RU2039939C1

RU2039939C1 - Device for measuring low flow rate of gas

Info

Publication number: RU2039939C1
Authority: RU
Inventors: Г.А. Глебов; А.А. Городецкий; Г.В. Демидов; Ю.К. Евдокимов
Original assignee: Глебов Геннадий Александрович
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: device has housing, two inlets, measuring pipe, heater, three heat converters, heater, unit for measuring temperature of the heater, two differential amplifiers, unit for controlling power supplied to the heater, potentiometer, power source, and two units for measuring temperature. EFFECT: improved accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, в частности к тепловым неконтактным расходомерам, и может быть использовано для измерения расхода вещества в газообразном состоянии, в том числе агрессивного, ядовитого. The invention relates to instrumentation, in particular to thermal non-contact flow meters, and can be used to measure the flow of a substance in a gaseous state, including aggressive, poisonous.

Известно устройство для измерения массового расхода газа, содержащее корпус с установленной в нем измерительной трубкой с закрепленным на ней нагревателем, подключенным к источнику питания, термочувствительные элементы и термодатчики [1]
В известном техническом решении при измерении особо малых величин расхода вещества не удается получить высокую точность из-за влияния температуры внешней среды и начальной температуры измеряемого вещества на входе в микрорасходомер, которые изменяют угол наклона восходящей ветви градуировочной характеристики.A device for measuring the mass flow rate of gas, comprising a housing with a measuring tube installed in it with a heater attached to it, connected to a power source, temperature-sensitive elements and temperature sensors [1]
In the known technical solution, when measuring particularly small values of the flow rate of a substance, it is not possible to obtain high accuracy due to the influence of the temperature of the environment and the initial temperature of the measured substance at the inlet of the micrometer, which change the angle of inclination of the ascending branch of the calibration characteristic.

Известно устройство для измерения массового расхода газа, содержащее корпус с установленной в нем измерительной трубкой, с закрепленным на ней нагревателем, подключенным к источнику питания, первый, второй и третий преобразователи [2]
В известном техническом решении при измерении особо малых величин расхода вещества не удается получить высокую точность из-за влияния температуры внешней среды и начальной температуры измеряемого вещества на входе в расходомер, которые изменяют угол наклона восходящей ветви градуировочной характеристики, достигая лишь стабилизации средней температуры основного терморезистора-нагревателя с достаточно большой постоянной времени.A device for measuring the mass flow rate of gas, comprising a housing with a measuring tube installed in it, with a heater attached to it, connected to a power source, the first, second and third transducers [2]
In the known technical solution, when measuring particularly small values of the flow rate of a substance, it is not possible to obtain high accuracy due to the influence of the ambient temperature and the initial temperature of the measured substance at the inlet of the flowmeter, which change the angle of inclination of the ascending branch of the calibration characteristic, achieving only stabilization of the average temperature of the main thermistor heater with a sufficiently large time constant.

