CS202201B1

CS202201B1 - Method of evaluation the liquid flow and device for executing the same

Info

Publication number: CS202201B1
Application number: CS570177A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Tesar
Original assignee: Vaclav Tesar
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1977-09-01
Publication date: 1980-12-31

Description

Vynález se týká jednak způsobu zjišťování množství protékající tekutiny, jednak zařízení, které slouží k tomu, aby v něm byl průtok tímto způsobem vyhodnocován.The invention relates both to a method for determining the amount of fluid flowing and to a device which is used to evaluate the flow rate in this way.

Zjišťování průtoku tekutin je dnes nejčastějším případem měření v průmyslové řídící technice. Stále častěji se při tom vyskytuje požadavek, aby výstupem zařízení k provádění takových měření byl elektrický signál. Nejčastěji se elektrický signál generuje v tlakoměrných převodnících, v nichž je elektrický výstup úměrný působícímu vstupnímu tlaku. K měření průtoku pak slouží průtokoměrný snímač, jehož úlohou je v závislosti na okamžité hodnotě průtoku vyvodit tlak, který by pak mohl být veden do tlakoměrného převodníku. Dnes nejběžnějším takovým průtokoměrným snímačem bývá clonka — kotouč s otvorem, vloženým do potrubí, v němž je průtok měřen. Před takovýmto clonkovým hydraulickým odporem a za ním ve směru proudění tekutiny jsou pak uspořádány odběry tlaku. Tlakový rozdíl v nich není ovšem jen důsledkem průřezové kontrakce v clonce, takže je větší než trvalá ztráta tlaku na clonce. Existují a běžně se používají také průřezové snímače, u nichž je generovaný tlakový rozdíl pouze důsledkem změny průřezu a spád na takovém snímači jako odporu je velmi malý. Jak snímače s clonkovým odporem, tak snímače průřezové mají závislost mezi vstupní veličinou — měřeným průtokem — a výstupní veličinou — generovaným tlakovým rozdílem — přibližně kvadratickou. V mnoha situacích se vyskytuje požadavek, aby takováto závislost byla jiná než kvadratická; takovému požadavku však je těžké a někdy nemožné vyhovět. Tak zejména často se vyskytuje požadavek závislosti lineární. Je možné dosáhnout linearity například nelineárním mechanickým převodem v měřiči — například odmocninovou vačkou v mechanickém přenosu pohybu způsobeného tlakovou silou do elektrického čidla mechanického pohybu. Avšak takové řešení má nevýhodné dynamické vlastnosti a je vhodné jen k měření stacionárních, ustálených stavů. Existují také řešení, u nichž je linearizace provedena na elektrické straně. Ukazuje se však, že potřebný linearizační obvod je velmi nákladnou záležitostí, jehož cena někdy přesahuje náklady na všechny ostatní obvody v. celém průtokovém měřidle. Existují konečně také přímo průtokoměrné snímače, u nichž lze mluvit o více či méně lineární charakteristice. Jsou to snímače uspořádané jako viskozitní odpory. Obvykle jde o úzké dlouhé trubičky — kapiláry. Ty jsou však použitelné jen tehdy, má-li být měřen jen malý průtok, neboť jejich linearita je závislá na udržení lamínárního režimu proudění v kapiláře. Ovšem linearita takových snímačů je vždy pouze přibližná. V prvé řadě se u nich obvykle uplatňuje vliv rozběhového úseku, na němžFluid flow measurement is today the most common measurement case in industrial control technology. There is an increasing demand for an electrical signal to be output from a device for making such measurements. Most often, an electrical signal is generated in pressure transducers in which the electrical output is proportional to the input pressure applied. The flowmeter is then used to measure the flowmeter, whose task is, depending on the instantaneous flow rate, to generate pressure, which could then be routed to the pressure transducer. Today, the most common sensor of this type is a diaphragm with a hole inserted in the pipeline where the flow is measured. Pressure draws are then arranged upstream and downstream of such a diaphragm hydraulic resistor. However, the pressure difference is not only a consequence of the cross-sectional contraction in the orifice, so it is greater than the permanent pressure loss on the orifice. Cross-section sensors exist and are commonly used, in which the pressure difference generated is only a consequence of the cross-section change and the slope on the sensor as resistance is very small. Both diaphragm resistors and cross-sectional sensors have an approximately quadratic relationship between the input quantity - measured flow - and the output quantity - generated by the differential pressure. In many situations there is a requirement that such dependence be non-quadratic; however, such a requirement is difficult and sometimes impossible to meet. Thus, the requirement of linear dependence is particularly frequent. It is possible to achieve linearity, for example, by a non-linear mechanical transmission in the meter - for example a square root cam in the mechanical transmission of the motion caused by the compressive force to the electrical sensor of the mechanical motion. However, such a solution has disadvantageous dynamic properties and is only suitable for measuring stationary, steady-state states. There are also solutions where linearization is performed on the electrical side. However, it becomes apparent that the required linearization circuit is a very expensive matter, the cost of which sometimes exceeds the cost of all other circuits in the entire flow meter. Finally, there are also direct-flow sensors for which we can speak of a more or less linear characteristic. These are sensors arranged as viscosity resistors. Usually these are narrow long tubes - capillaries. However, these are only applicable if only a small flow is to be measured, since their linearity is dependent on maintaining the lamellar flow regime in the capillary. However, the linearity of such sensors is always approximate. First of all, they usually have the influence of the start-up section on which they are

