RU2761932C1 - Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof - Google Patents

Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2761932C1
RU2761932C1 RU2020135252A RU2020135252A RU2761932C1 RU 2761932 C1 RU2761932 C1 RU 2761932C1 RU 2020135252 A RU2020135252 A RU 2020135252A RU 2020135252 A RU2020135252 A RU 2020135252A RU 2761932 C1 RU2761932 C1 RU 2761932C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermistor
heating
measuring
flow rate
temperature
Prior art date
Application number
RU2020135252A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Иванович Гончар
Лариса Евгеньевна Кадина
Александр Вячеславович Мартин
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "РОСКОСМОС"
Priority to RU2020135252A priority Critical patent/RU2761932C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2761932C1 publication Critical patent/RU2761932C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measuring equipment and can be used to determine the flow rate of liquids and gases at the control point of a pipeline section using a thin-film thermistor. The method for measuring the flow rate of a fluid medium consists in heating the thermistor with a pulsed current followed by determining the flow rate of the fluid medium by measuring the resistance thereof, wherein measurement of the flow rate of the fluid medium by the thermoanemometric method by measuring the resistance of the thermistor at the moment of application of the heating pulses and after application thereof and by the calorimetric method by measuring the difference between the resistance of the thermistor at the moment of application of the pulses prior to and after heating the thermistor is used simultaneously. For this purpose, a cyclic alternate connection of the current source to the thermistor is used for heating thereof with a flowing current greater than 10 mA, providing a heating temperature greater than 50° relative to the temperature of the fluid medium and the current source for measuring the value of resistance less than 1 mA, reducing the self-heating of the thermistor to the minimum. The resistance of the thermistor is measured at different points of time at different temperatures, in a cold state prior to application of the heating pulse, in the hot state at the end of the heating pulse and at the point of cooling after application of the heating pulse. The value of resistance depends on the flow rate and temperature of the medium at the moments of heating and cooling, and in the cold state, prior to application of the heating pulse, the value of resistance only depends only on the temperature of the fluid medium and is used to measure the temperature of the fluid medium. The thermoanemometric method for measuring the flow rate, accounting for the influence of the temperature of the fluid medium, is therein used to determine the flow rate by determining the flow rate by the change in the resistances in the hot state or at the moment of cooling, and the temperature of the fluid medium is determined by the change in the resistance in the cold state prior to application of the heating pulse, and a correction is introduced to account for the influence of the temperature of the fluid medium, changing the measured resistances used to measure the flow rate. The calorimetric method for measuring the flow rate using a single thermistor heated by current pulses is also used by determining the flow rate by the change in the difference of the resistances at the points in time prior to and after application of the heating pulses, regardless of the temperature of the medium, since the temperature of the medium does not change at the time of measurement. The apparatus for measuring the flow rate of a fluid medium comprises a measuring apparatus (1) and a thermoresistive sensor (2) consisting of a body (3) screwed by one side thereof on a branch pipe tee (4), located in the centre whereof along the flow axis is a free end face of a printed circuit board (5) with a thermistor (6) - RQ spot-welded in a cantilever manner. The end opposite to the free end of the printed circuit board (5) (the second end thereof) is cantilevered in the body (3). An electrical connector (7) is hermetically installed on the other side of the body (4) opposite to the threaded section thereof, contacts (8) whereof are connected with the conductors of the printed circuit board (5) - the contact pads of the printed conductors - by wires. The electrical connector (7) of the thermoresistive sensor (2) is connected by a cable to the measuring apparatus (2) containing a circuit with analogue-to-digital converters, a microcontroller (MC) with software control and an output to the recorder in the form of a personal computer. A thin-film platinum thermistor on a glass substrate is applied in the measuring apparatus (1) as a spot-welded thermistor RQ, made with the meander area sizes of the resistor thereof of no more than 1 mm2 and placed on a thin insulating substrate with a width of no more than 1 mm and a thickness of no greater than 200 mcm with a low thermal retention with the thermal inertia indicator of no more than 5 ms. The measurement results are processed in the measuring apparatus (1) using at least 16-bit analogue-to-digital converters and an MC with software control intended to control the modes of current supply and measurement of the values of resistance and digital filtering thereof, and the formation of a digital sequence for transmitting the measurement results from the output of the measuring apparatus to the input of the recorder, e.g., a PC, for further processing and imaging of the measurement results. The electrical connector (7) can be made sealed and installed on the body through a sealing plate (9). The space of the body (3) with wires between the electrical connector (7) in a basic implementation with contacts (8) and the fixed end of the printed circuit board (5) with the thermistor RQ (6) can be filled with a hardened compound (10). A similar additional thermistor Rt (11) can be installed in the thermoresistive sensor (2) on the reverse side of the printed circuit board (5) thereof along the free end opposite the thermistor (6) welded in a cantilever manner - the main spot-welded thermistor RQ (6). The thermistor Rt (11) is connected by the wires thereof with the contacts (8) of the electrical connector (7) of the thermoresistive sensor (2).
EFFECT: increase in the accuracy of measurements, an extension in the range of measurement of the flow rate of the fluid medium by the thermistor, as well as an increase in the reliability of the thermistor due to elimination of overheating thereof.
5 cl, 12 dwg

Description

Техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения расхода потока жидкостей и газов в контрольной точке сечения трубопровода при помощи тонкопленочного терморезистора. Представляет класс измерителей расхода термоанемометричеким и калориметрическим методами, которые могут быть использованы для измерения расхода газа и жидкостей, в ракетно-космической и других областях промышленности.The technical solution relates to measuring equipment and can be used to determine the flow rate of liquids and gases at the control point of the pipeline section using a thin-film thermistor. It represents a class of flow meters using thermoanemometric and calorimetric methods that can be used to measure the flow of gas and liquids in the rocket-space and other industries.

Известны способы и устройства измерения расхода с использованием терморезисторных преобразователей, изменяющих сопротивление резистора в зависимости от условий теплообмена в газовой или жидкой среде. Для повышения температуры резистора относительно температуры измеряемой среды применяется самонагрев резистора протекающим постоянным током.Known methods and devices for measuring the flow rate using thermistor converters that change the resistance of the resistor depending on the conditions of heat exchange in a gas or liquid medium. To increase the temperature of the resistor relative to the temperature of the measured medium, self-heating of the resistor is used with a flowing direct current.

При термоанемометрическом способе измерения расхода количество тепла теряемого нагреваемым резистором, помешенным в поток зависит от свойств среды и массовой скорости потока.In the hot-wire method of measuring the flow rate, the amount of heat lost by the heated resistor placed in the flow depends on the properties of the medium and the mass flow rate.

Недостатком такого термоанемометрического способа измерения расхода является необходимость учета, влияющей на измеряемые значения расхода температуры текучей среды и использования для компенсации этого влияния дополнительного датчика измерения температуры. В результате усложняется конструкция как самого датчика так и устройства измерения, снижается надежность системы измерения.The disadvantage of this hot-wire method for measuring the flow rate is the need to take into account the temperature of the fluid that affects the measured flow rate values and to use an additional temperature measurement sensor to compensate for this effect. As a result, the design of both the sensor itself and the measurement device becomes more complicated, and the reliability of the measurement system decreases.

При калориметрическом способе измерения расхода в центре чувствительного элемента размещен резистор, нагреваемый протекающим током, с двух сторон от него расположены два резистора для измерения температуры. Поток охлаждает эти резисторы, имеющие температуру выше температуры среды потока. Разность температур двух резисторов, расположенных перед и после нагревательного, зависит от массовой скорости потока (расхода) и не зависит от температуры среды.In the calorimetric method of measuring the flow rate, a resistor is placed in the center of the sensitive element, heated by the flowing current; on both sides of it there are two resistors for measuring the temperature. The flow cools these resistors, which are at a temperature higher than the temperature of the flow medium. The temperature difference between the two resistors located before and after the heating one depends on the mass flow rate (flow rate) and does not depend on the temperature of the medium.

Недостатком датчиков, работающих по калориметрическому способу измерения расхода являются повышенный расход мощности для их постоянного нагрева, и влияние изменения температуры в пограничном слое среды (над терморезистором), приводящее к дополнительной погрешности измеряемой скорости потока (и, следовательно расхода). А также недостатками являются - усложнение конструкции, снижение надежности системы измерения, а также уменьшение диапазона измеряемых расходов, и в конечном итоге увеличения стоимость изделий.The disadvantages of sensors operating according to the calorimetric method of measuring the flow rate are the increased power consumption for their constant heating, and the effect of temperature changes in the boundary layer of the medium (above the thermistor), which leads to an additional error in the measured flow rate (and, consequently, flow rate). And also the disadvantages are - the complication of the design, the decrease in the reliability of the measurement system, as well as a decrease in the range of measured costs, and, ultimately, an increase in the cost of products.

По анализу патентной литературы известно применение тонкопленочных терморезисторов для измерения расхода жидкостей и газов термоанемометри-ческим методом, например:According to the analysis of patent literature, the use of thin-film thermistors for measuring the flow of liquids and gases by the hot-wire method is known, for example:

- «Датчик термоанемометрического расходомера» по авторскому свидетельству СССР: SU 1264004 А1 от 15.10.1986, МПК G01F 1/68, G01P 5/12 - [1];- "Hot-wire flow meter sensor" according to the USSR inventor's certificate: SU 1264004 A1 dated 10/15/1986, IPC G01F 1/68, G01P 5/12 - [1];

- «Термочувствительный элемент для термоанемометрического датчика расхода среды» по патенту на изобретение РФ: RU 2098772 С1 от 10.12.1997, МПК G01F 1/68, G01P 5/12 - [2];- "Thermosensitive element for a hot-wire flow sensor" according to the patent for the invention of the Russian Federation: RU 2098772 C1 from 10.12.1997, IPC G01F 1/68, G01P 5/12 - [2];

- «Термоанемометрический датчик расхода среды» по патенту на изобретение РФ: RU 2105267 С1 от 20.02.1998, МПК G01F 1/68 - [3];- "Hot-wire flow sensor" according to the patent for the invention of the Russian Federation: RU 2105267 C1 from 20.02.1998, IPC G01F 1/68 - [3];

- «Датчик потока и способ его изготовления» по патенту Японии: JP 3457822 (В2) от 20.10.2003, JPH09304150 (А) от 11.28.1997, МПК G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/10 - [4].- "Flow sensor and method of its manufacture" under the Japanese patent: JP 3457822 (B2) from 20.10.2003, JPH09304150 (A) from 11.28.1997, IPC G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/10 - [4 ].

