FI60937B

FI60937B - RETURNING THERMAL TEMPERATURE RELEASE AVAILABILITY FOR FLUID STORAGE

Info

Publication number: FI60937B
Application number: FI174674A
Authority: FI
Inventors: Robert Sonny Djorup
Original assignee: Environmental Instruments
Priority date: 1974-06-06
Filing date: 1974-06-06
Publication date: 1981-12-31
Also published as: FI60937C; FI174674A

Description

F5Sr*l ΓβΊ rt^KUULUTUSJULKAISU /λλ 7nF5Sr * l ΓβΊ rt ^ ANNOUNCEMENT / λλ 7n

Ma lbj (11) utläggningsskrift 60 9 37 • C /40 Patentti nyonnetty 13 04 1932 ' * Patent oeddelat X v X (51) Kv.ik.3/i««.a.3 G 01 P 5/12 SUOMI—FINLAND (21) Patenttihakemus— Patentansdknln| 17^6/7^ (22) Hakemlspllvt— Aneeknlnftdaf 06.06.7^+Ma lbj (11) utläggningsskrift 60 9 37 • C / 40 Patent granted 13 04 1932 '* Patent oeddelat X v X (51) Kv.ik.3 / i ««. A.3 G 01 P 5/12 FINLAND — FINLAND (21) Patent application— Patentansdknln | 17 ^ 6/7 ^ (22) Hakemlspllvt— Aneeknlnftdaf 06.06.7 ^ +

' (23) Alkupllvt—GiltifhMtdag O6.O6.7U'(23) Alkupllvt — GiltifhMtdag O6.O6.7U

(41) Tullut |utklMksl — Blhrtt offentllj 07.12.75(41) Tullut | utklMksl - Blhrtt offentllj 07.12.75

Patentti- ja rekisterihallitus .... Μ..#, .. .National Board of Patents and Registration .... Μ .. #, ...

_ . . . . . (44) Nlhtlvlktlpanon j* kuuLfulkaisun pvm. —_. . . . . (44) Date of issue of the decision. -

Patent- och registerstyrelsen ' Antflkan utiajd och uti.skriften publkend 31.12.8l (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus— Begird prlorltet (71) Environmental Instruments, Inc., 7 Erie Drive, Natick, Massachusetts, USA(US) (72) Robert Sonny Djorup, Wellesley, Massachusetts, USA(US) (7U) Berggren Oy Ab (5U) Laite nestevirtauksen suuruuden ja suunnan mittaamiseksi lämpötilasta riippumattomasti - Anordning för temperaturoberoende uppmätning av storlek och riktning hos fluidströmningPatents and Registration of Antichkan utiajd och uti.skriften publkend 31.12.8l (32) (33) (31) Claim claimed— Begird prlorltet (71) Environmental Instruments, Inc., 7 Erie Drive, Natick, Massachusetts, USA (US) (72) Robert Sonny Djorup, Wellesley, Massachusetts, USA (US) (7U) Berggren Oy Ab (5U) Apparatus for measuring the magnitude and direction of liquid flow independently of temperature - Anordning för temperaturoberoende uppmätning av storlek och riktning hos fluidströmning

Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen johdannon mukaiseen laitteeseen nestevirtauksen mittaamiseksi.The present invention relates to an apparatus for measuring fluid flow according to the preamble of the claim.

Tällainen laite tunnetaan ennestään US-patenttijulkaisusta 3 603 147 samoin kuin US-patenttijulkaisusta 3 604 261. Tunnetussa laitteessa on kahdella vastuselementillä varustetun vir-taustunnistimen tarkoituksena se, että voidaan määrätä virran suuruuden ohella myös sen suunta. Kahden vastuselementin osoittaman lämpömäärän summasta saadaan virtauksen suuruus, kun taas lämpömäärien suhde osoittaa suunnan. Mittauksen suorittamiseksi on tunnetussa laitteessa kaksi siltakytkentää, joiden toiminta-vastuksen kulloinkin muodostaa yksi mainituista vastuselemen-teistä. Molemmat vastuselementit sijaitsevat hyvin lähellä toisiaan poikkileikkaukseltaan ympyrämäisen runkokappaleen sisällä. Tämän kautta syntyy vastuksien välillä keskinäisiä lämpö-tilavaikutuksia, jotka on kompensoitava tavoitellun suunnanmää-rityksen aikaansaamiseksi. Kompensointi suoritetaan suhteellisen monimutkaisella siltakytkentöjen pulssiohjauksella.Such a device is already known from U.S. Pat. No. 3,603,147 as well as from U.S. Pat. No. 3,604,261. The known device has the purpose of a flow sensor with two resistance elements so that its direction can be determined not only by the magnitude of the current. The sum of the amount of heat indicated by the two resistance elements gives the magnitude of the flow, while the ratio of the amounts of heat indicates the direction. In order to perform the measurement, the known device has two bridge connections, the operating resistance of which in each case is formed by one of said resistance elements. Both resistor elements are located very close to each other inside a body of circular cross-section. This creates mutual thermal effects between the resistors, which must be compensated for in order to achieve the desired direction determination. Compensation is performed by relatively complex pulse control of bridge connections.

