RU2460047C1 - Electrooptical gas or liquid flow meter - Google Patents
Electrooptical gas or liquid flow meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2460047C1 RU2460047C1 RU2011114458/28A RU2011114458A RU2460047C1 RU 2460047 C1 RU2460047 C1 RU 2460047C1 RU 2011114458/28 A RU2011114458/28 A RU 2011114458/28A RU 2011114458 A RU2011114458 A RU 2011114458A RU 2460047 C1 RU2460047 C1 RU 2460047C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- flow
- heat
- inputs
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, в частности к тепловой меточной расходометрии газообразных или жидких сред.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to thermal mark flow metering of gaseous or liquid media.
Известны расходомеры потока газа или жидкости, принцип работы которых основан на измерении времени переноса потоком тепловой метки между двумя регистрационными сечениями, образующими контрольный участок измерительного трубопровода. В известных расходомерах фиксация момента нахождения в регистрационном сечении некоторой реперной точки тепловой метки осуществляется термодетекторами, традиционное построение которых основано на применении терморезисторов в качестве первичных термопреобразователей. При этом используется теплопередача от тепловой метки к преобразователю посредством термоконвекции и теплопроводности (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Изд. 4-е. Л.: Машиностроение, 1989).Known flowmeters of a gas or liquid flow, the principle of operation of which is based on measuring the time taken by the flow to transfer a heat mark between two registration sections forming a control section of the measuring pipeline. In known flowmeters, fixing the moment when a certain reference point of the heat mark is in the registration section is carried out by thermal detectors, the traditional construction of which is based on the use of thermistors as primary thermal converters. In this case, heat transfer from the heat mark to the converter is used by means of thermal convection and heat conduction (Kremlevsky P.P. Flow meters and quantity counters. Handbook. Edition. 4th. L .: Engineering, 1989).
Однако при всем типовом многообразии и конструктивных особенностях терморезисторных преобразователей им присущ общий принципиальный недостаток - большая инерционность. У самых быстродействующих из полупроводниковых терморезисторов (термисторов) тепловая постоянная времени имеет значение более (0,5-1,0) с. Лишь незначительно менее инерционны тонкопроволочные терморезисторы, но они, кроме того, хрупки и не надежны.However, with all the typical variety and design features of thermistor converters, they have a common fundamental flaw - a large inertia. For the fastest of the semiconductor thermistors (thermistors), the thermal time constant has a value of more than (0.5-1.0) s. Thin-wire thermistors are only slightly less inertial, but they are also fragile and not reliable.
Известен расходомер, в конструктивном исполнении которого предпринята попытка уменьшить влияние инерционности терморезисторов на процесс измерения за счет выбора и фиксации в качестве реперной точки отсчета времени - момента максимального значения видеосигнала, вырабатываемого термодетектором при восприятии им тепла от переносимой метки (патент RU № 2152593 C1, Способ измерения расхода потока, кл. G01F 1/708, 2000, БИ №19).A known flowmeter, in the design of which an attempt was made to reduce the influence of inertia of thermistors on the measurement process by selecting and fixing as a reference point the time — the maximum value of the video signal generated by the thermal detector when it receives heat from the transferred mark (patent RU No. 2152593 C1, Method flow rate measurements, class G01F 1/708, 2000, BI No. 19).
Однако терморезистивный преобразователь как самое инерционное звено в измерительной цепи сглаживает выходной видеосигнал. Поэтому фронты видеосигнала пологие, вершина плоская, а максимальный уровень имеет обратную зависимость от скорости тепловой метки. Операция выбора и фиксации некоторой реперной точки в этих условиях приобретает неустойчивый, размытый характер. Этот фактор является принципиально негативным. Он отрицательно влияет на точность измерений и ограничивает верхний предел диапазона измеряемых скоростей и расходов.However, the thermoresistive converter as the most inertial element in the measuring circuit smooths the output video signal. Therefore, the fronts of the video signal are gentle, the peak is flat, and the maximum level has an inverse dependence on the speed of the heat mark. The operation of selecting and fixing a certain reference point in these conditions becomes unstable, blurry. This factor is fundamentally negative. It negatively affects the accuracy of measurements and limits the upper limit of the range of measured speeds and flows.
Среди аналогов наиболее близким по своей структуре (прототипом) к заявленному расходомеру является тепловой меточный расходомер, описание которого приведено в патенте RU 2299404 C2, Бесконтактный тепловой расходомер жидкости, кл. G01F 1/708, 1/69 15/02, 2007, БИ №14. Этот расходомер содержит: измерительный трубопровод, генератор тепловой метки с нагревателем, контроллер нагрева, индикатор расхода, вычислитель скорости и расхода, таймер, регистратор переноса тепловой метай, состоящий из теплового детектора на входе и вторичного преобразователя сигналов детектора на выходе, сигналы от которого поступают в таймер.Among the analogues, the closest in structure (prototype) to the claimed flowmeter is a thermal tagged flowmeter, the description of which is given in patent RU 2299404 C2, Non-contact thermal fluid flowmeter, class. G01F 1/708, 1/69 15/02, 2007, BI No. 14. This flow meter contains: a measuring pipeline, a heat tag generator with a heater, a heating controller, a flow indicator, a speed and flow calculator, a timer, a heat meter transfer recorder consisting of a heat detector at the input and a secondary converter of the detector signals at the output, the signals from which are fed to timer.
