EA043451B1 - METHOD FOR MEASURING FLUID FLOW AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION - Google Patents
METHOD FOR MEASURING FLUID FLOW AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION Download PDFInfo
- Publication number
- EA043451B1 EA043451B1 EA202192650 EA043451B1 EA 043451 B1 EA043451 B1 EA 043451B1 EA 202192650 EA202192650 EA 202192650 EA 043451 B1 EA043451 B1 EA 043451B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- thermistor
- heating
- measuring
- temperature
- flow
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 71
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims description 38
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 101
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 65
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 13
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 claims 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 101710096660 Probable acetoacetate decarboxylase 2 Proteins 0.000 description 3
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 101000797092 Mesorhizobium japonicum (strain LMG 29417 / CECT 9101 / MAFF 303099) Probable acetoacetate decarboxylase 3 Proteins 0.000 description 2
- 101710096655 Probable acetoacetate decarboxylase 1 Proteins 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 108091022873 acetoacetate decarboxylase Proteins 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004737 colorimetric analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения расхода потока жидкостей и газов в контрольной точке сечения трубопровода при помощи тонкопленочного терморезистора. Представляет класс измерителей расхода термоанемометричеким и калориметрическим методами, которые могут быть использованы для измерения расхода газа и жидкостей, в ракетнокосмической и других областях промышленности.The invention relates to measuring technology and can be used to determine the flow rate of liquids and gases at a control point in a pipeline section using a thin-film thermistor. Represents a class of flow meters using hot-wire and calorimetric methods, which can be used to measure the flow of gas and liquids in aerospace and other areas of industry.
Известны способы и устройства измерения расхода с использованием терморезисторных преобразователей, изменяющих сопротивление резистора в зависимости от условий теплообмена в газовой или жидкой среде. Для повышения температуры резистора относительно температуры измеряемой среды применяется самонагрев резистора протекающим постоянным током.There are known methods and devices for measuring flow using thermistor converters that change the resistance of the resistor depending on the conditions of heat exchange in a gas or liquid medium. To increase the temperature of the resistor relative to the temperature of the measured medium, self-heating of the resistor by flowing direct current is used.
При термоанемометрическом способе измерения расхода количество тепла теряемого нагреваемым резистором, помешенным в поток зависит от свойств среды и массовой скорости потока.With the hot-wire method of measuring flow, the amount of heat lost by a heated resistor placed in the flow depends on the properties of the medium and the mass flow rate.
Недостатком такого термоанемометрического способа измерения расхода является необходимость учета, влияющей на измеряемые значения расхода температуры текучей среды и использования для компенсации этого влияния дополнительного датчика измерения температуры. В результате усложняется конструкция как самого датчика так и устройства измерения, снижается надежность системы измерения.The disadvantage of this hot-wire method for measuring flow is the need to take into account the temperature of the fluid that influences the measured flow values and use an additional temperature measurement sensor to compensate for this effect. As a result, the design of both the sensor itself and the measurement device becomes more complicated, and the reliability of the measurement system decreases.
При калориметрическом способе измерения расхода в центре чувствительного элемента размещен резистор, нагреваемый протекающим током, с двух сторон от него расположены два резистора для измерения температуры. Поток охлаждает эти резисторы, имеющие температуру выше температуры среды потока. Разность температур двух резисторов, расположенных перед и после нагревательного, зависит от массовой скорости потока (расхода) и не зависит от температуры среды.With the calorimetric method of measuring flow, a resistor is placed in the center of the sensitive element, heated by the flowing current, and on both sides of it there are two resistors for measuring temperature. The flow cools these resistors, which have a temperature higher than the temperature of the flow medium. The temperature difference between two resistors located before and after the heating element depends on the mass flow rate (flow rate) and does not depend on the temperature of the medium.
Недостатком датчиков, работающих по калориметрическому способу измерения расхода являются повышенный расход мощности для их постоянного нагрева, и влияние изменения температуры в пограничном слое среды (над терморезистором), приводящее к дополнительной погрешности измеряемой скорости потока (и, следовательно, расхода). А также недостатками являются - усложнение конструкции, снижение надежности системы измерения, а также уменьшение диапазона измеряемых расходов, и в конечном итоге увеличения стоимость изделий.The disadvantage of sensors operating using the calorimetric method of measuring flow is the increased power consumption for their constant heating, and the influence of temperature changes in the boundary layer of the medium (above the thermistor), leading to an additional error in the measured flow rate (and, therefore, flow). And also the disadvantages are - the complexity of the design, a decrease in the reliability of the measurement system, as well as a decrease in the range of measured costs, and ultimately an increase in the cost of products.
По анализу патентной литературы известно применение тонкопленочных терморезисторов для измерения расхода жидкостей и газов термоанемометрическим методом, например:Based on the analysis of patent literature, the use of thin-film thermistors for measuring the flow of liquids and gases using the hot-wire method is known, for example:
Датчик термоанемометрического расходомера по авторскому свидетельству СССР: SU 1264004 А1 от 15.10.1986, МПК G01F 1/68, G01P 5/12 - [1];Hot-wire flow meter sensor according to the USSR author's certificate: SU 1264004 A1 dated 10/15/1986, IPC G01F 1/68, G01P 5/12 - [1];
Термочувствительный элемент для термоанемометрического датчика расхода среды по патенту на изобретение РФ: RU 2098772 С1 от 10.12.1997, МПК G01F 1/68, G01P 5/12 - [2];Thermosensitive element for a hot-wire anemometric medium flow sensor according to the invention patent of the Russian Federation: RU 2098772 C1 dated 12/10/1997, IPC G01F 1/68, G01P 5/12 - [2];
Термоанемометрический датчик расхода среды по патенту на изобретение РФ: RU 2105267 С1 от 20.02.1998, МПК G01F 1/68 - [3];Thermal anemometer medium flow sensor according to the Russian invention patent: RU 2105267 C1 dated 02/20/1998, IPC G01F 1/68 - [3];
Датчик потока и способ его изготовления по патенту Японии: JP 3457822 (В2) от 20.10.2003, JPH 09304150 (А) от 11.28.1997, МПК G01F 1/68, G01F 1/692, G01P5/10-[4].Flow sensor and method of its manufacture according to Japanese patent: JP 3457822 (B2) dated 10/20/2003, JPH 09304150 (A) dated 28/11/1997, IPC G01F 1/68, G01F 1/692, G01P5/10-[4].
В аналогах [1], [2], [3], [4] содержатся два терморезистора измерительный и компенсационный для учета влияния температуры среды в потоке, работающие при постоянно включенном режиме нагрева. Недостатком этих аналогов является большой расход энергии на разогрев терморезисторов постоянным током, а также большое время установки режимов при включении. Кроме того, при использовании постоянного нагрева терморезистора на результаты измерения оказывает влияние тепловая инерционность пограничного слоя текущей среды, увеличивая погрешность измерения расхода.Analogs [1], [2], [3], [4] contain two thermistors, measuring and compensating, to take into account the influence of the temperature of the medium in the flow, operating with the heating mode constantly on. The disadvantage of these analogues is the high energy consumption for heating the thermistors with direct current, as well as the long time it takes to set modes when turned on. In addition, when using constant heating of the thermistor, the measurement results are influenced by the thermal inertia of the boundary layer of the flowing medium, increasing the error in flow measurement.
В широко используемых датчиках измеряющих расход калориметрическим методом применяются три резистора один для нагрева и два для измерения расхода, определяемого по разности изменений их сопротивлений и трех каналов для их соединений с измерительным устройством.Widely used sensors that measure flow using the calorimetric method use three resistors, one for heating and two for measuring flow, determined by the difference in changes in their resistances and three channels for their connections to the measuring device.