202 201202 201

202 201 ,202 201,

- ’ 4 se ustálený laminární průtok teprve vyvíjí. Dále působí odchylky do linearity také kvadratické přídavné odpory vstupem a výstupem z kapiláry.- '4 the steady laminar flow is still evolving. Furthermore, the deviations in linearity also cause quadratic additional resistances at the inlet and outlet of the capillary.

Problém je řešen způsobem vyhodnocování průtoku tekutiny, jehož podstatou je, že se průtok měří současně dvěma za sebou uspořádanými průtokoměrnými čidly různého druhu, v nichž se vyvozuje tlakový spád, závislý na měřeném průtoku a jako míra velikosti měřeného průtoku se vyhodnocuje poměr tlakového spádu vyvozeného jedním čidlem ke tlakovému spádu vyvozeném druhým čidlem.The problem is solved by the method of fluid flow evaluation, which is based on the fact that the flow rate is measured simultaneously by two arranged flowmeter sensors of different kinds, in which a pressure drop is generated, dependent on the measured flow rate. a pressure drop sensor generated by the second sensor.

Podstatou zařízení k vyhodnocování průtoku tekutiny podle vynálezu je dále, že sestává z prvého průtokoměrného čidla, opatřeného meziprvkovým vývodem a vstupním vývodem tlaku tekutiny před a za čidlem a druhého průtokoměrného čidla spojeného s prvním průtokoměrným čidlem, opatřeného meziprvkovým vývodem a výstupním vývodem tlaku tekutiny před a za čidlem. Dále sestává zařízení z dvou měřičů tlakového rozdílu, z nichž jeden je připojen na vývody tlaku prvního průtokoměrného čidla a druhý na vývody tlaku druhého průtokoměrného čidla.The fluid flow evaluation device according to the invention further comprises a first flow sensor having an interlining outlet and an inlet fluid pressure inlet upstream and downstream of the sensor, and a second flow sensor connected to a first flow sensor having an interlining outlet and fluid outlet outlet before and behind the sensor. Further, the device consists of two pressure difference meters, one of which is connected to the pressure ports of the first flow sensor and the other to the pressure ports of the second flow sensor.