Целью изобретения является повышение точности измерения микрорасхода вещества при устранении влияния нестационарной температуры внешней среды и начальной температуры потока вещества на входе в расходомер на градуировочную характеристику. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the microspray of the substance while eliminating the influence of unsteady ambient temperature and the initial temperature of the substance flow at the inlet to the flow meter on the calibration curve.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения малого массового расхода газа, содержащее корпус с установленной в нем измерительной трубкой, с закрепленным на ней нагревателем, подключенным к источнику питания, первый, второй и третий преобразователи, в него введены последовательно соединенные первый дифференциальный усилитель блок регулирования мощности подогревателя и подогреватель, первый и второй блоки измерения температуры, подключенные выходами к соответствующим входам второго дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, потенциометр, подключенный к источнику питания, блок измерения температуры подогревателя, соединенный входом с выходом третьего термопреобразователя, установленного в непосредственной близости от подогревателя, а выходом подключенный к первому входу первого дифференциального усилителя, соединенного вторым входом с подвижным контактом потенциометра, входы первого и второго блоков измерения температуры соединены соответственно с первым и вторым термопреобразователями, при этом вход и выход измерительной трубки расположены со стороны первого торца корпуса, измерительная трубка имеет П-образную форму, нагреватель установлен на участке измерительной трубки со стороны второго торца корпуса, участки измерительной трубки вблизи ее выходов из корпуса выполнены примыкающими друг к другу с установленным на них подогревателем, первый и второй термопреобразователи установлены на соответствующих прямолинейных участках измерительной трубки между подогревателем и нагревателем, а внутреннее пространство корпуса заполнено асбестовой крошкой. The goal is achieved by the fact that the first, second and third converters are introduced into the device for measuring low mass gas flow rate, comprising a housing with a measuring tube installed in it, with a heater attached to it, connected to a power source, and a first differential amplifier unit connected in series heater power control and heater, the first and second temperature measuring units connected by outputs to the corresponding inputs of the second differential amplifier, the output of which is a device output, a potentiometer connected to a power source, a heater temperature measuring unit, connected by an input to the output of a third thermocouple installed in the immediate vicinity of the heater, and an output connected to the first input of the first differential amplifier connected to the second input with a movable contact of the potentiometer, the inputs of the first and the second temperature measuring units are connected respectively to the first and second thermal converters, while the input and output of the measuring the second tube are located on the side of the first end of the housing, the measuring tube is U-shaped, the heater is installed on the portion of the measuring tube on the side of the second end of the housing, sections of the measuring tube near its exits from the housing are adjacent to each other with a heater installed on them, the first and the second thermocouples are installed on the corresponding straight sections of the measuring tube between the heater and the heater, and the inner space of the housing is filled with asbestos chips.

Наличие существенных отличий обеспечивает повышение точности измерения расхода массы вещества особо малой величины. При измерении таких величин расхода массы вещества величину погрешности составляют величина случайной погрешности, вызванная конвекцией тепловых потоков в объеме расположения измерительного участка, и величина систематической погрешности, вызванная внешним тепловым воздействием, как правило нестационарным, и начальной температурой потока вещества на входе в расходомер. Величина случайной погрешности существенно уменьшится при ограничении конвекционных тепловых потоков использованием асбестовой крошки вокруг измерительного участка, и она становится малой по сравнению с величиной систематической погрешности. Величина систематической погрешности увеличивается при увеличении коэффициента усиления чувствительности при измерении особо малых величин массового расхода вещества. Величина внешнего теплового воздействия и начальная температура потока вещества на входе в расходомер существенно изменяют угол наклона градуировочной характеристики, особенно восходящей ветви ее. Изотермическое воздействие на вещество на входе измерительного участка снимает эту проблему путем создания теплового поля для него, исключающего внешнее воздействие среды, в том числе нестационарное. Тепловое поле создают на участке измерительной трубки вблизи ее выходов из корпуса примыкающими друг к другу начальным и конечным участками измерительной трубки с установленным на них подогревателем, осуществляя подвод тепла от нагретого нагревателем вещества путем теплообмена через стенку измерительной трубки и одновременно путем дозирования величины электрического омического подогрева до величины температуры, превышающей величину температуры внешнего воздействия. Малые геометрические размеры измерительного участка (капилляр), тепловое поле, обеспечивающее изменение удельной теплоемкости измеряемого вещества в допустимом интервале, и элементная база электронного блока, разделенная на контур измерения и контур подготовки вещества к измерению, обеспечивают повышение точности измерения микрорасхода массы вещества (газа). The presence of significant differences provides an increase in the accuracy of measuring the mass flow rate of a substance of a particularly small value. When measuring such mass flow rates, the error amount is the random error caused by convection of heat fluxes in the volume of the measuring section, and the systematic error caused by external thermal action, which is usually unsteady, and the initial temperature of the substance flow at the inlet to the flowmeter. The magnitude of the random error will decrease significantly with the restriction of convection heat fluxes using asbestos chips around the measuring section, and it becomes small compared to the magnitude of the systematic error. The magnitude of the systematic error increases with increasing sensitivity gain when measuring especially small mass flow rates of a substance. The magnitude of the external thermal effect and the initial temperature of the substance flow at the inlet to the flow meter significantly change the angle of inclination of the calibration characteristic, especially its ascending branch. The isothermal effect on the substance at the inlet of the measuring section removes this problem by creating a thermal field for it, eliminating the external influence of the environment, including non-stationary. A thermal field is created in the area of the measuring tube near its exits from the housing adjacent to each other, the initial and final sections of the measuring tube with a heater installed on them, supplying heat from the substance heated by the heater by heat exchange through the wall of the measuring tube and at the same time by dosing the magnitude of the electric ohmic heating to the value of the temperature exceeding the value of the temperature of the external influence. The small geometrical dimensions of the measuring section (capillary), the thermal field providing a change in the specific heat of the measured substance in the allowable interval, and the elemental base of the electronic unit, divided into a measurement circuit and a circuit for preparing the substance for measurement, increase the accuracy of measuring the micro-consumption of the mass of the substance (gas).