Так известны датчики расхода текущей среды, которые используют калометрический способ работы, и содержат три тонкопленочных терморезисторов, например:Thus, flow sensors of the flowing medium are known, which use a calometric method of operation and contain three thin-film thermistors, for example:
Термочувствительный датчик для измерения расхода и расходомер с таким датчиком по патенту Японии: JP 3364115 (В2) от 08.01.2003, JPH 1123338 (А) от 29.01.1999, МПК G01F 1/68, G01F 1/684, G01F 1/692 - [5];Thermal sensor for measuring flow and a flow meter with such a sensor according to a Japanese patent: JP 3364115 (B2) dated 01/08/2003, JPH 1123338 (A) dated 01/29/1999, IPC G01F 1/68, G01F 1/684, G01F 1/692 - [5];
Устройство для измерения расхода, датчик расхода и способ изготовления устройства для измерения расхода по патенту Японии: JP 3598217 (В2) от 08.09.2004, 11287687 (А) от 19.10.1999, МПК G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/12 - [6];Device for measuring flow, flow sensor and method of manufacturing a device for measuring flow according to Japanese patent: JP 3598217 (B2) dated 09/08/2004, 11287687 (A) dated 10/19/1999, IPC G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5 /12 - [6];
Устройство для измерения расхода по патенту Японии: JP 3596596 (В2) от 02.12.2004, 2001074529 (А) от 23.03.2001, МПК G01F 1/68, G01F 1/696, G01F 7/00 - [7];Device for measuring flow according to Japanese patent: JP 3596596 (B2) from 12/02/2004, 2001074529 (A) from 03/23/2001, IPC G01F 1/68, G01F 1/696, G01F 7/00 - [7];
Способ и устройство для измерения массового расхода жидкостей или газов по патенту США: US 6550324 (В1) от 04.22.2003, US 20010856441 от 04.09.2001, МПК G01F 1/696, G01F 1/698 - [8];Method and device for measuring mass flow of liquids or gases according to US patent: US 6550324 (B1) dated 22/04/2003, US 20010856441 dated 09/04/2001, IPC G01F 1/696, G01F 1/698 - [8];
Терморезистивный расходомер по патенту США: US 6550325 (В1) от 04.22.2003, US 19930141632 от 27.10.1993, МПК G01F 1/00, G01F 1/688, G01F 1/692 - [9];Thermal resistive flow meter according to US patent: US 6550325 (B1) dated 22/04/2003, US 19930141632 dated 10/27/1993, IPC G01F 1/00, G01F 1/688, G01F 1/692 - [9];
Датчик расхода, способ его изготовления и система топливных элементов по патенту США: US 6684694 (В2) от 02.03.2004, US 2002121137 (А1) от 05.09.2002, МПК G01F 1/684, G01F 1/692, Н01М 8/02 [10];Flow sensor, method of its manufacture and fuel cell system according to US patent: US 6684694 (B2) dated 03/02/2004, US 2002121137 (A1) dated 09/05/2002, IPC G01F 1/684, G01F 1/692, N01M 8/02 [ 10];
- 1 043451- 1 043451
Датчик потока по патенту Германии: DE 10232651 (В4) от 25.09.2014, DE 10232651 (А1) отFlow sensor according to German patent: DE 10232651 (B4) from 09/25/2014, DE 10232651 (A1) from
20.02.2003, МПК G01F 1/692 - [11].02/20/2003, IPC G01F 1/692 - [11].
В аналогах [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] используют колориметрический метод измерения расхода газа, с помощью трех резисторов: одного - для нагрева и двух - для измерения температуры. Это позволяет исключить влияние температуры потока на результаты измерения расхода. При этом применяется стационарный режим нагрева центрального резистора постоянным током и измерение температуры потока резисторами, расположенными справа и слева нагревательного резистора вдоль потока среды. Такой калориметрический метод измерения расхода потока среды применяется в регуляторах расхода газа фирмы Bronkhors, например f 201, и в изделиях авторитетной фирмы HOHEYWELL, выпускающей в массовом количестве терморезисторные датчики измерения расхода газовых потоков, например Zephyr HAF.Analogues [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] use the colorimetric method of measuring gas flow, using three resistors: one for heating and two for measuring temperature. This eliminates the influence of flow temperature on flow measurement results. In this case, a stationary heating mode of the central resistor with direct current is used and the temperature of the flow is measured by resistors located to the right and left of the heating resistor along the flow of the medium. This calorimetric method of measuring the flow rate of a medium is used in gas flow regulators from the Bronkhors company, for example f 201, and in products from the reputable company HOHEYWELL, which produces mass-produced thermistor sensors for measuring the flow rate of gas flows, for example Zephyr HAF.
Недостатком устройств измерения расхода по аналогам [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] и способов их работы является то, что в них содержатся три тонкопленочных терморезисторов, один из которых - центральный нагревательный, а второй и третий - измерительные. При этом они характеризуются повышенным расходом мощности для их постоянного нагрева центрального резистора, увеличение температуры в пограничном слое среды, приводящем к дополнительной погрешности измеряемой скорости потока (и, следовательно, расхода), а также усложнением их конструкции, снижением надежности системы измерения, и в конечном итоге увеличения стоимости изделий. Кроме того, данные аналоги обладают низкой чувствительностью при больших расходах и ограниченный диапазон измерения расхода.The disadvantage of similar flow measurement devices [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] and their methods of operation is that they contain three thin-film thermistors, one of of which there is a central heating one, and the second and third ones are measuring ones. At the same time, they are characterized by an increased power consumption for their constant heating of the central resistor, an increase in temperature in the boundary layer of the medium, leading to an additional error in the measured flow rate (and, therefore, flow rate), as well as a complication of their design, a decrease in the reliability of the measurement system, and ultimately resulting in an increase in the cost of products. In addition, these analogues have low sensitivity at high flow rates and a limited flow measurement range.
Прототипом заявленного способа измерения расхода текучей среды является Способ определения скорости потока газа в действующей газоносной скважине по опубликованной заявке на изобретение RU 2004102301А от 10.07.2005, МПК Е21В 47/00 - [12], при котором нагревают импульсным током терморезистор, и далее по форме кривой спада температуры определяют скорость потока газа (текучей среды). Скорость потока текучей среды и её расход величины, взаимно определяющие, и поэтому могут быть заменены друг на друга.The prototype of the claimed method for measuring fluid flow is the Method for determining the gas flow rate in an operating gas-bearing well according to the published application for invention RU 2004102301A dated 07/10/2005, IPC E21B 47/00 - [12], in which a thermistor is heated with a pulsed current, and further in the form The temperature decline curve determines the gas (fluid) flow rate. The fluid flow rate and its consumption are mutually determining values and therefore can be replaced with each other.
Общими для прототипа и заявленного способа являются следующие ограничительные признаки: Способ измерения расхода текучей среды, включающий нагрев импульсным током терморезистора и последующее определение по контролю изменения температуры терморезистора расхода текучей среды.The following limiting features are common to the prototype and the claimed method: A method for measuring fluid flow, including heating a thermistor with a pulsed current and then determining by monitoring changes in the temperature of the thermistor the fluid flow.
Недостатком способа-прототипа [12] является то, что в нем не учитывают изменение температуры текучей среды, которая может меняться, и соответственно, будет искажать точность измерения расхода, а это существенно снижает диапазон его применения. Поэтому прототип способа [12] обладает низкой точностью измерений, а для повышения его точности необходимо вводить дополнительные измерители температуры текучей среды, что усложняет систему и снижает её надежность. Кроме этого калибровка терморезисторного датчика на спаде импульса изменения температуры (сопротивления) усложняет калибровку и приводит к дополнительным затратам. Поэтому этот метод с использованием не стационарного режима не нашел широкого применения.The disadvantage of the prototype method [12] is that it does not take into account changes in the temperature of the fluid, which can change and, accordingly, will distort the accuracy of flow measurement, and this significantly reduces the range of its application. Therefore, the prototype of the method [12] has low measurement accuracy, and to increase its accuracy it is necessary to introduce additional fluid temperature meters, which complicates the system and reduces its reliability. In addition, calibrating a thermistor sensor on the decline of a temperature change pulse (resistance) complicates calibration and leads to additional costs. Therefore, this method using non-stationary mode has not found wide application.
