RU2326350C2

RU2326350C2 - Thermal microscopic gas meter

Info

Publication number: RU2326350C2
Application number: RU2006120792/28A
Authority: RU
Inventors: нцев Альберт Владимирович Рум (RU); Альберт Владимирович Румянцев; Петр Романович Шевченко (RU); Петр Романович Шевченко
Original assignee: Российский государственный университет имени Иммануила Канта (РГУ им. И. Канта)
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2008-06-10
Also published as: RU2006120792A

Abstract

FIELD: measurement instrumentation.

SUBSTANCE: microscopic gas meter comprises the housing in which the controlled capacity heat exchanger and gas-distributing chamber are positioned. Two measuring and two thermocompensatory channels containing thermally sensitive resistor (thermistors) with indirect heating are hermetically connected to gas-distributing chamber. In one of the thermocompensatory channels the thermistor controls the electronic circuit of heat carrier thermal stabilization according to temperature settings. For supporting of stable temperature drop the instrumentation thermistors control the electronic circuit of its thermal stabilization according to temperature settings. For the control of the electronic circuit of heat carrier thermal stabilization the thermistor of the second thermocompensatory channel is connected with its ohmic resistance meter. The result is achieved due to maximal heat convection process intensification by means of temperature drop stabilization according to temperature settings.

EFFECT: accuracy and sensitivity increasing.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0÷50 мг/с при широком варьировании температур газового потока и внешней среды.The invention relates to measuring equipment, namely to heat flow meters for measuring gas flow in the range 0 ÷ 50 mg / s with a wide variation in the temperature of the gas stream and the environment.

Процесс конвективного теплообмена в тепловых расходомерах газа зависит как от величины коэффициента теплоотдачи, так и от разности температур теплочувствительного элемента (ТЧЭ) и омывающего его газового потока - температурного напора. Оптимизация этого процесса осуществляется стабилизацией теплового режима ТЧЭ на задаваемом температурном уровне независимо от расхода газа. Этот принцип измерения постоянства температуры ТЧЭ реализован в расходомере [1]. Недостатками этого расходомера являются: малая чувствительность, обусловленная использованием ТЧЭ с металлической проводимостью; непостоянство температурного напора, вследствие того, что не фиксируется температура газового потока, а это требует введения температурных поправок, а также ориентационная зависимость показаний расходомера.The process of convective heat transfer in heat gas flow meters depends both on the value of the heat transfer coefficient and on the temperature difference between the heat-sensitive element (TEC) and the gas flow washing it - the temperature head. Optimization of this process is carried out by stabilization of the thermal regime of TEC at a given temperature level, regardless of gas flow. This principle of measuring the constancy of temperature of a solid fuel element is implemented in a flow meter [1]. The disadvantages of this flow meter are: low sensitivity due to the use of TEC with metal conductivity; the variability of the temperature head, due to the fact that the temperature of the gas stream is not fixed, and this requires the introduction of temperature corrections, as well as the orientation dependence of the flow meter readings.