S výhodou lze u zařízení použít dále pouze jednoho měřiče tlakového rozdílu a přepínače, určeného k přepojování buď vývodů tlaku prvého průtokoměrného čidla nebo vývodu tlaku druhého průtokoměrného čidla.Advantageously, only one pressure difference meter and switch may be used in the apparatus to switch either the pressure ports of the first flow sensor or the pressure ports of the second flow sensor.

Rovněž s výhodou lze vytvořit prvé průtokoměrné čidlo kapilárovým odporem a druhé průtokoměrné čidlo clonkovým odporem.It is also advantageous to provide a first flow sensor with a capillary resistance and a second flow sensor with an orifice resistor.

Také lze s výhodou vytvořit prvé průtokoměrné čidlo clonkovým odporem a druhé průtokoměrné čidlo vírovou diodou.It is also advantageous to provide a first flow sensor with a diaphragm resistor and a second flow sensor with a vortex diode.

Výhodné je, jsou-li měřiče tlakového rozdílu tenzometrického typu a jsou na elektrické straně zapojeny do Wheatstoneova můstku, tj. jsou připojeny na přívod signálového média, například elektrického proudu, nebo tlakového vzduchu za sebou a paralelně s touto dvojicí je na přívod signálového média připojena druhá dvojica odporových prvků. Mezi prvním a druhým odporovým prvkem je zapojen indikátor průtoku signálového média.It is advantageous if the pressure difference meters are of the strain gauge type and are connected to the Wheatstone bridge on the electrical side, i.e. they are connected to a signal medium supply, for example electric current or compressed air, in series and parallel to this pair. a second pair of resistive elements. A signal medium flow indicator is connected between the first and second resistance elements.

Tím, že je zjišťován podíl tlakových spádů vyvozených čidly různého druhu, lze dosáhnout závislosti, jaká je nedosažitelná s čidlem jediným. Zejména lze nalézt takové dvojice odporových, resp. průřezových průtokoměrných čidel, u nichž je poměr údajů přesně lineární homogenní funkcí průtoku procházejícího oběma čidly. Bylo to ověřováno na případě, kdy první průtokoměrné čidlo je tvořeno clonkou, s přibližně kvadratickou závislostí generovaného tlakového spádu na procházejícím průtoku, a druhé průtokoměrné čidlo je tvořeno výrovou fluidickou diodou, protékanou v závěrném směru, u níž je tato. závislost přibližně kubická. Ovšemže poměr třetí a druhé mocniny je právě mocnina první a tento poměr tedy závisí na průtoku lineárně. Důležité však je, že lze dosáhnou prakticky dokonalé linearity i v případech, kdy charakteristiky obou čidel se odchylují od přesně kvadratické či přesně kubické závislosti, neboť odchylky u obou čidel se při určité geometrii snímače přesně kompenzují.By detecting the proportion of pressure drop generated by sensors of different kinds, it is possible to achieve a dependence that is unattainable with a single sensor. In particular, such pairs of resistive resp. cross-sectional flow sensors in which the data ratio is a linearly homogeneous function of the flow through both sensors. This has been verified when the first flow sensor is an orifice with an approximately quadratic dependence of the generated pressure drop on the flow through, and the second flow sensor is an ejection fluid flow diode flowing in the reverse direction at which it is. approximately cubic dependence. Of course, the ratio of the square to the square is just the square and this ratio therefore depends on the flow linearly. What is important, however, is that virtually perfect linearity can be achieved even when the characteristics of both sensors deviate from exactly quadratic or exactly cubic dependence, as deviations in both sensors are accurately compensated for a certain sensor geometry.

Výhodou řešení podle vynálezu tedy je, že se dostává snímač průtoku s prakticky dokonale vyhovující linearitou, přičemž dynamické vlastnosti nejsou ohroženy setrvačností mechanizačních linearizačních převodů, celé zařízení je jednoduché, kompaktní a může být provedeno tak, že neobsahuje pohyblivé součástky, které by se mohly opotřebovat, zadřít, vyžadovaly by mazání a podobně.The advantage of the solution according to the invention is therefore that the flow sensor is obtained with practically perfectly satisfactory linearity, while the dynamic properties are not compromised by the inertia of the mechanization linearization gears, the whole device is simple, compact and can be made without moving parts that could wear , seizure, would require lubrication and the like.

