МИКРОРАСХОДОМЕР ГАЗА С ЗАДАВАЕМЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
MICRO GAS FLOW METRE WITH PRESET SENSITIVITY

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в устройствах для измерения расхода газа.
Известен тепловой расходомер, содержащий корпус, в котором размещаются: теплообменник управляемой мощности, газораспределительная камера и герметично соединенные с ней измерительный и термокомпенсационный каналы. В одном из которых располагается измерительное полупроводниковое сопротивление (термистор), включенное в блок преобразования выходного сигнала, а в другом - идентичный термистор, включенный в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации контролируемого газового потока - теплоносителя - на задаваемых температурных уровнях. На внешних поверхностях каналов расположены дополнительные нагреватели [1].
п
В статическом состоянии расходомер заполняется подлежащим последующему контролю газом и при отсутствии расхода с помощью схемы термостабилизации газ нагревается до температуры Т, которая поддерживается схемой неизменной при любом расходе. Температура измерительного термистора изменением силы тока косвенного нагрева, протекающего через его спираль, устанавливается на уровне
0
п
0
0
0
Т>Т и его сопротивление становится равным R(T). Величина силы тока I фиксируется на достигнутом уровне и впоследствии остается неизменной (I=const). С появлением расхода контролируемого газа температура измерительного термистора изменяется, в силу чего изменяется и величина его омического сопротивления R(G), являющаяся выходным сигналом расходомера, регистрируемого блоком преобразования выходного сигнала (омметром или частотомером).
По большинству совпадающих признаков этот расходомер принят в качестве прототипа.
α
0
0
2
Наличие схемы термостабилизации теплоносителя на задаваемом уровне, превосходящем температуры входящего в расходомер контролируемого газа и внешней среды, обеспечивает независимость показаний расходомера от этих температур, т.е. его температурную автономность. Однако процесс конвективного теплообмена не оптимизирован - мощность потока конвективной теплоотдачи Q(G)=α(G)·θ(G)·S=W=I r=const (r - coпротивление спирали термистора) остается постоянной, так как, несмотря на увеличение с ростом расхода коэффициента теплоотдачи α(G), одновременно уменьшается температурный напор
п
0
θ(G)=[T(G)-T]=W/α(G)·S.
К недостаткам известной конструкции можно, на наш взгляд, отнести невысокую ее чувствительность по расходу и, как следствие, недостаточно высокую точность измерений, а также отсутствие возможности задания величины чувствительности независимо от рода контролируемого газа. Кроме того, форма выходного сигнала - омическая или частотная - усложняет процедуру его автоматической регистрации.
Целью предлагаемого изобретения является создание теплового расходомера, лишенного недостатков прототипа. В частности, к задачам, которые поставили перед собой авторы, относятся: повышение точности измерения расхода контролируемого вещества; существенное повышение чувствительности по расходу, обеспечение возможности задания ее величины независимо от рода контролируемого газа.
Поставленная цель достигается тем, что в микрорасходомере газа измерительный термистор включается в качестве управляющего элемента в схему стабилизации его теплового режима на задаваемом температурном уровне. Нагрузкой в схеме стабилизации служит спираль косвенного нагрева измерительного термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление задаваемой величины, падение напряжения на котором становится выходным сигналом микрорасходомера.
0
0
п
0
п
к.н
к.н
Предлагаемое техническое решение состоит в смене режима работы расходомера - вместо режима постоянной мощности расходомер работает в режиме постоянного температурного напора θ=Т-Т, где Т=const и Т=const - температуры измерительного термистора и теплоносителя, остающиеся неизменными при любом расходе. В этом режиме работы независимость от расхода температуры измерительного термистора обеспечивается изменением с расходом силы тока косвенного нагрева, величина которой становится функцией расхода I= I(G). Мощность потока конвективной теплоотдачи, пропорциональная коэффициенту теплоотдачи α(G), растет с расходом как α(G), поскольку температурный напор
0
кн
к.н
H
U
H
1
н
н
н
к.н.
