RU2126956C1

RU2126956C1 - Heat flowmeter

Info

Publication number: RU2126956C1
Application number: RU97110984A
Authority: RU
Inventors: О.А. Беляев; О.О. Митрохина; В.Б. Митрохин
Original assignee: Беляев Олег Алексеевич; Митрохина Ольга Олеговна; Митрохин Владимир Борисович
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 1999-02-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: heat flowmeter includes two identical converters placed in sockets of chambers of case. Temperature sensitive resistor of first converter is located in main conduit made in case and that of second converter is positioned in neck of narrowing member in the form of Venturi tube. Temperature sensitive resistors are fabricated from wire and are placed on surfaces of thin-walled metal tubes. Chamber that accommodates second converter is connected to main conduit through additional conduit and space of thin- walled metal tube. Electric current providing for constancy of temperature difference of converters is supplied to second converter in process of measurement. EFFECT: enhanced measurement accuracy in wide range of flow rates thanks to increase of output electric signal and simultaneous decrease of time needed to pass to operating condition. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в устройствах для измерения расхода газа и жидкости. The invention relates to the field of measuring technology and can be used in devices for measuring the flow of gas and liquid.

Известен тепловой расходомер, содержащий корпус с выполненными в нем основным каналом, снабженным диафрагмой, и измерительным каналом, включающим измерительную трубку с расположенными на ней двумя секциями нагревателя, являющихся одновременно терморезисторами, включенными в мостовую измерительную схему, и размещенный между стенками корпуса и измерительной трубкой теплозащитный кожух [1]. A heat flow meter is known, comprising a housing with a main channel provided with a diaphragm and a measuring channel including a measuring tube with two heater sections located on it, which are simultaneously thermistors included in the bridge measuring circuit, and heat-shielded between the walls of the housing and the measuring tube casing [1].

Этот тепловой расходомер измеряет массовый расход контролируемого вещества. В статическом состоянии, при отсутствии расхода контролируемого вещества, резистивный мост, одно из плеч которого образовано терморезисторами, находится в равновесии. С появлением расхода контролируемого вещества, например газа, температура первого терморезистора уменьшается, а второго увеличивается. Разность этих температур пропорциональна расходу контролируемого вещества. При этом на точность измерения значительное влияние оказывают изменения температуры потока контролируемого вещества и температуры окружающей среды. При изменении температуры окружающей среды градуировочная характеристика расходомера смещается, так как изменение температуры первого терморезистора приводит к изменению влияния потока на второй терморезистор, что обуславливает появление дополнительной разности температур терморезисторов, т. е. появление соответствующей погрешности измерения. Теплозащитный кожух из низкотеплопроводного материала несколько снижает эту погрешность. Однако он сам в процессе работы расходомера медленно нагревается, что приводит к тепловой перебалансировке в измерительном канале. Это обуславливает длительное время до достижения степени готовности теплового расходомера. This heat flow meter measures the mass flow rate of a controlled substance. In a static state, in the absence of consumption of a controlled substance, the resistive bridge, one of the arms of which is formed by thermistors, is in equilibrium. With the advent of the consumption of a controlled substance, such as gas, the temperature of the first thermistor decreases, and the second increases. The difference in these temperatures is proportional to the consumption of the controlled substance. In this case, the measurement accuracy is significantly affected by changes in the temperature of the flow of the controlled substance and the ambient temperature. When the ambient temperature changes, the calibration characteristic of the flowmeter shifts, since a change in the temperature of the first thermistor leads to a change in the effect of the flow on the second thermistor, which causes the appearance of an additional temperature difference of the thermistors, i.e., the appearance of the corresponding measurement error. A heat-shielding casing made of low-heat-conducting material somewhat reduces this error. However, it slowly heats up during the operation of the flowmeter, which leads to thermal rebalancing in the measuring channel. This leads to a long time until the degree of readiness of the heat flow meter.