В аналогах [1], [2], [3], [4] содержатся два терморезистора измерительный и компенсационный для учета влияния температуры среды в потоке, работающие при постоянно включенном режиме нагрева. Недостатком этих аналогов является большой расход энергии на разогрев терморезисторов постоянным током, а также большое время установки режимов при включении. Кроме того, при использовании постоянного нагрева терморезистора на результаты измерения оказывает влияние тепловая инерционность пограничного слоя текущей среды, увеличивая погрешность измерения расхода.The analogs [1], [2], [3], [4] contain two measuring and compensation thermistors to take into account the influence of the temperature of the medium in the flow, operating with a constantly switched on heating mode. The disadvantage of these analogs is the high energy consumption for heating the thermistors with direct current, as well as the long time for setting the modes when turned on. In addition, when using constant heating of the thermistor, the measurement results are influenced by the thermal inertia of the boundary layer of the current medium, increasing the flow rate measurement error.

В широко используемых датчиках измеряющих расход калориметрическим методом применяются три резистора один для нагрева и два для измерения расхода, определяемого по разности изменений их сопротивлений и трех каналов для их соединений с измерительным устройством.In widely used sensors that measure the flow rate by the calorimetric method, three resistors are used, one for heating and two for measuring the flow rate, which is determined by the difference between changes in their resistances and three channels for their connection with a measuring device.

Так известны датчики расхода текущей среды, которые используют калометрический способ работы, и содержат три тонкопленочных терморезисторов, например:This is how flow sensors of a flowing medium are known, which use a calometric method of operation, and contain three thin-film thermistors, for example:

- «Термочувствительный датчик для измерения расхода и расходомер с таким датчиком» по патенту Японии: JP 3364115 (В2) от 08.01.2003, JPH 1123338 (А) от 29.01.1999, МПК G01F 1/68, G01F 1/684, G01F 1/692 - [5];- "A thermosensitive sensor for flow measurement and a flow meter with such a sensor" according to the Japanese patent: JP 3364115 (B2) from 01/08/2003, JPH 1123338 (A) from 01/29/1999, IPC G01F 1/68, G01F 1/684, G01F 1 / 692 - [5];

- «Устройство для измерения расхода, датчик расхода и способ изготовления устройства для измерения расхода» по патенту Японии: JP 3598217 (В2) от 08.09.2004, 11287687 (А) от 19.10.1999, МПК G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/12 - [6];- "A device for measuring a flow rate, a flow sensor and a method of manufacturing a device for measuring a flow rate" according to the Japanese patent: JP 3598217 (B2) from 08.09.2004, 11287687 (A) from 19.10.1999, IPC G01F 1/68, G01F 1/692 , G01P 5/12 - [6];

- «Устройство для измерения расхода» по патенту Японии: JP 3596596 (В2) от 02.12.2004, 2001074529 (А) от 23.03.2001, МПК G01F 1/68, G01F 1/696, G01F 7/00 - [7];- "Device for measuring flow" according to the Japanese patent: JP 3596596 (B2) from 02.12.2004, 2001074529 (A) from 23.03.2001, IPC G01F 1/68, G01F 1/696, G01F 7/00 - [7];

- «Способ и устройство для измерения массового расхода жидкостей или газов» по патенту США: US 6550324 (В1) от 04.22.2003, US 20010856441 от 04.09.2001, МПК G01F 1/696, G01F 1/698 - [8];- "Method and device for measuring the mass flow rate of liquids or gases" according to US patent: US 6550324 (B1) from 04.22.2003, US 20010856441 from 04.09.2001, IPC G01F 1/696, G01F 1/698 - [8];

- «Терморезистивный расходомер» по патенту США: US 6550325 (В1) от 04.22.2003, US 19930141632 от 27.10.1993, МПК G01F 1/00, G01F 1/688, G01F 1/692 - [9];- "Thermal resistive flowmeter" according to US patent: US 6550325 (B1) from 04.22.2003, US 19930141632 from 27.10.1993, IPC G01F 1/00, G01F 1/688, G01F 1/692 - [9];

- «Датчик расхода, способ его изготовления и система топливных элементов» по патенту США: US 6684694 (В2) от 02.03.2004, US 2002121137 (А1) от 05.09.2002, МПК G01F 1/684, G01F 1/692, Н01М 8/02 - [10];- "Flow sensor, method of its manufacture and fuel cell system" according to US patent: US 6684694 (B2) from 02.03.2004, US 2002121137 (A1) from 05.09.2002, IPC G01F 1/684, G01F 1/692, H01M 8 / 02 - [10];

- «Датчик потока» по патенту Германии: DE 10232651 (В4) от 25.09.2014, DE 10232651 (А1) от 20.02.2003, МПК G01F1/692 - [11].- "Flow sensor" according to the German patent: DE 10232651 (B4) from 25.09.2014, DE 10232651 (A1) from 20.02.2003, IPC G01F1 / 692 - [11].

В аналогах [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] используют колориметрический метод измерения расхода газа, с помощью трех резисторов: одного - для нагрева и двух - для измерения температуры. Это позволяет исключить влияние температуры потока на результаты измерения расхода. При этом применяется стационарный режим нагрева центрального резистора постоянным током и измерение температуры потока резисторами, расположенными справа и слева нагревательного резистора вдоль потока среды. Такой калориметрический метод измерения расхода потока среды применяется в регуляторах расхода газа фирмы Bronkhors, например f 201, и в изделиях авторитетной фирмы HOHEYWELL, выпускающей в массовом количестве терморезисторные датчики измерения расхода газовых потоков, например Zephyr HAF.The analogs [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] use a colorimetric method for measuring gas flow, using three resistors: one for heating and two for measuring temperature. This eliminates the influence of the flow temperature on the flow measurement. In this case, a stationary mode of heating the central resistor with a constant current is used and the flow temperature is measured by resistors located on the right and left of the heating resistor along the flow of the medium. This calorimetric method for measuring the flow rate of the medium is used in gas flow controllers from Bronkhors, for example, f 201, and in products of the reputable company HOHEYWELL, which produces in mass quantities thermistor sensors for measuring the flow of gas flows, for example Zephyr HAF.

Недостатком устройств измерения расхода по аналогам [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] и способов их работы является то, что в них содержатся три тонкопленочных терморезисторов, один из которых - центральный нагревательный, а второй и третий измерительные. При этом они характеризуются повышенным расходом мощности для их постоянного нагрева центрального резистора, увеличение температуры в пограничном слое среды, приводящем к дополнительной погрешности измеряемой скорости потока (и, следовательно, расхода), а также усложнением их конструкции, снижением надежности системы измерения, и в конечном итоге увеличения стоимости изделий. Кроме того, данные аналоги обладают низкой чувствительностью при больших расходах и ограниченный диапазон измерения расхода.The disadvantage of devices for measuring flow by analogs [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] and methods of their operation is that they contain three thin-film thermistors, one of which are central heating, and the second and third are measuring. At the same time, they are characterized by an increased power consumption for their constant heating of the central resistor, an increase in temperature in the boundary layer of the medium, leading to an additional error in the measured flow rate (and, consequently, flow rate), as well as the complication of their design, a decrease in the reliability of the measurement system, and ultimately as a result of the increase in the cost of products. In addition, these analogs have low sensitivity at high flow rates and a limited range of flow measurement.

Прототипом заявленного способа измерения расхода текучей среды является «Способ определения скорости потока газа в действующей газоносной скважине» по опубликованной заявке на изобретение RU 2004102301 А от 10.07.2005, МПК Е21В 47/00 - [12], при котором нагревают импульсным током терморезистор, и далее по форме кривой спада температуры определяют скорость потока газа (текучей среды). Скорость потока текучей среды и ее расход величины, взаимно определяющие, и поэтому могут быть заменены друг на друга.The prototype of the claimed method for measuring the flow rate of a fluid is "Method for determining the gas flow rate in an operating gas-bearing well" according to the published application for invention RU 2004102301 A dated July 10, 2005, IPC Е21В 47/00 - [12], in which a thermistor is heated with a pulse current, and then the gas (fluid) flow rate is determined from the temperature drop curve. The flow rate of the fluid and its flow rate are mutually determining and therefore can be substituted for each other.

Общими для прототипа и заявленного способа являются следующие ограничительные признаки: «Способ измерения расхода текучей среды, включающий нагрев импульсным током терморезистора и последующее определение по контролю изменения температуры терморезистора расхода текучей среды».Common to the prototype and the claimed method are the following limiting features: "A method for measuring the flow rate of a fluid, including heating a thermistor with a pulsed current and then determining by monitoring the temperature change of the thermistor of the flow rate of the fluid."