Расходомер-прототип имеет относительно низкую точность измерения скорости и объемного расхода потока, а также низкий предел верхней границы диапазона измеряемых скоростей и расходов, вследствие влияния на процесс измерения принципиально не устранимого фактора тепловой инерционности первичных термопреобразователей, в качестве которых традиционно использованы терморезистивные элементы.The prototype flowmeter has a relatively low accuracy in measuring the speed and volumetric flow rate, as well as a low limit of the upper boundary of the range of measured velocities and expenses, due to the influence on the measurement process of the fundamentally unavoidable factor of thermal inertia of the primary thermocouples, which are traditionally used thermistor elements.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения скорости и расхода потока газа или жидкости, а также в расширении диапазона измеряемых величин за счет минимизации инерционности первичного преобразования тепловой энергии метки в измерительный сигнал, при схемотехническом упрощении расходомера.The technical result to which the invention is directed is to increase the accuracy of measuring the speed and flow rate of a gas or liquid, as well as expanding the range of measured values by minimizing the inertia of the primary conversion of the thermal energy of the mark into a measuring signal, while simplifying the flowmeter circuitry.
Технический результат достигается тем, что в оптико-электронном расходомере потока газа или жидкости, содержащем измерительный трубопровод с выравнивателем потока на входе, управляемый генератор тепловой метки с импульсным нагревателем, контроллер нагрева, подключенный выходом к управляющему входу генератора, индикатор расхода, вычислитель скорости и расхода потока, подключенный первым выходом, информирующим о расходе, ко входу индикатора, а вторым выходом, информирующим о скорости - к первому входу контроллера, снабженный разрешающим и запрещающим входами таймер, подключенный выходом ко входу вычислителя, а также первый, подключенный выходом к разрешающему входу таймера, и второй, подключенный выходом к запрещающему входу таймера, - два идентичных регистратора тепловой метки, каждый из которых на входе содержит тепловой детектор и на выходе - подключенный к выходным электродам детектора вторичный преобразователь, причем, детекторы первого и второго регистраторов расположены относительно нагревателя разнодистантно по ходу потока на фиксированном расстоянии, образующем контрольный участок. При этом тепловой детектор выполнен в виде оптико-электронного узла, содержащего координатно-чувствительный приемник теплового излучения, снабженный центральным и двумя плечевыми выходными электродами, нанесенный на внутреннюю поверхность трубопровода отражатель-формирователь излучаемого тепловой меткой инфракрасного лучистого потока, инфракрасное окно вывода из трубопровода излучения тепловой метки и инфракрасный объектов, фокусирующий излучение тепловой метки на чувствительную поверхность приемника, причем, вторичный преобразователь выполнен в виде электрической цепи, содержащей на входе в цепь мостовую схему включения координатно-чувствительного приемника, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель и на выходе из цепи нуль-орган, снабженный измерительным и синхронизирующим входами и стробирующим выходом, причем координатно-чувствительный приемник подключен по дифференциальной схеме тремя выходными электродами к входным смежным плечам мостовой схемы, к выходным смежным плечам которой параллельно подключены входы дифференциального и суммирующего усилителей, к выходу дифференциального усилителя подключен измерительный вход нуль-органа, стробирующий выход которого соединен с соответствующим входом таймера, расходомер также содержит блок сравнения, подключенный первым и вторым входами к выходам суммирующих усилителей соответственно первого и второго регистраторов, первым и вторым выходами, информирующими о длительности входных импульсов, - ко входам синхронизации нуль-органов соответственно первого и второго регистраторов, а третьим выходом, информирующем об амплитуде входных импульсов, - ко второму входу контроллера, выход которого имеет два канала - первый для управления нагревателем по мощности импульса нагрева, второй - по длительности импульса.The technical result is achieved by the fact that in the optical-electronic flow meter of a gas or liquid stream containing a measuring pipe with a flow equalizer at the inlet, a controlled heat label generator with a pulsed heater, a heating controller connected to the control input of the generator by an output, a flow indicator, a speed and flow calculator flow connected by the first output informing about the flow to the indicator input, and the second output informing about the speed - to the first controller input, equipped with permissive m and with inhibit inputs, a timer connected by an output to the input of the calculator, as well as the first one connected by an output to the enable input of the timer, and the second connected by an output to the inhibit input of the timer, are two identical heat label recorders, each of which contains a thermal detector at the input and the output is a secondary converter connected to the output electrodes of the detector, and the detectors of the first and second registrars are located relative to the heater differently along the flow at a fixed distance, the image a control plot. In this case, the thermal detector is made in the form of an optoelectronic assembly containing a coordinate-sensitive receiver of thermal radiation, equipped with a central and two shoulder output electrodes, a reflector-shaper of the infrared radiant flux emitted by the thermal mark applied to the inner surface of the pipeline, an infrared window for outputting thermal radiation from the pipeline tags and infrared objects, focusing the radiation of the heat label on the sensitive surface of the receiver, moreover, the secondary conversion The caller is made in the form of an electric circuit containing, at the input to the circuit, a bridge circuit for turning on the coordinate-sensitive receiver, a differential amplifier, a summing amplifier, and a zero-organ at the circuit output, equipped with measuring and synchronizing inputs and a gating output, and the coordinate-sensitive receiver is connected via differential circuit with three output electrodes to the input adjacent shoulders of the bridge circuit, to the output adjacent shoulders of which the inputs of the differential and summing are connected in parallel of amplifiers, the measuring input of the zero-organ is connected to the output of the differential amplifier, the gate output of which is connected to the corresponding timer input, the flow meter also contains a comparison unit connected by the first and second inputs to the outputs of the summing amplifiers of the first and second recorders, respectively, the first and second outputs informing about the duration of the input pulses, to the synchronization inputs of the null organs of the first and second registrars, respectively, and the third output informing about the input amplitude pulses, - to the second input of the controller whose output has two channels - the first heater to control the heating power of the pulse, the second - on the pulse duration.