0
н
0
п
2
θ=W(G)/α(G)·S=1 (G)·r/α(G)·S=const. Последовательное подключение к спирали косвенного нагрева измерительного термистора нагрузочного сопротивления R, падение напряжения на котором становится выходным сигналом расходомера, позволяет задавать чувствительность расходомера по соотношению S=R·S, т.е. увеличивать чувствительность по току в R раз. Во столько же раз возрастает и уровень выходного сигнала U(G)=R-I(G), что приводит к повышению точности измерения расхода предлагаемым расходомером. Для автоматического управления силой тока косвенного нагрева с целью обеспечения постоянства температуры измерительного термистора последний включается в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации его температуры на постоянном уровне Т, нагрузкой которой является спираль измерительного термистора и нагрузочное сопротивление R. Таким образом, расходомер содержит две схемы термостабилизации: измерительного термистора на уровне Т и теплоносителя на задаваемых уровнях Т.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где
G
0
H
т
п
изображен общий вид предложенного расходомера с задаваемым значением чувствительности. Он содержит: теплоизолированный внутри герметичный металлический корпус 1 с входным и выходным штуцерами (не показаны); нагреватель-теплообменник 2 (ТО) с нихромовой спиралью 10 внутри него; газораспределительную камеру 3 (ГРК), герметично соединенную с ТО и с двумя идентичными каналами 4, 5, в каждом из которых расположены идентичные термисторы 6 и 7; измерительный термистор 6 в канале 4 включен в качестве управляющего элемента в электронную схему 8 (СТР) стабилизации его теплового режима на задаваемом уровне Т, нагрузкой которой служит спираль косвенного нагрева этого термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление (резистор) R, падение напряжения на котором измеряется вольтметром 9; термокомпенсационный термистор 7 в канале 5 включен в качестве управляющего элемента в электронную схему 11 (СТР) стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемых уровнях Т, нагрузкой которой служит спираль 10 теплообменника и электрически соединенные с ней последовательно дополнительные нагреватели 12, 13 на внешних поверхностях каналов.
Работа расходомера с задаваемым значением чувствительности осуществляется следующим образом.
вх
г
г
г
г
п
вх
c
г
п
т
г
п
п
вх
с
Через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Т поступает в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т и попадает в газораспределительную камеру 3, делящую газовый поток на два одинаковых по расходу (G/2) и температуре потока, поступающих затем в измерительный 4 и в термокомпенсационный 5 каналы соответственно. Термистор 7, размещенный в термокомпенсационном канале 5, принимает температуру Т вышедшего из теплообменника потока газа расходом G/2, и его омическое сопротивление становится равным R(T). Если Т≠Т - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т и Т, под действием сигнала рассогласования ±ΔR(T, Т) с блока 11 управления мощностью (СТР) к спиралям 10, 12, 13 подводится дополнительная мощность ±ΔW(T, Т), сводящая сигнал рассогласования к нулю. Это приводит, как и у прототипа, к стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом уровне Т, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т и Т, т.е. его температурная автономность. Функции дополнительных нагревателей на внешних поверхностях каналов те же, что и у прототипа.
0
п
0
G
к.н
KH
0
0
н
н
кн.
кн
Измерительный термистор 6 в измерительном канале 4 нагревается током косвенного нагрева до задаваемой температуры Т>Т. При этом его сопротивление становится равным R(T). Подача расхода приводит к уменьшению его температуры на величину ΔT, следовательно, к увеличению его сопротивления на величину ±ΔR(ΔT). Под действием этого сигнала рассогласования блок 8 управления силой тока косвенного нагрева (СТР) вырабатывает дополнительный ток +ΔI(ΔT) (дополнительную мощность +ΔW(ΔТ) косвенного нагрева), сводящий сигнал рассогласования к нулю, вследствие чего температура термистора вновь становится равной Т, а его сопротивление - R(T). Падение напряжения на нагрузочном сопротивлении увеличивается и становится равным U=R·(I+ΔI). Из каналов газовые потоки расходом G/2 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G через выходной штуцер (не показан) уходит в газовую сеть.
N2
Ar
xe
H
N2
н
Ar
Xe
U
-1
Практика работы с расходомером показала, что выходной сигнал изменяется в пределах: U≈65÷85 В; U≈86÷109 В; U≈83÷106 В в диапазоне расхода 0÷12 мг/с (через один канал) при величинах нагрузочных сопротивлений: (R)=5,6 к; (R)≈7,5 к; (R)≈13,3 к и заданной чувствительности для всех контролируемых газов S=2 В/(мг·с).
Таким образом, чувствительность расходомера не зависит от рода газа, что очень важно в случае измерения расхода газов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами, таких, например, как азот и ксенон. Очевидным достоинством этого расходомера является так же то, что минимальный выходной сигнал (при G=0) составляет десятки вольт, и это исключает дрейф нуля, который наблюдается у известных тепловых расходомеров. Отмеченными достоинствами не обладает ни один из известных тепловых расходомеров.