Сущность заявленного способа измерения расхода текучей среды состоит в том, что осуществляют нагрев терморезистора импульсным током с последующим определением по измерению его сопротивления расхода текучей среды, при этом используют одновременно измерение расхода текучей среды термоанемометрическим методом за счет измерения сопротивления терморезистора в момент подачи импульсов нагрева и после его подачи и калориметрическим методом за счет измерения разности сопротивлений терморезистора в момент подачи импульсов до и после нагрева терморезистора. Для этого используют циклическое поочередное подключение к терморезистору источника тока для его нагрева протекающим током более 10 мА (например, 200 мА), обеспечивая температуру нагрева более 50°С (например, 60°С) относительно температуры текущей среды и источника тока для измерения величины сопротивления менее 1 мА (например, 0,5 мА), снижая к минимуму самонагрев терморезистора. Измерение сопротивления терморезистора выполняют в разные моменты времени при разных температурах, в холодном состоянии - перед подачей импульса нагрева, в горячем состоянии - в конце импульса нагрева и в момент остывания - после подачи импульса нагрева. Величина сопротивления зависит от скорости потока среды и ее температуры в моменты времени нагрева и остывания, а в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева величина сопротивления зависит только от температуры текучей среды и может использоваться для измерения температуры текучей среды. При этом, для определения расхода применяют термоанемометрический метод измерения расхода, учитывающий влияние температуры текущей среды, путем определения расхода по изменению сопротивлений в горячем состоянии или в момент остывания, а по изменению сопротивления в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева определяют температуру текущей среды и вводят поправку, для учета влияния температуры текущей среды, изменяя измеренные сопротивления, используемые для измерения расхода. Также одновременно применяют калориметрический метод измерения расхода, с использованием одного нагреваемого импульсами тока терморезистора, путем определения расхода по изменению разницы сопротивлений в моменты времени до (в холодном состоянии) и после (в горячем состоянии) подачи импульсов нагрева, независимо отThe essence of the claimed method for measuring fluid flow is that the thermistor is heated with a pulsed current and then the fluid flow rate is determined by measuring its resistance, while simultaneously measuring the fluid flow by the hot-wire method by measuring the resistance of the thermistor at the time of applying heating pulses and after its supply and by the calorimetric method by measuring the difference in the resistance of the thermistor at the moment of applying pulses before and after heating the thermistor. To do this, use a cyclic alternating connection to the thermistor of a current source to heat it with a flowing current of more than 10 mA (for example, 200 mA), providing a heating temperature of more than 50 ° C (for example, 60 ° C) relative to the temperature of the current medium and the current source for measuring the resistance value less than 1 mA (for example, 0.5 mA), minimizing self-heating of the thermistor. The resistance of the thermistor is measured at different times at different temperatures, in a cold state - before applying a heating pulse, in a hot state - at the end of a heating pulse and at the moment of cooling - after applying a heating pulse. The resistance value depends on the flow rate of the medium and its temperature at the moments of heating and cooling, and in the cold state before applying a heating pulse, the resistance value depends only on the temperature of the fluid and can be used to measure the temperature of the fluid. In this case, to determine the flow rate, a hot-wire anemometric method of flow measurement is used, which takes into account the influence of the temperature of the flowing medium, by determining the flow rate by changes in resistance in a hot state or during cooling, and by changing the resistance in a cold state, before applying a heating pulse, the temperature of the flowing medium is determined and a correction is introduced. , to take into account the influence of the temperature of the flowing medium, changing the measured resistances used to measure flow. Also, the calorimetric method of measuring flow is also simultaneously used, using one thermistor heated by current pulses, by determining the flow by changing the difference in resistance at the moments before (in the cold state) and after (in the hot state) applying heating pulses, regardless of
- 2 043451 температуры среды, так как в моменты измерения температура среды не изменяется.- 2 043451 temperature of the medium, since during the moments of measurement the temperature of the medium does not change.
При одновременном использовании двух методов повышается точность измерения и расширяется диапазон измерения расходов. Например, калориметрический метод используется для измерения малых расходов, а термоанемометрический метод для измерения больших расходов.When using both methods simultaneously, the measurement accuracy increases and the range of flow measurement expands. For example, the calorimetric method is used to measure low flow rates, and the hot-wire method is used to measure large flow rates.
В заявленном способе применяется, как и прототипе, один терморезистор и нестационарный режим его импульсного нагрева, который (способ) в отличие от прототипа позволяет измерять расход двумя методами и учитывать влияние температуры окружающей среды. На терморезистор подается определенная последовательность импульсов разной амплитуды для его нагрева и измерения изменений сопротивлений (температуры) в установленные временные интервалы. Это позволяет использовать для измерения расхода текущей среды, как термоанемометрический, так и калориметрические методы (способы) измерения.The claimed method, like the prototype, uses one thermistor and a non-stationary mode of its pulse heating, which (method), unlike the prototype, allows you to measure flow by two methods and take into account the influence of ambient temperature. A certain sequence of pulses of different amplitudes is applied to the thermistor to heat it and measure changes in resistance (temperature) at set time intervals. This allows you to use both hot-wire and calorimetric measurement methods (methods) to measure the flow rate of a flowing medium.
Применение предложенного (заявленного) способа позволяет повысить точность за счет исключения влияния температуры пограничного слоя над нагревательным резистором (протекающим постоянным током), упростить конструкцию датчика и измерительного устройства, используя один канал для нагрева и измерения температуры. Толщина пограничного слоя уменьшается за счет отсутствия нагрева в промежутках между импульсами.The use of the proposed (claimed) method makes it possible to increase accuracy by eliminating the influence of the temperature of the boundary layer above the heating resistor (flowing direct current), to simplify the design of the sensor and measuring device, using one channel for heating and measuring temperature. The thickness of the boundary layer is reduced due to the absence of heating in the intervals between pulses.
Прототипом заявленного устройства является устройство для осуществления способа [13], содержащее установленный в потоке текучей среды терморезистор, выполненный с возможностью нагрева импульсным током и определения температуры среды по форме кривой спада температуры. Однако конструктивное решение устройства для реализации известного способа [12] в заявке не раскрыто.The prototype of the claimed device is a device for implementing the method [13], containing a thermistor installed in the fluid flow, configured to heat with a pulsed current and determine the temperature of the medium from the shape of the temperature decay curve. However, the design solution of the device for implementing the known method [12] is not disclosed in the application.
В то же время такое конструктивное решение известно из Устройства для определения фазового состояния газожидкостного потока по патенту на изобретение РФ: RU 2501001 С1 от 10.12.2013, МПК G01N 25/02 - [13], патентообладателем которого является заявитель. Устройство [13], состоит из измерительного устройства и терморезистивного датчика, содержащего полый корпус, одной стороной навинченный на ответвление трубчатого тройника, в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы с припаянным чувствительным элементом в виде терморезистора точечного исполнения, противоположный свободному торец печатной платы консольно закреплен в корпусе, на другой стороне которого герметично установлен электрический разъем, контакты которого проводами соединены с проводниками печатной платы, при этом пространство между ними в полом корпусе (между печатной платой с терморезистором и электрическим разъемом) заполнено отвердевшим компаундом. Терморезистор точечного исполнения изготовлен путем напыления на тонкую теплоизоляционную подложку теплопроводящей пленки, и состоит из резистора выполненного в виде меандра и контактных площадок. Терморезистор контактными площадками, расположенными на одной короткой стороне прямоугольной подложки, консольно припаян на краю свободного торца печатной платы. Электрический разъем терморезистивного датчика кабелем подсоединен к измерительному устройству, содержащим измерительную схему и микроконтроллер с программным управлением, предназначенным для управления источником тока, измерения изменения сопротивления терморезистора, формирования цифрового сигнала для передачи его на персональный компьютер для обработки сигнала.At the same time, such a design solution is known from the Device for determining the phase state of a gas-liquid flow under the patent for an invention of the Russian Federation: RU 2501001 C1 dated December 10, 2013, IPC G01N 25/02 - [13], the patent holder of which is the applicant. The device [13] consists of a measuring device and a thermistor sensor containing a hollow body, one side screwed onto a branch of a tubular tee, in the center of which, along the axis of flow movement, there is a free end of a printed circuit board with a soldered sensitive element in the form of a point-type thermistor, opposite the free end The printed circuit board is cantilever mounted in a housing, on the other side of which an electrical connector is hermetically installed, the contacts of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board, while the space between them in the hollow housing (between the printed circuit board with the thermistor and the electrical connector) is filled with a hardened compound. A point-type thermistor is made by spraying a heat-conducting film onto a thin heat-insulating substrate, and consists of a resistor made in the form of a meander and contact pads. The thermistor with contact pads located on one short side of the rectangular substrate is cantilever soldered at the edge of the free end of the printed circuit board. The electrical connector of the thermistor sensor is connected by cable to a measuring device containing a measuring circuit and a program-controlled microcontroller designed to control the current source, measure changes in the resistance of the thermistor, and generate a digital signal for transmitting it to a personal computer for signal processing.
