ТЕПЛОВОЙ МИКРОРАСХОДОМЕР ГАЗА
THERMAL GAS MICROFLOWMETER

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0÷100 мг/с.
Общими недостатками тепловых расходомеров являются недостаточные точность и чувствительность по расходу.
Известен автономный четырехканальный расходомер газа, содержащий герметичный теплоизолированный металлический корпус с расположенными в нем теплообменником с нагревательной спиралью и газораспределительной камерой для подачи поступающего в нее потока газа в два измерительные и в два термокомпенсационные каналы, выполненные идентичными. В каналах размещены теплочувствительные элементы (ТЧЭ) в виде соединенных последовательно полупроводниковых сопротивлений (термисторов) без косвенного нагрева, а на внешних поверхностях каналов установлены дополнительные нагревательные спирали. ТЧЭ термокомпенсационных каналов включены в электронную схему блока управления мощностью теплообменника и дополнительных нагревательных спиралей. В известном расходомере блок преобразования выходного сигнала представляет собой мостовую схему, элементами которой являются последовательно соединенные измерительные термисторы в измерительных каналах, а выходным сигналом является напряжение, снимаемое с диагонали моста [1]. Этот расходомер принят за прототип.
Расходомер [1] имеет недостаточные точность и чувствительность, обусловленные тем, что выходным сигналом расходомера является напряжение, снимаемое с диагонали мостовой схемы, одним из плеч которого являются последовательно включенные измерительные термисторы.
Задачей изобретения является повышение точности и чувствительности теплового микрорасходомера газа.
Поставленная задача достигается тем, что блок преобразования выходного сигнала теплового микрорасходомера выполнен в виде схемы резистивного делителя напряжения, элементами которого являются последовательно соединенные термисторы в измерительных каналах и резистор задаваемой величины. Выходными сигналами теплового микрорасходомера являются регистрируемые падения напряжения большой величины на элементах резистивного делителя напряжения.
tr
R
п
п
Как показали наши исследования, схема резистивного делителя напряжения, содержащая в качестве элементов термистор и резистор, обладает, подобно мостовой схеме, точкой равновесия, которая достигается при равенстве падения напряжения на элементах схемы U=U=U / 2, где U - напряжение питания схемы, при котором наступает равновесие.
0
Сущность изобретения графически представлена на чертеже, в частности, на фиг.1 схематически изображено устройство теплового микрорасходомера газа, отличие которого от прототипа заключается в том, что вместо мостовой схемы используется схема резистивного делителя напряжения, элементами которой являются последовательно включенные измерительные термисторы 8, 9 и резистор R(T), и регистрируются падения напряжения на этих элементах так, как это представлено на фиг.1.
Заявляемый тепловой микрорасходомер содержит:
rt
n
0
корпус 1 расходомера, корпус 2 теплообменника, газораспределительную камеру 3, каналы 4 и 5 с измерительными термисторами, каналы 6 и 7 с термокомпенсационными термисторами, измерительные термисторы 8 и 9, термокомпенсационные термисторы 10 и 11, нагревательную спираль 12 теплообменника, дополнительные спирали 13, 13', 14, 14' на поверхностях каналов, блок 15 управления мощностью спирали теплообменника и дополнительных спиралей; 2R(Т+Т) - сопротивление последовательно соединенных измерительных термисторов; R(T) - сопротивление резистора; K - двухполюсный сдвоенный переключатель; V - вольтметр (типа В7-21а).
Тепловой микрорасходомер работает следующим образом.
г
г
п
вх
ср
г
п
п
п
вх
ср
Микрорасходомер заполняется исследуемым газом. Расположенные в каналах 6, 7 теплочувствительные элементы 10, 11 принимают температуру газа, и их омическое сопротивление становится равным R(Т). Если Т≠Т - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т и Т, то под действием сигнала рассогласования ΔR(T, Т) с блока управления мощностью (БУМ) 15, к которому электрически подключены термокомпенсационные термисторы 10, 11, к последовательно соединенным спиралям 12, 13, 13', 14, 14' подводится мощность, сводящая ΔR к нулю. Это приводит к термостабилизации газовой среды на фиксированном уровне Т. При подаче расхода постоянство температуры газового потока на заданном уровне Т поддерживается БУМ автоматически, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т и Т, т.е. его температурная автономность, как и у прототипа. Функция дополнительных спиралей 13, 13', 14, 14' на внешних поверхностях каналов та же, что и у прототипа.
0
tr
R
п
tr
0
0
0
tr
0
0
Затем задается температура Т измерительных термисторов изменением напряжения питания схемы резистивного деления напряжения до тех пор, пока напряжение на элементах схемы не станет одинаковым и равным 2U=U=U/2. При этом сумма сопротивлений термисторов становится равной сопротивлению резистора - 2R(T)=R(T). Величина R(T) находится по зависимости сопротивления термистора от температуры - R(T)=А·ехр(В/Т), где А и В - постоянные термистора, определяемые экспериментально.
вх
г
п
п
После этого через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Т подается в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т и поступает в газораспределительную камеру (ГРК) 3, делящую газовый поток на четыре одинаковые по расходу (G/4) и температуре Т потоки, поступающие затем в измерительные 4, 5 и в термокомпенсационные 6, 7 каналы соответственно. При этом в одинаковые по функции каналы газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры Т поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации оси расходомера, чем обеспечивается ориентационная независимость его показаний, как и у прототипа.
П
п
tr
R
tr
R
П
Соединенные последовательно теплочувствительные элементы 8, 9 в измерительных каналах 4, 5, перегретые относительно газового потока проходящим через них током на величину ΔT≈25-50 K относительно фиксированного температурного уровня Т, охлаждаются поступающими в измерительные каналы 4, 5 газовыми потоками и температура измерительных термисторов уменьшается. Это вызывает увеличение их омических сопротивлений, что при U=const приводит к перераспределению напряжений на элементах схемы резистивного делителя напряжения. При этом напряжение на термисторах U(G) растет с ростом расхода, а на резисторе напряжение U(G) падает так, чтобы сумма напряжений U(G) +U(G) равнялась напряжению питания U=const. Из каналов 4, 5 и 6, 7 газовые потоки расходом G/4 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G уходит в газовую сеть через выходной штуцер (не показан).
п
tr
R
Практика показала, что при использовании термисторов типа СТ1-18, в диапазоне расхода 0÷15 мг/с напряжение на термисторах изменяется в пределах 130÷206 В, а на резисторе - 130÷54 В. Усредненная по диапазону чувствительность составила 10,13 В/(мг/с), что намного превышает чувствительность всех известных расходомеров, в том числе и прототипа. Большие по величине напряжения, снимаемые с элементов схемы резистивного делителя напряжения, позволяют не принимать меры для их помехозащищенности и отказаться от усилительных схем различной степени сложности. Кроме того, большая величина регистрируемых напряжений обеспечивает: повышение точности измерений; нелимитируемую длину разнесения собственно расходомера и его электронного блока, что позволяет использовать расходомер в изолированных объемах, в частности, в вакуумной камере установок различного назначения; осуществление контроля качества работы стабилизированного источника питания для внесения необходимых поправок при нарушении равенства U=U+U исключение вопроса о дрейфе нуля в отсутствие расхода.