Тепловой расходометр Советский патент 1981 года по МПК G01F1/68 

(54) ТЕПЛОВОЙ РАСХОДОМЕР

1

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения скорости и расходов жидкостей и газов, а также может быть использовано для контроля потоков с переменными во времени теплофизическими свойствами измеряемой и окружающей среды.

Известны устройства для измерения расхода, содержапдие измерительную трубку с расположенными на ней нагревателем и термочувствительными элементами, тепломерную систему, состоящую из двух тепломерных термоприемников, вспомогательного нагревателя и электроизоляционной ленты, при этом измерительный нагреватель и термочувствительньле элементы включены в схему измерения, а тепломерные термоприемники и вспомогательный нагреватель - в схему стабилизации нулевого перепада температур на тепломерной системе 1.

Однако наличие в известном устройстве между тепломерной системой, потоком теплоизоляции и стенки трубы, по которой протекает газ или жидкость, приводит к тому, что поддержание нулевого температурного перепада на теплоизоляции имеет повыщенную инерционность, и это снижает точность

измерения массового расхода при быстро.меняющихся температурах окружающей среды и потока.

Наиболее близкил к предлагаемому является тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем нагревателем, двумя измерительными термочувствительными элементами, установленными по обе стороны от нагревателя, компенсационный термочувствительный элемент, установленный перед первым измерительным термочувствительным элементом по направлению потока, схему измерения в виде двух мостовых схем, в первую из которых включен первый по направлению движения потока измерительный и компенсационный термочувстви,5 тельный элемент, во вторую включены два измерительных термочувствительных элемента и выходной блок 2.

В этом устройстве нельзя осуществить полной компенсации погрещностей от из менения температуры окружающей среды, температуры потока на входе в измерительный участок,- что сказывается на точности измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Это достигается тем, что тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем нагревателем, двумя измерительными термочувствительными элементами, установленными по обе стороны от измерительного нагревателя, компенсационный термочувствительный элемент, установленный перед первым измерительным термочувствительным элементом по направлению потока, схему измерения в виде двух мостовых схем, в первую из которых включены первый по направлению движения потока измерительный и компенсационный термочувствительные элементы, во вторую включены два измерительных термочувствительных элемента и выходной блок, снабжен тремя тепломерными элементами, каждый из которых выполнен в виде термочувствительного элемента и совмещенного с ним нагревателя, расположенными на трех участках измерительного трубопровода между компенсационным и измерительными термоприемниками и нагревателем, а в схему измерения дополнительно введены две мостовые схемы, две схемы сравнения, три схемы управления, два ключа, схема- определения знака разбаланса, схема вычитания, схема сравнения с опорным сигналом, при этом в третью мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, в четвертую мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным элементом, выходы первой и третьей мостовых схем подключены через первую схему сравнения к входу первой схемы управления, выход которой подключен к входам ключей, подключенных к нагревателям тепломерных элементов, расположенных между компенсационным и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, при этом к вторым входам ключей через схему определения знака разбаланса подключен выход первой мостовой схемы, выходы второй и четвертой мостовой схемы через вторую схему сравнения и вторую схему управления подключены к нагревателю тепломерного элемента, расположенного между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным

элементом, выходы первой и четвертой мостовых схем через схему вычитания и схему .сравнения с опорным сигналом подключены к третьей схеме сравнения, выходы которой подключены к измерительному нагревателю и к выходному блоку.

На фиг. 1 представлена схема первичного преобразователя теплового расходомера; на фиг. 2 - измерительная блок-схема; на фиг. 3 - кривые изменения температуры потока газа или жидкости и тепломерных элементов при температуре потока меньще температуры окружающей среды; на фиг. 4 - кривые изменения температуры контролируемого потока и тепломерных элементов при температуре потока больше температуры окружающей среды.