Недостатками устройства-аналога [13] являются:The disadvantages of the analogue device [13] are:
1) несмотря на то, что аналог имеет максимальное конструктивное сходство с заявленным техническим решением устройства терморезисторного датчика измерения расхода, он предназначен для определения фазового состояния среды, и может быть применен для измерения расхода но с большой погрешностью, так как он не предназначен для определения температуры текущей среды, влияющий на величину измеряемого расхода;1) despite the fact that the analogue has the maximum design similarity with the declared technical solution for a thermistor flow measurement sensor, it is intended to determine the phase state of the medium, and can be used to measure flow but with a large error, since it is not intended to determine temperature current environment, affecting the amount of measured flow;
2) в устройстве применяется нагрев постоянным током, применение которого приводит к повышенным энергетическим затратам, и, следовательно, приводит к дополнительным погрешностям измерения расхода.2) the device uses direct current heating, the use of which leads to increased energy costs and, therefore, leads to additional errors in flow measurement.
При этом конструкция аналога [13] может быть использована для измерения расхода текучей среды и указана, как аналог заявленного устройства.In this case, the design of the analogue [13] can be used to measure fluid flow and is indicated as an analogue of the claimed device.
Сущность устройства измерения расхода текучей среды.The essence of a device for measuring fluid flow.
Устройство состоит из измерительного устройства и терморезистивного датчика, содержащего корпус, одной стороной навинченный на ответвление трубчатого тройника, в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы с консольно припаянным (прямоугольным основанием терморезистора) основным терморезистором точечного исполнения, противоположный свободному торец печатной платы консольно закреплен в корпусе, на другой стороне которого герметично установлен электрический разъем, контакты которого проводами соединены с проводниками печатной платы. Чувствительный элемент в виде (расположенного на прямоугольном основании) основного терморезистора точечного исполнения, изготовлен путем напыления на тонкую теплоизоляционную подложку токопроводящей пленки самого резистора в форме меандра и его токоподводящих проводов с контактными площадками. Электрический разъем терморезистивного датчика кабелем подсоединен с измерительным устройством, содержащим схему с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), микроконтроллером (МК) с программным управлением и с выходом на регистратор, например, в видеThe device consists of a measuring device and a thermistor sensor containing a housing, one side screwed onto a branch of a tubular tee, in the center of which, along the axis of flow movement, there is a free end of a printed circuit board with a cantilever soldered (rectangular base of the thermistor) main point-type thermistor, opposite the free end of the printed circuit board is cantilever mounted in a housing, on the other side of which an electrical connector is hermetically installed, the contacts of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board. The sensitive element in the form (located on a rectangular base) of a main point-type thermistor is made by spraying a conductive film of the resistor itself in the shape of a meander and its current-carrying wires with contact pads onto a thin thermal insulating substrate. The electrical connector of the thermistor sensor is connected by cable to a measuring device containing a circuit with analog-to-digital converters (ADC), a program-controlled microcontroller (MC) and an output to the recorder, for example, in the form
- 3 043451 персонального компьютера (ПК).- 3 043451 personal computer (PC).
При этом в качестве терморезистора применен тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке выполненный в точечном исполнении с размерами по площади меандра его резистора не более 1 мм2 (например, 0,35 мм2) и размещённый на тонкой теплоизоляционной подложке шириной не более 1 мм (например, 0,9 мм) и толщиной не более 200 мкм (например, 150 мкм), с малой тепловой инерционностью (показатель тепловой инерции не более 5 мс, например 3 мс (см.In this case, a thin-film platinum thermistor on a glass substrate is used as a thermistor, made in a point design with dimensions along the meander area of its resistor no more than 1 mm2 (for example, 0.35 mm2) and placed on a thin heat-insulating substrate no more than 1 mm wide (for example, 0 .9 mm) and a thickness of no more than 200 microns (for example, 150 microns), with low thermal inertia (thermal inertia indicator no more than 5 ms, for example 3 ms (see.
Гончар И.И., Крчарян С.А., Аржанников А.В. Терморезисторные чувствительные элементы для измерения температуры с низкими показателями тепловой инерции. Журнал: Вопросы радиоэлектроники, серия - Приборы и методы измерения, №1, 2020. - [14]), что обеспечивает малую тепловую инерцию (за счет тонкой теплоизоляционной подложки и малых геометрических размеров самого терморезистора). Для нагрева терморезистора и измерения его сопротивлений и температуры в установленные моменты времени применена последовательность импульсов тока для нагрева, измерения сопротивления и температуры, причем период между подачей импульсов определяется временем необходимым для увеличения разности температур перед и после подачи импульсов нагрева. Период импульсных токов для нагрева и измерения сопротивления, и, следовательно, температуры терморезистора не превышает 4 с (например, 3 с). Серия импульсных токов терморезистора состоит из начального и конечного коротких импульсов величиной не более 0,7 мА (например, 0,5 мА) и длительностью не более 80 мс (например, 60 мс), сводящий к минимуму самонагрев терморезистора протекающим током, а также двух последовательных нарастающих импульсов с параметрами соответственно величиной 10-60 мА (например, 35 мА) и длительностью 70-400 мс (например, 200 мс) и величиной 25-100 мА (например, 45 мА) и длительностью 50200 мс (например, 100 мс), обеспечивающих нагрев терморезистора выше 50°С (например 60°С) относительно температуры текучей среды. Между импульсами токов для их формирования использованы два временных промежутка не более 10 мс (например, 5 мс), необходимых для попеременного подключения терморезистора к источникам тока меньше 1 мА (например, 0,5 мА) и больше 10 мА (например, 35 мА). При этом измерение сопротивления при подаче каждого импульса производятся в установившемся режиме, преимущественно на его конечном участке в течении не более 30% (например, 25%) времени его временного интервала. За счет измерения сопротивлений терморезистора при подаче импульсов нагрева расход измеряется термоанемометрическим методом, а при подаче импульсов до и после нагрева расход измеряется калориметрическим методом. В указанном установившемся режиме отсчеты показаний проводятся (при измерении сопротивлений импульсов нагрева) многократно (например, через 0,2 мс) не мене 10 раз (например, 60 раз) в конце каждого импульса в интервале не менее 10 мс (например, 15 мс), а при измерении сопротивлений в моменты подачи импульсов до и после нагрева в течение 12 мс (по режиму работы анало-цифрового преобразователя). При этом для подачи импульсов используются стабильные источники тока (для обеспечения точности измерений). В измерительном устройстве осуществляется обработка результатов измерений с использованием АЦП не менее 16 разрядов и МК с программным управлением, предназначенным для управления режимами подачи токов и проведения измерений величин сопротивлений, их цифровой фильтрации и формированием цифровой последовательности для передачи результатов измерений с выхода измерительного устройства на вход регистратора, например, ПК для дальнейшей обработки и визуализации результатов измерений.Gonchar I.I., Krcharyan S.A., Arzhannikov A.V. Thermistor sensors for temperature measurement with low thermal inertia. Journal: Issues of radio electronics, series - Instruments and methods of measurement, No. 1, 2020. - [14]), which provides low thermal inertia (due to the thin thermal insulation substrate and the small geometric dimensions of the thermistor itself). To heat the thermistor and measure its resistance and temperature at set times, a sequence of current pulses is used for heating, measuring resistance and temperature, and the period between the supply of pulses is determined by the time necessary to increase the temperature difference before and after the supply of heating pulses. The period of pulse currents for heating and measuring resistance, and, therefore, the temperature of the thermistor does not exceed 4 s (for example, 3 s). A series of pulse currents of the thermistor consists of initial and final short pulses with a value of no more than 0.7 mA (for example, 0.5 mA) and a duration of no more than 80 ms (for example, 60 ms), minimizing self-heating of the thermistor by the flowing current, as well as two successive increasing pulses with parameters respectively of a value of 10-60 mA (for example, 35 mA) and a duration of 70-400 ms (for example, 200 ms) and a value of 25-100 mA (for example, 45 mA) and a duration of 50-200 ms (for example, 100 ms ), ensuring heating of the thermistor above 50°C (for example, 60°C) relative to the temperature of the fluid. Between current pulses, for their formation, two time intervals of no more than 10 ms (for example, 5 ms) are used, which are necessary for alternately connecting the thermistor to current sources less than 1 mA (for example, 0.5 mA) and more than 10 mA (for example, 35 mA) . In this case, the resistance measurement when applying each pulse is carried out in a steady state, mainly at its final section for no more than 30% (for example, 25%) of the time of its time interval. By measuring the resistance of the thermistor when heating pulses are applied, the flow rate is measured using the hot-wire method, and when pulses are applied before and after heating, the flow rate is measured using the calorimetric method. In the specified steady-state mode, readings are taken (when measuring the resistance of heating pulses) repeatedly (for example, after 0.2 ms) at least 10 times (for example, 60 times) at the end of each pulse in an interval of at least 10 ms (for example, 15 ms) , and when measuring resistance at the moments of applying pulses before and after heating for 12 ms (according to the operating mode of the analog-to-digital converter). In this case, stable current sources are used to supply pulses (to ensure measurement accuracy). The measuring device processes measurement results using an ADC of at least 16 bits and a program-controlled microcontroller designed to control current supply modes and carry out measurements of resistance values, their digital filtering and the formation of a digital sequence for transmitting measurement results from the output of the measuring device to the input of the recorder , for example, a PC for further processing and visualization of measurement results.
