RU2003048C1

RU2003048C1 - Counter of mass flow rate of gas

Info

Publication number: RU2003048C1
Authority: RU
Inventors: Лев Николаевич Попов; тов Сергей Николаевич Толстоп; Юрий Иванович Гладков; Рудольф Робертович Генинг
Original assignee: Popov Lev N; Tolstopyatov Sergej N; Gladkov Yurij I; Gening Rudolf R
Priority date: 1992-08-14
Filing date: 1992-08-14
Publication date: 1993-11-15

Description

Счетчик массового расхода газа работает следующим образом.The gas mass flow meter works as follows.

Первичный преобразователь формирует через терморезистор 2 ток, нагревающий этот терморезистор до такой температуры, при которой отношение сопротивлений терморезисторов 2 и 3 достигает заданного (измерительным мостом) посто нного уровн . В режиме термодинамического равновеси электрическа мощность, подводима к терморезистору 2 тратитс на теплообмен с окружающей средой. Имеютс четыре пути такого теплообмена: излучение, теплопроводность установочной арматуры, естественна конвекци и теплообмен за счет обдува терморезистора 2 газом в трубопроводе 4. Мощностцзатрачиааема на излучение , теплопроводность и естественную конвекцию вл етсл посто нной величиной, определ емой конструкцией датчика. Мощность , затрачиваема на теплообмен за счет обдува,определ етс произведением плотности газа р на его скорость v e трубопроводе 4 в точке установки датчика. При ламинарном потоке скорость пропорциональна средней скорости vcp движени газа в трубопроводе 4. При этом произведение р vCp будет однозначно определ ть ток нагрева терморезистора 2, а также пропорциональное этому току напр жение U, формируемое на выходе первичного преобразовател 5.The primary transducer generates a current through thermistor 2, heating this thermistor to a temperature at which the ratio of the resistances of thermistors 2 and 3 reaches a predetermined (measuring bridge) constant level. In the thermodynamic equilibrium mode, the electric power supplied to the thermistor 2 is spent on heat exchange with the environment. There are four ways of such heat transfer: radiation, thermal conductivity of installation fixtures, natural convection and heat transfer by blowing gas into the pipe 4 by the thermistor 2. The power consumed by radiation, thermal conductivity and natural convection is a constant value determined by the sensor design. The power spent on heat exchange due to blowing is determined by the product of the gas density p and its velocity v e pipe 4 at the sensor installation point. In a laminar flow, the speed is proportional to the average gas velocity vcp in the pipe 4. In this case, the product p vCp will uniquely determine the heating current of the thermistor 2, as well as the voltage U proportional to this current, which is generated at the output of the primary transducer 5.

Зависимость U( p vcp) нелинейна и имеет вид, показанный на фиг. 3,The dependence U (p vcp) is non-linear and has the form shown in FIG. 3

Блок линеаризации 6 преобразует напр жение U в частоту F и реализует переда- точную характеристику F(U), котора обратна (с точностью до масштабного коэффициента ) зависимости U(/o vcp), что обеспечивает пропорциональность между произведением pvCp и частотой F следовани импульсов, подаваемых на регистратор расхода 7, При этом масса газа, проход щего через сечение трубопровода 4 за интервал времени между соседними импульсами в установившемс режиме не зависит от скорости движени газа и его плотности, а определ етс лишь площадью поперечного сечени S трубопровода 4 в месте установки датчика 1 и коэффициентом пропорциональности между F и р vcp.Linearization unit 6 converts the voltage U to frequency F and implements the transfer characteristic F (U), which is the inverse (up to scale factor) of the dependence U (/ o vcp), which ensures proportionality between the product pvCp and the pulse repetition rate F, supplied to the flow recorder 7, while the mass of gas passing through the cross section of the pipeline 4 for the time interval between adjacent pulses in the steady state does not depend on the gas velocity and its density, but is determined only by the cross-sectional area S tim conduit 4 for the installation site of the sensor 1 and the proportionality factor between F and p vcp.

