Тепловой раходомер Советский патент 1981 года по МПК G01F1/68 

I

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения расхода потоков жидкостей и газов.

Известны устройства для измерения расхода жидкостей и газов, содержащее термочувствительные элементы, основанные на зависимости от скорости (расхода) потока теплоотдачи первичного преобразователя (нагретого тела), помещенного в контролируемый поток }.

Из известных устройств наиболее близким является устройство для измерения расхода, содержащее измерительный участок трубопровода с расположенным на нем измерительным и компенсационным термочувствительными элементами, находящимися в различных гидродинамических условиях, к выходам которых подключены последовательно соединенные усилители переменного тока, генераторы управляв- мой частоты и формирователи импульсов 2.

Однако известный расходомер на позволяет точно измерять расходы потог ков при резких колебаниях температуры контролируемой среды.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в тепловом расходомере, содержащем измери10тельный участок трубопровода с расположенными на нем измерительным и компенсационным термочувствительными элементами, находящимися в различных гидродинамических условиях,

IS к выходам которых подключены последовательно соединенные усилители переменного тока, генераторы управгч ляемой частоты и формирователи импульсов, на выходе измерительной схемы

20 подключено индикаторное устройство, термочувствительные элементы выполнены в виде пироэлектрических термодатчиков а в измерительную схему введены основные и вспомогательные светодиоды, генератор калиброванных импульсов, формирователь временных интервалов, счетчик с дешифратором и делитель частоты, причем основные светодиоды, генератор калиброванных импульсов и формирователь временных интервалов соединены последовательно и подключены к одному из входов счетчика, делитель частоты включен между выходом генератора управляемой частоты и входом формирователя импульсов измерительного термочувствительного элемента, к выходу которого подключен один из вспомогательных светодиодов, к выходу формирователя импульсов компенсационного термочувствительного элемента подключены два последовательно соединенных светодиода, а счетчик с дешифратором включен между выходом генератора управляемой часто ты и входом индикаторного устройства. На чертеже представлена функционал ная схема описываемого теплового рас ходомера, Тепловой расходомер содержит измерительный участок трубопровода 1, калиброванную втулку 2, измерител ный и компенсационный термочувствительные элементы, вьтолненные в виде пироэлектрических термодатчиков 3 и 4, усилители переменного тока 5 и 6, генераторы управляемой частоты 7 и 8 формирователи импульсов 9 и 10, осно ные 1 1. и 12 и вспомогательные 13 и 1

светодиоды, генератор калиброванных импульсов 15, формирователь временных интервалов 16, счетчик 17, делитель частоты 18, дешифратор 19, индикаторное устройство 20.

Устройство работает следующим образом.

Устройство калибруется при предельно низком рабочем давлении, предельно высокой температуре среды и отсутствии скоростного потока. Пироэлектрические термодатчики расхода 3 и 4 используются в динамическом режиме работы. В них возбуждаются тепловые колебания с амплитудой М около некоторой температуры Т (температуры перегрева}. Источниками тепло вых импульсов являются световые потоки основных светодиодов 11 и 12, возбуяяаемых генератором калиброванных импульсов 15.

При отклонеюш давления и температуры .среды от исходных значений теп8

измерительного контура автоматического регулирования температуры термочувствительного элемента 3 выбирается таким образом, что при значениях

температуры перегрева, равной Т и Т +ДТ, цепь лучевой обратной связи светодиода 13 размыкается и температурный режим термочувствительного элемента 3 продолжает определяться

5 только тепловой мощностью, поступающей на него от светодиода 14.