В терморезистивном датчике на обратной стороне его печатной платы вдоль свободного её торца напротив консольно припаянного терморезистора (выполненного на прямоугольном основании) - основного терморезистора точечного исполнения может быть припаян аналогичный дополнительный терморезистор, соединенный своими проводами с контактами электрического разъёма терморезистивного датчика, при этом импульсный ток дополнительного терморезистора состоит из одного начального короткого импульса величиной не более 1 мА (например, 0,5 мА) и длительностью не более 100 мс (например, 60 мс), совпадающего по времени с первым коротким импульсом подаваемого на основной терморезистор перед подачей импульса нагрева.In a thermistor sensor, on the back side of its printed circuit board along its free end opposite the cantilever-soldered thermistor (made on a rectangular base) - the main point-type thermistor, a similar additional thermistor can be soldered, connected by its wires to the contacts of the electrical connector of the thermistor sensor, while the pulse current of the additional The thermistor consists of one initial short pulse of no more than 1 mA (for example, 0.5 mA) and a duration of no more than 100 ms (for example, 60 ms), coinciding in time with the first short pulse supplied to the main thermistor before applying the heating pulse.
Электрический разъем может быть выполнен в герметичном (в газонепроницаемом) исполнении и установлен на корпусе через герметизирующую прокладку, или же пространство корпуса с проводами между обычным электрическим разъемом и печатной платой с терморезистором может быть заполнено отвердевшим (застывшим) компаундом.The electrical connector can be sealed (gas-tight) and installed on the housing through a sealing gasket, or the space of the housing with wires between the conventional electrical connector and the printed circuit board with the thermistor can be filled with a hardened (frozen) compound.
В заявленном устройстве исключаются недостатки аналогов и прототипа, а именно:The claimed device eliminates the disadvantages of analogues and the prototype, namely:
сн ижена инерционность терморезистора (за счет уменьшения площади нагрева и размеров подложки);The inertia of the thermistor has been reduced (by reducing the heating area and the size of the substrate);
сн ижен расход электроэнергии на постоянный разогрев терморезистора и повышена температура нагрева (за счет использования импульсов);the energy consumption for constant heating of the thermistor is reduced and the heating temperature is increased (due to the use of pulses);
ув еличен диапазон измерения расходов, за счет увеличения температуры при импульсном нагреве (так, как мгновенная мощность импульса больше чем мощность при постоянном нагреве);the range of flow measurement has been increased due to an increase in temperature during pulse heating (as the instantaneous pulse power is greater than the power during constant heating);
сн ижено влияния температуры пограничного слоя текущей среды на результаты измерения и на погрешность измерений сопротивления терморезистора и тем самим повышена точность измерения, за счет длительности интервала между импульсами нагрева;the influence of the temperature of the boundary layer of the flowing medium on the measurement results and on the measurement error of the thermistor resistance has been reduced, and thus the measurement accuracy has been increased due to the duration of the interval between heating pulses;
создана такая импульсная последовательность тока для терморезистора, которая позволяет нагре- 4 043451 вать терморезистор и проводить измерение его сопротивления в устанавливаемые моменты времени;a pulse sequence of current for the thermistor has been created that allows the thermistor to be heated and its resistance to be measured at set points in time;
увеличена точность измерения за счет использования измерения расхода в установленные моменты времени при разной температуре и исключены влияния изменений температуры среды на результаты измерения расхода.The measurement accuracy has been increased due to the use of flow measurement at specified times at different temperatures and the influence of changes in medium temperature on the flow measurement results has been eliminated.
В устройстве для осуществления заявленного способа применяется нестационарный режим импульсного нагрева (в отличие от прототипа, где применен нагрев постоянным током), позволяющий измерять расход с использованием одного основного терморезистора и учитывать влияние изменения температуры текучей среды. Измерение влияние изменения температуры текучей среды может также контролироваться дополнительным терморезистором, при его наличии. На основной терморезистор подается определенная последовательность импульсов разной амплитуды для его нагрева и измерения изменений сопротивлений в установленные временные интервалы, позволяющая одновременно использовать для измерения расхода текучей среды, как термоанемометрический, так и калориметрические методы измерения.In the device for implementing the claimed method, a non-stationary pulse heating mode is used (unlike the prototype, where direct current heating is used), which makes it possible to measure flow using one main thermistor and take into account the influence of changes in the temperature of the fluid. Measuring the influence of changes in fluid temperature can also be monitored by an additional thermistor, if available. A certain sequence of pulses of different amplitudes is applied to the main thermistor to heat it and measure changes in resistance at set time intervals, allowing the simultaneous use of both hot-wire and calorimetric measurement methods to measure fluid flow.
Кроме этого после калибровки изменения сопротивления от температуры можно определять температуру среды (потока) измеряя изменение сопротивление терморезистора RT в момент времени перед подачей импульса нагрева.In addition, after calibrating the change in resistance from temperature, it is possible to determine the temperature of the medium (flow) by measuring the change in the resistance of the thermistor R T at the time before the heating pulse is applied.
Площадь теплоизоляционной тонкой стеклянной подложки терморезистора, на которой расположен испытанный в ОАО Авангард сам меандр резистора составляет 0,58x0,66 мм - 0,38 мм2. Такая конструкция терморезистора снижает тепловую инерционность (показатель тепловой инерции не более 5 мс) и позволяет увеличить быстродействие за счет снижения теплоемкости терморезистора. Уменьшение зоны нагрева - площади менее 1 мм2 позволяет увеличить температуру нагрева и уменьшить ток необходимый для получения заданной температуры.The area of the heat-insulating thin glass substrate of the thermistor, on which the resistor meander itself, tested at Avangard OJSC, is located is 0.58x0.66 mm - 0.38 mm2. This design of the thermistor reduces thermal inertia (thermal inertia indicator is no more than 5 ms) and allows for increased performance by reducing the heat capacity of the thermistor. Reducing the heating zone - an area of less than 1 mm2 - allows you to increase the heating temperature and reduce the current required to obtain the specified temperature.
Использование режима с импульсным нагревом исключается влияние на результаты измерения постоянной температуры пограничного слоя в зоне соприкосновения среды с нагретым пленочным терморезистором (уменьшается толщина пограничного слоя - и он быстрее охлаждается и меньше влияет на изменения температуры терморезистора) в отличии от стационарного режима - при подаче постоянной мощности на резистор. Поэтому погрешность измерения расхода уменьшается. Поскольку мгновенная мощность при импульсном нагреве (например, 42 мВт) снижает среднюю температуру терморезистора по сравнению с его нагревом постоянным током для получения такой же рабочей температуры (соответственно 150 мВт), что дополнительно приводит к повышению надежности заявленного устройства.Using the pulse heating mode eliminates the influence on the measurement results of the constant temperature of the boundary layer in the zone of contact of the medium with the heated film thermistor (the thickness of the boundary layer decreases - and it cools faster and has less effect on changes in the temperature of the thermistor) in contrast to the stationary mode - when constant power is supplied to a resistor. Therefore, the error in flow measurement is reduced. Since the instantaneous power during pulse heating (for example, 42 mW) reduces the average temperature of the thermistor compared to heating it with direct current to obtain the same operating temperature (respectively 150 mW), which additionally leads to increased reliability of the claimed device.