60937 2 US-patentista 3 677 085 tunnetaan virtaustunnistin, joka käsittää kaksi vastuselementtiä, jotka on sovitettu kannatuskappalee-seen kauas toisistaan, jolloin kannatuskappale on varustettu elementtien välisellä kannaksella, joka estää elementtien välisen virtauksen. Tätä virtaustunnistinta ei kuitenkaan käytetä sellaisessa kytkennässä, jossa myös määriteltäisiin virtauksen suunta.60937 2 U.S. Pat. No. 3,677,085 discloses a flow sensor comprising two resistance elements arranged in a support member far apart, the support member being provided with an inter-element base which prevents flow between the elements. However, this flow sensor is not used in a circuit that would also define the direction of flow.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada johdannossa mainittua tyyppiä oleva laite, jossa yksinkertaisella rakenteella voidaan välittömästi määrätä nestevirtauksen sekä suuruus että suunta. Tämän tehtävän täyttämiseksi on keksinnölle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa .The object of the present invention is to provide a device of the type mentioned in the introduction, in which both the magnitude and the direction of the liquid flow can be determined immediately by a simple structure. In order to fulfill this object, the invention is characterized by what is stated in the appended claim.

Keksinnön mukaisen laitteen kahden vastuselementin sinänsä tunnettu terminen erotus on edellytyksenä tarkan mittauksen aikaansaamiseksi. Sen kautta, että sarjaan kytketyt vastuselementit muodostavat yhden ainoan, yhdellä säätäjällä varustetun silta-kytkennän toimintavastuksen, saadaan aikaan yksinkertainen ja erityisen toimintavarma laite. Samalla voidaan tunnistimen virta määrätä suoraan siltakytkennän toimintavastuksen jännitehäviön perusteella, ilman signaalin edelleen muokkausta. Virtaus-suunnan etumerkki määräytyy välittömästi komparaattorin ulostulosignaalin perusteella, joka osoittaa sen, kumpi vastuselement-ti omaa suuremman vastuksen ja siten sijaitsee virtaussuunnassa ensimmäisenä tai viimeisenä. Tarkan mittauksen suorittamiseksi, siis ei ainoastaan virtaussuunnan etumerkin osoittamiseksi, voidaan asettaa keksinnön mukaisia tunnistimia kaksi tai kolme kappaletta kohtisuoraan toisiaan vastaan virtauksen määrittämiseksi kaksi- tai kolmiulotteisen vektorin avulla.The thermal separation of the two resistance elements of the device according to the invention, known per se, is a prerequisite for achieving an accurate measurement. By the fact that the resistor elements connected in series form the operating resistance of a single bridge connection with one controller, a simple and particularly reliable device is obtained. At the same time, the current of the sensor can be determined directly on the basis of the voltage drop of the operating resistance of the bridge connection, without further modification of the signal. The sign in the flow direction is immediately determined by the output signal of the comparator, which indicates which resistance element has a higher resistance and is thus located first or last in the flow direction. In order to perform an accurate measurement, i.e. not only to indicate the sign of the flow direction, two or three sensors according to the invention can be placed perpendicular to each other to determine the flow by means of a two- or three-dimensional vector.