Таким образом, этот тепловой расходомер имеет значительную инерционность, ограниченный диапазон измеряемых расходов и большую погрешность измерений на начальном участке градуировочной характеристики, т.е. при малых расходах. Thus, this heat flow meter has a significant inertia, a limited range of measured flow rates and a large measurement error in the initial section of the calibration characteristic, i.e. at low cost.

Из известных устройств наиболее близким к заявленному является тепловой расходомер, содержащий корпус с выполненными в нем основным каналом и двумя камерами с гнездами, в первом из которых размещен первый, а во втором - второй преобразователь, выполненный идентично первому, при этом терморезисторы преобразователей включены в электрическую измерительную схему [2]. Of the known devices, the closest to the claimed one is a heat flow meter containing a housing with a main channel and two chambers with sockets made in it, the first of which contains the first, and the second - the second converter, identical to the first one, while the thermistors of the converters are included in the electric measuring circuit [2].

Основной канал в этом тепловом расходомере образован полостью трубы, снабженной вырезами. Каждый преобразователь содержит полупроводниковый терморезистор плоской формы, контактирующий с дном тонкостенной металлической гильзы. Один из преобразователей содержит проволочный нагреватель. Терморезистор и проволочный нагреватель залиты эпоксидным компаундом с графитовым наполнителем. Терморезисторы включены в плечи неравновесного моста. Один из них служит для измерения ненагретой части стенок основного канала, а другой - стенки основного канала в месте ее нагрева. The main channel in this heat flow meter is formed by a pipe cavity provided with cutouts. Each converter contains a flat-shaped semiconductor thermistor in contact with the bottom of a thin-walled metal sleeve. One of the transducers contains a wire heater. The thermistor and wire heater are filled with graphite-filled epoxy compound. Thermistors are included in the shoulders of the nonequilibrium bridge. One of them serves to measure the unheated part of the walls of the main channel, and the other - the walls of the main channel in the place of its heating.

Этот тепловой расходомер также имеет существенную погрешность измерений, поскольку измерения производятся у стенки основного канала, а поток контролируемого вещества по сечению канала неравномерен. Инерционность этого теплового расходомера меньше по сравнению с аналогичными, однако она не может быть значительно снижена, так как конструкция преобразователей не позволяет увеличить площадь контакта проволочных нагревателей и терморезисторов с контролируемым веществом. Диапазон измерений расхода контролируемого вещества в этом тепловом расходомере также ограничен. This heat flow meter also has a significant measurement error, since the measurements are made near the wall of the main channel, and the flow of the controlled substance along the channel cross section is uneven. The inertia of this heat flow meter is less compared to similar ones, however, it cannot be significantly reduced, since the design of the converters does not allow to increase the contact area of wire heaters and thermistors with a controlled substance. The measurement range for the flow rate of the controlled substance in this heat meter is also limited.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании теплового расходомера, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в расширении эксплуатационных возможностей теплового расходомера за счет повышения точности измерения расхода контролируемого вещества в широком диапазоне измеряемых расходов и сокращения времени выхода на рабочий режим. The problem solved by the invention is to create a heat flow meter, devoid of the disadvantages of the prototype. The technical result provided by the invention is to expand the operational capabilities of a heat flow meter by increasing the accuracy of measuring the flow rate of a controlled substance in a wide range of measured flow rates and reducing the time to reach the operating mode.

Это достигается тем, что в тепловом расходомере, содержащем корпус с выполненными в нем основным каналом и двумя камерами с гнездами, в первом из которых размещен первый, а во втором - второй преобразователь, выполненный идентично первому преобразователю, при этом терморезисторы преобразователей включены в электрическую измерительную схему, терморезистор первого преобразователя расположен в основном канале, а второго - в горле введенного в расходомер сужающего элемента, в каждом из преобразователей термореэистор выполнен проволочным и размещен на поверхности тонкостенной металлической трубки, а камера со вторым преобразователем соединена с основным каналом через дополнительный канал и полость тонкостенной металлической трубки. Сужающий элемент может быть выполнен в виде трубы Вентури. This is achieved by the fact that in a heat flow meter that contains a housing with a main channel and two chambers with sockets made in it, the first of which contains the first, and the second - the second transducer, identical to the first transducer, while the thermistors of the transducers are included in the electrical measuring scheme, the thermistor of the first transducer is located in the main channel, and the second in the throat of the constricting element inserted into the flowmeter, in each of the transducers the thermistor is made of wire and placed on the surface of a thin-walled metal tube, and the camera with the second transducer is connected to the main channel through an additional channel and the cavity of the thin-walled metal tube. The constricting element can be made in the form of a venturi.