Недостатком способа - прототипа [12] является то, что в нем не учитывают изменение температуры текучей среды, которая может меняться, и соответственно, будет искажать точность измерения расхода, а это существенно снижает диапазон его применения. Поэтому прототип способа [12], обладает низкой точностью измерений, а для повышения его точности необходимо вводить дополнительные измерители температуры текучей среды, что усложняет систему и снижает ее надежность. Кроме этого калибровка терморезисторного датчика на спаде импульса изменения температуры (сопротивления) усложняет калибровку и приводит к дополнительным затратам. Поэтому этот метод с использованием не стационарного режима не нашел широкого применения.The disadvantage of the prototype method [12] is that it does not take into account the change in the temperature of the fluid, which can change, and, accordingly, will distort the accuracy of measuring the flow rate, and this significantly reduces the range of its application. Therefore, the prototype of the method [12] has a low measurement accuracy, and to improve its accuracy, it is necessary to introduce additional temperature meters of the fluid medium, which complicates the system and reduces its reliability. In addition, the calibration of the thermistor sensor on the decay of the pulse of temperature (resistance) change complicates the calibration and leads to additional costs. Therefore, this method using a non-stationary mode has not found wide application.

Сущность заявленного способа измерения расхода текучей среды состоит в том, что осуществляют нагрев терморезистора импульсным током с последующим определением по измерению его сопротивления расхода текучей среды, при этом используют одновременно измерение расхода текучей среды термоан-емометрическим методом за счет измерения сопротивления терморезистора в момент подачи импульсов нагрева и после его подачи и калориметрическим методом за счет измерения разности сопротивлений терморезистора в момент подачи импульсов до и после нагрева терморезистора. Для этого используют циклическое поочередное подключение к терморезистору источника тока для его нагрева протекающим током более 10 мА (например 200 мА), обеспечивая температуру нагрева более 50°С (например 60°С) относительно температуры текущей среды и источника тока для измерения величины сопротивления менее 1 мА (например 0,5 мА), снижая к минимуму самонагрев терморезистора. Измерение сопротивления терморезистора выполняют в разные моменты времени при разных температурах, в холодном состоянии - перед подачей импульса нагрева, в горячем состоянии - в конце импульса нагрева и в момент остывания - после подачи импульса нагрева. Величина сопротивления зависит от скорости потока среды и ее температуры в моменты времени нагрева и остывания, а в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева величина сопротивления зависит только от температуры текучей среды и может использоваться для измерения температуры текучей среды. При этом, для определения расхода применяют термоанемометрический метод измерения расхода, учитывающий влияние температуры текущей среды, путем определения расхода по изменению сопротивлений в горячем состоянии или в момент остывания, а по изменению сопротивления в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева определяют температуру текущей среды и вводят поправку, для учета влияния температуры текущей среды, изменяя измеренные сопротивления, используемые для измерения расхода. Также одновременно применяют калориметрический метод измерения расхода, с использованием одного нагреваемого импульсами тока терморезистора, путем определения расхода по изменению разницы сопротивлений в моменты времени до (в холодном состоянии) и после (в горячем состоянии) подачи импульсов нагрева, независимо от температуры среды, так как в моменты измерения температура среды не изменяется.The essence of the claimed method for measuring the flow rate of a fluid consists in the fact that the thermistor is heated by a pulsed current, followed by determination by measuring its resistance of the flow rate of the fluid, while simultaneously measuring the flow rate of the fluid by the hot-wire method by measuring the resistance of the thermistor at the time of the heating pulses and after its supply and by the calorimetric method by measuring the difference in resistance of the thermistor at the time of the impulses before and after heating the thermistor. To do this, use a cyclic alternate connection to the thermistor of a current source to heat it with a flowing current of more than 10 mA (for example 200 mA), providing a heating temperature of more than 50 ° C (for example 60 ° C) relative to the temperature of the current medium and the current source to measure the resistance value less than 1 mA (for example 0.5 mA), minimizing the self-heating of the thermistor. The measurement of the resistance of the thermistor is performed at different times at different temperatures, in the cold state - before the heating pulse is applied, in the hot state - at the end of the heating pulse and at the moment of cooling - after the heating pulse is applied. The resistance value depends on the flow rate of the medium and its temperature at the moments of heating and cooling, and in the cold state, before the heating pulse is applied, the resistance value depends only on the temperature of the fluid and can be used to measure the temperature of the fluid. At the same time, to determine the flow rate, a hot-wire method of measuring the flow rate is used, which takes into account the effect of the temperature of the flowing medium, by determining the flow rate from the change in resistances in the hot state or at the moment of cooling, and by the change in resistance in the cold state, before the heating pulse is applied, the temperature of the flowing medium is determined and an amendment is introduced , to take into account the influence of the temperature of the flowing medium, by changing the measured resistances used to measure the flow. Also, the calorimetric method of measuring the flow rate is also used at the same time, using one thermistor heated by current pulses, by determining the flow rate by changing the difference in resistance at times before (in the cold state) and after (in the hot state) application of heating pulses, regardless of the temperature of the medium, since at the moments of measurement, the temperature of the medium does not change.

При одновременном использовании двух методов повышается точность измерения и расширяется диапазон измерения расходов. Например, калориметрический метод используется для измерения малых расходов, а термоанемометрический метод для измерения больших расходов.The simultaneous use of the two methods increases the measurement accuracy and expands the range of flow measurement. For example, the calorimetric method is used to measure low flow rates, and the hot-wire method is used to measure high flow rates.

В заявленном способе, применяется, как и прототипе, один терморезистор и нестационарный режим его импульсного нагрева, который (способ) в отличие от прототипа позволяет измерять расход двумя методами и учитывать влияние температуры окружающей среды. На терморезистор подается определенная последовательность импульсов разной амплитуды для его нагрева и измерения изменений сопротивлений (температуры) в установленные временные интервалы. Это позволяет использовать для измерения расхода текущей среды, как термоанемометрический, так и калориметрические методы (способы) измерения.In the claimed method, as well as the prototype, one thermistor and a non-stationary mode of its impulse heating are used, which (method), unlike the prototype, allows measuring the flow rate by two methods and taking into account the influence of the ambient temperature. A certain sequence of pulses of different amplitudes is fed to the thermistor to heat it up and measure changes in resistance (temperature) at set time intervals. This makes it possible to use both hot-wire anemometric and calorimetric measurement methods (methods) for measuring the flow rate of the flowing medium.

Применение предложенного (заявленного) способа позволяет повысить точность за счет исключения влияния температуры пограничного слоя над нагревательным резистором (протекающим постоянным током), упростить конструкцию датчика и измерительного устройства, используя один канал для нагрева и измерения температуры. Толщина пограничного слоя уменьшается за счет отсутствия нагрева в промежутках между импульсами.The use of the proposed (claimed) method improves accuracy by eliminating the influence of the boundary layer temperature over the heating resistor (flowing direct current), to simplify the design of the sensor and measuring device, using one channel for heating and measuring temperature. The boundary layer thickness decreases due to the absence of heating in the intervals between pulses.

Прототипом заявленного устройства является устройство для осуществления способа [13], содержащее установленный в потоке текучей среды терморезистор, выполненный с возможностью нагрева импульсным током и определения температуры среды по форме кривой спада температуры. Однако конструктивное решение устройства для реализации известного способа [12] в заявке не раскрыто.The prototype of the claimed device is a device for implementing the method [13], containing a thermistor installed in the flow of a fluid, made with the possibility of heating by a pulsed current and determining the temperature of the medium according to the shape of the temperature decay curve. However, the design of the device for implementing the known method [12] is not disclosed in the application.

В то же время, такое конструктивное решение известно из «Устройства для определения фазового состояния газожидкостного потока» по патенту на изобретение РФ: RU 2501001 С1 от 10.12.2013, МПК G01N 25/02 - [13], патентообладателем которого является заявитель. Устройство [13], состоит из измерительного устройства и терморезистивного датчика, содержащего полый корпус, одной стороной навинченный на ответвление трубчатого тройника, в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы с припаянным чувствительным элементом в виде терморезистора «точечного» исполнения, противоположный свободному торец печатной платы консольно закреплен в корпусе, на другой стороне которого герметично установлен электрический разъем, контакты которого проводами соединены с проводниками печатной платы, при этом пространство между ними в полом корпусе (между печатной платой с терморезистором и электрическим разъемом) заполнено отвердевшим компаундом. Терморезистор «точечного» исполнения изготовлен путем напыления на тонкую теплоизоляционную подложку теплопроводящей пленки, и состоит из резистора выполненного в виде меандра и контактных площадок. Терморезистор контактными площадками, расположенными на одной короткой стороне прямоугольной подложки, консольно припаян на краю свободного торца печатной платы. Электрический разъем терморезистивного датчика кабелем подсоединен к измерительному устройству, содержащим измерительную схему и микроконтроллер с программным управлением, предназначенным для управления источником тока, измерения изменения сопротивления терморезистора, формирования цифрового сигнала для передачи его на персональный компьютер для обработки сигнала.At the same time, such a constructive solution is known from the "Device for determining the phase state of a gas-liquid flow" according to the patent for the invention of the Russian Federation: RU 2501001 C1 dated 10.12.2013, IPC G01N 25/02 - [13], the patent holder of which is the applicant. The device [13], consists of a measuring device and a thermoresistive sensor containing a hollow body, one side screwed onto a branch of a tubular tee, in the center of which along the flow axis there is a free end of a printed circuit board with a soldered sensing element in the form of a "point" thermistor, the opposite the free end of the printed circuit board is cantilevered in the housing, on the other side of which an electrical connector is sealed, the contacts of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board, while the space between them in the hollow housing (between the printed circuit board with a thermistor and the electrical connector) is filled with a hardened compound. The "point" thermistor is made by spraying a heat-conducting film onto a thin heat-insulating substrate, and consists of a resistor made in the form of a meander and contact pads. The thermistor with contact pads located on one short side of the rectangular substrate is cantilevered on the edge of the free end of the printed circuit board. The electrical connector of the thermoresistive sensor is connected with a cable to a measuring device containing a measuring circuit and a microcontroller with program control designed to control the current source, measure the change in resistance of the thermistor, generate a digital signal for transmission to a personal computer for signal processing.