Первичный преобразователь теплового расходомера включает корпус, состоящий из двух частей 1 и 2, внутри которого размещена измерительная трубка 3 представляющая собой измерительный участок трубопровода, соединенная с частью 2 корпуса через электроизоляционную втулку 4. Часть 1 корпуса и измерительная трубка 3 выполнены из магнитомягкого материала, что позволяет защитить внутреннюю часть первичного преобразователя от действия внешних электромагнитных и электростатических полей. В измерительной трубке 3 помещены измерительные нагреватель 5 и термочувствительные элементы 6 и 7, выполненные в виде сеток из платиновой проволоки, намотанных на тепло- и электроизоляционных каркасах, компенсационный термочувствительный элемент 8. На трех участках измерительной трубки между компенсационным и измерительными термочувствительными элементами и нагревателем расположены тепломерные элементы 9-11, каждый из которых выполнен в виде термочувствительного элемента 12-14, намотанноQ го из проволоки бифилярно со вспомогательными нагревателями 15-17 и теплоизолированные друг от друга каркаса.ми из.мерительных термочувствительных элементов и нагревателя, а от измерительной трубки - теплоизоляционными стаканами 18. Все элементы закреплены в из.мерительной трубке 3 при помощи гайки 19. Для вывода проводов применен герморазъем 20.

Измерительная блок-схема включает мостовую схему 21, в которую включены первый по направлению потока измерительный и компенсационный термочувствительные элементы 6 и 8, вторую мостовую схему 22, в которую включены два измерительных термочувствительных элемента 6 и 7, третью мостовую схему 23, в которую включены

термоприемники тепломерных элементов 12 и 13, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом, первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным

нагревателем, четвертую мостовую схему 24, в которую включены термоприЬмники тепломерных элементов 12 и 14, две схемы 25 и 26 сравнения, три схемы 27-29 управления, схему 30 сравнения с опорным сигналом, два ключа 31 и 32, схему 33 определения знака разбаланса, нагреватели 15- 17 тепломерных элементов, схему 34 вычитания, выходной блок 35. На фиг. 3 и 4 кривая 36 изображает изменение температуры потока газа или жидкости по длине измерительного участка, кривая 37 изображает изменение температуры трех тепломерных элементов.

Тепловой расходомер работает следующим образом.

Из графиков видно, что AtH At-(At2+At) (фиг. 4),

At4-(Atz+ Ats) (фиг. 3),

HO At2 - Aft, a At3 - Atj поэтому в общем случае

AtH - At- At2+Att) откуда

7

т I - температура потока в месте

где

установки компенсационного термоприемника 10; t i- температура потока в месте установки первого измерительного термоприемника 6;

t - температура потока перед измерительным нагревателем 5;

tj-температура потока в месте установки второго измерительного термоприемника 7;

t4, tj, t е - температура тепломерных термоприемников 12-14; AtH- -fci-прирост температуры потока с массовым расходом М за счет введения в него тепловой мощности W, выделяемой на измерительном нагревателе 5, здесь Ср - удельная изобарная теплоемкость потока.

At, t2-t,;

At, t5-(tH+AtH);

At, t,-ta; At3(tH-f Atn)-tj;

Atz tM-t2; At ts-tt

;

Поскольку At г и Ats измерить невозможно, так как в месте расположения измерительного нагревателя нельзя разместить термочувствительный элемент, то необходимо сделать At а и At а одинаковыми и равными разности At i, которую возможно измерить с помощью компенсационного 8 и первого измерительного 6 термочувствительного элемента. В этом случае At 2

At 3 At, и М g- 2b-TГТ-, .,

Для достижения равенства Atz At3 At t необходимо, чтобы длины участков, расположенных между компенсационным.

измерительными термочувствительными элементами и измерительным нагревателем были одинаковы (L на фиг. 3 и 4) и законы изменения температуры потока за счет теплообмена с окружающей средой на каждом

из этих участков были одинаковыми. Для этого, учитывая прямопропорциональную зависимость интенсивности теплообмена с окружающей средой от разности температур потока и стенки канала, создается равный перепад температур между стенкой канала на каждом из указанных участков и потоком на входе в этот участок t4-tt t5-t2 t6-(tH+At) (фиг. 3), t ,-t 4 ti-ts (tH+ At)-16) (фиг. 4). Роль стенки канала на каждом из участков

5 выполняет тепломерный элемент, включающий тепломерный термоприемник и вспомогательный нагреватель.

Поддержание равенства t4-tf t5-tz заключается в следующем. Из этого равенства имеем

ts-t4 ti-ti ИЛИ tg-14. Ati величина At t измеряется первой мостовой схемой 21, величина tj-t4 - второй мостовой схемой 22, а их равенство поддерживается за счет вспомогательных нагревате5 лей тепломерных элементов 15 и 16.