Новым в изобретении является введение дополнительного канала, выполнение преобразователей и размещение их терморезисторов. New in the invention is the introduction of an additional channel, the implementation of the converters and the placement of their thermistors.

На фиг.1 показано устройство заявляемого теплового расходомера, на фиг.2 - пример конструкции преобразователя. Figure 1 shows the device of the inventive heat flow meter, figure 2 is an example of a design of the Converter.

Тепловой расходомер содержит корпус 1 с основным каналом 2 и сужающим элементом 3. В нем имеются камеры 4 и 5 с первым и вторым гнездами соответственно, в которых размещены преобразователи 6 и 7. Корпус 1 выполнен массивным из материала с высокой теплопроводностью. Каждый из преобразователей 6, 7 содержит тонкостенную металлическую трубку 8, например, из никеля, на которой расположен (намотан в один слой, преимущественно виток к витку) проволочный терморезистор 9, например, из меди, никеля, платины или вольфрама. На трубке 8 закреплена пластина 10 из электроизоляционного материала с низкой теплопроводностью, например, из текстолита, в которой размещены тонкие контактные стержни 11. К стержням 11 приварены выводы проволочного терморезистора 9. Проволочный терморезистор 9 защищен тонкостенным трубчатым кожухом 12. Полость между трубкой 8 и кожухом 12 заполнена теплопроводящим наполнителем, например эпоксидным компаундом с порошком окиси алюминия. The heat flow meter comprises a housing 1 with a main channel 2 and a constricting element 3. It has chambers 4 and 5 with the first and second sockets, respectively, in which the transducers 6 and 7 are placed. The housing 1 is made of a massive material with high thermal conductivity. Each of the transducers 6, 7 contains a thin-walled metal tube 8, for example, of nickel, on which a wire thermistor 9, for example, of copper, nickel, platinum or tungsten, is located (wound in one layer, mainly round to round). A plate 10 is fixed on the tube 8 from an insulating material with low thermal conductivity, for example, from PCB, in which thin contact rods are placed 11. The terminals of the wire thermistor 9 are welded to the rods 11. The wire thermistor 9 is protected by a thin-walled tubular casing 12. The cavity between the tube 8 and the casing 12 is filled with a thermally conductive filler, for example an epoxy compound with alumina powder.

Трубка 8 с проволочным терморезистором 9 закреплена с помощью тонких шайб 13, 14 из материала с низкой теплопроводностью, например из гетинакса, в гильзе 15. В шайбе 14 выполнены отверстия, через которые проходят проводники, приваренные к контактным стержням 11 и соединенные с контактными выводами, закрепленными в стенке корпуса 1 с помощью электроизоляционных втулок (на чертежах не показаны). Камера 5 соединена с основным каналом 2 дополнительным каналом 17. Проволочные терморезисторы 9 включены в электрическую измерительную схему, которая построена, например, на базе микроЭВМ с обеспечением коррекции величины выходного электрического сигнала для получения линейной зависимости электрической мощности от расхода контролируемого вещества. The tube 8 with a wire thermistor 9 is fixed using thin washers 13, 14 of material with low thermal conductivity, for example, from getinaks, in the sleeve 15. The washer 14 has holes through which conductors pass welded to the contact rods 11 and connected to the contact leads, fixed in the wall of the housing 1 using insulating sleeves (not shown in the drawings). The chamber 5 is connected to the main channel 2 by an additional channel 17. Wire thermistors 9 are included in the electrical measuring circuit, which is built, for example, on the basis of a microcomputer with correction of the output electric signal to obtain a linear dependence of the electric power on the flow rate of the controlled substance.