Известен автономный четырехканальный микрорасходомер газа, содержащий герметичный теплоизолированный металлический корпус с находящимися в нем теплообменником-нагревателем и газораспределительной камерой для подачи поступающего в нее потока газа в два измерительные и в два термокомпенсационные каналы, выполненные идентичными. В каналах размещены теплочувствительные элементы в виде идентичных полупроводниковых сопротивлений (термисторов) с косвенным нагревом, а на внешней поверхности каналов установлены дополнительные нагреватели. ТЧЭ в измерительных каналах электрически соединены последовательно и включены в блок преобразования выходного сигнала; их спирали косвенного нагрева так же соединены последовательно и через них пропускается постоянной силы ток косвенного нагрева (следовательно, постоянна и вводимая в измерительные термисторы мощность W_к.н). ТЧЭ в термокомпенсационных каналах электрически соединены последовательно и включены в качестве управляющих элементов в электронную схему обеспечения теплового режима теплоносителя на задаваемом температурном уровне (автономизация расходомера). Блок преобразования выходного сигнала представляет собой либо омметр, показывающий величину суммарного сопротивления измерительных термисторов (расходная характеристика в омической форме - R(G)), либо специальную схему преобразования сопротивления термисторов в частоту - R(G)→f(G), с показывающим частоту частотомером [2]. По большинству совпадающих признаков этот расходомер принят за прототип.A self-contained four-channel gas micro flow meter is known, which contains a sealed heat-insulated metal case with a heat exchanger-heater and a gas distribution chamber inside it for supplying a gas stream entering it into two measuring and two temperature compensation channels made identical. Heat-sensitive elements in the form of identical semiconductor resistances (thermistors) with indirect heating are placed in the channels, and additional heaters are installed on the external surface of the channels. TEC in the measuring channels are electrically connected in series and included in the output signal conversion unit; their indirect heating spirals are also connected in series and a constant current of indirect heating is passed through them (therefore, the power W _{k.n is} also constant and is introduced into the measuring thermistors). TEC in the thermocompensation channels are electrically connected in series and included as control elements in an electronic circuit to ensure the thermal regime of the coolant at a given temperature level (flow meter autonomy). The output signal conversion unit is either an ohmmeter showing the value of the total resistance of the measuring thermistors (flow characteristic in ohmic form - R (G)), or a special scheme for converting the resistance of thermistors to frequency - R (G) → f (G), showing the frequency frequency counter [2]. According to most of the matching features, this flowmeter is taken as a prototype.

Недостаток расходомера [2] заключается в том, что при постоянной вводимой мощности с ростом расхода коэффициент теплоотдачи α(G) увеличивается, а температурный напор t(G) уменьшается вследствие уменьшения температуры ТЧЭ (T_п=Const), но произведение этих величин не зависит от расхода и остается равным их начальному значению, равному величине вводимой мощности в начальном состоянии, т.е. в отсутствие расхода. Таким образом, интенсификации процесса конвективного теплообмена за счет увеличения α(G) с расходом не происходит.The disadvantage of the flow meter [2] is that with a constant input power with increasing flow rate, the heat transfer coefficient α (G) increases, and the temperature head t (G) decreases due to a decrease in the HSE temperature (T _p = Const), but the product of these values does not depend from the flow rate and remains equal to their initial value, equal to the amount of input power in the initial state, i.e. in the absence of consumption. Thus, the intensification of the process of convective heat transfer due to an increase in α (G) does not occur with a flow rate.

Задача изобретения состоит в предложении нового принципа измерения и устройства для его реализации, позволяющего максимально интенсифицировать процесс конвективного теплообмена в системе с целью увеличения точности и чувствительности микрорасходомера.The objective of the invention is to propose a new measuring principle and device for its implementation, which allows to intensify the process of convective heat transfer in the system to maximize the accuracy and sensitivity of the micrometer.

Поставленная задача достигается тем, что для обеспечения постоянного температурного напора измерительные термисторы в качестве управляющих элементов включены в электронную схему стабилизации их теплового режима на задаваемом температурном уровне, а расположенный во втором термокомпенсационном канале термистор подключен к измерителю его омического сопротивления для контроля качества работы схемы стабилизации теплового режима теплоносителя.The task is achieved in that in order to ensure a constant temperature pressure, the measuring thermistors as control elements are included in the electronic circuit for stabilizing their thermal regime at a given temperature level, and the thermistor located in the second temperature-compensating channel is connected to its ohmic resistance meter to control the quality of the thermal stabilization circuit coolant mode.

При этом стабилизация температуры теплоносителя на задаваемом уровне Т_п - как и в [2] - обеспечивает и постоянство напора - t(G)=T₀-T_п=t₀.Moreover, stabilization of the temperature of the coolant at a given level T _p - as in [2] - provides constant pressure - t (G) = T ₀ -T _p = t ₀ .