Для оценки возможности использования основного терморезистора для измерения температуры в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева на плате установлен дополнительный терморезистор RT, контролирующий температуру в тот же момент времени, что и основной терморезистор.To evaluate the possibility of using the main thermistor to measure temperature in a cold state, before applying a heating pulse, an additional thermistor R T is installed on the board, which controls the temperature at the same time as the main thermistor.
При совпадении результатов основного и дополнительного RT терморезисторов измерения температуры текучей среды подтверждается возможность использования основного терморезистора как единственного для измерения температуры текучей среды вне зависимости от её скорости движения (протекания). При постоянном совпадении результатов показаний результатов основного и дополнительного терморезисторов измерения температуры текучей среды на разных скоростях её протекания дополнительный терморезистор не требуется (может быть отключен в схеме измерительного устройства).If the results of the main and additional RT thermistors for measuring the temperature of the fluid coincide, the possibility of using the main thermistor as the only one for measuring the temperature of the fluid, regardless of its speed of movement (flow), is confirmed. If the results of the readings of the main and additional thermistors for measuring the temperature of the fluid at different flow rates constantly coincide, an additional thermistor is not required (can be disabled in the circuit of the measuring device).
Технический результат заявленных изобретений (способа и устройства) состоит в повышении точности измерений, расширении диапазона измерений терморезистором расхода текущей среды, а также повышения надежности терморезистора исключением его перегрева.The technical result of the claimed inventions (method and device) is to increase the accuracy of measurements, expand the range of measurements by a thermistor of flow rate of the flowing medium, as well as increase the reliability of the thermistor by eliminating its overheating.
Повышение точности измерений достигается за счет контроля температуры текущей среды терморезистором, нагреваемым импульсами тока, а расширение диапазона измерений терморезистором расхода текущей среды - за счет одновременного использования двух методов измерений термоанемометрического и калориметрического. Повышения надежности терморезистора исключением его перегрева происходит за счет использования импульсного режима его работы.Increasing the accuracy of measurements is achieved by monitoring the temperature of the flowing medium with a thermistor heated by current pulses, and expanding the range of measurements with a thermistor of flow rate of the flowing medium - through the simultaneous use of two measurement methods - hot-wire and calorimetric. Increasing the reliability of the thermistor by eliminating its overheating occurs through the use of a pulse mode of its operation.
Технический результат в устройстве реализуется созданием импульсного режима нагревов и измерений, обеспечением одновременного измерения расхода текучей среды термоанемометрическим методом (за счет измерения сопротивления терморезистора в момент подачи импульсов нагрева с дополнительным измерением температуры перед подачей импульса нагрева) и калориметрическим методом (за счет измерения разности сопротивлений терморезистора в момент подачи импульсов до и после нагрева терморезистора).The technical result in the device is realized by creating a pulse mode of heating and measurements, ensuring simultaneous measurement of fluid flow rate by the hot-wire method (by measuring the resistance of the thermistor at the moment of applying the heating pulses with an additional measurement of temperature before applying the heating pulse) and by the calorimetric method (by measuring the difference in the resistance of the thermistor at the moment of applying pulses before and after heating the thermistor).
Заявленные технические решения поясняются графическими материалами - чертежами, схемами, фотографиями и графиками.The declared technical solutions are explained with graphic materials - drawings, diagrams, photographs and graphs.
На фиг. 1 представлена диаграмма импульсов тока, подаваемых на терморезисторы: основной Rq и дополнительный RT при измерении расхода в импульсном режиме, где заштрихованные области указывают интервалы времени, в которых производится измерение множества значений сопротивлений в разные моменты времени (с указанием номеров каналов, измерений и используемые при этом АЦП).In fig. Figure 1 shows a diagram of current pulses supplied to thermistors: the main Rq and additional RT when measuring flow in pulse mode, where the shaded areas indicate the time intervals in which multiple resistance values are measured at different times (indicating the channel numbers, measurements and used for this ADC).
На фиг. 2 - функциональная схема измерительного устройства для определения расхода с использованием импульсного режима. Терморезистор RQ применен для измерения расхода и температуры. Терморезистор RT применен для дополнительного измерения температуры.In fig. 2 - functional diagram of a measuring device for determining flow using pulse mode. The RQ thermistor is used to measure flow and temperature. The thermistor R T is used for additional temperature measurement.
- 5 043451- 5 043451
На фиг. 3 - чертеж с продольным разрезом терморезистивного датчика измерения расхода.In fig. 3 - drawing with a longitudinal section of a thermistor flow measurement sensor.
На фиг. 4 - фотография терморезистивного датчика измерения расхода (по фиг. 3) с соединителями (переходниками) для трубопроводов.In fig. 4 - photograph of a thermistor flow measurement sensor (according to Fig. 3) with connectors (adapters) for pipelines.
На фиг. 5 - фотографии видов ((фиг. 5а) - сверху, (фиг. 5б) - снизу) чувствительных элементов - основного и дополнительного терморезисторов, припаянных на двухстороннюю печатную плату. Выступающий с торца платы основной терморезистор Rq (припаянный консольно) предназначен для измерения расхода и температуры. Расположенный на обратной стороне платы, припаянный вдоль её торца дополнительной терморезистор Rt предназначен для контроля температуры текучей среды.In fig. 5 - photographs of views ((Fig. 5a) - from above, (Fig. 5b) - from below) of sensitive elements - the main and additional thermistors, soldered on a double-sided printed circuit board. The main thermistor Rq (soldered in a cantilever) protruding from the end of the board is designed to measure flow and temperature. An additional thermistor Rt located on the back side of the board and soldered along its end is designed to control the temperature of the fluid.
На фиг. 6 - схема установки для испытания заявленных способа и устройства для его реализации.In fig. 6 - diagram of the installation for testing the claimed method and device for its implementation.
На фиг. 7 - топологический чертеж подложки тонкопленочного платинового терморезистора.In fig. 7 is a topological drawing of a thin-film platinum thermistor substrate.
На фиг. 8 - стеклянная подложка с изготовленными терморезисторам - подложка до разрезания на множество отдельных однотипных терморезисторов.In fig. 8 - glass substrate with manufactured thermistors - the substrate before cutting into many individual thermistors of the same type.
На фиг. 9 - экспериментальные зависимости сопротивлений терморезистора Rq от расхода в моменты времени, измеренные в канале 1 (R1) и канале 2 (R2), при подаче импульсов нагрева R1 и R2, при измерении расхода термоанемометрическим методом.In fig. 9 - experimental dependences of the thermistor resistance Rq on flow rate at moments of time measured in channel 1 (R1) and channel 2 (R 2 ), when heating pulses R1 and R 2 are applied, when measuring flow by the hot-wire anemometric method.
На фиг. 10 - экспериментальная зависимость разности сопротивлений в моменты времени перед и после подачи импульсов нагрева (измерение в канале 3 (R3) и измерение в канале 4 (R4) - значение сопротивлений R3 - R4) при измерении расхода с использованием терморезистора Rq калориметрическим методом.In fig. 10 - experimental dependence of the difference in resistance at the moments before and after applying heating pulses (measurement in channel 3 (R 3 ) and measurement in channel 4 (R4) - resistance value R 3 - R 4 ) when measuring flow using a thermistor Rq using the calorimetric method .
На фиг. 11 - экспериментальные зависимости сопротивления основного терморезистора Rq в момент перед подачей импульса нагрева (измерение в канале 3 (R3)) и дополнительного терморезистора RT (измерение в канале 5 (RT)), измеренное в этот же момент времени.In fig. 11 - experimental dependences of the resistance of the main thermistor Rq at the moment before applying the heating pulse (measurement in channel 3 (R 3 )) and the additional thermistor RT (measurement in channel 5 ( RT )), measured at the same point in time.
