RU2476828C2

RU2476828C2 - Thermal gas microflowmeter

Info

Publication number: RU2476828C2
Application number: RU2011109765/28A
Authority: RU
Inventors: Альберт Владимирович Румянцев; Лев Александрович Благонравов
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2013-02-27
Also published as: RU2011109765A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: thermal gas microflowmeter includes housing 1 with heat exchanger 2 of controlled power with a heating spiral, which is located in it, gas distributing chamber 3 and two measuring channels 4 and 5 and two temperature compensation channels 6 and 7, which are tightly connected to the above gas distributing chamber and which include the appropriate thermally sensitive elements in the form of identical thermistors, as well as power control unit 15 and output signal conversion unit. The latter is made in the form of a resistance voltage divider pattern, the elements of which are in-series connected thermistors in measuring channels and resistor of the specified value. On external walls of channels the additional arrangement is made for heaters 13, 13', 14, 14' connected in series to the spiral of heating element in heat exchanger.

EFFECT: improving the measurement accuracy and increasing sensitivity of output signal of flow metre.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0÷100 мг/с.The invention relates to the field of measuring equipment, namely to heat flow meters for measuring gas flow in the range 0 ÷ 100 mg / s

Общими недостатками тепловых расходомеров являются недостаточные точность и чувствительность по расходу.Common disadvantages of heat flow meters are insufficient accuracy and flow sensitivity.

Известен автономный четырехканальный расходомер газа, содержащий герметичный теплоизолированный металлический корпус с расположенными в нем теплообменником с нагревательной спиралью 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 (ТЧЭ) в виде соединенных последовательно полупроводниковых сопротивлений (термисторов) без косвенного нагрева, а на внешних поверхностях каналов установлены дополнительные нагревательные спирали. ТЧЭ термокомпенсационных каналов включены в электронную схему блока управления мощностью теплообменника и дополнительных нагревательных спиралей. В известном расходомере блок преобразования выходного сигнала представляет собой мостовую схему, элементами которой являются последовательно соединенные измерительные термисторы в измерительных каналах, а выходным сигналом является напряжение, снимаемое с диагонали моста [1]. Этот расходомер принят за прототип.A self-contained four-channel gas flow meter is known, which contains a sealed thermally insulated metal case with a heat exchanger located in it with a heating coil and a gas distribution chamber for supplying a gas stream entering it into two measuring and two temperature compensation channels made identical. Heat-sensitive elements (TEC) are placed in the channels in the form of semiconductor resistances (thermistors) connected in series without indirect heating, and additional heating spirals are installed on the external surfaces of the channels. TEC of temperature compensation channels are included in the electronic circuit of the heat exchanger power control unit and additional heating spirals. In the known flowmeter, the output signal conversion unit is a bridge circuit whose elements are series-connected measuring thermistors in the measuring channels, and the output signal is the voltage taken from the diagonal of the bridge [1]. This flowmeter is taken as a prototype.

Расходомер [1] имеет недостаточные точность и чувствительность, обусловленные тем, что выходным сигналом расходомера является напряжение, снимаемое с диагонали мостовой схемы, одним из плеч которого являются последовательно включенные измерительные термисторы.The flowmeter [1] has insufficient accuracy and sensitivity, due to the fact that the output signal of the flowmeter is the voltage taken from the diagonal of the bridge circuit, one of the arms of which are series-connected measuring thermistors.

Задачей изобретения является повышение точности и чувствительности теплового микрорасходомера газа.The objective of the invention is to improve the accuracy and sensitivity of the thermal micro-flowmeter of gas.

Поставленная задача достигается тем, что блок преобразования выходного сигнала теплового микрорасходомера выполнен в виде схемы резистивного делителя напряжения, элементами которого являются последовательно соединенные термисторы в измерительных каналах и резистор задаваемой величины. Выходными сигналами теплового микрорасходомера являются регистрируемые падения напряжения большой величины на элементах резистивного делителя напряжения.The problem is achieved in that the conversion unit of the output signal of the thermal micrometer is made in the form of a resistive voltage divider circuit, the elements of which are series-connected thermistors in the measuring channels and a resistor of a given value. The output signals of the thermal micro-flowmeter are the recorded voltage drops of a large magnitude on the elements of the resistive voltage divider.