Расходомер иллюстрируется чертежами, на которых изображено: на фиг.1 - функциональная схема расходомера; на фиг.2 - вид оптико-электронного узла со стороны поперечного сечения измерительного трубопровода; на фиг.3 - мостовая схема включения КЧ - приемника излучения; на фиг.4 - диаграммы, поясняющие принцип работы расходомера, где: а) пеленгационные (разностные) видеосигналы UΔ(t), б) синхронизирующие (суммарные) видеосигналы UΣ(t), в) измерительные строб-импульсы UC(t); на фиг.5 - типичная пеленгационная характеристика (ПХ) КЧ-приемника.The flow meter is illustrated by drawings, which depict: in Fig.1 - functional diagram of the flow meter; figure 2 is a view of the optoelectronic node from the side of the cross section of the measuring pipeline; figure 3 is a bridge circuit for turning on the RF - radiation receiver; figure 4 - diagrams explaining the principle of operation of the flowmeter, where: a) direction-finding (differential) video signals U Δ (t), b) synchronizing (total) video signals U Σ (t), c) measuring strobe pulses U C (t ); figure 5 is a typical direction-finding characteristic (PX) of the RF receiver.
Суть решения поставленной технической задачи заключается в том, что для выполнения функции обнаружения тепловой метки в измеряемом потоке и фиксации момента ее переноса через регистрационное сечение трубопровода применен координатно-чувствительный приемник теплового излучения (КЧ ПТИ), работающий в инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне, то есть, в диапазоне собственного электромагнитного излучения тепловой метки. Важная функциональная особенность КЧ-приемников излучения состоит в том, что они включаются в измерительную цепь по дифференциальной схеме (так называемая трехточка), что обеспечивает взаимную компенсацию в измерительной цепи потенциалов от фонового излучения. Это позволяет обнаруживать на равномерном фоне локально излучающие области, в частности - тепловые метки, и пеленговать их по энергетическому центру их изображений (Анохин A.M., Кравченко A.M. // Автоматика и телемеханика. 2008. №1. С. 152-161).The essence of solving the technical problem lies in the fact that to perform the function of detecting a heat mark in the measured flow and fixing the moment of its transfer through the registration cross section of the pipeline, a coordinate-sensitive heat radiation detector (RF PT) operating in the infrared (IR) spectral range is used, then there is, in the range of the intrinsic electromagnetic radiation of the heat label. An important functional feature of RF radiation receivers is that they are included in the measuring circuit according to a differential circuit (the so-called three-point), which provides mutual compensation in the measuring circuit of potentials from background radiation. This makes it possible to detect locally radiating regions against a uniform background, in particular, thermal marks, and to locate them along the energy center of their images (Anokhin A.M., Kravchenko A.M. // Automation and Telemechanics. 2008. No. 1. P. 152-161).
Не стандартизованный, но широко употребляемый в научно-технической литературе термин «энергетический центр изображения» (ЭЦИ) в контексте решаемой задачи целесообразно определить следующим образом - это точка на изображении тепловой метки, характеризующая энергетический баланс лучистого воздействия на чувствительную поверхность приемника относительно любой оси, проведенной через эту точку. В центросимметричной системе координат входной апертуры КЧ-приемника излучения координаты ЭЦИ можно вычислить как отношение интегрального момента первого порядка от функции пространственно распределенной облученности к ее интегральному моменту нулевого порядка, т.е. к общей мощности облучения.It is advisable to define the term “image center of energy” (ECI) in the context of the problem that is not standardized, but widely used in the scientific and technical literature, as the point on the image of the heat mark characterizing the energy balance of the radiant effect on the sensitive surface of the receiver relative to any axis drawn through this point. In the centrosymmetric coordinate system of the input aperture of the RF radiation receiver, the coordinates of the ECI can be calculated as the ratio of the integral moment of the first order from the function of spatially distributed irradiation to its integral moment of zero order, i.e. to the total radiation power.
Аппаратурно функция определения координат ЭЦИ осуществляется в аналоговом виде координатно-чувствительным фотоприемным устройством (КЧ ФПУ), которое содержит на входе КЧ-приемник излучения, затем - мостовую схему его включения и дифференциальный усилитель на выходе. Положительный эффект в предложенном техническом решении основывается на точной регистрации КЧ-приемником нулевой координаты ЭЦИ.The hardware function of determining the coordinates of the ECI is carried out in analog form by a coordinate-sensitive photodetector (RF FPU), which contains an RF radiation receiver at the input, then a bridge circuit for its inclusion and a differential amplifier at the output. The positive effect in the proposed technical solution is based on accurate registration by the RF receiver of the zero coordinate of the ECI.
