Тепловой расходометр жидкости
THERMAL FLUID METER

Область техники
Изобретение относится к устройствам для измерения расхода жидкости с чувствительным элементом резистивного типа.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известен раскрытый в патенте РФ 2209404 от 27.07.2003 тепловой расходомер газа и жидкости, включающий два проволочных резистивных датчика температуры с терморезисторами в корпусе цилиндрической формы, установленных перпендикулярно направлению потока жидкости. Однако, как отмечается в описании этого технического решения, оно плохо приспособлено для определения расхода жидкости. Эта неприспособленность является следствием того, что газы и жидкости значительно отличаются по таким параметрам, как вязкость и плотность, определяющих турбулентность их течения. В связи с изложенным, поток жидкости, в отличии от потока газа, характеризуется различными скоростями и температурами жидкости в поперечном сечении потока, при этом распределение скоростей и температур по сечению потока зависит от мощности потока жидкости и температуры среды, окружающей трубопровод с жидкостью, а расходомер не предусматривает учет указанных распределений.
На практике, для измерения расхода жидкостей, широко используется труба Вентури с входным патрубком, конфузором (входным конусом), горловиной и диффузором (см., например, ГОСТ 23720— 79). Из уровня техники известен также раскрытый в патенте РФ 2126956 от 27.02.1999 тепловой расходомер, включающий трубу Вентури и два проволочных терморезистора, каждый с проволочной спиралью на изолированном стержне и помещенной в защитный кожух вытянутой цилиндрической формы, установленные последовательно в трубе Вентури перпендикулярно направлению потока жидкости. Это известное техническое решение является ближайшим аналогом заявленного изобретения. Вместе с тем, оно не приспособлено для определения расхода жидкости, поскольку также не предусматривает учет распределений скорости и температуры жидкости по сечению потока жидкости.
Заявленное изобретение направлено на устранение указанных недостатков известных технических решений. По результатам анализа потребности в
2
расходомерах жидкости было установлено, что в настоящее время рынок нуждается в высокоточных раходомерах жидкости и такие расходомеры особенно востребованы для их использования в счетчиках для учета тепловой энергии потребления из систем централизованного отопления и горячего водоснабжения.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в снижении погрешности при измерении расхода жидкости, вызванной непостоянством скорости и температуры жидкости в поперечном сечении потока, посредством усреднения влияния на терморезисторы различной скорости и температуры жидкости в поперечном сечении потока жидкости.
Указанный технический результат в тепловом расходомере жидкости, включающем трубу Вентури, достигается посредством установке в ее канале двух проволочных терморезисторов. Каждый из терморезисторов состоит из двух соединенных последовательно и расположенных крестообразно идентичных по электрическому сопротивлению проволочных спиралей, примыкающих без касания к внутренней поверхности трубы Вентури.
Проволочные спирали терморезисторов должны быть закреплены на изолированном стержне и снабжены защитным герметичным кожухом вытянутой цилиндрической формы, а полость между спиралью и кожухом заполнена теплопроводящим наполнителем.
В целях повышения точности измерений проволочный терморезистор расположенный первым по направлению потока жидкости должен быть установлен в конфузоре трубы Вентури, где под воздействием сужающегося конуса поле скоростей в поперечном сечении потока жидкости усреднено, а второй терморезистор должен быть расположен в горле трубы Вентури, где условия для выполнения измерений наиболее оптимальны.
В целях исключения теплового воздействия между проволочными спиралями терморезистора, установленного в горле трубы Вентури, первая из спиралей по направлению потока жидкости должна быть разделена на две идентичные по электросопротивлению секции, соединенные в месте пересечения спиралей двумя перемычками с малым электрическим сопротивлением.
3
Проволочные спирали терморезисторов должны быть изготовлены из платиновой, или никелевой, или вольфрамовой, или медной проволоки. Для предотвращения загрязнения терморезисторов на их поверхность должно быть нанесено пленочное покрытие из материалов с низкой адгезией, например из фторопласта.
В целях выравнивания температуры по сечению потока жидкости на входе трубы Вентури должен быть установлен турбулизатор, обеспечивающий распределение температуры по сечению измеряемого потока жидкости.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана труба Вентури с расположенными в ней терморезисторами в соответствии с заявленным изобретением, а также показан турбулизатор с успокоителем, соединенные с входным каналом трубы Вентури.
На фиг. 2 представлена блок схема заявленного теплового расходомера жидкости.