Если At,0 (фиг. 3) и At,ts-t, то напряжения небаланса первой 21 и второй мостовой схемы 22 поступают на вход схемы 26 сравнения, сигнал с выхода которой вызывает увеличение выходного напряжения схемы 27 управления, подводимого к ключам 31 и 32. Одновременно подается сигнал с выхода схемы 33 определения знака разбаланса на открытие только ключа 32, который включает нагреватель 16 тепло5 мерного элемента. Температура нагревателя 16 и тепломерного термоприемника 13 tg возрастает до тех пор, пока не установится равенство Ati t5-t. Сигнал с выхода схемы 26 сравнения становится равным нулю и напряжение на выходе схемы

27 управления стабилизируется на. достигнутом уровне. Ключ 31 закрыт .и нагреватель тепломерного элемента 15 отключен. При (фиг. 3) Ati t5-t 4сигнал с выхода схемы 26 сравнения вызывает

уменьщение напряжения на выходе схемы 27 управления, что приводит к снижению температуры tg до тех пор, пока не установится равенство Ati t5-14. Ключ 31 закрыт, а вспомогательный нагреватель 15 отключен.

Когда At,0 (фиг. 4) и /Ati/ ts-t. напряжение небаланса первой и второй мостовой схем 21 и 22 поступают на вход схемы 26 сравнения, сигнал с выхода которой вызывает увеличение выходного напряжения схемы 27 управления, подводимого к ключам 31 и 32. Одновременно подается сигнал с выхода схемы 33 определения знака разбаланса на открытие ключа 31, который включает нагреватель 15. Температура нагревателя 15 и тепломерного термоприемника 12 t возрастает до тех пор, пока не установится равенство /uti/ ts-t. При этом сигнал с выхода схемы 26 сравнения становится равным нулю, и напряжение на выходе схемы 27 управления стабилизируется на достигнутом уровне. Ключ 32 закрыт и нагреватель 16 отключен. Если Д1,0 (фиг. 4) и Mty t5-tA, то сигнал с выхода схемы 26 сравнения вызывает уменьшение напряжения на выходе схемы 27 управления, что приводит к снижению температуры i t, ло тех пор, пока не установится равенство /Ati/ t6-1л. При этом ключ закрыт, а нагреватель 16 отключен. Поддержание равенства ts-ti t6-(tn+Atfl) заключается в следующем. Из равенства имеем te-1/ At (фиг. 3 и 4). Величина te-t измеряется третьей мостовой схемой 23, величина At - четвертой мостовой схемой 24, а их равенство поддерживается за счет нагревателя тепломерного элемента 17. Величины At и te-t/, являются только положительными, поскольку At при минимальной теплоизоляции измерительной трубки 3 больше, чем At(-Atj, обусловленные теплообменом потока с окружающей средой. Если At te-t;, то напряжение небаланса третьей 23 и четвертой 24 мостовой схемы поступает на вход схемы 25 сравнения, сигнал с выхода которой вызывает увеличение напряжения на выходе схемы 29 управления, подводимого к нагревателю 17. Его температура и, соответственно, температура тепломерного термоприемника 14 tg возрастает до тех пор, пока не установится равенство At t6-t/ При этом сигнал с выхода схемы 25 сравнения становится равным нулю и напряжение на выходе схемы 29 управления стабилизируется на достигнутом уровне. Если А; t6-14, то сигнал с выхода схемы 25 сравнения вызывает уменьщение напряжения на выходе схемы 29 управления,что приводит к снижению температуры 1 до тех пор, пока не установится равенство At t6-t4. Таким обр.азом, закон изменения температуры потока за счет теплообмена с окружающей средой поддерживается одинаковым на всех участках измерительной трубки, благодаря чему . В этих случаях мощность W, потребляемая измерительным нагревателем 5 является мерой массового расхода газа или жидкости М, если величина At-2Ati постоянная и достигается следующим образом. Величина Ati измеряется первой мостовой схемой 21, напряжение небаланса которой заводится на один вход схемы 34 вычитания, а на другой вход схемы заводится напряжение небаланса с четвертой мостовой схемы 24, измеряющей величину At. Выходное напряжение схемы 34 вычитания соответствует величине М-2 At i и поступает на вход схемы 30 сравнения с опорным сигналом V опорное, которое соответствует выбранному и заранее заданному значению At-2 At 1. Если выходное напряжение схемы 34 вычитания меньше опорного напряжения Копорное, то сигнал со схемы 30 сравнения с опорным сигналом вызывает увеличение выходного напряжения схемы 28 управления, подводимого к измерительному нагревателю 5. Его температура и, следовательно, темпераура потока возрастает до тех пор, пока оответствующее величине At-2 At t выодное напряжение со схемы 34 вычитания е сравняется с опорным напряжением Vопор ное. При этом сигнал с выхода схемы ЗО сравнения с опорным сигналом становится равным нулю, а выходное напряжение со схемы 28 управления стабилизируется на достигнутом уровне. Если выходное напряжение со схемы 34 вычитания больще опорного напряжения, то сигнал со схемы 30 сравнения с опорным сигналом вызывает уменьщение выходного напряжения схемы 28 управления, что ведет к уменьшению температуры потока tn до тех пор, пока выходное напряжение со схемы 34 вычитания не сравняется с опорным напряжением. Таким образом поддерживается постоянство величины At-2At, а массовый расход газа или жидкости М оказывается прямопропорциональным мощности W, потребляемой измерительным нагревателем 5, которая и измеряется выходным блоком 35, представляющим собой, например ваттметр, отградуированный в единицах массового расхода. Поскольку на всех трех участках измерительной трубки, расположенной между компенсационным, измерительными термочувствительными элементами и измерительным нагревателем поддерживается одинаковый закон изменения температуры потока за счет теплообмена с окружающей средой независимо от перепада температур между потоком и окружающей средой, то повешается точность измерения массового расхода при температуре окружающей среды больше температуры потока. Таким образом, измерение перепада температур между потоком и стенкой канала и поддерживание его постоянным на входе в каждый из трех участков измерительной трубки осуществляется тепломерными элементами, расположенными на внутренней поверхности измерительной трубки и играющими роль стенки канала, снижается инерционность и повыщается точность измерения переменного массового расхода при быстроменяющихся температурах потока и окружающей среды. Формула изобретения Тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем нагревателем, двумя измерительными термочувствительными элементами, установленными по обе стороны от нагревателя, компенсационный термочувствительный элемент, установленный перел первым измерительным термочувствительным элементом по направлению потока, схему измерения в виде двух мостовых схем, в первую нз которых включены первый по направлению движения потока измерительный и компенсационный термочувствительные элементы, во вторую включены два измерительных термочувствительных элемента и выходной блок, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен тремя тепломерными элементами, каждый из которых выполнен в виде термочувствительного элемента и совмещенного с ним нагревателя, расположенными на трех участках измерительного трубопровода между компенсационным и измерительными термоприемниками и нагревателем, а в схему измерения дополнительно введены две мостовые схемы, две схемы сравнения, три схемы управления два ключа, схема определения знака разбаланса,- схема вычитания, схема сравнения с опорным сигналом, при этом в третью мостовую схему включены термоприемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, в четвертую мостовую схему включены термо3 .