Постоянные времени приемников ИК-излучения на несколько порядков меньше, чем у терморезисторов и имеют значения в окрестности 10-5 сек. Это обеспечивает возможность измерять практически любые скорости потоков, в которых может быть сформирована тепловая метка. При этом температура нагрева тепловой метки должна поддерживаться на уровне, соответствующем спектральному максимуму чувствительности КЧ ПТИ. Так для фотоприемника, построенного на основе монокристалла актимонида индия (InSb), имеющего спектральный максимум в окрестности 6-ти мкм, нагрев тепловой метки согласно закону спектрального смещения Голицына-Вина должен поддерживаться в окрестности температур 150-200°C.The time constants of infrared radiation detectors are several orders of magnitude smaller than that of thermistors and have values in the vicinity of 10 -5 sec. This provides the ability to measure virtually any flow rate at which a heat mark can be formed. At the same time, the heating temperature of the heat label must be maintained at a level corresponding to the spectral maximum sensitivity of the RF CCI. So for a photodetector based on a single crystal of indium actimonide (InSb), having a spectral maximum in the vicinity of 6 μm, heating of the heat mark according to the Golitsyn-Vin spectral shift law should be maintained in the vicinity of temperatures of 150-200 ° C.
Наличие в предложенном техническом решении указанной совокупности признаков, отличающих его от прототипа, обусловливает появления в нем свойств, предопределяющих положительный эффект, то есть достижение технического результата.The presence in the proposed technical solution of the specified set of features that distinguish it from the prototype, determines the appearance in it of properties that predetermine a positive effect, that is, the achievement of a technical result.
На фигурах (1-5) приняты следующие обозначения: измерительный трубопровод 1; выравниватель 2 потока; управляемый генератор 3 тепловой метки; нагреватель 4; контроллер 5 нагрева; индикатор 6 расхода; вычислитель 7 скорости и расхода потока; таймер 8; первый и второй регистраторы 9.1 и 9.2 тепловой метки; первый и второй тепловые детекторы 10.1 и 10.2; первый и второй вторичные преобразователи 11.1 и 11.2; первый и второй координатно-чувствительные приемники ИК-излучения 12.1 и 12.2; отражатель-формирователь 13 ИК-лучистого потока; первое и второе ИК-окна 14.1 и 14.2; первый и второй ИК-объективы 15.1 и 15.2; первая и вторая мостовые схемы 16.1 и 16.2 включения приемника, где: Rб1,2 - входные (балансировочные) плечевые резисторы, Rн1,2 - выходные (нагрузочные) плечевые резисторы, Uвых1,2 - выходные плечевые напряжения мостовой схемы; первый и второй дифференциальные усилители (ДУ1 и ДУ2) 17.1 и 17.2; первый и второй суммирующие усилители (СУ1 и СУ2) 18.1 и 18.2; первый и второй нуль-органы 19.1 и 19.2; блок сравнения 20; L - длина контрольного участка, S - эффективная площадь сечения трубопровода, Δt - время переноса метки по контрольному участку, V - скорость переноса метки (местная скорость потока), G - объемный расход потока, Ри - мощность импульса нагрева, τи - длительность импульса нагрева, {D} - массив установочных данных, Кф - коэффициент фоновой контрастности, ρ - плотность текучей среды.In the figures (1-5), the following designations are adopted: measuring pipeline 1; flow equalizer 2; controlled generator 3 thermal labels; heater 4; heating controller 5;
Для устойчивой работы расходомера необходимо выдерживать на заданном уровне два главных параметра тепловой метки - излучательную способность, обеспечивающую ее надпороговую контрастность относительно фона, и продольный размер, ограничиваемый размером приемника излучения. На оба эти параметра влияет фактор скорости тепловой метки - чем выше скорость, тем длиннее и холоднее (не контрастнее) метка и тем интенсивнее охлаждение нагревателя. Поэтому в устройство расходомера введены корректирующие обратные связи по скорости V переноса тепловой метки и по коэффициенту Кф фоновой контрастности ее излучения, где Кф=UΣ/Uф, Uф - фоновое напряжение на выходе СУ1, UΣ - амплитуда видеосигнала на выходе СУ2 (фиг.4б).For stable operation of the flowmeter, it is necessary to maintain at a given level two main parameters of the heat label - the emissivity, which provides its supra-threshold contrast relative to the background, and the longitudinal size, limited by the size of the radiation receiver. Both of these parameters are affected by the speed factor of the heat label - the higher the speed, the longer and colder (not contrast) the label and the more intense the cooling of the heater. Therefore, corrective feedbacks have been introduced into the flowmeter device in terms of the transfer speed V of the heat label and the coefficient K f of the background contrast of its radiation, where K f = U Σ / U f , U f is the background voltage at the output SU1, U Σ is the amplitude of the video signal at the output SU2 (figb).