В устройстве обеспечивается также выполнение условий температурной и скоростной инвариантности измерительного и компенсационного конту-ров. Они сводятся в основном к обеспечению равенства передаточных функций термочувствительных элементов 3 и 4 по пульсациям температуры и

55 скорости потока, С этой целью для обоих датчиков обеспечены идентичные условия теплообмена с потоком контролируемой среды. Конструктивно это 54 лообмен термочувствительных элементов 3 и 4 интенсифицируется. В результате они генерируют на выводах своих электродов переменное напряжение, которое усиливается усилителями переменного тока 5 и 6. Усиленное напряжение преобразуется генераторами управляемой частоты 7 и 8 в пропорциональные значения частоты, которые поступают на входы формирователей 9 и 10 импульсов, у компенсационного непосредственно, а у измерительного - через делитель частоты 18. Выходные импульсы формирователей импульсов 9 и 10 возбуждают вспомогательные светодиоды 3 и 14, тепловая мощность световых потоков которых является эквивалентной тепловой мощностью замещения результата воздействия на термочувствительные элементы 3 и 4 контролируемой средьи В общем случае светодиоды 13 и 14 будут работать как описано выше, только при выходе на рабочий режим работы, В связи с тем, что светодиод 13 облучает только термочувствительный элемент 3, а светодиоды 14 облучают одновременно датчики 3 и 4, то рабочие температурные точки термочувствительных элементов 3 и 4 сместятся у измерительного в положение Т + ЛТ, а у компенсационного - в положение Т - ДТ и будут в дальнейшем устойчиво колебаться в этих пределах до момента появлец я скоростного потока. Режим-работы достигается выполнением рабочего канала измерительного участка 1 в виде дйух разветвляющихся отрезков трубопровода, в которых размещены измерительный и компенсационньш термочувст вительные элементы 3 и 4, которые смываются контролируемым потоком, В результате оба термочувствительных элемента будут одинаково реагировать как на пульсации скорости потока, так и на изменения его температуры и давления.. Для выделения информации о величине расхода необходимо и достаточно, чтобы cjcopocTb потока, омы вающего измерительный термочувствительньй элемент 3, бьша отличной от скорости потока, омывающего компенса ционный термочувствительный элемент 4. Это .условие обеспечивается за, счет установки в начале ответвления трубопровода с компенсационньтм термочувствительным элементом калиброванной вТулки 2, Коэффициент деления потока между двумя разветвляющими па рубками регулируется выбором сечения проходного отверстия втулки 2, При появлении расхода теплообмен обоих термочувствительных элементов интенсифицируется еще более. Из-за наличия разности скоростей потоков отвод тепла от термочувствительного элемента 3 будет превышать количество тепла, поступающего к нем от светодиода 14, В результате рабочая точка термочувствительного элемента 3 сместится в область Т-ЛТ замкнется лучевая обратная связь через светодиод 13 и на выходе генератора управляемой частоты 7 появится последовательность импульсов, час тота которых будет пропорциональна разности скоростей потоков в обоих патрубках. Для поддержании заданного положе,ния рабочей точки на вольттемпературной характеристике термочувствительг ного элемента 3 (величина перегрева) необходимо, чтобы частота импульсов, формируемых на выходе делителя частоты 18, была пропорциональна значению разности расхода. При этом частота импульсов на вьпсоде устройства, а следовательно, и на входе-делителя частоты 18, должна быть пропорциональна полному расходу контролируемого потока через измерительный участок 1, Значение коэффициента деления делителя частоты 18 выбирается, иа расчета выполнения этик двух условий. f Обычно для получения информации на выходе устройства непосредственно в единицах расхода, без использования специальных переводных таблиц, необходимо, чтобы коэффициент чувствительности у обоих термочувствительных элементов 3 и 4 были равны круг другу и равны определенной величине. Однако в общем случае это требование не вьтолняется. Дпя расширения допустимого диапазона разброса из значений в устройстве применяется узел формирования временных интервалов 16, использующий для своей работы частоту генератора калиброванных импульсов J5, Изменение температуры термочувствител1зного элемента 3 в процессе его работы приводит к пропорциональному изменению напряжения на выводах