Осуществление изобретения
Заявленный тепловой расходомер жидкости включает показанную на фиг. 1 трубу Вентури с установленными в ней последовательно проволочными терморезисторами. Труба Вентури отличается от других расходомерных труб малой потерей давления по причине отсутствия в ней вихреобразования. Кроме того, у труб Вентури посредством воздействия входного конуса (конфузора) значительно
выравнивается поле скоростей в потоке жидкости. Однако, расслоение температур по сечению потока жидкости в канале трубы Вентури может оказывать существенное влияние на точность показаний расходомера.
В целях повышения точности при измерении расхода жидкости был разработан тепловой расходомер, особенности конструкции и принцип действия которого следующие.
Первый терморезистор установлен в конфузоре трубы Вентури и содержит соединенные последовательно идентичные по электросопротивлению проволочные
спирали 1 и 2, установленные крестообразно по близлежащим плоскостям перпендикулярным к оси канала трубы Вентури.
Второй терморезистор установлен в горле трубы Вентури и содержит
соединенные последовательно идентичные по электросопротивлению проволочные
4
спирали 3 и 4, установленные крестообразно по близлежащим плоскостям перпендикулярным к оси канала трубы Вентури.
При этом первая по направлению потока проволочная спираль 3 отличается от установленной за ней спиралью 4 тем, что в целях исключения их теплового воздействия друг на друга, проволочная спираль 3 разделена на две идентичные по электросопротивлению секции, соединенные двумя перемычками с малым электрическим сопротивлением.
Каждая из проволочных спиралей 1, 2, 3 и 4 примыкает без касания к противоположным сторонам внутренней поверхности трубки Вентури, что обеспечивает обтекание спиралей потоком жидкости.
В целях снижения вихревого воздействия первого терморезистора на последующий, проволочные спирали второго терморезистора, расположенные крестообразно в горле трубы Вентури ориентированы под углом 45 градусов относительно проволочных спиралей первого терморезистора, расположенных крестообразно в конфузоре трубы Вентури.
Соединение проволочных спиралей 1, 2, 3 и 4 и их подключение к измерительному блоку 5 показано на фиг. 2. Измерительный блок 5 содержит электрическую схему с встроенным в нее микропроцессором посредством которого осуществляется управление работой расходомера по заданной программе.
При включении измерительного блока 5 через проволочные спирали 1 и 2, для измерения их сопротивления, пропускается минимальный электрический ток, позволяющий пренебречь вызванным им нагревом спиралей. А через проволочные спирали 3 и 4 пропускается электрический ток, обеспечивающий постоянство разности температур между проволочными спиралями 1 и 2 первого терморезистора и проволочными спиралями 3 и 4 второго терморезистора. В тепловом расходомере жидкости предусмотрены средство 6 отображения результатов измерения расхода жидкости пропорционального измеряемой величине мощности расходуемой для нагрева проволочных спиралей 3 и 4, а также интерфейс 7 для передачи результатов измерений расхода жидкости адресату.
Для выравнивания распределения температуры по сечению потока измеряемой жидкости расходомер содержит турбулизатор, показанный на фиг. 1. Турбулизатор содержит корпус 8 с каналом, в котором закреплен кольцевой элемент 9, посредством которого периферийные потоки жидкости, контактирующие с поверхностью
5
трубопровода, направляются в сторону оси канала, а также закреплен рассекатель потока жидкости, содержащий скрепленные между собой сплошной конусный наконечник 10 и элемент 11, выполненный из сетчатого материала в виде усеченного конуса.
Таким образом потоки жидкости, сформированные под воздействием кольцевого элемента 9 и потоки жидкости, сформированные под воздействием наконечника 10 и элемента 11 смешиваются и, следовательно, температура жидкости будет выравниваться по сечению потока.
В целях исключения воздействия на терморезисторы вихреобразования, вызванного турбулизатором, между измерительным блоком расходомера и турбулизатором установлен успокоитель 12 в виде патрубка, посредством которого поток жидкости нормализуется и подготавливается для выполнения измерений.
В целях мнимизациивлияния на точность показаний расходомера внешней окружающей среды корпус измерительного блока расходомера в виде трубы Вентури, а также корпус турбулизатора и патрубок успокоителя должны быть выполнены из материала с низкой теплопроводностью, например, из полипропилена.
Конструкция турбулизатора может быть различной и подбираться исходя из конструктивных особенностей и условий эксплуатации теплового расходомера жидкости.