На чертеже приведена конструкция и измерительная схема устройства для измерения малого массового расхода газа. The drawing shows the design and measuring circuit of the device for measuring low mass flow rate of gas.

Устройство содержит корпус 1, со стороны первого торца которого расположены вход 2 и выход 3 измерительной трубки 4. Она имеет П-образную форму. На участке измерительной трубки 4 со стороны второго торца корпуса 1 снаружи установлен нагреватель 5 и расположен от между первым и вторым термопреобразователями 6, 7. Участки измерительной трубки 4 вблизи ее выходов из корпуса 1 выполнены примыкающими друг к другу с возможностью передачи тепла между собой. На примыкающих друг к другу участках установлены подогреватель 8 и третий термопреобразователь 9. По возможности примыкающие участки имеют одинаковые проточные части, а также одинаковую геометрию стенок измерительной трубки обеих частей. Первый термопреобразователь 6 установлен на прямолинейном участке измерительной трубки между подогревателем 8 и нагревателем 5 по движению вещества, а второй термопреобразователь 7 установлен соответственно на прямолинейном участке от нагревателя 5 до подогревателя 8. The device comprises a housing 1, from the side of the first end of which there is an input 2 and an output 3 of the measuring tube 4. It has a U-shape. A heater 5 is installed outside the measuring tube 4 from the side of the second end of the housing 1 and is located between the first and second thermocouples 6, 7. The sections of the measuring tube 4 near its exits from the housing 1 are made adjacent to each other with the possibility of heat transfer between each other. On adjacent sections, a heater 8 and a third thermal converter 9 are installed. Whenever possible, adjacent sections have the same flowing parts, as well as the same geometry of the walls of the measuring tube of both parts. The first thermocouple 6 is installed in a straight section of the measuring tube between the heater 8 and the heater 5 in the movement of the substance, and the second thermocouple 7 is installed in a straight section from the heater 5 to the heater 8, respectively.

Устройство содержит также электронный блок, в котором из элементов образованы контур измерения массового расхода газа и контур подготовки вещества (газа) к измерению. Он включает блок 10 измерения температуры подогревателя, первый дифференциальный усилитель 11, блок 12 регулирования мощности подогревателя, потенциометр 13, соединенный подвижным контактом с источником питания (+Е), который обеспечивает контур подготовки вещества к измерению, а источник 14 питания обеспечивает контур измерения, первый блок 15 измерения температуры Т₁ холодной части вещества, второй блок 16 измерения температуры Т₂ горячей части вещества, второй дифференциальный усилитель 17. В устройстве последовательно соединены первый дифференциальный усилитель 11, блок 12 регулирования мощности подогревателя и подогреватель 8, потенциометр 13, подключенный к источнику питания (+Е), блок 10 измерения температуры подогревателя, соединенный входом с выходом третьего термопреобразователя 9, установленного в непосредственной близости от подогревателя 8, а выходом подключенный к первому входу первого дифференциального усилителя 11, соединенного вторым входом с подвижным контактом потенциометра 13, образуя контур подготовки вещества к измерению. В контур измерения массового расхода вещества (газа) введены последовательно соединенные: входы первого и второго блоков 15, 16 измерения температуры соединены соответственно с первым и вторым термопреобразователями 6, 7, а выходы первого и второго блоков 15, 16 измерения температуры подключены к соответствующим входам второго дифференциального усилителя 17, выход которого является выходом устройства.The device also contains an electronic unit in which a circuit for measuring the mass flow of gas and a circuit for preparing the substance (gas) for measurement are formed from the elements. It includes a heater temperature measuring unit 10, a first differential amplifier 11, a heater power control unit 12, a potentiometer 13 connected by a movable contact to a power source (+ E), which provides a circuit for preparing the substance for measurement, and a power source 14 provides a measuring circuit, the first block 15 temperature measuring part _T1 of cold material, the second block 16 temperature measuring part _T2 of hot material, the second differential amplifier 17. The series connected first device dif A differential amplifier 11, a heater power control unit 12 and a heater 8, a potentiometer 13 connected to a power source (+ E), a heater temperature measuring unit 10 connected to an input to an output of a third thermal converter 9 installed in the immediate vicinity of the heater 8, and an output connected to the first input of the first differential amplifier 11, connected to the second input with a movable contact of the potentiometer 13, forming a circuit for preparing the substance for measurement. Serially connected to the circuit for measuring the mass flow rate of a substance (gas) are introduced: the inputs of the first and second temperature measuring units 15, 16 are connected respectively to the first and second thermocouples 6, 7, and the outputs of the first and second temperature measuring units 15, 16 are connected to the corresponding inputs of the second differential amplifier 17, the output of which is the output of the device.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