его Электродов на величину дО С1бдТ, где об - температурный коэффициент напряжения Термочувствительных элементов - пироэлектрических термодатчиков. Это приращение напряжения преобразуется генератором управляемой. частоты 7 в пропорциональное изменение частоты f, которая (с учетом коэффициента деления делителя частоты 18) поступает на счетный вход счетчика .17. С формирователя временных интервалов на управляющий вход счетчика поступает сигнал, разрешающий счет навремя )/of К где К т дискретность измерения расхода, равная 1; 0,1; 0,001 л/ч. Временной интервал измерения устаавливается в завиЬимости от значения емпературного коэффициента напряения термочувствительного элемента. ри этом счетчик считает пачку импул - ов, количество которых равно значеию t (времени). Это кодовое представение счетчиком 17 полученной инфорации декодируется дешифратором 19 результат индицируется в единицах асхода индикаторным устройством 20. Длительность импульсов облучения ыбирается меньшей постоянной времени азогрева термочувствительных элеменов я температура последних определятся средней частотой облучения. Переход устройства с одного днапа она измеряемого расхода на другой ожет быть осуществлен заменой имеюейся втулки 2 на другую с необходиым сечением проходного отверстия. ветодиоды, используемые в предлагаеом, устройстве, работают в импульсном I режиме и стабильность их излучения может быть улучшена при питании их от формирователя импульсов, работающего поочередно с заданными интервалами в режимах генератора тока и генератора напряжения. При этом термочувствительный элемент будет усредня размер единицы лучистого потока светодиодов. Использование в качестве термочувствительных элементов пироэлектри ческих термодатчиков позволило на основе их экстремально высокой разрешающей способности улучпшть функциональные и метрологические возможности устройства. Напоимео, они, jre требуют питания, что позволяет их исцол;Е)ЗОват в переносной и специаль .ной аппаратуре, а устройства на их основе отличаются низким энергопотре лениём. Высокая чувствительность пироэлектрических термодатчиков позволяет снизить значение температуры их перегрева до нескольких градусов и использовать для этой цели маломощ ные источники нагрева, например саетодиодаи Кроме того, высокая чувствительность пироэлектрических термодатчиков позволяет использовать устройство не только для измерения расхода, температуры, давления, но и концентрации при анализе смесей и регистрации весьма малых скоростей измерения температуры, а следователь но, и расхода практически недостижимых для других термоэлектрических сред. Поскольку относительная погрешность описываемого измерительного устройства связана с чувствительностью, обратно пропорциональной зависи мостью, то увеличивается не только чувствительность измерения, ио и соответственно уменьшается погрешг ность измерения. Формула изобретения Тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем измерительным и компенсационнь1м термочувствительными элементами, находящимися в различных гидродинамических условиях, к выходам которых подкгаочены последовательно соединенные усилители переменного тока, генераторы управляемой частотъ и формирователи импульсов, на выходе измерительной схемы подключено индикаторное устройство, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения, термочувствительные элементы вьтолнены в виде пироэлектрических термодатчиков, а в измерительную схему введены основные и вспомогательные светодиоды, генератор калиброванных импульсов, формирователь временных интервалов, счетчик с дешифратором и делитель частоты, причем основные светодиоды, генератор калиброванных импульсов и формирователь временных интервалов соединены последовательно и подключены к одному из входов счетчика, делитель частоты включен между выходом генератора управляемой частоты и входом формирователя импульсов измерительного термочувствительного элемента, ,к выходу которого подключен один из вспомогательных светодиодов, к выходу формирователя импульсов компенсационного термочувствительного элемента подключены два последовательно соединенных светодиода, а счетчи; с дешифратором включен между выходом генератора управляемой частоты и входом индикаторного устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Коротков П.А. Тепловые расходомеры. Л., Машиностроение, 1969. . 2. Авторское свидетельство СССР № 639314, кл. G 01 f 1/00, 1978 (прототип).