i5 bnopHdtO напряжения ив компенсационном канале непосредственно ко входам BTOjporp аналогового вычитающего устройства 16, .йыход которого является выходом расходомера.

Расходомер выполнен структурно в виде измерительного и кбмпенсацион%6го независимых сайобалансируемых Каналов, каж,цый из которых содержит одноименные ТКР, автогенератор,блок ёеделенйя разностной частоты, преобг ;ра:зователь частота-напряжение и интегратор. Выходной сигнал измерительного канала является функцией температуры и скЬрости, а компенсационного канала - только температуры контролируемого потока. с Начальный этап процесса преобра- зования в самобалансируемых кайалах протекает до того момента, пока не будут достигнуты установившиеся изотермические режимы работы измерительQ ого и компенсационного ТКР. Затем начинается процесс слежения, при котором эти установившиеся режимы поддерживаются неизменными. Это достигается путем регулирования мощности, подводимой к нагревателям ТКР. Пос5 КОЛЬКУ температура измерительного и компенсационного ТКР поддерживается постоянной с помощью астатических следящих систем (астатизм обеспечивает интегратор), то практически ТКР

0 работают в одной точке характеристики. Тем .самым на функцию преобразования самобалансирующихся контуров не влияет нелинейность характеристик ТКР, что позволяет испольJ ТКР 1 и 2 в област.и ТЧХ..с максМмаль нымй значениями чувствительности.

В результате вычитания выходных

сигнал.ов; этих двух контуров на выхо дё расходомера выделяется разностный

0;сигнал, характеризующий скорость или при постоянном сечении трубопровода расход потока. Поскольку используе- , , мые ТКР имеют различные температурные коэффициенты в выбранных рабочих

5 точках в схеме предусмотрен структурный способ исключения погрешности, обусловленный этим фактором. Это достигается следующим, образом...

- Частота колебаний автогенераторов «4 и 5, синхронизированных врёмяэадаю-0 щими измерите;1ьн.ым 1 и компенсационHbiM 2 ТКР, поступает совместно с

оп6рной частотой формирователя 8 на разноименные входы блоков 6 и 7 выделения разностной частоты. Разность

5 частот, формируемая на выходах этих блоков, преобразуется преобразователями 9 и .10 частота-напряжение в пропорциональные уровни напряжения, которые интегрируются интеграторами.

Q 11 и 12 и затем поступают в цепи нагревателей ТКР 1 и 2. Из-за неравенства температурных коэффициентов ТКР 1 и 2 при изменении температуры ок, ружакяцёй среды изменения напряжений на выходах интеграторов 11 и 12 бу- дут неодинаковы. Равенство, коэффициентов преобразования измерительного и компенсацис)нного каналов достигается регулировкой коэффициента пере- дачи усилителя 13.

0 идентичность выходньк сигналов . измерительного и компенсационного каналов достигается с помощью аналогового вычитающего устройства 14 и подбора уровня опорного напряжения

5 источ 1ика 15,

Наличие двух следящих астатичес- ких систем исключает нелинейность преобразования ТКР за счет обеспечения узкого диапазона перемещения их, рабочих точек по ТЧХ,

Исключается влияние разброса чувствительной ТКР на точность измерени за счет использования в тракте одног из контуров усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, в результате чего достигается равенство чувствиутельностей следящих систем.

Использование формирователя опорной частоты позволяет сместить информацию в область низких частот и дополнительно повысить точность преобразования следящих системза.,счет сужения диапазона преобразования преобразователями частота-напряжение и. обеспечения идентичности преобразуймых сигналов в обоих системах.

Подбором уровня опорного напряже-ния на одном из выходов аналогового вычитающего устройства достйгается равенство выходных сигналов следящих систем в условиях кгшибровки и нулевом расходе.

Ширина диапазона измерения расходомера определяется .в основном широкополосностью блоков преобразования следящих систем.

Чувствительность прибора повыщается также за счёт возможности эксплуатации ТКР на отрезках ТЧХ с максимальной крутизной.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет существенно повысить точность измерения, чувствительность, диапазон измерения и рабочий диапазон температур, а также обеспечить компенсацию температуры окружающей среды.

Формула изобретения

Тепловой расходомер, содержащий трубопровод с размещенными в нем измерительным и компенсационным термозависимыми кварцевыми резонаторами, подключенными к измерительному и компенсационному каналам, измерительный канал содержит последовательно вклк)ченные автогенератор, блок выделения разностной частоты, преобразователь частота-напряжение, усилитель с подключённым к нему источником опорного напряжения, аналоговое вычитающее устройство, один из входов которого

0 подключен к источнику опорного напряжения, выход компенсационного кварцевого резонатора подключен к автогенератору компенсационного канала измерения, отличающийся тем,

5 что, с целью увеличения чувствительности и точности измерения, он снабжен источником опорной частоты, к выходу автогенератора компенсационного канала подключены дополнительно введенные в схему и последовательно

0 соединенные блок выделения разностной частоты, преобразователь частотанапряжение и интегратор, в измерительном канале между блоком частотанапряжение и усилителем включен вве5денный в схему второй .интегратор,выходы интеграторов каждого канала подключены к нагревателям соответственно измерительного и компенсационного резонаторов, выходы измерительно0го и компенсационного каналов под- . ключены к введенному в схему второму аналоговому вычитающему устройству.

5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Коротков П..А. Тепловые расходомеры. Л., Машгиз. 1969.

2. Academie des Sciences,Comptes

0 rendus hebdomadaires des Seances. 1971, Ser.A, V. 272, № 15, p. 101410,17 (прототип).

Ч i.., ( -.,