Недостатками устройства - аналога [13] являются:The disadvantages of the device - analogue [13] are:

1. Несмотря на то, что аналог имеет максимальное конструктивное сходство с заявленным техническим решением устройства терморезисторного датчика измерения расхода, он предназначен для определения фазового состояния среды, и может быть применен для измерения расхода но с большой погрешностью, так как он не предназначен для определения температуры текущей среды, влияющий на величину измеряемого расхода.1. Despite the fact that the analogue has the maximum structural similarity with the declared technical solution of the thermistor flow sensor device, it is designed to determine the phase state of the medium, and can be used to measure the flow rate, but with a large error, since it is not intended to determine the temperature flow, affecting the measured flow rate.

2. В устройстве применяется нагрев постоянным током, применение которого приводит к повышенным энергетическим затратам, и, следовательно, приводит к дополнительным погрешностям измерения расхода.2. The device uses direct current heating, the use of which leads to increased energy costs, and, therefore, leads to additional errors in flow measurement.

При этом конструкция аналога [13] может быть использована для измерения расхода текучей среды и указана, как аналог заявленного устройства.In this case, the design of the analogue [13] can be used to measure the flow rate of the fluid and is indicated as an analogue of the claimed device.

Сущность устройства измерения расхода текучей среды. Устройство состоит из измерительного устройства и терморезистивного датчика, содержащего корпус, одной стороной навинченный на ответвление трубчатого тройника, в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы с консольно припаянным (прямоугольным основанием терморезистора) основным терморезистором «точечного» исполнения, противоположный свободному торец печатной платы консольно закреплен в корпусе, на другой стороне которого герметично установлен электрический разъем, контакты которого проводами соединены с проводниками печатной платы. Чувствительный элемент в виде (расположенного на прямоугольном основании) основного терморезистора «точечного» исполнения, изготовлен путем напыления на тонкую теплоизоляционную подложку токопроводящей пленки самого резистора в форме меандра и его токоподводящих проводов с контактными площадками. Электрический разъем терморезистивного датчика кабелем подсоединен с измерительным устройством, содержащим схему с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), микроконтроллером (МК) с программным управлением и с выходом на регистратор, например, в виде персонального компьютера (ПК). При этом, в качестве терморезистора применен тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке выполненный в «точечном» исполнении с размерами по площади меандра его резистора не более 1 мм2 (например, 0,35 мм) и размещенный на тонкой теплоизоляционной подложке шириной не более 1 мм2 (например, 0,9 мм) и толщиной не более 200 мкм (например, 150 мкм), с малой тепловой инерционностью (показатель тепловой инерции не более 5 мс, например 3 мс - (см. Гончар И.И., Крчарян С.А., Аржанников А.В. Терморезисторные чувствительные элементы для измерения температуры с низкими показателями тепловой инерции. Журнал: «Вопросы радиоэлектроники», серия -Приборы и методы измерения, №1, 2020. - [14]), что обеспечивает малую тепловую инерцию (за счет тонкой теплоизоляционной подложки и малых геометрических размеров самого терморезистора). Для нагрева терморезистора и измерения его сопротивлений и температуры в установленные моменты времени применена последовательность импульсов тока для нагрева, измерения сопротивления и температуры, причем период между подачей импульсов определяется временем необходимым для увеличения разности температур перед и после подачи импульсов нагрева. Период импульсных токов для нагрева и измерения сопротивления, и, следовательно, температуры терморезистора не превышает 4 с (например, 3 с). Серия импульсных токов терморезистора состоит из начального и конечного коротких импульсов величиной не более 0,7 мА (например, 0,5 мА) и длительностью не более 80 мс (например, 60 мс), сводящий к минимуму самонагрев терморезистора протекающим током, а также двух последовательных нарастающих импульсов с параметрами соответственно величиной 10…60 мА (например, 35 мА) и длительностью 70…400 мс (например, 200 мс) и величиной 25…100 мА (например, 45 мА) и длительностью 50…200 мс (например, 100 мс), обеспечивающих нагрев терморезистора выше 50°С (например 60°С) относительно температуры текучей среды. Между импульсами токов для их формирования использованы два временных промежутка не более 10 мс (например, 5 мс), необходимых для попеременного подключения терморезистора к источникам тока меньше 1 мА (например, 0,5 мА) и больше 10 мА (например, 35 мА). При этом измерение сопротивления при подаче каждого импульса производятся в установившемся режиме, преимущественно на его конечном участке в течении не более 30% (например, 25%) времени его временного интервала. За счет измерения сопротивлений терморезистора при подаче импульсов нагрева расход измеряется термоанемометрическим методом, а при подаче импульсов до и после нагрева расход измеряется калориметрическим методом. В указанном установившемся режиме отсчеты показаний проводятся (при измерении сопротивлений импульсов нагрева) многократно (например, через 0,2 мс) не мене 10 раз (например, 60 раз) в конце каждого импульса в интервале не менее 10 мс (например, 15 мс), а при измерении сопротивлений в моменты подачи импульсов до и после нагрева в течении 12 мс (по режиму работы анало-цифрового преобразователя). При этом для подачи импульсов используются стабильные источники тока (для обеспечения точности измерений). В измерительном устройстве осуществляется обработка результатов измерений с использованием АЦП не менее 16 разрядов и МК с программным управлением, предназначенным для управления режимами подачи токов и проведения измерений величин сопротивлений, их цифровой фильтрации и формированием цифровой последовательности для передачи результатов измерений с выхода измерительного устройства на вход регистратора, например, ПК для дальнейшей обработки и визуализации результатов измерений.The essence of the device for measuring the flow rate of the fluid. The device consists of a measuring device and a thermistor sensor containing a housing, one side screwed onto a branch of a tubular tee, in the center of which, along the flow axis, there is a free end of a printed circuit board with a cantilever soldered (rectangular base of the thermistor) main thermistor of "point" design, opposite to the free end The printed circuit board is cantilevered in the housing, on the other side of which an electrical connector is hermetically sealed, the contacts of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board. The sensing element in the form (located on a rectangular base) of the main thermistor of "point" design is made by spraying a conductive film on a thin heat-insulating substrate of the meander-shaped resistor itself and its lead wires with contact pads. The electrical connector of the thermoresistive sensor is connected with a cable to a measuring device containing a circuit with analog-to-digital converters (ADC), a microcontroller (MC) with program control and an output to a recorder, for example, in the form of a personal computer (PC). At the same time, as a thermistor, a thin-film platinum thermistor on a glass substrate is used, made in a "point" design with dimensions of the meander area of its resistor no more than 1 mm 2 (for example, 0.35 mm) and placed on a thin heat-insulating substrate with a width of no more than 1 mm 2 (for example, 0.9 mm) and a thickness of no more than 200 microns (for example, 150 microns), with low thermal inertia (an indicator of thermal inertia of not more than 5 ms, for example 3 ms - (see Gonchar I.I., Krcharyan S .A., Arzhannikov AV Thermistor sensitive elements for measuring temperature with low rates of thermal inertia. inertia (due to a thin heat-insulating substrate and small geometric dimensions of the thermistor itself) .To heat the thermistor and measure its resistance and temperature at set points in time, a sequence of current pulses was used to load eva, resistance and temperature measurements, and the period between the pulses is determined by the time required to increase the temperature difference before and after the heating pulses. The period of impulse currents for heating and measuring resistance, and, therefore, the temperature of the thermistor does not exceed 4 s (for example, 3 s). A series of pulsed thermistor currents consists of initial and final short pulses of no more than 0.7 mA (for example, 0.5 mA) and a duration of no more than 80 ms (for example, 60 ms), minimizing the self-heating of the thermistor by the flowing current, as well as two successive increasing pulses with parameters, respectively, of 10 ... 60 mA (for example, 35 mA) and a duration of 70 ... 400 ms (for example, 200 ms) and a value of 25 ... 100 mA (for example, 45 mA) and a duration of 50 ... 200 ms (for example, 100 ms), providing heating of the thermistor above 50 ° C (for example 60 ° C) relative to the temperature of the fluid. Between the current pulses for their formation, two time intervals of no more than 10 ms (for example, 5 ms) are used, necessary for alternately connecting the thermistor to current sources less than 1 mA (for example, 0.5 mA) and more than 10 mA (for example, 35 mA) ... In this case, the measurement of resistance when each impulse is applied is carried out in a steady state, mainly in its final section for no more than 30% (for example, 25%) of the time of its time interval. By measuring the resistance of the thermistor when heating pulses are applied, the flow rate is measured by the hot-wire method, and when the pulses are applied before and after heating, the flow rate is measured by the calorimetric method. In the specified steady state mode, readings are taken (when measuring the resistance of heating pulses) repeatedly (for example, after 0.2 ms) at least 10 times (for example, 60 times) at the end of each pulse in an interval of at least 10 ms (for example, 15 ms) , and when measuring resistances at the moments of impulse delivery before and after heating for 12 ms (according to the mode of operation of the analog-to-digital converter). In this case, stable current sources are used to supply pulses (to ensure the accuracy of measurements). The measuring device processes the measurement results using an ADC of at least 16 bits and an MC with program control designed to control the modes of current supply and measure the resistance values, their digital filtering and the formation of a digital sequence for transferring the measurement results from the output of the measuring device to the input of the recorder , for example, a PC for further processing and visualization of measurement results.