Следовательно, в расходомере, базирующемся на новом принципе - постоянстве температурного напора - интенсивность процесса конвективного теплообмена будет с ростом расхода возрастать за счет увеличения α(G). Рост конвективной теплоотдачи компенсируется ростом вводимой в измерительные термисторы мощности косвенного нагрева, становящейся функцией расхода W(G)_к.н.и обеспечивающей постоянство температуры измерительных термисторов.Consequently, in a flow meter based on a new principle - the constancy of the temperature head - the intensity of the convective heat transfer process will increase with increasing flow rate due to an increase in α (G). The increase in convective heat transfer is compensated by the increase in indirect heating power introduced into the measuring thermistors, which becomes a function of the flow rate W (G) _Ph.D. and providing constant temperature measurement thermistors.

Величина α(G, T(G), Т_г) зависит от температур ТЧЭ и теплоносителя [3]. В расходомере с W₀=const температура ТЧЭ с ростом расхода падает, в силу чего даже при неизменной температуре теплоносителя величина α(G, T(G)) будет уменьшаться. Поэтому ее увеличение с ростом расхода будет меньшим. У расходомера с t₀=const этого уменьшения α(G) не будет и с ростом расхода он будет возрастать на большую величину, чем у расходомера с W₀=const. Таким образом, режим работы расходомера с t₀=const (с переменной W(G)) обеспечивает в совокупности существенно большую интенсивность процесса конвективного теплообмена и, как следствие, большие значения точности и чувствительности.The value of α (G, T (G), T _g ) depends on the temperature of the solid-state element and the coolant [3]. In a flow meter with W ₀ = const, the temperature of the solid-state element decreases with increasing flow rate, and therefore, even at a constant coolant temperature, the value of α (G, T (G)) will decrease. Therefore, its increase with increasing consumption will be less. A flowmeter with t ₀ = const will not have this decrease in α (G), and with an increase in flow, it will increase by a larger amount than a flowmeter with W ₀ = const. Thus, the mode of operation of the flowmeter with t ₀ = const (with the variable W (G)) in the aggregate provides a significantly higher intensity of the convective heat transfer process and, as a result, large values of accuracy and sensitivity.

На чертеже изображен общий вид предложенного расходомера с постоянным температурным напором. Он содержит: теплоизолированный (внутри и снаружи в зависимости от условий эксплуатации) герметичный металлический корпус 1 с входным и выходным штуцерами (не показаны); нагреватель-теплообменник (ТО) 2 с нихромовой спиралью 10 внутри него; газораспределительную камеру (ГРК) 3, герметично соединенную с ТО и с четырьмя идентичными каналами 4, 4', 5, 5'; идентичные измерительные электрически последовательно соединенные термисторы 6, 6', включенные в качестве управляющих элементов в электронную схему 8 (СТР-1) стабилизации их теплового режима на задаваемом уровне, нагрузкой которой служат электрически последовательно соединенные спирали косвенного нагрева этих термисторов, и показывающий силу тока амперметр 9; термокомпенсационный термистор 7 в канале 5, включенный, как и в [2], в качестве управляющего элемента в электронную схему 13 (СТР-2) стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом уровне, нагрузкой которой служит спираль 10 теплообменника и дополнительные нагреватели 11, 11', 12, 12' на внешних поверхностях каналов; контролирующий температуру теплоносителя термистор 7' в канале 5', подключенный к измерителю его омического сопротивления омметру 14.The drawing shows a General view of the proposed flow meter with a constant temperature head. It contains: heat-insulated (inside and outside, depending on operating conditions) sealed metal housing 1 with inlet and outlet fittings (not shown); heater-heat exchanger (TO) 2 with a nichrome spiral 10 inside it; gas distribution chamber (GRK) 3, hermetically connected to and with four identical channels 4, 4 ', 5, 5'; identical measuring electrically in series connected thermistors 6, 6 'included as control elements in the electronic circuit 8 (STR-1) for stabilizing their thermal conditions at a predetermined level, the load of which are electrically connected in series indirect heating spirals of these thermistors, and showing amperage amperage 9; thermocompensation thermistor 7 in channel 5, included, as in [2], as a control element in an electronic circuit 13 (STR-2) for stabilizing the thermal regime of the coolant at a given level, the load of which is the coil 10 of the heat exchanger and additional heaters 11, 11 ' , 12, 12 'on the outer surfaces of the channels; controlling the temperature of the coolant thermistor 7 'in the channel 5' connected to the ohmic resistance meter ohmmeter 14.