Расходомер работает следующим образом. Предварительно в контроллер 5, задающий параметры (мощность Ри и длительность τи) импульса нагрева, образующего в текучей среде тепловую метку, вводят массив {D} нормирующих уставок характеризующих теплофизические свойства среды, в частности - теплопроводность, плотность, теплоемкость, ИК-прозрачность и др., а также - ограничение по мощности нагрева, связанное с физико-химической устойчивостью среды к температуре. При этом, как отмечалось, необходимо учитывать, что с ростом скорости потока метка удлиняется и падает ее температура. Поэтому требуется автоматическая корректировка мощности и длительности импульса генерации по скорости метки и ее тепловой контрастности.The flow meter operates as follows. Preliminarily, an array {D} of normalizing settings characterizing the thermophysical properties of the medium, in particular, thermal conductivity, density, heat capacity, IR transparency, is introduced into the controller 5, which sets the parameters (power P and and duration τ and ) of the heating pulse forming a heat mark in the fluid and others, as well as a restriction on the heating power associated with the physicochemical resistance of the medium to temperature. In this case, as noted, it must be taken into account that with increasing flow velocity, the mark lengthens and its temperature drops. Therefore, automatic correction of the power and duration of the generation pulse according to the speed of the mark and its thermal contrast is required.
В процессе работы расходомера генератор 3 вырабатывает по командам от контроллера 5 электрические импульсы, формирующие посредством нагревателя 4 тепловую метку в потоке. Переносимая потоком тепловая метка поочередно попадает в поле зрения сначала первого теплового детектора 10.1, а затем второго - 10.2. ИК-излучение, исходящее от тепловой метки, собирается профилированным отражателем-формирователем 13, проходит через выходное ИК-окно 14 и проецируется ИК-объективом 15 на чувствительную поверхность КЧ ПТИ 12 (фиг.2) (Захаров Н.П., Тимошенков С.П.. Крупнов Ю.А. Оптикоэлектронные узлы электронно-вычислительных средств, измерительных приборов и устройств автоматики. - М.: БИНОМ, 2009, с.244-257). Перемещаясь по этой поверхности, ИК-изображение тепловой метай формирует на выходных электродах КЧ ПТИ плечевые видеосигналы, которые поступают по трехпроводной линии связи в сбалансированную мостовую схему 16 включения фотоприемника. С выходных нагрузочных резисторов мостовой схемы плечевые видеосигналы подаются параллельно на входы дифференциального усилителя 17 и суммирующего усилителя 18. Дифференциальный усилитель формирует разностный сигнал UΔ разбалансировки мостовой схемы. Функциональная зависимость величины и знака разностного сигнала от координаты ЭЦИ описывается пеленгационной (т.е. координатной) характеристикой (ПХ) КЧ ПТИ (фиг.5) (Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986, с.79-86).In the process of operation of the flow meter, the generator 3 generates, upon instructions from the controller 5, electrical pulses that form a heat mark in the stream by means of the heater 4. The heat mark transferred by the flow alternately enters the field of view of the first thermal detector 10.1, and then the second - 10.2. The infrared radiation coming from the heat mark is collected by the profiled reflector-
В процессе движения тепловой метки на выходе ДУ формируется временная развертка разностного сигнала, т.е. - пеленгационный видеосигнал UΔ(t) (фиг.4а), который поступает на измерительный вход нуль-органа 19. Нуль-орган в момент, когда пеленгационный видеосигнал принимает нулевое значение, генерирует строб-импульс UC(t) (фиг.4в), который подается на соответствующий вход таймера 8. Строб-импульсы от первого нуль-органа 19.1 (стартовые) поступают на вход разрешения счета времени, а строб-импульсы от второго нуль-органа 19.2 (финишные) - на вход запрета счета времени. Таким образом определяется время Δt переноса тепловой метки по контрольному участку длиной L. В оцифрованном виде значения Δt поступают на вход вычислителя 7.During the movement of the heat mark at the output of the remote control, a temporary scan of the difference signal is formed, i.e. - direction finding video signal U Δ (t) (Fig. 4a), which is fed to the measuring input of the zero-organ 19. The zero-organ at the time when the direction-finding video signal takes a zero value, generates a strobe pulse U C (t) (Fig. 4c) ), which is fed to the corresponding input of timer 8. The strobe pulses from the first zero-organ 19.1 (start) are received at the time resolution enable input, and the strobe pulses from the second zero-organ 19.2 (finish) are sent to the time prohibition input. Thus, the time Δt of the transfer of the heat mark over the control section of length L. is determined. In the digitized form, the values of Δt are supplied to the input of the calculator 7.