Keksinnön mukaisella laitteella on lisäksi mahdollista yksinkertaisella tavalla mitata nestevirtaus, jonka lämpötila saattaa vaihdella.With the device according to the invention, it is also possible to measure the liquid flow, the temperature of which may vary, in a simple manner.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin esimerkin muodossa ja viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 60937 kuvio 1 esittää perspektiivinäkymää virtausmittarin virtaustun-nistimesta, kuvio 2 esittää leikkausta kuvion 1 viivaa 13-13 pitkin, kuviot 3 ja 4 esittävät yhdessä virtausmittauslaitteen sähköistä kytkentää, ja kuvio 5 esittää graafisesti kuvioiden 1-4 mukaisen virtausmittauslaitteen toimintaperiaatetta.The invention will now be described in more detail by way of example and with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 shows a perspective view of a flow meter flow sensor, Figure 2 shows a section along line 13-13 of Figure 1, Figures 3 and 4 together show the electrical connection of a flow measuring device, and Figure 5 Principle of operation of the flow measuring device according to 1-4.

Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty virtausmittauslaitteen virtaustun-nistinta. Virtaustunnistin käsittää kaksi vastuselementtiä 10a ja 10b, jotka muodostuvat vastukseltaan suuren lämpötilariippuvuuden omaavaa sähkönjohtavaa ainetta olevista putkimaisista kappaleista. Molemmat vastuselementit on kytketty toistensa suhteen rinnan välimatkan päähän toisistaan, ja niiden välissä on sähköisesti ja termisesti eristävää ainetta oleva kannatuskap-pale 25, joka on esimerkiksi posliinia, silikonikumia tai muovia ja joka muodostaa kannaksen vastuselementtien väliin. Kan-natinkappaleen 25 avulla tulevat vastuselementit termisesti selvästi toisistaan erotetuiksi. Kannas estää virtauksen vastuselementtien välistä ja aikaansaa pakotetusti erilaisen jäähtymisen molemmille vastuselementeille, koska toinen vastusele-mentti "varjostaa" toista. Kannas 25 ulottuu, kuten ilmenee kuviosta 1, koko virtaustunnistimen pituudelta. Tämä pituus on olennaisesti suurempi kuin virtaustunnistimen poikittaismitta. Vastuelementtien päissä on sähköiset liitännät 14a ja 15a sekä 14b ja 15b.Figures 1 and 2 show the flow sensor of the flow measuring device. The flow sensor comprises two resistance elements 10a and 10b, which consist of tubular bodies of electrically conductive material with a high temperature dependence. The two resistance elements are connected in parallel to each other at a distance from each other, and between them there is a support piece 25 of electrically and thermally insulating material, for example of porcelain, silicone rubber or plastic, which forms a support between the resistance elements. By means of the support piece 25, the resistance elements become clearly separated from each other thermally. The base prevents flow between the resistance elements and forcibly causes different cooling for both resistance elements because one resistance element "overshadows" the other. The base 25 extends, as shown in Figure 1, along the entire length of the flow sensor. This length is substantially larger than the transverse dimension of the flow sensor. The ends of the resistance elements have electrical connections 14a and 15a and 14b and 15b.

Eräässä vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa, jota ei ole esitetty, käsittää kannatinkappale keskimmäisen kannaksen ohella myös kaksi putkenmuotoista osaa molemmin puolin, joiden päälle vastuselementit on järjestetty kalvoina, sopivimmin platinasta tai tämän seoksista. Nämä kalvot voivat edelleen olla suojatut eristävällä päällysteellä.In an alternative embodiment, not shown, the support body comprises, in addition to the middle base, also two tubular parts on both sides, on which the resistance elements are arranged as films, preferably of platinum or mixtures thereof. These films may further be protected by an insulating coating.

Kuvioissa 1 ja 2 esitettyä virtaustunnistinta käytetään sähkö-kytkennässä, jota on esitetty kuvioissa 3 ja 4. Kytkentä käsittää olennaisesti Wheatstone-sillan, jossa on neljä haaraa silta-eli erojännitteen liitäntäpisteiden 31 ja 32 ja syöttöjännitteen 4 60937 liitäntäpisteiden 33 ja 34 välillä. Siltakytkennän kaksi haaraa, jotka sijaitsevat liitäntäpisteen 34 sekä pisteiden 31 ja 32 välissä, muodostuu kiinteistä vastuksista 26 ja 28. Liitäntäpisteen 31 ja toisen, rungossa olevan liitäntäpisteen 33 välissä on siltakytkennän toimintavastus, jonka muodostaa kahden vas-tuselementin 10 ja 10b sarjakytkentä. Toisen liitäntäpisteen 32 ja liitäntäpisteen 33 välissä on vastuselementtinä 27 lämpötilan-tunnistin, joka samoin kuin virtaustunnistin on altis virtaaval-le nesteelle. Tämän vastuselementin vastus on lämpötilasta riippuvainen ja sillä on sama lämpötilakerroin kuin virtaustunnis-timen vastuselementeillä.The flow sensor shown in Figures 1 and 2 is used in the electrical connection shown in Figures 3 and 4. The connection essentially comprises a Wheatstone bridge with four branches between the connection points 31 and 32 of the bridge voltage and the differential voltage 4 and the supply voltage 4 60937. The two branches of the bridge connection, which are located between the connection point 34 and the points 31 and 32, consist of fixed resistors 26 and 28. Between the connection point 31 and the second connection point 33 in the body there is a bridge connection resistor formed by a series connection of two resistors 10 and 10b. Between the second connection point 32 and the connection point 33, there is a temperature sensor 27 as a resistance element, which, like the flow sensor, is susceptible to flowing liquid. The resistance of this resistor element is temperature dependent and has the same temperature coefficient as the resistor elements of the flow sensor.