В терморезистивном датчике на обратной стороне его печатной платы вдоль свободного ее торца напротив консольно припаянного терморезистора (выполненного на прямоугольном основании) - основного терморезистора «точечного» исполнения может быть припаян, аналогичный дополнительный терморезистор, соединенный своими проводами с контактами электрического разъема терморезистивного датчика, при этом импульсный ток дополнительного терморезистора состоит из одного начального короткого импульса величиной не более 1 мА (например, 0,5 мА) и длительностью не более 100 мс (например, 60 мс), совпадающего по времени с первым коротким импульсом подаваемого на основной терморезистор перед подачей импульса нагрева.In the thermistor sensor on the reverse side of its printed circuit board along its free end opposite the cantilevered thermistor (made on a rectangular base) - the main thermistor of the "point" design, a similar additional thermistor can be soldered, connected by its wires with the contacts of the electrical connector of the thermoresistive sensor, while the pulse current of the additional thermistor consists of one initial short pulse of no more than 1 mA (for example, 0.5 mA) and a duration of no more than 100 ms (for example, 60 ms), which coincides in time with the first short pulse applied to the main thermistor before the pulse is applied heating.

Электрический разъем может быть выполнен в герметичном (в газонепроницаемом) исполнении и установлен на корпусе через герметизирующую прокладку, или же пространство корпуса с проводами между обычным электрическим разъемом и печатной платой с терморезистором может быть заполнено отвердевшим (застывшим) компаундом.The electrical connector can be made in a sealed (gas-tight) design and installed on the body through a sealing gasket, or the space of the body with wires between a conventional electrical connector and a printed circuit board with a thermistor can be filled with a hardened (frozen) compound.

В заявленном устройстве исключаются недостатки аналогов и прототипа, а именно:The claimed device eliminates the disadvantages of analogues and prototype, namely:

- снижена инерционность терморезистора (за счет уменьшения площади нагрева и размеров подложки);- the inertia of the thermistor is reduced (by reducing the heating area and the size of the substrate);

- снижен расход электроэнергии на постоянный разогрев терморезистора и повышена температура нагрева (за счет использования импульсов);- reduced power consumption for constant heating of the thermistor and increased heating temperature (due to the use of pulses);

- увеличен диапазон измерения расходов, за счет увеличения температуры при импульсном нагреве (так, как мгновенная мощность импульса больше чем мощность при постоянном нагреве);- the range of flow rate measurement has been increased, due to an increase in temperature during pulsed heating (since the instantaneous power of the pulse is greater than the power with constant heating);

- снижено влияния температуры пограничного слоя текущей среды на результаты измерения и на погрешность измерений сопротивления терморезистора и тем самим повышена точность измерения, за счет длительности интервала между импульсами нагрева;- the influence of the temperature of the boundary layer of the current medium on the measurement results and on the measurement error of the resistance of the thermistor is reduced and thereby the measurement accuracy is increased due to the duration of the interval between heating pulses;

- создана такая импульсная последовательность тока для терморезистора, которая позволяет нагревать терморезистор и проводить измерение его сопротивления в устанавливаемые моменты времени;- created such a pulse sequence of current for the thermistor, which allows you to heat the thermistor and measure its resistance at set points in time;

- увеличена точность измерения за счет использования измерения расхода в установленные моменты времени при разной температуре и исключены влияния изменений температуры среды на результаты измерения расхода.- the measurement accuracy has been increased due to the use of flow measurement at set points in time at different temperatures and the influence of changes in the temperature of the medium on the flow measurement results has been excluded.

В устройстве для осуществления заявленного способа применяется нестационарный режим импульсного нагрева (в отличие от прототипа, где применен нагрев постоянным током), позволяющий измерять расход с использованием одного основного терморезистора и учитывать влияние изменения температуры текучей среды. Измерение влияние изменения температуры текучей среды может также контролироваться дополнительным терморезистором, при его наличии. На основной терморезистор подается определенная последовательность импульсов разной амплитуды для его нагрева и измерения изменений сопротивлений в установленные временные интервалы, позволяющая одновременно использовать для измерения расхода текучей среды, как термоанемометрический, так и калориметрические методы измерения.In the device for implementing the claimed method, a non-stationary pulse heating mode is used (in contrast to the prototype, where direct current heating is used), which makes it possible to measure the flow rate using one main thermistor and take into account the effect of changes in the temperature of the fluid medium. The measurement of the effect of a change in fluid temperature can also be monitored by an optional thermistor, if present. A certain sequence of pulses of different amplitudes is fed to the main thermistor to heat it up and measure changes in resistances at set time intervals, which makes it possible to simultaneously use both hot-wire and calorimetric measurement methods to measure the flow rate of the fluid.

Кроме этого, после калибровки изменения сопротивления от температуры можно определять температуру среды (потока) измеряя изменение сопротивление терморезистора Rт в момент времени перед подачей импульса нагрева.In addition, after calibrating the change in resistance from temperature, it is possible to determine the temperature of the medium (flow) by measuring the change in the resistance of the thermistor RT at the moment before the heating pulse is applied.

Площадь теплоизоляционной тонкой стеклянной подложки терморезистора, на которой расположен испытанный в ОАО «Авангард» сам меандр резистора составляет 0,58×0,66 мм - 0,38 мм2. Такая конструкция терморезистора снижает тепловую инерционность (показатель тепловой инерции не более 5 мс) и позволяет увеличить быстродействие за счет снижения теплоемкости терморезистора. Уменьшение зоны нагрева - площади менее 1 мм2 позволяет увеличить температуру нагрева и уменьшить ток необходимый для получения заданной температуры.The area of the heat-insulating thin glass substrate of the thermistor, on which the meander of the resistor itself tested at Avangard is located, is 0.58 × 0.66 mm - 0.38 mm 2 . This design of the thermistor reduces the thermal inertia (the indicator of thermal inertia is not more than 5 ms) and allows you to increase the speed by reducing the heat capacity of the thermistor. Reducing the heating zone - the area less than 1 mm 2 allows you to increase the heating temperature and reduce the current required to obtain the set temperature.

Использование режима с импульсным нагревом исключается влияние на результаты измерения постоянной температуры пограничного слоя в зоне соприкосновения среды с нагретым пленочным терморезистором (уменьшается толщина пограничного слоя - и он быстрее охлаждается и меньше влияет на изменения температуры терморезистора) в отличии от стационарного режима -при подаче постоянной мощности на резистор. Поэтому погрешность измерения расхода уменьшается. Поскольку мгновенная мощность при импульсном нагреве (например, 42 мВт) снижает среднюю температуру терморезистора по сравнению с его нагревом постоянным током для получения такой же рабочей температуры (соответственно 150 мВт), что дополнительно приводит к повышению надежности заявленного устройства.The use of the mode with pulsed heating eliminates the influence on the measurement results of the constant temperature of the boundary layer in the zone of contact of the medium with the heated film thermistor (the thickness of the boundary layer decreases - and it cools faster and has less effect on changes in the temperature of the thermistor), in contrast to the stationary mode - when constant power is supplied to the resistor. Therefore, the flow measurement error is reduced. Since the instantaneous power during pulsed heating (for example, 42 mW) reduces the average temperature of the thermistor as compared to heating it with direct current to obtain the same operating temperature (respectively 150 mW), which additionally leads to an increase in the reliability of the claimed device.

Для оценки возможности использования основного терморезистора для измерения температуры в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева на плате установлен дополнительный терморезистор Rт, контролирующий температуру в тот же момент времени, что и основной терморезистор.To assess the possibility of using the main thermistor to measure the temperature in a cold state, before the heating pulse is applied, an additional thermistor RT is installed on the board, which controls the temperature at the same time as the main thermistor.

При совпадении результатов основного и дополнительного Rt терморезисторов измерения температуры текучей среды подтверждается возможность использования основного терморезистора как единственного для измерения температуры текучей среды вне зависимости от ее скорости движения (протекания). При постоянном совпадении результатов показаний результатов основного и дополнительного терморезисторов измерения температуры текучей среды на разных скоростях ее протекания дополнительный терморезистор не требуется (может быть отключен в схеме измерительного устройства).If the results of the main and additional Rt thermistors for measuring the temperature of the fluid coincide, the possibility of using the main thermistor as the only one for measuring the temperature of the fluid is confirmed, regardless of its speed of movement (flow). With a constant coincidence of the results of the readings of the main and additional thermistors for measuring the temperature of the fluid at different flow rates, an additional thermistor is not required (it can be disabled in the measuring device circuit).

Технический результат заявленных изобретений (способа и устройства) состоит в повышении точности измерений, расширении диапазона измерений терморезистором расхода текущей среды, а также повышения надежности терморезистора исключением его перегрева.The technical result of the claimed inventions (method and device) consists in increasing the accuracy of measurements, expanding the range of measurements by the thermistor of the flow rate of the flowing medium, as well as increasing the reliability of the thermistor by excluding its overheating.

Повышение точности измерений достигается за счет контроля температуры текущей среды терморезистором, нагреваемым импульсами тока, а расширение диапазона измерений терморезистором расхода текущей среды - за счет одновременного использования двух методов измерений - термоанемометрического и калориметрического. Повышения надежности терморезистора исключением его перегрева происходит за счет использования импульсного режима его работы.An increase in the measurement accuracy is achieved by controlling the temperature of the current medium with a thermistor heated by current pulses, and expanding the measurement range by a thermistor of the flow rate of the current medium through the simultaneous use of two measurement methods - hot-wire anemometer and calorimetric. An increase in the reliability of a thermistor by eliminating its overheating occurs due to the use of a pulse mode of its operation.