Вычислитель вычисляет значение местной скорости V потока (т.е. скорости метки) и по средней скорости потока, определяемой через коэффициент пересчета, вычисляет объемный расход G (при известной плотности текучей среды - также массовый расход), значение которого отображается на индикаторе 6. Цифровое значение скорости V тепловой метки подается на первый измерительный вход контроллера 5 нагрева, который при наличии измеренного значения Кф на втором входе и уставок {D} на установочном входе задает величины мощности Ри и длительности τи импульса нагрева. Этим импульсом начинается очередной цикл измерения.The calculator calculates the value of the local flow velocity V (i.e., mark speed) and, based on the average flow velocity determined through the conversion factor, calculates the volumetric flow rate G (at a known fluid density - also the mass flow rate), the value of which is displayed on
Для того чтобы не допустить возможность ложных измерений и заблокировать ложные сигналы от нуль-органов, в расходомер введена электрическая цепь формирования временных окон для приема-передачи измерительных строб-импульсов. Эта цепь состоит из двух суммирующих усилителей - 18.1 (СУ1) и 18.2 (СУ2) и блока 20 сравнения. Работает она следующим образом. При попадании тепловой метки в поле зрения одного из детекторов, допустим - первого, на выходе СУ1 появляется суммарный видеосигнал UΣ(t) (фиг.4б) - сумма плечевых видеосигналов, снимаемых с нагрузочных резисторов первой мостовой схемы 16.1 (фиг.3). При этом на выходе СУ2 присутствует незначительное напряжение от теплового фона, создаваемого текучей средой. Видеосигнал от СУ1 и фоновое напряжение от СУ2 поступают на соответствующие первый и второй входы блока 20 сравнения, в котором взаимно вычитаются. В результате на первом выходе блока сравнения появляется положительный позиционный сигнал, равный по длительности суммарному видеосигналу от СУ1. Этот позиционный сигнал подается в качестве разрешающего синхроимпульса на синхронизирующий вход первого нуль-органа 19.1. Таким образом формируется временное окно разрешения на генерацию стартового (от первого регистратора) строб-импульса. Временное окно разрешения на генерацию финишного (от второго регистратора) строб-импульса формируется аналогичным образом при появлении тепловой метки в поле зрения второго детектора. При этом позиционный сигнал синхронизации имеет отрицательную полярность и появляется на втором выходе блока сравнения 20 (фиг.1). В то время, когда тепловая метка отсутствует в поле зрения обоих детекторов и на выходах ДУ1 и ДУ2 нулевые напряжения, тогда состояние сигналов в цепи синхронизации таково: на выходах СУ1 и СУ2 присутствуют одинаковые фоновые напряжения, и в результате их взаимного вычитания на выходе блока сравнения образуется нулевой потенциал, который запрещает по синхронизирующим входам нуль-органов генерацию измерительных строб-импульсов.In order to prevent the possibility of false measurements and block false signals from null organs, an electric circuit for generating time windows for receiving and transmitting measuring strobe pulses has been introduced into the flowmeter. This circuit consists of two summing amplifiers - 18.1 (SU1) and 18.2 (SU2) and a comparison unit 20. It works as follows. When a heat mark falls into the field of view of one of the detectors, say the first one, the total video signal U Σ (t) appears on the output of SU1 (Fig.4b) - the sum of the shoulder video signals taken from the load resistors of the first bridge circuit 16.1 (Fig.3). At the same time, at the output of SU2 there is a slight voltage from the thermal background created by the fluid. The video signal from SS1 and the background voltage from SS2 are supplied to the corresponding first and second inputs of the comparison unit 20, in which they are mutually subtracted. As a result, at the first output of the comparison unit, a positive positional signal appears, equal in duration to the total video signal from SU1. This positional signal is supplied as an enable sync pulse to the clock input of the first zero-organ 19.1. In this way, a time window for permission to generate a start (from the first recorder) strobe pulse is formed. The time window for permission to generate the finish (from the second recorder) strobe pulse is formed in a similar way when a thermal mark appears in the field of view of the second detector. In this case, the positional synchronization signal has a negative polarity and appears on the second output of the comparison unit 20 (Fig. 1). At that time, when the heat mark is absent in the field of view of both detectors and at the outputs ДУ1 and ДУ2 there are zero voltages, then the state of the signals in the synchronization circuit is as follows: at the outputs СУ1 and СУ2 there are identical background voltages, and as a result of their mutual subtraction at the output of the comparison unit a zero potential is formed, which prohibits the generation of measuring strobe pulses at the synchronizing inputs of the null organs.