Liitäntäkohtiin 31 ja 32 on kytketty siltajännitteen sähköinen vahvistin 29, joka vaikuttaa virranvahvistimeen 30, jonka ulostulo on edelleen takaisinkytketty siltakytkennän liitäntäpis-teeseen 34. Vahvistimet 29 ja 30 muodostavat yhdessä säätäjän, joka siltakytkennän syöttövirtaa muuttamalla pitää sillan tasapainossa myös sen toimintavastuksen, toisin sanoen vastusele-menttien 10a ja 10b muuttuessa. Tällöin on vastuksen 28 arvo valittu niin, että silta saavuttaa tasapainon toimintavastuksen virralla, joka johtaa vastuelementtien 10a ja 10b lämpenemiseen yli ympäristön lämpötilan.Connected to the connection points 31 and 32 is an electric bridge voltage amplifier 29 which acts on a current amplifier 30, the output of which is further feedback to the bridge connection terminal 34. The amplifiers 29 and 30 together form a controller which balances the as documents 10a and 10b change. In this case, the value of the resistor 28 is chosen so that the bridge reaches equilibrium with the current of the operating resistor, which leads to the heating of the resistance elements 10a and 10b above the ambient temperature.

Jotta takaisinkytkentä säätäjän 29, 30 kautta vaikuttaisi tehokkaasti, synnyttää säätäjä pienen erojännitteen kun silta on tarkasti tasapainossa.In order for the feedback through the regulator 29, 30 to be effective, the regulator generates a small differential voltage when the bridge is precisely balanced.

Toimintavastuksen yli pisteiden 31 ja 33 välillä vaikuttava jännite vastaa virtaustunnistimen tunnustelemaa virtaa. Sitä voidaan käyttää suureen pv tai massavirtauksen osoittamiseksi.The voltage across the operating resistor between points 31 and 33 corresponds to the current sensed by the flow sensor. It can be used to indicate large pv or mass flow.

Kun p on vakio, on signaali nopeussignaali. Signaali ei ole lineaarinen ja se sisältää vakiokomponentin, joka on kuumennus-signaali nollavirtauksella, eksponentiaalisen komponentin, joka on virtauksen funktio eksponentilla 1/4, sekä turbulenssikompo-nentin, joka johtuu virtauskomponentin vaihteluista.When p is constant, the signal is a speed signal. The signal is non-linear and includes a constant component which is a heating signal at zero flow, an exponential component which is a function of the flow at exponent 1/4, and a turbulence component due to variations in the flow component.