Как показали наши исследования, схема резистивного делителя напряжения, содержащая в качестве элементов термистор и резистор, обладает, подобно мостовой схеме, точкой равновесия, которая достигается при равенстве падения напряжения на элементах схемы U_tr=U_R=U_п / 2, где U_п - напряжение питания схемы, при котором наступает равновесие.As our studies have shown, a resistive voltage divider circuit containing a thermistor and a resistor as elements has, like a bridge circuit, an equilibrium point that is achieved when the voltage drop across the circuit elements is equal to U _tr = U _R = U _p / 2, where U _p - the supply voltage of the circuit at which equilibrium occurs.

Сущность изобретения графически представлена на чертеже, в частности, на фиг.1 схематически изображено устройство теплового микрорасходомера газа, отличие которого от прототипа заключается в том, что вместо мостовой схемы используется схема резистивного делителя напряжения, элементами которой являются последовательно включенные измерительные термисторы 8, 9 и резистор R(T₀), и регистрируются падения напряжения на этих элементах так, как это представлено на фиг.1.The invention is graphically represented in the drawing, in particular, Fig. 1 schematically shows a device for a thermal micro-flowmeter of gas, the difference of which from the prototype is that instead of a bridge circuit, a resistive voltage divider circuit is used, the elements of which are series-connected measuring thermistors 8, 9 and resistor R (T ₀ ), and voltage drops on these elements are recorded as shown in Fig. 1.

Заявляемый тепловой микрорасходомер содержит:The inventive thermal micrometer contains:

корпус 1 расходомера, корпус 2 теплообменника, газораспределительную камеру 3, каналы 4 и 5 с измерительными термисторами, каналы 6 и 7 с термокомпенсационными термисторами, измерительные термисторы 8 и 9, термокомпенсационные термисторы 10 и 11, нагревательную спираль 12 теплообменника, дополнительные спирали 13, 13', 14, 14' на поверхностях каналов, блок 15 управления мощностью спирали теплообменника и дополнительных спиралей; 2R_rt(Т_n+Т) - сопротивление последовательно соединенных измерительных термисторов; R(T₀) - сопротивление резистора; K - двухполюсный сдвоенный переключатель; V - вольтметр (типа В7-21а).flowmeter housing 1, heat exchanger housing 2, gas distribution chamber 3, channels 4 and 5 with measuring thermistors, channels 6 and 7 with temperature compensating thermistors, measuring thermistors 8 and 9, temperature compensation thermistors 10 and 11, heating coil 12 of the heat exchanger, additional spirals 13, 13 ', 14, 14' on the surfaces of the channels, the power control unit 15 of the coil of the heat exchanger and additional spirals; 2R _rt (T _n + T) - resistance of series-connected measuring thermistors; R (T ₀ ) is the resistance of the resistor; K - bipolar dual switch; V - voltmeter (type B7-21a).

Тепловой микрорасходомер работает следующим образом.Thermal micrometer works as follows.