Технический результат в устройстве реализуется созданием импульсного режима нагревов и измерений, обеспечением одновременного измерения расхода текучей среды термоанемометрическим методом (за счет измерения сопротивления терморезистора в момент подачи импульсов нагрева с дополнительным измерением температуры перед подачей импульса нагрева) и калориметрическим методом (за счет измерения разности сопротивлений терморезистора в момент подачи импульсов до и после нагрева терморезистора).The technical result in the device is realized by creating a pulse mode of heating and measurements, providing simultaneous measurement of the flow rate of the fluid by the hot-wire method (by measuring the resistance of the thermistor at the time of the heating pulses with an additional measurement of the temperature before applying the heating pulse) and the calorimetric method (by measuring the difference in resistance of the thermistor at the time of impulses before and after heating the thermistor).

Заявленные технические решения поясняются графическими материалами -чертежами, схемами, фотографиями и графиками.The claimed technical solutions are illustrated by graphic materials - drawings, diagrams, photographs and graphs.

На фигуре 1 представлена диаграмма импульсов тока, подаваемых на терморезисторы: основной RQ и дополнительный RT при измерении расхода в импульсном режиме, где заштрихованные области указывают интервалы времени, в которых производится измерение множества значений сопротивлений в разные моменты времени (с указанием номеров каналов, измерений и используемые при этом АЦП).Figure 1 shows a diagram of current pulses applied to the thermistors: the main R Q and additional R T when measuring the flow rate in the pulsed mode, where the shaded areas indicate the time intervals in which the set of resistance values are measured at different times (indicating the channel numbers, measurements and used in this ADC).

На фигуре 2 - функциональная схема измерительного устройства для определения расхода с использованием импульсного режима. Терморезистор RQ применен для измерения расхода и температуры. Терморезистор RT применен для дополнительного измерения температуры.Figure 2 is a functional diagram of a meter for determining a flow rate using a pulsed mode. Thermistor R Q is used to measure flow and temperature. Thermistor R T is used for additional temperature measurement.

На фигуре 3 - чертеж с продольным разрезом терморезистивного датчика измерения расхода.Figure 3 is a drawing with a longitudinal section of a thermoresistive flow sensor.

На фигуре 4 - фотография терморезистивного датчика измерения расхода (по Фиг. 3) с соединителями (переходниками) для трубопроводов.Figure 4 is a photograph of a thermoresistive flow meter (according to Figure 3) with connectors (adapters) for pipelines.

На фигуре 5 - фотографии видов (Фиг. 5а) - сверху, Фиг. 5б) - и снизу) чувствительных элементов - основного и дополнительного терморезисторов, припаянных на двухстороннюю печатную плату. Выступающий с торца платы основной терморезистор RQ (припаянный консольно) предназначен для измерения расхода и температуры. Расположенный на обратной стороне платы, припаянный вдоль ее торца дополнительной терморезистор RT предназначен для контроля температуры текучей среды.Figure 5 - photographs of views (Fig. 5a) - from above, Fig. 5b) - and below) of the sensitive elements - the main and additional thermistors, soldered onto a double-sided printed circuit board. The main thermistor R Q protruding from the end of the board (soldered cantilever) is designed to measure flow and temperature. Located on the reverse side of the board, soldered along its end, an additional thermistor R T is designed to control the temperature of the fluid.

На фигуре 6 - схема установки для испытания заявленных способа и устройства для его реализации.Figure 6 is a diagram of an installation for testing the claimed method and a device for its implementation.

На фигуре 7 - топологический чертеж подложки тонкопленочного платинового терморезистора.Figure 7 is a topological drawing of a thin film platinum thermistor substrate.

На фигуре 8 - стеклянная подложка с изготовленными терморезисторам -подложка до разрезания на множество отдельных однотипных терморезисторов.Figure 8 shows a glass substrate with manufactured thermistors - the substrate before being cut into a plurality of separate thermistors of the same type.

На фигуре 9 - экспериментальные зависимости сопротивлений терморезистора RQ от расхода в моменты времени, измеренные в канале 1 (R1) и канале 2 (R2), при подаче импульсов нагрева R1 и R2, при измерении расхода термоанемометрическим методом.Figure 9 shows the experimental dependences of the resistances of the thermistor R Q on the flow rate at the moments of time measured in channel 1 (R 1 ) and channel 2 (R 2 ), when heating pulses R 1 and R 2 are applied, when measuring the flow rate by hot-wire method.

На фигуре 10 - экспериментальная зависимость разности сопротивлений в моменты времени перед и после подачи импульсов нагрева (измерение в канале 3 (R3) и измерение в канале 4 (R4) - значение сопротивлений R3 - R4) при измерении расхода с использованием терморезистора RQ калориметрическим методом.Figure 10 shows the experimental dependence of the difference in resistance at times before and after the heating pulses (measurement in channel 3 (R 3 ) and measurement in channel 4 (R 4 ) - the value of resistances R 3 - R 4 ) when measuring the flow rate using a thermistor R Q by calorimetric method.

На фигуре 11 - экспериментальные зависимости сопротивления основного терморезистора RQ в момент перед подачей импульса нагрева (измерение в канале 3 (R3)) и дополнительного терморезистора RT (измерение в канале 5 (RT)), измеренное в этот же момент времени.Figure 11 shows the experimental dependences of the resistance of the main thermistor R Q at the moment before the heating pulse is applied (measurement in channel 3 (R 3 )) and the additional thermistor R T (measurement in channel 5 (R T )), measured at the same time.

Заявленный способ иллюстрируется диаграммой импульсов тока, представленной на Фиг. 1., на которой представлен вариант подаваемых на основной RQ и дополнительный RT терморезисторы токов при измерении расхода в импульсном режиме. Заштрихованные области диаграммы указывают интервалы времени в которых производиться измерение температуры основного RQ и дополнительного RT терморезисторов. Функциональная схема измерительного устройства для определения расхода с использованием импульсного режима представлена на Фиг. 2, по которой в состав измерительного устройства для определения расхода с использованием импульсного режима входят:The claimed method is illustrated by the current pulse diagram shown in FIG. 1., which shows a variant of the currents supplied to the main R Q and additional R T thermistors when measuring the flow rate in a pulsed mode. The shaded areas of the diagram indicate the time intervals in which the temperature of the main R Q and additional R T thermistors is measured. The functional diagram of the measuring device for determining the flow rate using the pulse mode is shown in FIG. 2, according to which the measuring device for determining the flow rate using the pulse mode includes:

- вторичные источники питания для подачи стабилизированных напряжений на аналоговые и цифровые части схемы - 4 шт.;- secondary power supplies for supplying stabilized voltages to analog and digital parts of the circuit - 4 pcs;

- управляемый источник постоянного тока 35 и 45 мА для нагрева терморезистора;- controlled source of constant current 35 and 45 mA for heating the thermistor;

- коммутируемый ключ для формирования импульсов нагрева;- a switched key for generating heating pulses;

- дифференциальный усилитель для измерения напряжения на опорном резисторе 10 Ом для контроля токов нагрева в каналах 1 и 2;- a differential amplifier for measuring voltage across a 10 Ohm reference resistor to control heating currents in channels 1 and 2;

- инструментальные усилители для усиления сигналов в каналах 3 и 4 при измерении сопротивлений в моменты времени до и после импульсов нагрева - 2 шт.;- instrumental amplifiers for amplifying signals in channels 3 and 4 when measuring resistances at times before and after heating pulses - 2 pcs .;

- источники постоянного тока 0,5 мА от опорных источников АЦП для измерения сопротивлений в каналах 3 и 4 - 2 шт.;- DC sources of 0.5 mA from reference sources of the ADC for measuring resistances in channels 3 and 4 - 2 pcs .;

- АЦП для преобразования измеряемых аналоговых сигналов в цифровой сигнал - 4 шт.;- ADC for converting measured analog signals into a digital signal - 4 pcs .;

- микроконтроллер (МК) для управления источниками постоянного тока, аналого-цифровыми преобразователями, цифровой обработки сигналов, формирования пакетов данных результатов измерений и передачи их на вход схемы драйвера интерфейса RS-485;- a microcontroller (MC) for controlling direct current sources, analog-to-digital converters, digital signal processing, generating data packets of measurement results and transmitting them to the input of the RS-485 interface driver circuit;

- драйвер интерфейса RS-485 для связи модуля с персональным компьютером.- RS-485 interface driver for communication of the module with a personal computer.

При измерении расхода устройство в импульсном режиме работает следующим образом. После включения питания с микроконтроллера на вход ключа подается сигнал управления, ключ замыкается, и сигнал управления поступает на источник тока. С выхода источника тока на вход нагреваемого терморезистора RQ поступает ступенчатый импульс тока нагрева 35 мА в течение 200 мс и 45 мА в течение 100 мс.When measuring flow, the device operates in a pulse mode as follows. After turning on the power from the microcontroller, a control signal is sent to the key input, the key is closed, and the control signal is sent to the current source. From the output of the current source to the input of the heated thermistor R Q , a stepped heating current pulse of 35 mA for 200 ms and 45 mA for 100 ms is supplied.

В конце каждого импульса нагрева до его окончания к входу АЦП-2 подключается терморезистор RQ и измеряется напряжение в течение 5 мс; это напряжение в цифровом формате передается на вход микроконтроллера.At the end of each heating pulse until it ends, a thermistor R Q is connected to the ADC-2 input and the voltage is measured for 5 ms; this voltage is digitally transmitted to the microcontroller input.

В этот же момент времени АЦП-1 подключается к опорному резистору, и, напряжение с опорного резистора, преобразованное в цифровой формат, передается на вход микроконтроллера.At the same time ADC-1 is connected to the reference resistor, and the voltage from the reference resistor, converted to digital format, is transferred to the microcontroller input.

Аналогично АЦП-3 подключается к терморезистору RQ в моменты времени до и после подачи импульсов нагрева для измерения напряжений, которые в цифровом формате поступают на входы микроконтроллера.Similarly, the ADC-3 is connected to the R Q thermistor at the moments before and after the heating pulses are applied to measure the voltages that are digitally fed to the microcontroller inputs.