Virtaussuunnan etumerkin määräämiseksi toimii kuviossa 4 havainnollisuuden vuoksi erikseen esitetty kytkennän osa. Siltakytken- 60937 nän toimintavastuksen kanssa rinnan on pisteisiin 31 ja 33 yhdistetty kahdesta sarjavastuksesta 36a ja 36b muodostuva jännitteen-jakaja. Jännitteenjakajan keskipiste on yhdistetty komparaattorin 37 sisäänmenoon, kun taas toinen sisäänmeno on etuvastuksen 36c kautta liitetty molempien vastuselementtien 10a ja 10b yh-dyspisteeseen 35. Ulostuloon 39 johtaa komparaattori 37 jännitteen, joka on esitetyillä polariteeteilla positiivinen, kun vas-tuselementin 10a vastuksen arvo on vastuselementtiin 10b päin suunnatun virtauksen vuoksi korkeampi, kun taas jännite tulee negatiiviseksi kun virtaus on suunnattu vastukseen 10a päin. Komparaattorin 37 pisteessä 35 tuntema potentiaali muuttuu esiintyvällä virtauksella niin kauan kun virtaus esiintyy tasossa, joka on yhdensuuntainen vastuelementtien 10a ja 10b akselien kanssa ja kohtisuora toisen akselin sisältävää tasoa vastaan. Kaikissa muissa virtaustapauksissa liikkuu pisteen 35 potentiaali suhteessa jännitteenjakajän 36a, 36b keskipisteen potentiaaliin vastaten vastuselementtien 10a ja 10b eri vastusarvojen vaihteluja vastuselementtien eri lämpöhäviöiden johdosta.In order to determine the sign of the flow direction, the part of the connection shown separately in Fig. 4 works for the sake of clarity. In parallel with the operating resistor of the bridge connection 60937, a voltage divider consisting of two series resistors 36a and 36b is connected to the points 31 and 33. The center of the voltage divider is connected to the input of the comparator 37, while the other input is connected via a front resistor 36c to the junction 35 of the two resistors 10a and 10b. The output 39 is supplied by the comparator 37 with a voltage positive at the indicated polarities. higher due to the current directed toward the resistor 10a, while the voltage becomes negative when the current is directed toward the resistor 10a. The potential felt by the comparator 37 at point 35 changes with the current occurring as long as the flow occurs in a plane parallel to the axes of the resistance elements 10a and 10b and perpendicular to the plane containing the second axis. In all other flow cases, the potential of the point 35 moves relative to the potential of the center of the voltage divider 36a, 36b, corresponding to variations in the different resistance values of the resistor elements 10a and 10b due to different heat losses of the resistor elements.

Kuvio 5 esittää kuvioiden 1-4 mukaisen virtausmittauslaitteen aikaansaamaa ulostulosignaalia, kun komparaattorin 37 ulostulo 39 toimii pisteiden 31 ja 33 välillä esiintyvän määrä-signaalin vahvistimen etumerkin muuttamiseksi. Kuten havaitaan,on diagramman silmukoilla eri sähköiset etumerkit ja signaali muistuttaa karteesista koordinaattijärjestelmää käyttäen kosinifunktiota. Yleisesti ilmaistuna noudattaa mittaussignaali riippuvuutta ±- Vwcos 0 o jossa p on ympäristön tiheys, pq on vertailutiheys normaaliolo-suhteissa, Vw on virtausnopeus ja 0 on virtausnopeuden vektorin atsimuuttikulma.Fig. 5 shows the output signal provided by the flow measuring device according to Figs. 1-4 when the output 39 of the comparator 37 operates to change the sign of the amplifier of the quantity signal between points 31 and 33. As can be seen, the loops of the diagram have different electrical signs and the signal resembles a Cartesian coordinate system using a cosine function. Generally speaking, the measurement signal follows a dependence of ± - Vwcos 0 o where p is the density of the environment, pq is the reference density under normal conditions, Vw is the flow rate and 0 is the azimuth angle of the flow rate vector.

Claims

60937 A device for measuring the magnitude and direction of a liquid flow independently of temperature, comprising a sensing element with two temperature-dependent sensing elements, the electrical resistance of each element varying with temperature and the elements being elongate and spaced apart and parallel to the sensing member. with a thermally insulating body forming a barrier between the elements to prevent the flow of liquid between them, a device for supplying an electric current through the elements to heat them above ambient temperature, characterized in that the two identification elements (10a, 10b) are electrically connected in series and 34) to one and the same branch; a control device (29, 30) connected to the bridge field, adapted to control the current through the elements (10a, 10b) so that the total resistance of the series-connected elements remains unchanged when the ambient temperature is constant; an apparatus for measuring the amount of electric current; a second sensing means for sensing the ambient temperature, said second sensing means being provided with an element (27) whose resistance varies with temperature, the element (27) being connected to a branch of the bridge circuit different from the branch containing the first two sensing elements, said the second sensing means is adapted to cause the control device (29-30) to change the set current so as to compensate for variations in the ambient temperature; and an electrical device connected to both elements of the sensing member, adapted to sense the difference in resistance of the two sensing elements to thereby indicate the direction of flow of the liquid. Patentability for temperature control uptake and storage of fluidized bed, inerting to and from the temperature control element, color electrically charged, the name of which varies according to the temperature and color of the element