Предлагаемый расходомер с t₀=const работает следующим образом. Через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Т_вх поступает в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т_г и попадает в газораспределительную камеру 3, делящую газовый поток на четыре одинаковые по расходу (G/4) и температуре потока, поступающие затем в измерительные 4, 4' каналы, в термокомпенсационный канал 5 и в контрольный канал 5' соответственно. При этом в расположенные входами друг к другу каналы - 4, 4' и 5, 5' - газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации продольной оси расходомера, чем и обеспечивается, как и у прототипа, ориентационная независимость его показаний.The proposed flow meter with t ₀ = const works as follows. Through the inlet fitting (not shown), the gas flow rate G and temperature T _I enter the heat exchanger 2, in which it is heated to a temperature T _g and enters the gas distribution chamber 3, dividing the gas stream into four identical in flow (G / 4) and flow temperature, then coming into the measuring 4, 4 'channels, into the temperature-compensating channel 5 and into the control channel 5', respectively. Moreover, in the channels 4, 4 'and 5, 5' located at the entrances to each other, gas flows with a flow rate of G / 4 and the same temperature flow in exactly opposite directions, regardless of the orientation of the longitudinal axis of the flow meter, which ensures that, like the prototype, orientational independence of his testimony.

ТЧЭ 7, размещенный в термокомпенсационном канале 5, принимает температуру Т_г вышедшего из теплообменника потока газа расходом G/4, и его омическое сопротивление становится равным R(T_г). Если Т_г≠Т_п - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т_вх и Т_c, под действием сигнала рассогласования ±ΔR(T_г, Т_п) с блока 13 управления мощностью (СТР-2) к спиралям 10, 11, 11', 12, 12', соединенным последовательно, подводится дополнительная мощность ±ΔW(T_г, Т_п), сводящая сигнал рассогласования к нулю. Это приводит, как и у прототипа, к стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом уровне Т_п, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т_вх и Т_c, т.е. его автономность. В отличие от прототипа управление СТР-2 осуществляется одним термистором 7. Качество ее работы контролируется с помощью 14 по величине сопротивления термистора 7', которая должна равняться R₇×(Т_п). Функции дополнительных нагревателей на внешних поверхностях каналов те же, что и у прототипа.TCE 7, placed in the temperature compensation channel 5, takes the temperature T _g of the gas stream exiting the heat exchanger with the flow rate G / 4, and its ohmic resistance becomes equal to R (T _g ). If T _g ≠ T _p - the maximum values of T _in and T _c according to the operating conditions, under the influence of a mismatch signal ± ΔR (T _g , T _p ) from the power control unit 13 (STR-2) to the spirals 10, 11, 11 ', 12, 12 ', connected in series, additional power ± ΔW (T _g , T _p ) is applied, which reduces the error signal to zero. This leads, as in the prototype, to stabilize the thermal regime of the coolant at a given level T _p , which ensures the independence of the flow meter readings from the values of T _I and T _c , i.e. its autonomy. Unlike the prototype, the control of the STR-2 is carried out by one thermistor 7. The quality of its work is controlled using 14 of the resistance value of the thermistor 7 ', which should be equal to R ₇ × (T _p ). The functions of the additional heaters on the external surfaces of the channels are the same as those of the prototype.