Дополнительно в моменты измерения напряжений в канале 3, дополнительный (второй) терморезистор RT подключается к входу АЦП-4 и напряжение с этого терморезистора RT передается в цифровом формате на вход микроконтроллера.Additionally, at the moments of voltage measurement in channel 3, an additional (second) thermistor R T is connected to the ADC-4 input and the voltage from this thermistor R T is transmitted in digital format to the microcontroller input.

Все измеренные значения напряжений с выходов АЦП подаются на МК и обрабатываются с использованием цифровых фильтров, далее формируется пакет цифровых данных с результатами измерений, который передается на вход компьютера по каналу интерфейса RS-485.All measured voltages from the ADC outputs are fed to the MC and processed using digital filters, then a digital data packet with the measurement results is formed, which is transmitted to the computer input via the RS-485 interface channel.

Таким образом, разработанное измерительное устройство (1) обеспечивает управление и формирование импульсной последовательности токов для нагрева и измерения сопротивлений, измерение сопротивлений терморезистора в выбираемые промежутки времени, обработку измеренных значений и передачу сигналов в цифровом формате на персональный компьютер для вычисления расхода и температуры среды в потоке и может быть использовано для определения расхода только одним терморезистором RQ (например, тонкопленочным), как калориметрическим методом (способом), так и термоанемометрическим методом (способом) с учетом влияния температуры среды на величину расхода.Thus, the developed measuring device (1) provides control and formation of a pulse train of currents for heating and measuring resistances, measuring resistances of a thermistor at selectable intervals, processing measured values and transmitting signals in digital format to a personal computer to calculate the flow rate and temperature of the medium in the flow. and can be used to determine the flow rate with only one thermistor R Q (for example, a thin-film one), both by the calorimetric method (method) and by the hot-wire method (method), taking into account the influence of the medium temperature on the flow rate.

Устройство измерения расхода текучей среды (см. фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5) содержит измерительное устройство (1) и терморезистивный датчик (2). Терморезистивный датчик (2) состоит из корпуса (3), одной стороной навинченного на ответвление трубчатого тройника (4), в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы (5) с консольно припаянным терморезистором (6) - RQ «точечного» исполнения. Противоположный свободному торцу печатной платы (5) - (ее второй торец) консольно закреплен в корпусе (3). На другой стороне корпуса (4) - противоположному его резьбовому участку герметично установлен электрический разъем (7), контакты (8) которого проводами соединены с проводниками печатной платы (5) - ее контактными площадками печатных проводников. Электрический разъем (7) терморезистивного датчика (2) кабелем подсоединен с измерительным устройством (2) содержащим схему с аналого-цифровыми преобразователями, микроконтроллером с программным управлением и выходом на регистратор, например, в виде персонального компьютера. В качестве терморезистора RQ «точечного» исполнения в измерительном устройстве (1) применен тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке, выполненный в с размерами по площади меандра его резистора не более 1 мм2 (0,35 мм2) и размещенный на тонкой теплоизоляционной подложке шириной не более 1 мм (0,9 мм) и толщиной не более 200 мкм (150 мкм). Для нагрева терморезистора RQ и измерения его сопротивлений и температуры в установленные моменты времени применена последовательность импульсов тока для нагрева, измерения сопротивления и температуры, которые представлены в описанном выше способе и на фигуре 1).The device for measuring the flow rate of the fluid (see Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4 and Fig. 5) contains a measuring device (1) and a thermoresistive sensor (2). The thermistor sensor (2) consists of a housing (3), one side of a tubular tee (4) screwed onto the branch, in the center of which along the flow axis there is a free end of the printed circuit board (5) with a cantilever-soldered thermistor (6) - R Q "point »Execution. The opposite to the free end of the printed circuit board (5) - (its second end) is cantilevered in the housing (3). On the other side of the housing (4) - the opposite threaded section, an electrical connector (7) is hermetically installed, the contacts (8) of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board (5) - its contact pads of the printed conductors. The electrical connector (7) of the thermoresistive sensor (2) is connected with a cable to a measuring device (2) containing a circuit with analog-to-digital converters, a microcontroller with program control and an output to a recorder, for example, in the form of a personal computer. As a thermistor R Q "point" in the measuring device (1), a thin-film platinum thermistor on a glass substrate is used, made in a square-shaped resistor of no more than 1 mm 2 (0.35 mm 2 ) and placed on a thin heat-insulating substrate not more than 1 mm (0.9 mm) wide and not more than 200 microns (150 microns) thick. To heat the thermistor R Q and measure its resistance and temperature at the set points in time, a sequence of current pulses was used for heating, measuring resistance and temperature, which are presented in the method described above and in figure 1).

Период между подачей импульсов определяется временем необходимым для снижения температуры терморезистора перед подачей импульсов нагрева и не превышает 4 с (3 с). Серия импульсных токов терморезистора состоит из начального и конечного коротких импульсов величиной не более 0,7 мА (0,5 мА) и длительностью не более 80 мс (60 мс), сводящий к минимуму самонагрев терморезистора протекающим током, а также двух последовательных нарастающих импульсов с параметрами соответственно величиной 10…60 мА (35 мА) и длительностью 70…400 мс (200 мс) и величиной 25…100 мА (45 мА) и длительностью 50…200 мс (100 мс), обеспечивающих нагрев терморезистора выше 50°С (60°С) относительно температуры текучей среды. Между импульсами токов использованы два временных промежутка не более 10 мс (5 мс), необходимых для попеременного подключения терморезистора к источникам тока меньше 1 мА (0,5 мА) и больше 10 мА (35 мА). При этом измерение сопротивления при подаче каждого импульса произведены в установившемся режиме, преимущественно на его конечном участке в течении не более 30% (25%) времени его временного интервала. За счет измерения сопротивлений терморезистора при подаче импульсов нагрева расход измеряется термоанемометрическим методом, а при подаче импульсов до и после нагрева расход измеряется калориметрическим методом. В указанном установившемся режиме при измерении сопротивлений импульсов нагрева отсчеты показаний проводятся многократно не мене 10 раз (60 раз) в конце каждого импульса с интервалом не менее 10 мс (15 мс). При измерении сопротивлений в моменты подачи импульсов до и после нагрева отсчеты показаний проводятся в течении 12 мс, что определяется по режимами работы применяемых АЦП (см. фиг. 2).The period between the pulses is determined by the time required to lower the temperature of the thermistor before the heating pulses are applied and does not exceed 4 s (3 s). A series of pulsed thermistor currents consists of initial and final short pulses of no more than 0.7 mA (0.5 mA) and a duration of no more than 80 ms (60 ms), minimizing the self-heating of the thermistor by the flowing current, as well as two successive increasing pulses with parameters, respectively, of 10 ... 60 mA (35 mA) and a duration of 70 ... 400 ms (200 ms) and a value of 25 ... 100 mA (45 mA) and a duration of 50 ... 200 ms (100 ms), providing heating of the thermistor above 50 ° C ( 60 ° C) relative to the temperature of the fluid. Between the current pulses, two time intervals of no more than 10 ms (5 ms) are used, necessary for alternately connecting the thermistor to current sources less than 1 mA (0.5 mA) and more than 10 mA (35 mA). At the same time, the resistance measurement at the application of each pulse was carried out in a steady state, mainly in its final section for no more than 30% (25%) of the time of its time interval. By measuring the resistance of the thermistor when heating pulses are applied, the flow rate is measured by the hot-wire method, and when the pulses are applied before and after heating, the flow rate is measured by the calorimetric method. In the specified steady-state mode, when measuring the resistances of heating pulses, readings are taken repeatedly at least 10 times (60 times) at the end of each pulse with an interval of at least 10 ms (15 ms). When measuring resistances at the moments of impulse delivery before and after heating, readings are taken within 12 ms, which is determined by the operating modes of the ADC used (see Fig. 2).

В измерительном устройстве (1) осуществляется обработка результатов измерений с использованием АЦП-1, АЦП-2, АЦП-3 и АЦП-4, не менее 16 разрядов и МК с программным управлением, предназначенным для управления режимами подачи токов и проведения измерений величин сопротивлений, их цифровой фильтрации и формированием цифровой последовательности для передачи результатов измерений с выхода измерительного устройства на вход регистратора, например, ПК для дальнейшей обработки и визуализации (регистрации) результатов измерений. При этом, АЦП-2 измерительном устройстве (1) используется для калибровки устройства.In the measuring device (1), the measurement results are processed using ADC-1, ADC-2, ADC-3 and ADC-4, at least 16 bits and an MC with software control designed to control the modes of current supply and conduct measurements of resistance values, their digital filtering and the formation of a digital sequence for transferring the measurement results from the output of the measuring device to the input of the recorder, for example, a PC for further processing and visualization (registration) of the measurement results. In this case, the ADC-2 measuring device (1) is used to calibrate the device.

Электрический разъем (7) может быть выполнен в герметичном (в газонепроницаемом) исполнении и установлен на корпусе через герметизирующую прокладку (9). Пространство корпуса (3) с проводами между электрическим разъемом (7) в обычным исполнении (не герметичном) с контактами (8) и закрепленным торцом печатной платы (5) с терморезистором RQ (6) может быть заполнено отвердевшим (застывшим) компаундом (10).The electrical connector (7) can be made in a sealed (gas-tight) design and installed on the body through a sealing gasket (9). The space of the housing (3) with the wires between the electrical connector (7) in a conventional design (not sealed) with contacts (8) and the fixed end of the printed circuit board (5) with an R Q thermistor (6) can be filled with a hardened (frozen) compound (10 ).