Микрорасходомер заполняется исследуемым газом. Расположенные в каналах 6, 7 теплочувствительные элементы 10, 11 принимают температуру газа, и их омическое сопротивление становится равным R(Т_г). Если Т_г≠Т_п - максимальным по условиям эксплуатации значениям Т_вх и Т_ср, то под действием сигнала рассогласования ΔR(T_г, Т_п) с блока управления мощностью (БУМ) 15, к которому электрически подключены термокомпенсационные термисторы 10, 11, к последовательно соединенным спиралям 12, 13, 13', 14, 14' подводится мощность, сводящая ΔR к нулю. Это приводит к термостабилизации газовой среды на фиксированном уровне Т_п. При подаче расхода постоянство температуры газового потока на заданном уровне Т_п поддерживается БУМ автоматически, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Т_вх и Т_ср, т.е. его температурная автономность, как и у прототипа. Функция дополнительных спиралей 13, 13', 14, 14' на внешних поверхностях каналов та же, что и у прототипа.The micrometer is filled with the test gas. The heat-sensitive elements 10, 11 located in the channels 6, 7 take the temperature of the gas, and their ohmic resistance becomes equal to R (T _g ). If T _g ≠ T _p - the maximum values of T _in and T _sr according to operating conditions, then under the influence of the error signal ΔR (T _g , T _p ) from the power control unit (BOOM) 15, to which the thermocompensation thermistors 10, 11, are electrically connected to the series-connected spirals 12, 13, 13 ', 14, 14' a power is supplied that reduces ΔR to zero. This leads to thermal stabilization of the gaseous medium at a fixed level T _p . When the flow rate is supplied, the constant temperature of the gas stream at a given level T _{p is} maintained by the BOOM automatically, which ensures the independence of the flow meter readings from the values of T _I and T _cf , i.e. its temperature autonomy, like that of the prototype. The function of the additional spirals 13, 13 ', 14, 14' on the external surfaces of the channels is the same as that of the prototype.

Затем задается температура Т₀ измерительных термисторов изменением напряжения питания схемы резистивного деления напряжения до тех пор, пока напряжение на элементах схемы не станет одинаковым и равным 2U_tr=U_R=U_п/2. При этом сумма сопротивлений термисторов становится равной сопротивлению резистора - 2R_tr(T₀)=R(T₀). Величина R(T₀) находится по зависимости сопротивления термистора от температуры - R_tr(T₀)=А·ехр(В/Т₀), где А и В - постоянные термистора, определяемые экспериментально.Then, the temperature T _{0 of the} measuring thermistors is set by changing the supply voltage of the resistive voltage division circuit until the voltage on the circuit elements becomes the same and equal to 2U _tr = U _R = U _p / 2. In this case, the sum of the resistances of the thermistors becomes equal to the resistance of the resistor - 2R _tr (T ₀ ) = R (T ₀ ). The value of R (T ₀ ) is determined by the temperature dependence of the resistance of the thermistor - R _tr (T ₀ ) = A · exp (B / T ₀ ), where A and B are the thermistor constants determined experimentally.

После этого через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Т_вх подается в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Т_г и поступает в газораспределительную камеру (ГРК) 3, делящую газовый поток на четыре одинаковые по расходу (G/4) и температуре Т_п потоки, поступающие затем в измерительные 4, 5 и в термокомпенсационные 6, 7 каналы соответственно. При этом в одинаковые по функции каналы газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры Т_п поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации оси расходомера, чем обеспечивается ориентационная независимость его показаний, как и у прототипа.After that, through an inlet fitting (not shown) a gas with a flow rate G and temperature T _in is supplied to a heat exchanger 2, in which it is heated to a temperature T _g and enters a gas distribution chamber (GRK) 3, dividing the gas stream into four identical in flow rate (G / 4 ) and temperature T _p , the flows then entering the measuring 4, 5 and thermal compensation 6, 7 channels, respectively. At the same time, gas streams of the same function in flow rate G / 4 and the same temperature T _p flow in exactly opposite directions regardless of the orientation of the axis of the flow meter, which ensures orientational independence of its readings, as in the prototype.