Теплочувствительные элементы 6, 6' в измерительных каналах 4, 4' нагреты током косвенного нагрева до некоторой задаваемой температуры Т₀>Т_п. При этом сопротивление каждого термистора становится равным R(T₀). Подача или изменение расхода приводят к изменению их сопротивления на величину ±ΔR(T₀, Т). Под действием этого сигнала рассогласования блок 8 управления силой тока косвенного нагрева (СТР-1) вырабатывает дополнительный ток ±ΔI_к.н.(Т₀,Т) (дополнительную мощность ±ΔW_к.н.(Т₀, Т)), сводящий сигнал рассогласования к нулю, вследствие чего температура термисторов вновь становится равной Т₀, а их сопротивление - R(Т₀). Сила установившегося тока I_к.н.(G) косвенного нагрева регистрируется амперметром 9. Таким образом, расходной характеристикой расходомера становится I_к.н.(G), а не R(G), как у прототипа.The heat-sensitive elements 6, 6 'in the measuring channels 4, 4' are heated by an indirect heating current to a predetermined temperature T ₀ > T _p . In this case, the resistance of each thermistor becomes equal to R (T ₀ ). The flow or change in flow rate leads to a change in their resistance by ± ΔR (T ₀ , T). Under the action of this mismatch signal, the indirect heating current control unit 8 (STR-1) generates an additional current of ± _{ΔI k.n.} (Т ₀ , Т) (additional power ± ΔW _к.н. (Т ₀ , Т)), reducing the error signal to zero, as a result of which the temperature of the thermistors again becomes equal to Т ₀ , and their resistance - R (Т ₀ ). The strength of the steady current I _Ph.D. (G) indirect heating is recorded by ammeter 9. Thus, the flow characteristic of the flow meter becomes I _KN (G), not R (G), as in the prototype.

Из каналов газовые потоки расходом G/4 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G через выходной штуцер (не показан) уходит в газовую сеть.From the channels, gas flows with a flow rate of G / 4 each enter the internal volume of the sealed housing 1 of the flow meter, and the gas flows through the outlet fitting (not shown) through the outlet fitting (not shown) into the gas network.

Системы стабилизации теплового режима измерительных термисторов (уровень Т₀) и теплоносителя (уровень Т_п) СТР-1 и СТР-2 представляют собой схемы резистивного деления напряжения (напряжение питания U_п=Const), управляющими элементами в которых служат сопротивления измерительных 6, 6' термисторов (2R(T₀)) и сопротивление термистора 7 (R(T_п)) соответственно. Другим элементом схемы служат переменные резисторы, сопротивление которых выставляется равным 2R(T₀) в СТР-1 и R(T_п) - в СТР-2 в зависимости от задаваемых уровней Т₀ и Т_п. Напряжение, снимаемое с термисторов 6, 6', подается на вход усилителя тока косвенного нагрева, нагрузкой которого служат спирали этих термисторов, а с термистора 7 - на вход усилителя тока, нагрузкой которого служат, как и у прототипа, спираль 10 теплообменника и нагреватели 11, 11', 12, 12' на внешних поверхностях каналов.Stabilization systems for thermal conditions of measuring thermistors (level T ₀ ) and coolant (level T _p ) СТР-1 and СТР-2 are resistive voltage division circuits (supply voltage U _п = Const), in which control elements are measuring resistances 6, 6 'thermistors (2R (T ₀ )) and the resistance of thermistor 7 (R (T _p )), respectively. Another element of the circuit are variable resistors, the resistance of which is set equal to 2R (T ₀ ) in STR-1 and R (T _p ) in STR-2, depending on the specified levels of T ₀ and T _p . The voltage removed from the thermistors 6, 6 'is supplied to the input of the indirect current amplifier, the load of which are the spirals of these thermistors, and from the thermistor 7 to the input of the current amplifier, the load of which, like the prototype, is the coil 10 of the heat exchanger and heaters 11 , 11 ', 12, 12' on the outer surfaces of the channels.