Тепловой расходомер работает следующим образом. При включении электрической измерительной схемы на преобразователь 6 для измерения его сопротивления подается небольшой, не нагревающий его, электрический ток. На преобразователь 7 подается электрический ток, обеспечивающий постоянство разности температур преобразователей 6 и 7. Подводимая к преобразователю 7 электрическая мощность является функцией расхода контролируемого вещества. При прохождении по основному каналу 2 контролируемого вещества преобразователь 6 измеряет его температуру. В конфузоре сужающего элемента 3 скорость потока контролируемого вещества возрастает и достигает наибольшего значения в горле сужающего элемента 3, где размещен проволочный терморезистор 9 преобразователя 7. Thermal flowmeter operates as follows. When you turn on the electrical measuring circuit to the Converter 6 to measure its resistance, a small, not heating it, electric current is supplied. An electric current is supplied to the transducer 7, ensuring a constant temperature difference between the transducers 6 and 7. The electric power supplied to the transformer 7 is a function of the flow rate of the controlled substance. When passing through the main channel 2 of the controlled substance, the transducer 6 measures its temperature. In the confuser of the constricting element 3, the flow rate of the controlled substance increases and reaches its maximum value in the throat of the constricting element 3, where the wire thermistor 9 of the transducer 7 is located.

Это обеспечивает усиленный теплообмен. преобразователя 7 с контролируемым веществом, а следовательно, и большой выходной электрический сигнал, что повышает точность измерений. В результате разности давлений до суживающего элемента 3 и в его горле через дополнительный канал 19, камеру 5 и полость тонкостенной металлической трубки 8 преобразователя 7 проходит дополнительный поток контролируемого вещества, увеличивающий выходной электрический сигнал и повышающий быстродействие расходомера. Разность температур терморезисторов 9 преобразователей 6 и 7 и соотношение диаметров основного канала 2 и горла суживающего элемента 3 подбираются в зависимости от требований к точности теплового расходомера. Выполнение суживающего элемента 3 в виде трубы Вентури обеспечивает наименьшие потери давления в тепловом расходомере. Корпус 1 способствует равномерному распределению температуры в зоне терморезисторов 9 преобразователей 6, 7 при воздействии на них температуры контролируемого вещества, что дополнительно повышает точность измерений. Повышение точности измерений, особенно, на нижних границах расхода контролируемого вещества позволяет расширить диапазон измерений расхода. This provides enhanced heat transfer. a transducer 7 with a controlled substance, and therefore a large output electrical signal, which increases the accuracy of the measurements. As a result of the pressure difference to the constricting element 3 and in its throat, an additional flow of the controlled substance passes through the additional channel 19, the chamber 5 and the cavity of the thin-walled metal tube 8 of the transducer 7, increasing the output electrical signal and increasing the speed of the flow meter. The temperature difference of the thermistors 9 of the transducers 6 and 7 and the ratio of the diameters of the main channel 2 and the neck of the constricting element 3 are selected depending on the accuracy requirements of the heat meter. The implementation of the constricting element 3 in the form of a venturi ensures the lowest pressure loss in the heat flow meter. The housing 1 contributes to a uniform temperature distribution in the zone of the thermistors 9 of the transducers 6, 7 when exposed to the temperature of the controlled substance, which further increases the accuracy of the measurements. Improving the accuracy of measurements, especially at the lower boundaries of the flow rate of the controlled substance allows you to expand the range of flow measurements.