Из литературных источников известно, что типичный диапазон нагрева тепловых меток выбирают в окрестности температур порядка (70-500)°С. Это соответствует спектральным максимумам длины волн излучения λmax=(4-9) мкм (в обратном порядке соответствия) согласно закону спектрального смещения Голицина-Вина. Для детектирования излучения в этом спектральном диапазоне применяют серийно выпускаемые ПТИ болометрического (БМ), пироэлектрического (ПЭ) и фотоэлектрического (ФЭ) типов (Юшин A.M. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Справочник в 5-ти томах. - М.: Радио Софт, 1999-2007, т.5). Каждый из этих типов имеет свою целевую специфику применения. Болометры и пироэлектрики обладают тем преимуществом, что равномерно чувствительны к излучению в широком спектральном диапазоне, как правило, от (1-2) мкм до (15-20) мкм. В физическом отношении для работы с ИК источниками излучения более эффективны охлаждаемые ПТИ. Однако они дороги, конструктивно сложны, громоздки и неудобны в эксплуатации, так как требуют периодического пополнения расходуемого хладагента. Поэтому для относительно не далекого ИК-диапазона излучения, (4-9) мкм, возможно и целесообразно использовать малогабаритные неохлаждаемые БМ и ПЭ ПТИ, типовой ряд которых довольно обширен. В этом ряду выпускается много марок ПТИ с двух- и многоплощадными чувствительными элементами, например: БП-5Б, БКМ-4, НБГ-2, БП-3В, БП-7, БП-8 и другие. Дифференциально-мостовая схема включения смежных чувствительных площадок позволяет предать этим ПТИ функцию координатой чувствительности и обеспечивает при этом инвариантность координирования ЭЦИ по отношению к фоновой засветке.From literary sources it is known that a typical range of heating of heat labels is chosen in the vicinity of temperatures of the order of (70-500) ° C. This corresponds to the spectral maxima of the radiation wavelength λ max = (4-9) μm (in the reverse order of correspondence) according to the Golitsin-Vin spectral displacement law. For detecting radiation in this spectral range, commercially available PTI bolometric (BM), pyroelectric (PE) and photoelectric (PV) types are used (Yushin AM Optoelectronic devices and their foreign analogues. Handbook in 5 volumes. - M .: Radio Soft, 1999-2007, v.5). Each of these types has its own specific application. Bolometers and pyroelectrics have the advantage of being uniformly sensitive to radiation in a wide spectral range, as a rule, from (1-2) microns to (15-20) microns. In physical terms, cooled PTIs are more effective for working with IR radiation sources. However, they are expensive, structurally complex, bulky and inconvenient to operate, as they require periodic replenishment of the consumed refrigerant. Therefore, for a relatively not far infrared range of radiation, (4–9) μm, it is possible and expedient to use small-sized uncooled BM and PE PTI, the range of which is quite extensive. In this series, many PTI brands with two- and multi-area sensitive elements are produced, for example: BP-5B, BKM-4, NBG-2, BP-3V, BP-7, BP-8 and others. The differential-bridge circuit for switching on adjacent sensitive areas allows these IPIs to betray the function by the coordinate of sensitivity, while ensuring the invariance of the coordination of ECI with respect to background illumination.
Быстродействие болометрических (постоянная времени τ~10-3 с) и пироэлектрических (τ~10-4 с) ПТИ превышает на несколько порядков быстродействие терморезисторных преобразователей (τ~1 с). Это обеспечивает по оценочному расчету измерение скоростей тепловых меток болометрами до значений порядка (50-60) м/с, а пироэлектриками - до значений (500-600)м/с соответственно, что существенно превышает реальные скорости тепловых меток. Еще большими возможностями по быстродействию обладают координатно-чувствительные ИК-фотоприемники (τ~10-5 с).The performance of bolometric (time constant τ ~ 10 -3 s) and pyroelectric (τ ~ 10 -4 s) PTIs exceeds the speed of thermistor converters (τ ~ 1 s) by several orders of magnitude. This provides, according to the estimated calculation, the measurement of the speeds of thermal marks by bolometers up to values of the order of (50-60) m / s, and by pyroelectrics to the values of (500-600) m / s, respectively, which significantly exceeds the real speeds of thermal marks. Coordinate-sensitive IR photodetectors (τ ~ 10 -5 s) have even greater speed capabilities.
Однако главное достоинство тепловой меточной расходометрии целесообразно рассматривать в той области измерений, в которой у нее нет альтернативы, а именно - в прецизионном измерении сверхмалых скоростей и расходов потоков, например, для наноэлектронных технологий или для регистрации и измерения малых утечек в магистральных трубопроводах.However, it is advisable to consider the main advantage of thermal marking flow metering in that measurement area in which it has no alternative, namely, in the precision measurement of ultra-low speeds and flow rates, for example, for nanoelectronic technologies or for recording and measuring small leaks in trunk pipelines.
По оценочному расчету для измерительного трубопровода с длиной контрольного участка 100 мм и диаметром порядка 50 мм абсолютная статическая погрешность координирования ЭЦИ тепловой метки ИК-фотоэлектрическим КЧ ПТИ, при его типовой разрешающей способности 10 мкм и типичных параметрах ИК-оптической системы, не превышает значений порядка 0,1 мм, а относительная суммарная погрешность координирования на двух детекторах не превышает 0,2%. Такой же порядок значений должны иметь статические погрешности измерения величин скорости и расхода.According to the estimated calculation for a measuring pipeline with a control section length of 100 mm and a diameter of about 50 mm, the absolute static error of the coordination of the ECI of the heat mark by the IR photoelectric cp PTI, with its typical resolution of 10 μm and typical parameters of the IR optical system, does not exceed values of the order of 0 , 1 mm, and the relative total error of coordination on two detectors does not exceed 0.2%. The same order of values should have static errors in measuring the values of speed and flow.
Точностные показатели тепловых меточных расходомеров, построенных на основе координатно-чувствительных приемников теплового излучения, значительно превышают аналогичные показатели расходомеров, в которых использованы терморезистивные преобразователи.The accuracy indicators of thermal tagged flow meters built on the basis of coordinate-sensitive heat radiation detectors significantly exceed the similar indicators of flow meters that use thermoresistive converters.
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеизложенные отличительные признаки расходомера в их заявленной совокупности и полезной целенаправленности. Это позволяет сделать вывод о том, что «изобретение является новым» и соответствует критерию «изобретательский уровень».From the patent and scientific literature are not known the above distinguishing features of the flowmeter in their claimed combination and useful focus. This allows us to conclude that "the invention is new" and meets the criterion of "inventive step".