Расходомер может работать и в режиме ручного управления. В этом случае измерительные термисторы 6, 6' подключаются к измерителю сопротивления (омметру), как и у прототипа. При отклонении его показаний от величины 2R(T₀) оператор изменяет силу тока косвенного нагрева так, чтобы сопротивление стало равным 2R(T₀). Выходным сигналом является сила тока косвенного нагрева, регистрируемая 9.The flow meter can also work in manual control mode. In this case, the measuring thermistors 6, 6 'are connected to a resistance meter (ohmmeter), as in the prototype. If his readings deviate from the value of 2R (T ₀ ), the operator changes the strength of the indirect heating current so that the resistance becomes equal to 2R (T ₀ ). The output signal is the current strength of indirect heating, recorded 9.

Пример реализации. На базе термисторов СТ1-27 с косвенным нагревом был создан расходомер с постоянным температурным напором (Т₀=348K, Т_п=308K, t₀=40K). Полученные расходные характеристики I_к.н.(G) азота и аргона носят близкий к линейному характер (отклонение <3%) в диапазоне расхода от нуля до ~12 мг/с. При этом диапазон изменения силы тока косвенного нагрева составил: 12,8÷16,7 мА у азота и 11,6÷14,7 мА у аргона, а мощность косвенного нагрева изменялась в диапазоне ~16÷27 мВт у азота и ~13÷21 мВт у аргона. Температура теплоносителя поддерживалась системой СТР-2 на уровне Т_п±0,12K. Усредненная по диапазону чувствительность dW(G)/dG составила: у азота - 1123 мкВт/(мг/с), у аргона - 792 мкВт/(мг/с), а у расходомера постоянной мощности она равна 325 Ом/(мг/с) и 250 Ом/(мг/с) соответственно.Implementation example. Based on CT1-27 thermistors with indirect heating, a flow meter with a constant temperature head was created (T ₀ = 348K, T _p = 308K, t ₀ = 40K). The resulting flow characteristics I _Ph.D. (G) nitrogen and argon are close to linear (deviation <3%) in the flow range from zero to ~ 12 mg / s. In this case, the range of variation of the indirect heating current strength was: 12.8 ÷ 16.7 mA for nitrogen and 11.6 ÷ 14.7 mA for argon, and the indirect heating power varied in the range of ~ 16 ÷ 27 mW for nitrogen and ~ 13 ÷ 21 mW in argon. The temperature of the coolant was maintained by the STR-2 system at the level of T _p ± 0.12 K. The range-averaged sensitivity dW (G) / dG was: for nitrogen - 1123 μW / (mg / s), for argon - 792 μW / (mg / s), and for a flowmeter of constant power, it is 325 Ohm / (mg / s ) and 250 Ohm / (mg / s), respectively.

Источники информацииInformation sources

1. Патент FR №2459962, МКИ G01F 1/68.1. FR patent No. 2459962, MKI G01F 1/68.

2. Румянцев А.В. Тепловой микрорасходомер газа. Патент RU №2262666, МКИ G01F 1/68, 2005.2. Rumyantsev A.V. Thermal gas micro flow meter. Patent RU No. 2262666, MKI G01F 1/68, 2005.

3. Лыков А.В. Тепломассообмен: (Справочник). - М.: Энергия, 1978, с.223.3. Lykov A.V. Heat and mass transfer: (Reference). - M .: Energy, 1978, p.223.

Claims

A thermal micro-gas flow meter, comprising a housing with a controlled power heat exchanger located in it, a gas distribution chamber and two measuring and two thermal compensation channels hermetically connected to it, in which heat-sensitive elements are placed in the form of identical thermistors with indirect heating, while a thermistor in one thermal compensation channel is included in as a control element in the electronic circuit for stabilizing the thermal regime of the coolant at a given temperature level, from which means that to ensure a constant temperature head, the measuring thermistors as control elements are included in the electronic circuit for stabilizing their thermal regime at a given temperature level, and the thermistor located in the second thermal compensation channel is connected to its ohmic resistance meter to control the quality of the stabilization circuit of the thermal medium .