Пример реализации. Тепловой расходомер рассчитан на измерение расхода газа до 4000 л/ч. Преобразователи 6, 7 выполнены на основе тонкостенной металлической трубки 8 диаметром 1 мм с толщиной стенки 0,05 мм из никеля. Проволочные терморезисторы 9 выполнены из медного эмалированного теплостойким лаком провода с диаметром жилы 0,02 мм, намотанного в ряд в один слой длиной 6 мм. Сопротивление проволочных терморезисторов 9 составило 30 Ом. Тонкостенный трубчатый кожух 12 выполнен из никеля и имеет диаметр 1,3 мм при толщине стенки 0,05 мм. Гильза 15 выполнена из алюминия, а корпус 1 - из силумина. Сужающий элемент 3 в виде трубы Вентури выполнен из силумина с упрочняющим покрытием по поверхности. Диаметр основного канала 2 составил 15 мм, а горла суживающего элемента 3 - 8 мм. Градиент температур между терморезисторами 9 преобразователей 6, 7 составил 55 ^oC и поддерживался постоянным в диапазоне температур контролируемого вещества и окружающей среды от 0 до 50 ^oC. Требуемая точность измерений поддерживалась в диапазоне измерений расхода от 10 до 4000 л/ч. Выход на рабочий режим теплового расходомера составил 10 секунд.Implementation example. The heat meter is designed to measure gas flow rates up to 4000 l / h. The converters 6, 7 are made on the basis of a thin-walled metal tube 8 with a diameter of 1 mm and a wall thickness of 0.05 mm from nickel. Wire thermistors 9 are made of copper enameled with heat-resistant varnish wires with a core diameter of 0.02 mm, wound in a row in a single layer 6 mm long. The resistance of the wire thermistors 9 was 30 ohms. The thin-walled tubular casing 12 is made of nickel and has a diameter of 1.3 mm with a wall thickness of 0.05 mm. The sleeve 15 is made of aluminum, and the housing 1 is made of silumin. The constricting element 3 in the form of a Venturi pipe is made of silumin with a hardening coating on the surface. The diameter of the main channel 2 was 15 mm, and the throat of the constricting element 3 was 8 mm. The temperature gradient between the thermistors 9 of converters 6, 7 was 55 ^o C and was kept constant in the temperature range of the controlled substance and the environment from 0 to 50 ^o C. The required measurement accuracy was maintained in the range of flow measurements from 10 to 4000 l / h. The output to the operating mode of the heat flow meter was 10 seconds.

Тепловой расходомер, выполненный в соответствии с изобретением, имеет эксплуатационные возможности более широкие по сравнению с известными аналогичными тепловыми расходомерами - на порядок более высокую точность, в 8 - 10 раз большее отношение наибольшего и наименьшего пределов измерений расхода, в несколько раз меньшее время выхода на режим. The heat flow meter made in accordance with the invention has wider operational capabilities compared to the known similar heat flow meters - an order of magnitude higher accuracy, 8 to 10 times greater ratio of the largest and smallest limits of flow measurement, several times less time to enter the mode .

Источники информации:
1. Преобразователь расхода газа ПРГ-1. Паспорт ИЛЕВ.407131.001 ПС.-М.: 1986.Sources of information:
1. The PRG-1 gas flow converter. Passport ILEV.407131.001 PS.-M .: 1986.

2. Соколов Г. А. и др. Тепловой расходомер с применением полупроводниковых терморезисторов. Известия вузов. Серия: Приборостроение,- 1973, N 8, с.98 - 101. 2. Sokolov G.A. et al. Thermal flowmeter using semiconductor thermistors. University News. Series: Instrument Making, - 1973, N 8, p. 98 - 101.

Claims

1. A heat flow meter comprising a housing with a main channel and two chambers with sockets made in it, the first of which contains the first, and the second - the second transducer, identical to the first transducer, while the thermistors of the transducers are included in the electrical measuring circuit, characterized in that the thermistor of the first transducer is located in the main channel, and the second in the throat of the constricting element inserted into the flowmeter, in each of the transducers the thermistor is made wire and placed on the surface of a thin-walled metal tube, and the camera with the second transducer is connected to the main channel through an additional channel and the cavity of the thin-walled metal tube.

2. The flow meter according to claim 1, characterized in that the constricting element is made in the form of a venturi.