Na připojených výkresech je jako příklad znázorněn snímač průtoku podle vynálezu. Jde o variantu s jedním čidlem clonkovým a druhým diodovým, přičemž přímo v tělese snímače je umístěn převodník na elektrický výstupní signál. Na obr. 1 je znázorněn pohled na destičku, v níž jsou vytvořeny fluidické prvky snímače — clonkový odpor a vírová dioda. Na obr. 2 je pak zachycen řez snímačem a schematicky je zakresleno nejjednodušší zapojení umožňující vyhodnocování poměru výstupních signálů obou fluidických částí snímače. Jak clonkový odpor, tak i vírová dioda jsou ovšem průtokoměrná čidla již dříve známa. Nový je zde způsob, jakým jsou jejich výstupní signály vyhodnoceny.The accompanying drawings show by way of example a flow sensor according to the invention. It is a variant with one iris diaphragm sensor and the other diode sensor, where a converter for electrical output signal is placed directly in the sensor body. FIG. 1 is a view of a plate in which the fluidic elements of the sensor are formed - orifice resistor and vortex diode. FIG. 2 shows a cross-section of the sensor and schematically depicts the simplest wiring for evaluating the ratio of the output signals of the two fluid parts of the sensor. However, both the diaphragm resistance and the vortex diode are previously known to be flowmeter sensors. New is the way their output signals are evaluated.

Jde o snímač určený k měření poměrně velmi malých průtoků v přístrojové technice. Celý je proveden jako kovový blok, tekutina do něho v tomto uspořádání vstupuje vstupem 7 tekutiny a vystupuje z něj výstupem 8 tekutiny, které jsou oba uspořádány z jedné strany bloku, a sice ze strany, jíž je celý blok montován k dalším částem přístroje, jehož součást tvoří. Fluidické prvky, na nichž nejvíce záleží, jsou provedeny samostatně v ploché kovové destičce 10 jako výřezy, které jsou pak v celém bloku uzavřeny tím, že z jedné strany je destička 10 připevněna k základnímu tělísku 30 a z druhé strany je překryta víčkem 11. První průtokoměrné čidlo je tvořeno clonkovým odporem, který je proveden jako úzká štěrbina propojující dva prostory — přívodní dutinu 5 a meziprvkovou dutinu 4 (viz obr. 1). Další velká dutina v destičce 10 je vírová dioda, která vytváří druhé průtokoměrné čidlo 2. Z meziprvkové dutiny 4 do ní vede tryska 3, která je tangenciálně skloněna, aby tekutina vtékající do vírové diody byla nucena v ní rotovat. Tekutina prochází snímačem tak, že ze vstupu 7 tekutiny přichází do přívodní dutiny 5, kde mění směr svého pohybu a protéká clonkovým odporem. Z nich prochází meziprv202 201 kovou dutinou 4 a tryskou 3, jak bylo řečeno, vytéká do vírové diody. Tou prochází za stálé rotace až k jejímu středu, odkud vytéká výstupním otvorem 22 do výstupu 8 tekutiny.It is a sensor designed to measure relatively low flow rates in instrumentation. The whole is embodied as a metal block, in which the fluid enters into it in the fluid inlet 7 and exits from it through the fluid outlet 8, both of which are arranged from one side of the block, namely the side from which the whole block is mounted to other parts of the apparatus. Part of make up. The most fluid elements are provided separately in the flat metal plate 10 as slots which are then closed throughout the block by attaching the plate 10 to the base body 30 on one side and being covered by the lid 11 on the other. the sensor consists of a diaphragm resistor, which is designed as a narrow gap connecting two spaces - the inlet cavity 5 and the inter-element cavity 4 (see Fig. 1). A further large cavity in the plate 10 is a vortex diode, which forms a second flow sensor 2. A nozzle 3 leads tangentially from the inter-cell cavity 4 and is inclined tangentially so that the fluid flowing into the vortex diode is forced to rotate therein. The fluid passes through the sensor so that it flows from the fluid inlet 7 into the inlet cavity 5 where it changes its direction of flow and flows through the orifice resistor. From these, the intermediate element 201 passes through the cavity 4 and flows through the nozzle 3 into the vortex diode, as said. This passes through a constant rotation to its center, from where it flows through the outlet opening 22 into the fluid outlet 8.