Соединенные последовательно теплочувствительные элементы 8, 9 в измерительных каналах 4, 5, перегретые относительно газового потока проходящим через них током на величину ΔT≈25-50 K относительно фиксированного температурного уровня Т_П, охлаждаются поступающими в измерительные каналы 4, 5 газовыми потоками и температура измерительных термисторов уменьшается. Это вызывает увеличение их омических сопротивлений, что при U_п=const приводит к перераспределению напряжений на элементах схемы резистивного делителя напряжения. При этом напряжение на термисторах U_tr(G) растет с ростом расхода, а на резисторе напряжение U_R(G) падает так, чтобы сумма напряжений U_tr(G) +U_R(G) равнялась напряжению питания U_П=const. Из каналов 4, 5 и 6, 7 газовые потоки расходом G/4 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G уходит в газовую сеть через выходной штуцер (не показан).The heat-sensitive elements 8, 9 connected in series in the measuring channels 4, 5, overheated relative to the gas flow by a current passing through them by ΔT≈25-50 K relative to a fixed temperature level T _P , are cooled by the gas flows entering the measuring channels 4, 5 and the temperature of the measuring thermistors are reduced. This causes an increase in their ohmic resistances, which at U _p = const leads to a redistribution of stresses on the elements of the resistive voltage divider circuit. In this case, the voltage at the thermistors U _tr (G) increases with increasing flow, and the voltage at the resistor U _R (G) drops so that the sum of the voltages U _tr (G) + U _R (G) is equal to the supply voltage U _П = const. From channels 4, 5 and 6, 7, gas flows with a flow rate of G / 4 each enter the internal volume of the sealed housing 1 of the flowmeter, and gas flows with a flow rate G into the gas network through an outlet fitting (not shown).

Практика показала, что при использовании термисторов типа СТ1-18, в диапазоне расхода 0÷15 мг/с напряжение на термисторах изменяется в пределах 130÷206 В, а на резисторе - 130÷54 В. Усредненная по диапазону чувствительность составила 10,13 В/(мг/с), что намного превышает чувствительность всех известных расходомеров, в том числе и прототипа. Большие по величине напряжения, снимаемые с элементов схемы резистивного делителя напряжения, позволяют не принимать меры для их помехозащищенности и отказаться от усилительных схем различной степени сложности. Кроме того, большая величина регистрируемых напряжений обеспечивает: повышение точности измерений; нелимитируемую длину разнесения собственно расходомера и его электронного блока, что позволяет использовать расходомер в изолированных объемах, в частности, в вакуумной камере установок различного назначения; осуществление контроля качества работы стабилизированного источника питания для внесения необходимых поправок при нарушении равенства U_п=U_tr+U_R исключение вопроса о дрейфе нуля в отсутствие расхода.Practice has shown that when using thermistors of the type ST1-18, in the flow range 0 ÷ 15 mg / s, the voltage across the thermistors varies between 130 ÷ 206 V, and on the resistor - 130 ÷ 54 V. The sensitivity averaged over the range was 10.13 V / (mg / s), which far exceeds the sensitivity of all known flowmeters, including the prototype. Larger voltages removed from the elements of the resistive voltage divider circuit allow not taking measures for their noise immunity and abandon amplifier circuits of varying degrees of complexity. In addition, the large magnitude of the recorded voltages provides: increased measurement accuracy; the unlimited spacing length of the flowmeter itself and its electronic unit, which allows the flowmeter to be used in isolated volumes, in particular, in the vacuum chamber of installations for various purposes; the implementation of quality control of the stabilized power source to make the necessary amendments in case of violation of the equality U _p = U _tr + U _R elimination of the issue of zero drift in the absence of flow.

Claims

A thermal micro-gas meter containing a housing with a controlled heat exchanger located in it with a heating coil, a gas distribution chamber and hermetically connected two measuring and two temperature-compensating channels, in which the corresponding heat-sensitive elements are placed in the form of identical thermistors, with additional spirals placed on the external surfaces of the measuring and temperature compensation channels, a power control unit to which thermistors are connected compensation channels, as well as a series-connected coil of the heat exchanger and additional spirals, as well as an output signal conversion unit, characterized in that the thermal micro-flowmeter output signal conversion unit is made in the form of a resistive voltage divider circuit, the elements of which are series-connected thermistors in the measuring channels and a resistor set quantities.