1 S 13 1В - 15 12. 8

.....illLl Ll..l

I а I-J I ° 1 ч. оI/7i

////////777

Выход приемники тепломерных элементов, расположенных соответственно между компенсационным термочувствительным элементом к первым измерительным термочувствительным элементом и между измерительным нагревателем и вторым измерительным термочувствительным элементом, выходы первой и третьей мостовых схем подключены через первую схему сравнения к входу первой схемы управления, выход которой подключен к входам ключей, подключенных к нагревателям тепломерных элементов, расположенных между компенсационным и первым измерительным термочувствительным элементом и между первым измерительным термочувствительным элементом и измерительным нагревателем, при этом к вторым входам ключей через схему определения знака разбаланса подключен В1з1хйд первой моставой схемы, выходы второй и четвертой мостовой схемы через вторую схему сравнения и вторую схему управления подключены к нагревателю тепломерного элемента, расположенного между измерительным нагревателем н вторым измерительным термочувствительным элементом, выходы первой н четвертой мостовых схем через схему вычитания и схему сравнения с опорным сигналом подключены к третьей схеме сравнения, выходы которой подключены к измерительному нагревателю и к выходному блоку. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Коротков П. А. Тепловые расходомеры. Л., «Машиностроение, 1969, с. 92. 2.Коротков П. А. Тепловые расходомеры. Л., «Машиностроение, 1969, с. 150 (прототип) .