Включается подогреватель 8, который нагревает измерительную трубку 4 до температуры, превышающей температуру внешнего воздействия. По результатам измерения третьего преобразователя 9 блок 10 измерения температуры подогревателя, который, воздействуя через первый дифференциальный усилитель 11 с потенциометром 13, с помощью блока 12 регулирования мощности подогревателя обеспечивает автоматический режим заданной температуры подогревателю 8. Контур измерения массового расхода вещества (газа) через блок 15 измерения температуры Т₁ и блок 16 измерения температуры Т₂ при работе нагревателя 5 в режиме постоянства мощности обеспечивает на выходе второго дифференциального усилителя 17 (ДУ2) выходной сигнал, равный разности потенциалов на втором и первом термопреобразователях 7, 6. При отсутствии потока выходной сигнал равен нулю. При наличии потока величина выходного сигнала пропорциональна разности температур ΔТ= Т₂-Т₁, которая по градуировочной характеристике на восходящей ветви позволяет определить особо малую величину массового расхода вещества (газа).Heater 8 is turned on, which heats the measuring tube 4 to a temperature higher than the temperature of the external influence. According to the measurement results of the third transducer 9, the heater temperature measuring unit 10, which, acting through the first differential amplifier 11 with a potentiometer 13, with the help of the heater power control unit 12 provides an automatic mode of the set temperature for the heater 8. The mass (gas) mass flow measurement circuit through unit 15 measuring temperature T ₁ and the unit 16 measuring the temperature T ₂ during operation of the heater 5 in constant power mode, provides the second differential output of amp of Tell 17 (dy2) output signal equal to the difference of potentials on the first and second temperature sensors 7, 6. If no flow output signal is zero. In the presence of a stream, the value of the output signal is proportional to the temperature difference ΔТ = Т ₂ -Т ₁ , which, using the calibration characteristic on the ascending branch, allows to determine a particularly small mass flow rate of a substance (gas).

Claims

DEVICE FOR MEASURING LOW GAS MASS CONSUMPTION, comprising a housing with a measuring tube installed in it, with a heater attached to it, connected to a power source, first, second and third converters, characterized in that the first differential amplifier, the control unit, are connected in series heater power and a heater, first and second temperature measuring units, connected by outputs to the corresponding inputs of the second differential amplifier, the output of which is is a device output, a potentiometer connected to a power source, a heater temperature measuring unit, connected by an input to the output of a third thermocouple installed in the immediate vicinity of the heater, and connected by an output to the first input of the first differential amplifier connected by the second input to the movable contact of the potentiometer, the inputs of the first and the second temperature measuring units are connected respectively to the first and second thermal converters, while the input and output of the measuring the tubes are located on the side of the first end of the housing, the measuring tube is U-shaped, the heater is installed on the portion of the measuring tube on the side of the second end of the housing, sections of the measuring tube near its exits from the housing are adjacent to each other with a heater installed on them, the first and second thermocouples are installed on the corresponding straight sections of the measuring tube between the heater and the heater, and the internal space of the housing is filled with an asbestos edge.