V základním tělísku 30 je upevněn a elektricky odizolován tlakoměrný měřič 100, tvořený polovodičovou destičkou. V ní jsou vyleptáním zhotovena dvě zeslabena místa, fungující jako tenzometrické membrány. Jedna z těchto membrán, na obr. vlevo, je vystavena tlakovému rozdílu mezi vstupem 7 tekutiny — z něhož je tlak odebírán vstupním vývodem 35 — a meziprvkovou dutinou 4 — v níž je tlak odebírán meziprvkovým vývodem 34. Ve výstupu 8, z nějž je tlakový účinek veden dutinami vytvořenými v základním tělísku 30 tak, že druhá z membrán, na obr. 2, je vystavena působení tlakového rozdílu, který je roven spádu na vírové diodě. V daném případě jde o tenzometrické převodníky na elektrický signál: přímo úměrně k malým deformacím membrány se mění jejich elektrický odpor. Hodnota podílu obou tlakových spádů, která je vyhodnocována v postupech založených na tomto vynálezu, zjišťována tak, že obě membrány jsou zapojeny do obvodu, který je v podstatě můstkem. Na obr. 2 je pro názornost zachyceno nejjednodušší zapojení s manuálním vyvažováním — v tomto případě jde o klasický Wheatstoneův můstek, ve kterém jsou kromě obou membrán zapojeny ještě dva odpory, proměnný odpor Ri a pevný odpor R₂. Je všeobecně známo, že nulový indikátor 40 bude ukazovat nulový protékající proud v takovém vyváženém stavu dosaženém manuálním přestavováním proměnného odporu R_b ve kterém platí kde R_ml je hodnota odporu membrány vystavené účinkům tlakového spádu na diodě a R_m2 je hodnota odporu membrány vystavené účinkům tlakového spádu na fluidickém clonkovém odporu. Můstek je přitom napájen ze zdroje připojeného na svorku S, přičemž na hodnotě napájecího napětí ve vyváženém stavu nezáleží, což je velká výhoda vymezující chyby, které by jinak mohly být způsobeny kolísáním napájecího napětí. Z uvedeného vzorce vyplývá, že na lineární stupnici proměnného odporu R_b potenciometru, je možné ve vyvážených stavech číst okamžité hodnoty poměru elektrických odporů obou membrán a tedy i hodnoty poměru tlakových spádů. V takovém provedení bychom ovšem nevyužili potenciálně výhodných dynamických vlastností snímače. Předpokládá se, že v praktickém provozním provedení by na svorky A, B a C byl připojen automatický kompenzační obvod, v němž by například místo proměnného odporu R_tzaujal aktivní elektrický prvek ovládaný signálem závislým na napěťovém rozdílu na svorce B. Zvlášť výhodné může být, bude-li takový elektrický kompenzační obvod zhotoven přímo v polovodičové destičce spolu s membránami.A pressure gauge 100 consisting of a semiconductor wafer is mounted and electrically insulated in the base body 30. Two weakened spots, which act as strain gauge membranes, are etched in it. One of these membranes, shown on the left, is subjected to a pressure difference between the fluid inlet 7 - from which the pressure is taken by the inlet port 35 - and the inter-element cavity 4 - in which the pressure is taken by the inter-element port 34. the action of the cavities formed in the base body 30 such that the other of the membranes, in FIG. 2, is subjected to a pressure difference equal to the slope on the vortex diode. In this case, they are strain gauge to electrical signal transducers: their electrical resistance changes directly in proportion to the small diaphragm deformations. The value of the ratio of the two pressure drops, which is evaluated in the processes based on the present invention, is determined so that both membranes are connected to a circuit which is essentially a bridge. Fig. 2 shows the simplest connection with manual balancing for illustration - in this case it is a classic Wheatstone bridge, in which two resistors, variable resistor Ri and fixed resistor R ₂ are connected in addition to both membranes. It is generally known that a zero indicator 40 will indicate a zero current in a balanced condition achieved by manual adjustment of a variable resistor R _b which is valid where R _ml, the resistance value of the membrane exposed to the effects of pressure drop across a diode and R _m2, the resistance value of the membrane exposed to the effects of the pressure gradient on the fluidic diaphragm resistor. The bridge is fed from a source connected to terminal S, and the value of the supply voltage in the balanced state does not matter, which is a great advantage defining the errors that could otherwise be caused by the supply voltage fluctuation. It follows from the above formula that on the linear scale of the variable resistance R _{b of the} potentiometer, it is possible to read the instantaneous values of the ratio of the electrical resistances of both membranes and thus the values of the pressure drop ratio in balanced states. In such an embodiment, however, we would not take advantage of the potentially advantageous dynamic properties of the sensor. It is assumed that, in a practical operating embodiment, an automatic compensation circuit would be connected to terminals A, B and C, in which, for example, instead of a variable resistor R _t , an active electrical element controlled by a voltage-dependent signal on terminal B would assume. if such an electrical compensation circuit is made directly in the semiconductor wafers along with the membranes.