Регистратор расхода 7 в этом случае может быть выполнен в виде цифрового устройства , показанного на фиг. 4, производ щего масштабирование, счет импульсов и индикацию результата. Дл сохранени результата счета при отключении анешнего (сетевого) питани (+Unn) используетс автономный источник 26, формирующим, напр жение +U пит, достаточное дл сохранени информации в счетчике 23.The flow recorder 7 in this case can be made in the form of the digital device shown in FIG. 4, producing scaling, pulse counting and indication of the result. To save the counting result when disconnecting the current (mains) power supply (+ Unn), an autonomous source 26 is used, which generates a voltage + Upit sufficient to store the information in the counter 23.

Дл правильной работы блока линеаризации необходимо установить опорное на- 5 пр жение Б источника 13 равным начальному значению напр жени U, снимаемого с первичного преобразовател 5, при нулевой скорости движени газа через трубопровод 4. Тогда при разомкнутых клю- 10 чах 11, 12 и U Е интегрирующий конденсатор 19 будет зар жатьс током, протекающим через резистор 14, вследствие чего напр жение на выходе операционного усилител 8 уменьшаетс . В момент, 5 когда это напр жение достигнет порога срабатывани ждущего мультивибратора 9, на выходе этого мультивибратора формируетс импульс длительностью . Под действием этого импульса ключи 11 и 12 замыкаютс , 0 что приводит к формированию дополнительного (разр дного) тока через интегриру- ющий конденсатор, направленный противоположной упом нутому зар дному току, протекающему через резистор 14. Па- 5 р аметры резисторов 14,15, а также резисторов делител 1.8 таковы, что значение разр дного тока больше значени зар дного тока во всем рабочем диапазоне значений U. При этом на интервале действи 0 импульса напр жение на выходе операционного усилител 8 увеличиваетс и к моменту окончани импульса становитс больше порога срабатывани ждущего мультивибратора 9. Реально, вследствие па- 5 разитной задержки срабатывани ждущего мультивибратора 9 и паразитной задержки коммутации ключей 11 и 12, значение напр жени на выходе операционного усилител в момент замыкани упом нутых ключей 0 меньше значени статического порога срабатывани ждущего мультивибратора на величину динамической погрешности, Чтобы исключить вли ниеэтой погрешности, а также вли ние возможного гистерезиса харак- 5 теристики запуска мультивибратора 9 на работу устройства в области предельно больших значений напр жени U, при которых положительное приращение напр жени на интегрирующем конденсаторе на 0 интервале действи импульса стремитс к нулю, последовательно с конденсатором включен корректирующий резистор 20. Действие этого резистора про вл етс в форми- ровании коммутационных скачков 5 напр жени на выходе операционного усилител 8 (положительного скачка при замыкании ключей 11, 12 и отрицательного скачка при их размыкании). Сопротивление корректирующего резистора 20 необходимо выбрать так, что амплитуда скачков былаFor the linearization unit to work correctly, it is necessary to set the reference voltage B of source 13 equal to the initial value of voltage U taken from the primary transducer 5 at zero gas velocity through pipeline 4. Then, with the switches 10, 11, 12 and U open The integrating capacitor 19 will be charged by the current flowing through the resistor 14, as a result of which the voltage at the output of the operational amplifier 8 decreases. At the moment 5 when this voltage reaches the threshold of operation of the waiting multivibrator 9, a pulse of duration is generated at the output of this multivibrator. Under the influence of this pulse, the keys 11 and 12 are closed, 0 which leads to the formation of an additional (discharge) current through an integrating capacitor directed opposite to the mentioned charging current flowing through the resistor 14. Parameters of the resistors 14.15, as well as the resistors of the divider 1.8 are such that the value of the discharge current is greater than the value of the charging current in the entire operating range of values of U. In this case, at the interval of 0 pulses, the voltage at the output of the operational amplifier 8 also increases by the time the pulse ends The threshold of operation of the standby multivibrator 9 will become higher. Actually, due to the delayed switching delay of the standby multivibrator 9 and the parasitic delay of switching keys 11 and 12, the value of the voltage at the output of the operational amplifier at the moment of closure of the mentioned keys 0 is less than the value of the static threshold of operation of the standby multivibrator on the value of the dynamic error, In order to exclude the influence of this error, as well as the influence of the possible hysteresis of the characteristic of the start-up of the multivibrator 9 on the operation In the region of extremely large values of voltage U, at which the positive voltage increment at the integrating capacitor tends to zero at the 0 pulse action interval, a correction resistor 20 is connected in series with the capacitor. The action of this resistor is manifested in the formation of switching jumps of 5 voltage at the output of the operational amplifier 8 (a positive jump when the keys 11, 12 are closed and a negative jump when they open). The resistance of the correction resistor 20 must be chosen so that the amplitude of the jumps was