Технический результат, полученный в изобретении, заключается в повышении точности измерения расхода потока газа или жидкости при расширении диапазона измеряемых расходов.The technical result obtained in the invention is to increase the accuracy of measuring the flow rate of a gas or liquid while expanding the range of measured flow rates.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011114458/28A RU2460047C1 (en) | 2011-04-14 | 2011-04-14 | Electrooptical gas or liquid flow meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011114458/28A RU2460047C1 (en) | 2011-04-14 | 2011-04-14 | Electrooptical gas or liquid flow meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2460047C1 true RU2460047C1 (en) | 2012-08-27 |
Family
ID=46937880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011114458/28A RU2460047C1 (en) | 2011-04-14 | 2011-04-14 | Electrooptical gas or liquid flow meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2460047C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109820530A (en) * | 2019-04-03 | 2019-05-31 | 河南明峰医疗科技有限公司 | A kind of cooling system of PET system detector |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU605096A1 (en) * | 1976-05-24 | 1978-04-30 | Ленинградский Ордена Трудового Красного Знамени Технологический Институт Имени Ленсовета | Rate-of-flow measuring method |
| SU1582014A1 (en) * | 1988-06-20 | 1990-07-30 | Днепропетровский горный институт им.Артема | Apparatus for measuring flow rate of gas |
| RU2152593C1 (en) * | 1997-12-05 | 2000-07-10 | Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) | Flow-rate measurement method |
| RU2002130147A (en) * | 2002-11-11 | 2004-05-10 | Валерий Владимирович Тихонов | HEAT METER FLOW METER |
| RU2299404C2 (en) * | 2005-06-14 | 2007-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Non-invasive thermal liquid consumption indicator |
-
2011
- 2011-04-14 RU RU2011114458/28A patent/RU2460047C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU605096A1 (en) * | 1976-05-24 | 1978-04-30 | Ленинградский Ордена Трудового Красного Знамени Технологический Институт Имени Ленсовета | Rate-of-flow measuring method |
| SU1582014A1 (en) * | 1988-06-20 | 1990-07-30 | Днепропетровский горный институт им.Артема | Apparatus for measuring flow rate of gas |
| RU2152593C1 (en) * | 1997-12-05 | 2000-07-10 | Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) | Flow-rate measurement method |
| RU2002130147A (en) * | 2002-11-11 | 2004-05-10 | Валерий Владимирович Тихонов | HEAT METER FLOW METER |
| RU2299404C2 (en) * | 2005-06-14 | 2007-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Non-invasive thermal liquid consumption indicator |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109820530A (en) * | 2019-04-03 | 2019-05-31 | 河南明峰医疗科技有限公司 | A kind of cooling system of PET system detector |
| CN109820530B (en) * | 2019-04-03 | 2024-02-02 | 河南明峰医疗科技有限公司 | Cooling system of PET system detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lawrence et al. | Use of scintillations to measure average wind across a light beam | |
| Ballestrín et al. | Hybrid heat flux measurement system for solar central receiver evaluation | |
| Persoons et al. | Natural convection heat transfer and fluid dynamics for a pair of vertically aligned isothermal horizontal cylinders | |
| JP6401717B2 (en) | Improved differential thermal mass flow meter assembly and method of measuring mass flow using the mass flow meter assembly | |
| CN107588854B (en) | High precision measuring temperature method based on built-in reference body | |
| CN103063312A (en) | Measuring system and method for measuring object emissivity | |
| CN102620833B (en) | Infrared temperature measurement method and infrared temperature measurement system | |
| Yoo et al. | An accurate wall temperature measurement using infrared thermometry with enhanced two-phase flow visualization in a convective boiling system | |
| CN102207512B (en) | Wind vane anemometer and wind direction and velocity device | |
| CN109580033A (en) | A kind of concrete dam distributed optical fiber temperature measurement data error compensation method | |
| CN111947785A (en) | Temperature measurement thermal infrared imager noise equivalent temperature difference calibration method | |
| US8569701B2 (en) | Absolute cavity pyrgeometer | |
| CN110487416A (en) | A kind of method for rapidly testing of thermal infrared imager NETD and MRTD | |
| Wolf et al. | Optimization of differential infrared thermography for unsteady boundary layer transition measurement | |
| RU2460047C1 (en) | Electrooptical gas or liquid flow meter | |
| Stathopoulos et al. | Calibration of a gardon sensor in a high-temperature high heat flux stagnation facility | |
| CN102680111B (en) | Infrared thermal imager capable of measuring heating area of object and measuring method thereof | |
| CN109918613B (en) | A kind of heat flux method based on step response calibration | |
| JPS5852529A (en) | Temperature compensating method of thermopile | |
| CN110411579A (en) | A kind of double modulation emissivity real-time measurement system based on integrating sphere | |
| Engel et al. | Experimental evaluation of optical crosswind measurement systems | |
| CN105223230A (en) | A kind of infrared electromagnetic wave transparent material radiation measurement of transmission characterist method | |
| Jha et al. | Investigation of onset of velocity transition in free convection over an inclined flat plate by PIV | |
| CN111879418A (en) | Infrared detector nonlinear measurement method and measurement device based on luminous flux multiplication method | |
| Hou et al. | A high dynamic range in situ flow sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -D D4D - IN JOURNAL: 24-2012 FOR TAG: (72) |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180415 |