Předmět vynálezu může najít uplatnění v chemickém průmyslu, energetice, a to zejména tam, kde se jedná o měření menších množství tekutiny.The subject of the invention can find application in the chemical industry, power engineering, especially where smaller quantities of fluid are measured.

Claims

Method for evaluating a fluid flow, characterized in that the flow is measured simultaneously by two successive flow sensors of different kinds, in which a pressure drop dependent on the measured flow is generated and the ratio of the pressure drop produced by one sensor to pressure drop generated by the second sensor.

Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it comprises a first flow sensor (1j) provided with an intermediate element (34) and an inlet (35) of a fluid pressure in front of and after the flow sensor (1). a flow sensor (2) connected in series with a first flow sensor (1) and having an inter-pipe outlet (34) and a pressure outlet outlet (32) upstream and downstream of the second flow sensor (2), two pressure difference meters (100), one of which is connected to the invention of the invention (34, 35 J) of the first flow sensor (1) and the other is connected to the pressure terminals (32, 34) of the second flow sensor (2).

Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it comprises a first flow sensor (1) provided with an intermediate element (34J) and a fluid pressure inlet (35) upstream and downstream of the flow sensor (11) and a second flow sensor. a sensor (2) connected in series with a first flow sensor (1j) provided with an interlining outlet (34) and a pressure outlet port (32) upstream and downstream of the flow sensor (2) and one pressure difference meter (100J) and a switch either the outlets (35, 34) of the first flow sensor (11) or the outlets (34, 32J) of the second flow sensor (2) to the pressure difference meter (100).

Device according to Claims 2 and 3, characterized in that the first flow sensor (1) is

202 201, the second flow sensor (2) is formed by an orifice resistor.

Device according to Claims 2 and 3, characterized in that the first flow sensor (1) is formed by a diaphragm resistor and the second flow sensor (2) is a vortex diode.

6. Apparatus according to claim 2, characterized in that the pressure difference meters (100) are of the strain-gauge type and are connected at their electrical side to a Wheatstone bridge type, i.e., connected to a signal medium, e.g. A second pair of resistive elements is connected to the signal medium supply, and a signal medium flow indicator (40) is connected between the first and second pressure difference meters (100).