Заявленный способ иллюстрируется диаграммой импульсов тока, представленной на фиг. 1, на которой представлен вариант подаваемых на основной Rq и дополнительный RT терморезисторы токов при измерении расхода в импульсном режиме. Заштрихованные области диаграммы указывают интервалы времени в которых производиться измерение температуры основного Rq и дополнительного RT терморезисторов. Функциональная схема измерительного устройства для определения расхода с использованием импульсного режима представлена на фиг. 2, по которой в состав измерительного устройства для определения расхода с использованием импульсного режима входят:The claimed method is illustrated by the current pulse diagram shown in Fig. 1, which shows a version of the currents supplied to the main Rq and additional RT thermistors when measuring flow in pulse mode. The shaded areas of the diagram indicate the time intervals in which the temperature of the main Rq and additional RT thermistors is measured. A functional diagram of a measuring device for determining flow using pulse mode is shown in Fig. 2, according to which the measuring device for determining flow using pulse mode includes:
вторичные источники питания для подачи стабилизированных напряжений на аналоговые и цифровые части схемы - 4 шт.;secondary power supplies for supplying stabilized voltages to the analog and digital parts of the circuit - 4 pcs.;
управляемый источник постоянного тока 35 и 45 мА для нагрева терморезистора;controlled DC source of 35 and 45 mA for heating the thermistor;
коммутируемый ключ для формирования импульсов нагрева;switched switch for generating heating pulses;
дифференциальный усилитель для измерения напряжения на опорном резисторе 10 Ом для контроля токов нагрева в каналах 1 и 2;differential amplifier for measuring voltage across a 10 Ohm reference resistor to monitor heating currents in channels 1 and 2;
инструментальные усилители для усиления сигналов в каналах 3 и 4 при измерении сопротивлений в моменты времени до и после импульсов нагрева - 2 шт.;instrumental amplifiers for amplifying signals in channels 3 and 4 when measuring resistance at moments before and after heating pulses - 2 pcs.;
источники постоянного тока 0,5 мА от опорных источников АЦП для измерения сопротивлений в каналах 3 и 4 - 2 шт.;DC sources 0.5 mA from ADC reference sources for measuring resistance in channels 3 and 4 - 2 pcs.;
АЦП для преобразования измеряемых аналоговых сигналов в цифровой сигнал - 4 шт.;ADC for converting measured analog signals into a digital signal - 4 pcs.;
микроконтроллер (МК) для управления источниками постоянного тока, аналого-цифровыми преобразователями, цифровой обработки сигналов, формирования пакетов данных результатов измерений и передачи их на вход схемы драйвера интерфейса RS-485;microcontroller (MC) for controlling direct current sources, analog-to-digital converters, digital signal processing, generating data packets of measurement results and transmitting them to the input of the RS-485 interface driver circuit;
драйвер интерфейса RS-485 для связи модуля с персональным компьютером.RS-485 interface driver for connecting the module with a personal computer.
При измерении расхода устройство в импульсном режиме работает следующим образом. После включения питания с микроконтроллера на вход ключа подается сигнал управления, ключ замыкается, и сигнал управления поступает на источник тока. С выхода источника тока на вход нагреваемого терморезистора Rq поступает ступенчатый импульс тока нагрева 35 мА в течение 200 мс и 45 мА в течение 100 мс.When measuring flow, the device operates in pulse mode as follows. After turning on the power, a control signal is supplied to the key input from the microcontroller, the key is closed, and the control signal is sent to the current source. From the output of the current source, a stepwise heating current pulse of 35 mA for 200 ms and 45 mA for 100 ms is supplied to the input of the heated thermistor Rq.
В конце каждого импульса нагрева до его окончания к входу АЦП-2 подключается терморезистор Rq и измеряется напряжение в течение 5 мс; это напряжение в цифровом формате передается на вход микроконтроллера.At the end of each heating pulse, until it ends, a thermistor Rq is connected to the ADC-2 input and the voltage is measured for 5 ms; this voltage is digitally transmitted to the input of the microcontroller.
В этот же момент времени АЦП-1 подключается к опорному резистору, и, напряжение с опорного резистора, преобразованное в цифровой формат, передается на вход микроконтроллера.At the same moment in time, ADC-1 is connected to the reference resistor, and the voltage from the reference resistor, converted to digital format, is transmitted to the input of the microcontroller.
Аналогично АЦП-3 подключается к терморезистору Rq в моменты времени до и после подачи импульсов нагрева для измерения напряжений, которые в цифровом формате поступают на входы микроконтроллера.Similarly, ADC-3 is connected to the thermistor Rq at the moments before and after the application of heating pulses to measure voltages, which are digitally supplied to the inputs of the microcontroller.
Дополнительно в моменты измерения напряжений в канале 3, дополнительный (второй) терморезистор RT подключается к входу АЦП-4 и напряжение с этого терморезистора RT передается в цифровом формате на вход микроконтроллера.Additionally, when measuring voltages in channel 3, an additional (second) thermistor RT is connected to the input of ADC-4 and the voltage from this thermistor RT is transmitted in digital format to the input of the microcontroller.
Все измеренные значения напряжений с выходов АЦП подаются на МК и обрабатываются с использованием цифровых фильтров, далее формируется пакет цифровых данных с результатами измере- 6 043451 ний, который передается на вход компьютера по каналу интерфейса RS-485.All measured voltage values from the ADC outputs are fed to the MK and processed using digital filters, then a digital data package with measurement results is generated, which is transmitted to the computer input via the RS-485 interface channel.
Таким образом, разработанное измерительное устройство (1) обеспечивает управление и формирование импульсной последовательности токов для нагрева и измерения сопротивлений, измерение сопротивлений терморезистора в выбираемые промежутки времени, обработку измеренных значений и передачу сигналов в цифровом формате на персональный компьютер для вычисления расхода и температуры среды в потоке и может быть использовано для определения расхода только одним терморезистором Rq (например, тонкопленочным), как калориметрическим методом (способом), так и термоанемометрическим методом (способом) с учетом влияния температуры среды на величину расхода.Thus, the developed measuring device (1) provides control and formation of a pulse sequence of currents for heating and resistance measurement, measurement of the thermistor resistance at selectable time intervals, processing of measured values and transmission of signals in digital format to a personal computer for calculating the flow rate and temperature of the medium in the flow and can be used to determine the flow rate with only one thermistor Rq (for example, thin-film), both by the calorimetric method (method) and the hot-wire anemometric method (method), taking into account the influence of the medium temperature on the flow rate.
Устройство измерения расхода текучей среды (см. фиг. 2, 3, 4 и 5) содержит измерительное устройство (1) и терморезистивный датчик (2). Терморезистивный датчик (2) состоит из корпуса (3), одной стороной навинченного на ответвление трубчатого тройника (4), в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы (5) с консольно припаянным терморезистором (6) - Rq точечного исполнения. Противоположный свободному торцу печатной платы (5) - (её второй торец) консольно закреплен в корпусе (3). На другой стороне корпуса (4) -противоположному его резьбовому участку герметично установлен электрический разъем (7), контакты (8) которого проводами соединены с проводниками печатной платы (5) - её контактными площадками печатных проводников. Электрический разъем (7) терморезистивного датчика (2) кабелем подсоединен с измерительным устройством (2) содержащим схему с аналого-цифровыми преобразователями, микроконтроллером с программным управлением и выходом на регистратор, например, в виде персонального компьютера. В качестве терморезистора Rq точечного исполнения в измерительном устройстве (1) применен тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке, выполненный в с размерами по площади меандра его резистора не более 1 мм2 (0,35 мм2) и размещённый на тонкой теплоизоляционной подложке шириной не более 1 мм (0,9 мм) и толщиной не более 200 мкм (150 мкм). Для нагрева терморезистора Rq и измерения его сопротивлений и температуры в установленные моменты времени применена последовательность импульсов тока для нагрева, измерения сопротивления и температуры, которые представлены в описанном выше способе и на фиг. 1).The device for measuring fluid flow (see Figs. 2, 3, 4 and 5) contains a measuring device (1) and a thermistor sensor (2). The thermistor sensor (2) consists of a body (3), with one side screwed onto a branch of a tubular tee (4), in the center of which, along the axis of flow movement, is the free end of the printed circuit board (5) with a cantilever-soldered thermistor (6) - Rq point design. The opposite free end of the printed circuit board (5) (its second end) is cantilevered into the housing (3). On the other side of the housing (4) - opposite its threaded section - an electrical connector (7) is hermetically installed, the contacts (8) of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board (5) - its contact pads of the printed conductors. The electrical connector (7) of the thermistor sensor (2) is connected by cable to a measuring device (2) containing a circuit with analog-to-digital converters, a program-controlled microcontroller and an output to a recorder, for example, in the form of a personal computer. As a point-type thermistor Rq in the measuring device (1), a thin-film platinum thermistor on a glass substrate is used, made with dimensions along the meander area of its resistor of no more than 1 mm 2 (0.35 mm 2 ) and placed on a thin heat-insulating substrate with a width of no more than 1 mm (0.9 mm) and a thickness of no more than 200 microns (150 microns). To heat the thermistor Rq and measure its resistance and temperature at specified times, a sequence of current pulses is used for heating, measuring resistance and temperature, which are presented in the method described above and in Fig. 1).