больше суммы максимального значени динамической погрешности и максимальной ширины петли гистерезиса характеристики запуска мультивибратора 9. После окончани импульса ключи 11 и 12 размыкаютс . При этом составл юща разр дного тока, задаваема делителем 18, исчезает практически мгновенно, а составл юща этого тока , задаваема резистором 15. уменьшаетс постепенно (по закону экспоненты с посто нной времени 0 равной произведению сопротивлени резистора 16 и емкости конденсатора 17).greater than the sum of the maximum value of the dynamic error and the maximum width of the hysteresis loop of the start characteristic of the multivibrator 9. After the end of the pulse, the keys 11 and 12 open. In this case, the component of the discharge current set by the divider 18 disappears almost instantly, and the component of this current set by the resistor 15. decreases gradually (according to the law of the exponent with a constant time 0 equal to the product of the resistance of the resistor 16 and the capacitor 17).

Статическую передаточную характеристику блока линеаризации, определ емую как функциональную зависимость между частотой следовани выходных импульсов F и посто нным (мвдленно измен ющимс ) входным напр жением Y, можно получить из услови баланса процесса зар да и разр да интегрирующего конденсатора 19, полага , что в установившемс режиме суммарное приращение зар да наэтом конденсаторе за период следовани импульсов равно нулю. Эта функциональна зависимость описываетс алгебраическим выражениемThe static transfer characteristic of the linearization block, defined as the functional dependence between the pulse repetition rate F and the constant (instantly changing) input voltage Y, can be obtained from the condition of the balance of the process of charging and discharging the integrating capacitor 19, assuming that in the steady state In the mode, the total charge increment on this capacitor during the pulse repetition period is zero. This functional dependence is described by an algebraic expression

U-EFTU-EFT

АЧ-В+ВСП-(ACh-V + VSP- (

-л и| l and |

1-(ГУс))+Е1- (HUS)) + E

JFJf

где коэффициент А равен отношению сопротивлени резистора 14 к сопротивлению нижнего плеча резистивного делител 18, коэффициент В равен отношению сопротивлени резистора 14 к сопротивлению резистора 15, коэффициент С равен отношению посто нной времени в к длительности выФормула изобретени where coefficient A is equal to the ratio of the resistance of the resistor 14 to the resistance of the lower arm of the resistive divider 18, coefficient B is equal to the ratio of the resistance of the resistor 14 to the resistance of the resistor 15, coefficient C is equal to the ratio of the constant time in to the duration of the invention

СЧЕТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ГАЗА , содержащий термоанемометрический датчик, помещённый в измерительный участок трубопровода и подключенный к первичному преобразователю, соединенному через блок линеаризации с регистратором расхода, отличающийс тем, что блок линеаризации выполнен с виде последовательно соединенных источника опорного напр жени , подключенного к пр мому входу операционного усилител , и ждущего мультивибратора, выход которого подключен к управл ющим входам первого и второго ключей и вл етс выходом блока линеаризации, вход которого через рези- стивный делитель соединен с общей шиходного импульса т, коэффициент D равен отношению сопротивлени резистора 14 к сопротивлению верхнего плеча резистивного делител 18. Совместно с опорным напр жением Е эти коэффициенты образуют п ть независимых параметра характерна ики передачи функционального преобразовател напр жени в частоту, позвол ющие идеально скомпенсировать нелинейность зависимос и U(/9 v) в п ти точках. Примерное расположение этих точек показано на фиг. 3. Вне этих точек методическа погрешность измерени массового расхода газа не превышает долей процента.MASS GAS FLOW METER containing a hot-wire anemometer placed in the measuring section of the pipeline and connected to a primary transducer connected via a linearization unit to a flow recorder, characterized in that the linearization unit is made in the form of a series-connected reference voltage source connected to the direct input of the operating amplifier, and a waiting multivibrator, the output of which is connected to the control inputs of the first and second keys and is the output of the linearization block and, the input of which is connected through a resistive divider to the common pulse pulse m, the coefficient D is equal to the ratio of the resistance of the resistor 14 to the resistance of the upper arm of the resistive divider 18. Together with the reference voltage E, these coefficients form five independent parameters characteristic of the transmission of the functional converter frequencies, which make it possible to ideally compensate for the nonlinearity of the dependences and U (/ 9 v) at five points. An exemplary arrangement of these points is shown in FIG. 3. Outside of these points, the methodological error in measuring the mass flow rate of gas does not exceed a fraction of a percent.

Упрощение предлагаемого устройства достигаетс за счет того, что схемна реализаци блока линеаризации проще аналогичных блоков, примен емых в известных счетчиках массового расхода газа №1, № 2.The simplification of the proposed device is achieved due to the fact that the circuit implementation of the linearization unit is simpler than similar units used in the known gas mass flow meters # 1, # 2.

Повышение точности измерени массового расхода газа обеспечиваетс тем, что вследствие увеличени числа параметров реализуемой передаточной функции уменьшена методическа погрешность линеаризации характеристики передачи устройства, а также тем, что стабильность указанных параметров/определ ема стабильностью отношений сопротивлени резисторов, существенно выше, чем стабильность параметра характеристики передачи известных устройств, в которых дл реализации нелинейной характеристики блока линеаризации используют свойства полупроводниковых Р-п-переходов.Improving the accuracy of measuring the gas mass flow rate is ensured by the fact that, due to an increase in the number of parameters of the implemented transfer function, the methodological error in linearizing the transmission characteristics of the device is reduced, as well as the stability of these parameters / determined by the stability of the resistance ratios of the resistors is significantly higher than the stability of the parameter devices in which to realize the nonlinear characteristics of the linearization block use the properties of semiconductor pn junctions.

(56) Патент США № 4373387, кл. G 01 F 1/68, 1987.(56) U.S. Patent No. 4373387, cl. G 01 F 1/68, 1987.

Патент США № 4193300, кл. G01 F 1/68. 1980.US patent No. 4193300, CL. G01 F 1/68. 1980.

ной блока линеаризации и через первый резистор подключен к инвертирующему входу операционного усилител , соединенному со своим выходом через последовательно включенные первый конденсатор и второй резистор и подключенному к общей шине блока линеаризации через последовательно соединенные третий резистор и второй конденсатор, при этом первыйlinearization unit and through the first resistor is connected to the inverting input of the operational amplifier connected to its output via the first capacitor and the second resistor connected in series and connected to the common bus of the linearization unit through the third resistor and the second capacitor connected in series, while the first

ключ включен между средней точкой4 резистивного делител и инвертирующим входом операционного /силител , а второй ключ включен между общей шиной блокаthe key is connected between the midpoint 4 of the resistive divider and the inverting input of the operating / power, and the second key is connected between the common bus of the block

линеаризации и первой обкладкой второго конденсатора, а термоанемометрический датчик выполнен в виде двух терморезисторов .linearization and the first lining of the second capacitor, and the hot-wire sensor is made in the form of two thermistors.

15fifteen

25 +1/м/п25 + 1 / m / p

Фиг. IFIG. I

Фш.ЗFZ.Z