Период между подачей импульсов определяется временем необходимым для снижения температуры терморезистора перед подачей импульсов нагрева и не превышает 4 с (3 с). Серия импульсных токов терморезистора состоит из начального и конечного коротких импульсов величиной не более 0,7 мА (0,5 мА) и длительностью не более 80 мс (60 мс), сводящий к минимуму самонагрев терморезистора протекающим током, а также двух последовательных нарастающих импульсов с параметрами соответственно величиной 10-60 мА (35 мА) и длительностью 70-400 мс (200 мс) и величиной 25-100 мА (45 мА) и длительностью 50-200 мс (100 мс), обеспечивающих нагрев терморезистора выше 50°С (60°С) относительно температуры текучей среды. Между импульсами токов использованы два временных промежутка не более 10 мс (5 мс), необходимых для попеременного подключения терморезистора к источникам тока меньше 1 мА (0,5 мА) и больше 10 мА (35 мА). При этом измерение сопротивления при подаче каждого импульса произведены в установившемся режиме, преимущественно на его конечном участке в течении не более 30% (25%) времени его временного интервала. За счет измерения сопротивлений терморезистора при подаче импульсов нагрева расход измеряется термоанемометрическим методом, а при подаче импульсов до и после нагрева расход измеряется калориметрическим методом. В указанном установившемся режиме при измерении сопротивлений импульсов нагрева отсчеты показаний проводятся многократно не мене 10 раз (60 раз) в конце каждого импульса с интервалом не менее 10 мс (15 мс). При измерении сопротивлений в моменты подачи импульсов до и после нагрева отсчеты показаний проводятся в течении 12 мс, что определяется по режимами работы применяемых АЦП (см. фиг. 2).The period between the supply of pulses is determined by the time required to reduce the temperature of the thermistor before applying heating pulses and does not exceed 4 s (3 s). A series of pulse currents of the thermistor consists of initial and final short pulses with a value of no more than 0.7 mA (0.5 mA) and a duration of no more than 80 ms (60 ms), minimizing self-heating of the thermistor by the flowing current, as well as two successive increasing pulses with parameters respectively with a value of 10-60 mA (35 mA) and a duration of 70-400 ms (200 ms) and a value of 25-100 mA (45 mA) and a duration of 50-200 ms (100 ms), ensuring heating of the thermistor above 50 ° C ( 60°C) relative to the fluid temperature. Between current pulses, two time intervals of no more than 10 ms (5 ms) were used, necessary for alternately connecting the thermistor to current sources less than 1 mA (0.5 mA) and more than 10 mA (35 mA). In this case, the resistance measurement when applying each pulse was carried out in a steady state, mainly at its final section for no more than 30% (25%) of the time of its time interval. By measuring the resistance of the thermistor when heating pulses are applied, the flow rate is measured using the hot-wire method, and when pulses are applied before and after heating, the flow rate is measured using the calorimetric method. In the specified steady-state mode, when measuring the resistance of heating pulses, readings are taken repeatedly at least 10 times (60 times) at the end of each pulse with an interval of at least 10 ms (15 ms). When measuring resistance at the moments of applying pulses before and after heating, readings are taken within 12 ms, which is determined by the operating modes of the ADCs used (see Fig. 2).
В измерительном устройстве (1) осуществляется обработка результатов измерений с использованием АЦП-1, АЦП-2, АЦП-3 и АЦП-4, не менее 16 разрядов и МК с программным управлением, предназначенным для управления режимами подачи токов и проведения измерений величин сопротивлений, их цифровой фильтрации и формированием цифровой последовательности для передачи результатов измерений с выхода измерительного устройства на вход регистратора, например, ПК для дальнейшей обработки и визуализации (регистрации) результатов измерений. При этом АЦП-2 измерительном устройстве (1) используется для калибровки устройства.The measuring device (1) processes measurement results using ADC-1, ADC-2, ADC-3 and ADC-4, at least 16 bits and a program-controlled MK designed to control current supply modes and carry out measurements of resistance values, their digital filtering and the formation of a digital sequence for transmitting measurement results from the output of a measuring device to the input of a recorder, for example, a PC for further processing and visualization (registration) of measurement results. In this case, the ADC-2 measuring device (1) is used to calibrate the device.
Электрический разъем (7) может быть выполнен в герметичном (в газонепроницаемом) исполнении и установлен на корпусе через герметизирующую прокладку (9). Пространство корпуса (3) с проводами между электрическим разъемом (7) в обычным исполнении (не герметичном) с контактами (8) и закрепленным торцом печатной платы (5) с терморезистором Rq (6) может быть заполнено отвердевшим (застывшим) компаундом (10).The electrical connector (7) can be made in a sealed (gas-tight) design and installed on the housing through a sealing gasket (9). The space of the housing (3) with wires between the electrical connector (7) in the usual version (not sealed) with contacts (8) and the fixed end of the printed circuit board (5) with the thermistor Rq (6) can be filled with a hardened (frozen) compound (10) .
В терморезистивном датчике (2) на обратной стороне его печатной платы (5) вдоль свободного её торца напротив консольно припаянного терморезистора (6) - (выполненного на прямоугольном основании) - основного терморезистора Rq (6) точечного исполнения может быть припаян аналогичный дополнительный терморезистор Rt (11). Терморезистор Rt (11) соединен своими проводами с контактами (8) электрического разъёма (7) терморезистивного датчика (2). При этом импульсный ток дополнительного терморезистора Rt (11) состоит из одного начального короткого импульса величиной не более 1 мАIn the thermistor sensor (2) on the back side of its printed circuit board (5) along its free end opposite the cantilever-soldered thermistor (6) - (made on a rectangular base) - the main thermistor Rq (6) of a point design, a similar additional thermistor R t can be soldered (eleven). The thermistor R t (11) is connected by its wires to the contacts (8) of the electrical connector (7) of the thermistor sensor (2). In this case, the pulse current of the additional thermistor R t (11) consists of one initial short pulse of no more than 1 mA
--
Claims (5)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020135252 | 2020-10-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA043451B1 true EA043451B1 (en) | 2023-05-25 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3114139B2 (en) | Thermal conductivity meter | |
| JPH03191852A (en) | Method and apparatus for measuring heat conductivity and specific heat of fluid | |
| WO2001044761A1 (en) | Thermal flowmeter with fluid discriminant function | |
| US5629482A (en) | Measuring device utilizing a thermo-electromotive element | |
| EP3851812A1 (en) | Gas flow measuring circuit and gas flow sensor | |
| KR19990037001A (en) | Methods for determining exhaust gas temperature and air-fuel ratio lambda and sensor arrangements for implementing such methods | |
| GB2395561A (en) | Fluid temperature measurement | |
| RU2761932C1 (en) | Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof | |
| EA043451B1 (en) | METHOD FOR MEASURING FLUID FLOW AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| US20240053209A1 (en) | Thermometer with a diagnostic function | |
| US20220397438A1 (en) | Non-invasive thermometer | |
| JP3331070B2 (en) | Atmosphere detector | |
| US7031861B2 (en) | Apparatus and method for calibrating a resistance thermometer and gas analyzer employing same | |
| US20220334003A1 (en) | Noninvasive thermometer | |
| JP3114137B2 (en) | Thermal conductivity gas concentration analyzer | |
| JPH102807A (en) | Thermocouple measuring device | |
| KR100356994B1 (en) | Thermal conductivity detecting method for fluid and gas | |
| Wasserman et al. | HEATED SENSORS FOR FLOW MEASUREMENTS | |
| JP2001242114A (en) | Compensation element for gas detector for fuel cell, thermal conductivity type gas detector and gas upply apparatus for fuel cell | |
| JP2879256B2 (en) | Thermal flow meter | |
| SU788004A1 (en) | Constant-temperature thermoanemometer | |
| RU2034248C1 (en) | Device for measuring temperature | |
| CN114813831A (en) | Mixed insulating gas mixing ratio detector based on micro-flow thermal conductivity sensor | |
| RU9315U1 (en) | THERMOANEMOMETER | |
| CN115406927A (en) | Device and method for measuring thermal conductivity of good heat conductor film material |