В терморезистивном датчике (2) на обратной стороне его печатной платы (5) вдоль свободного ее торца напротив консольно припаянного терморезистора (6) - (выполненного на прямоугольном основании) - основного терморезистора RQ (6) «точечного» исполнения может быть припаян аналогичный дополнительный терморезистор Rт (11). Терморезистор Rт (11) соединен своими проводами с контактами (8) электрического разъема (7) терморезистивного датчика (2). При этом импульсный ток дополнительного терморезистора Rт (11) состоит из одного начального короткого импульса величиной не более 1 мА (0,5 мА) и длительностью не более 100 мс (60 мс), совпадающего по времени с первым коротким импульсом подаваемого на основной терморезистор RQ (6) перед подачей импульса нагрева.In the thermistor sensor (2) on the reverse side of its printed circuit board (5) along its free end opposite the cantilever-soldered thermistor (6) - (made on a rectangular base) - the main thermistor R Q (6) of the "point" design can be soldered a similar additional thermistor RT (11). Thermistor RT (11) is connected with its wires to the contacts (8) of the electrical connector (7) of the thermistor sensor (2). In this case, the pulse current of the additional thermistor RT (11) consists of one initial short pulse of no more than 1 mA (0.5 mA) and a duration of no more than 100 ms (60 ms), which coincides in time with the first short pulse applied to the main thermistor R Q (6) before the heating pulse is applied.

В заявленных изобретениях (способе и устройстве для его осуществлении) применяется нестационарный режим импульсного нагрева, который позволяет измерять расход с использованием одного только основного терморезистора RQ (6) и исключить влияние изменений температуры среды при измерениях при помощи дополнительного терморезистора Rт (11), которого не требуется (может и не быть) в устройстве для реализации заявленного способа. При этом на терморезисторы подается определенная последовательность импульсов разной амплитуды для его нагрева и измерения изменений температуры (сопротивлений) в установленные временные интервалы, что позволяет использовать для измерения расхода, как термоанемометрический, так и калориметрические методы измерений при помощи терморезисторов.In the claimed inventions (method and device for its implementation), a non-stationary pulse heating mode is used, which makes it possible to measure the flow rate using only one main thermistor R Q (6) and to exclude the influence of changes in the temperature of the medium during measurements using an additional thermistor RT (11), which is not required (may not be) in the device to implement the claimed method. At the same time, a certain sequence of pulses of different amplitudes is fed to the thermistors to heat it and measure changes in temperature (resistances) at set time intervals, which makes it possible to use both hot-wire anemometer and calorimetric measurement methods using thermistors to measure flow.

Используемый заявленном способе калориметрический метод измерений в нестационарном режиме измерения расхода, позволяет также упростить конструкцию самого датчика расхода, за счет применения вместо трех терморезисторов - двух: основного RQ (6) и дополнительного Rт (11) или только одного основного терморезистора RQ (6), что также позволяет сократить количество соединительных проводов от терморезистивного датчика (2) к измерительному устройству (1), а также и повысить точность измерений за счет исключения влияния нагрева пограничного слоя - при использовании для нагрева вместо постоянной мощности, импульсного режима питания.The calorimetric method of measurement in the non-stationary flow measurement mode used by the claimed method also makes it possible to simplify the design of the flow sensor itself, by using instead of three thermistors - two: the main R Q (6) and the additional RT (11) or only one main thermistor R Q (6 ), which also makes it possible to reduce the number of connecting wires from the thermoresistive sensor (2) to the measuring device (1), as well as to increase the measurement accuracy by eliminating the influence of boundary layer heating - when using a pulsed power supply mode for heating instead of constant power.

Заявленные технические решения обладают всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков пунктов его формулы изобретения является новым для технологий (способов) и устройств для определения расхода потока жидкостей и газов в контрольной точке сечения трубопровода, путем одновременного использования для измерения расхода, как термоанемометрического, так и калориметрического методов измерений при помощи терморезистора с малой тепловой инерционностью с показателем тепловой инерции не более 5 мс, и, следовательно, соответствует критерию "новизна".The claimed technical solutions have all the criteria of the invention, since the set of limiting and distinctive features of the claims of its claims is new for technologies (methods) and devices for determining the flow rate of liquids and gases at the control point of the pipeline cross-section, by simultaneously using it to measure the flow, as a hot-wire and calorimetric measurement methods using a thermistor with low thermal inertia with an indicator of thermal inertia of no more than 5 ms, and, therefore, meets the "novelty" criterion.

Совокупность признаков формулы заявленных изобретений неизвестна на данном уровне развития техники, и не следует общеизвестным правилам определения расхода потока жидкостей и газов, что доказывает соответствие заявленного способа критерию "изобретательский уровень".The totality of the features of the claims of the claimed inventions is unknown at this level of development of technology, and does not follow the well-known rules for determining the flow rate of liquids and gases, which proves the compliance of the claimed method with the criterion of "inventive step".

Осуществление (внедрение) заявленных технических решений осуществлено заявителем при создании установки для испытания заявленных способа и устройства для его реализации (фиг. 6), а также полученными экспериментальными зависимостями (фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11), которые доказывают достижение заявленного технического результата, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".The implementation (implementation) of the claimed technical solutions was carried out by the applicant when creating an installation for testing the claimed method and a device for its implementation (Fig. 6), as well as the obtained experimental dependencies (Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11), which prove the achievement of the claimed technical result, whence the compliance with the criterion "industrial applicability" follows.

Литература:Literature:

1. Авторское свидетельство СССР: SU 1264004 А1 от 15.10.1986, МПК G01F 1/68, G01P 5/12, «Датчик термоанемометрического расходомера».1. USSR author's certificate: SU 1264004 A1 dated 10/15/1986, IPC G01F 1/68, G01P 5/12, "Hot-wire flow meter sensor".

2. Патент на изобретение РФ: RU 2098772 С1 от 10.12.1997, МПК G01F 1/68, G01P 5/12 «Термочувствительный элемент для термоанемометрического датчика расхода среды».2. Patent for invention of the Russian Federation: RU 2098772 C1 from 10.12.1997, IPC G01F 1/68, G01P 5/12 "Thermosensitive element for hot-wire anemometer flow sensor."

3. Патент на изобретение РФ: RU 2105267 С1 от 20.02.1998, МПК G01F 1/68, «Термоанемометрический датчик расхода среды».3. Patent for invention of the Russian Federation: RU 2105267 C1 from 20.02.1998, IPC G01F 1/68, "Hot-wire flow sensor".

4. Патент Японии: JP 3457822 (В2) от 20.10.2003, JPH09304150 (А) от 11.28.1997, МПК G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/10, «Flow sensor and its manufacture».4. Japanese patent: JP 3457822 (B2) from 20.10.2003, JPH09304150 (A) from 11.28.1997, IPC G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/10, "Flow sensor and its manufacture".

5. Патент Японии: JP 3364115 (B2) от 08.01.2003, JPH 1123338 (А) от 29.01.1999, МПК G01F 1/68, G01F 1/684, G01F1/692, «Thermosensitive flow-rate detecting element and flow-rate sensor using the same».5. Japanese patent: JP 3364115 (B2) from 08.01.2003, JPH 1123338 (A) from 29.01.1999, IPC G01F 1/68, G01F 1/684, G01F1 / 692, "Thermosensitive flow-rate detecting element and flow- rate sensor using the same ".

6. Патент Японии: JP 3598217 (B2) от 08.09.2004, 11287687 (А) от 19.10.1999, МПК G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/12, «Flow defection element, flow sensor, and manufacture of flow detection element».6. Japanese patent: JP 3598217 (B2) from 08.09.2004, 11287687 (A) from 19.10.1999, IPC G01F 1/68, G01F 1/692, G01P 5/12, “Flow defection element, flow sensor, and manufacture of flow detection element ".

7. Патент Японии: JP 3596596 (B2) от 02.12.2004, 2001074529 (А) от 23.03.2001, МПК G01F 1/68, G01F 1/696, G01F 7/00, «Flow measuring device».7. Japanese patent: JP 3596596 (B2) from 02.12.2004, 2001074529 (A) from 23.03.2001, IPC G01F 1/68, G01F 1/696, G01F 7/00, "Flow measuring device".

8. Патент США: US 6550324 (B1) от 04.22.2003, US 20010856441 от 04.09.2001, МПК G01F 1/696, G01F1/698, «Method and sensor for measuring a mass flow».8. US patent: US 6550324 (B1) from 04.22.2003, US 20010856441 from 04.09.2001, IPC G01F 1/696, G01F1 / 698, "Method and sensor for measuring a mass flow".

9. Патент США: US 6550325 (В1) от 04.22.2003, US 19930141632 от 27.10.1993, МПК G01F 1/00, G01F 1/688, G01F 1/692, «Electric device and method of driving the same».9. US patent: US 6550325 (B1) from 04.22.2003, US 19930141632 from 27.10.1993, IPC G01F 1/00, G01F 1/688, G01F 1/692, "Electric device and method of driving the same".

10. Патент США: US 6684694 (B2) от 02.03.2004, US 2002121137 (A1) от 05.09.2002, МПК G01F 1/684, G01F 1/692, H01M 8/02, «Flow sensor, method of manufacturing the same and fuel cell system».10. US patent: US 6684694 (B2) from 02.03.2004, US 2002121137 (A1) from 05.09.2002, IPC G01F 1/684, G01F 1/692, H01M 8/02, “Flow sensor, method of manufacturing the same and fuel cell system ".

11. Патент Германии: DE 10232651 (B4) от 25.09.2014, DE 10232651 (A1) от 20.02.2003, МПК G01F 1/692, «Flow sensor».11. German patent: DE 10232651 (B4) from 25.09.2014, DE 10232651 (A1) from 20.02.2003, IPC G01F 1/692, "Flow sensor".

12. Заявка на изобретение Российской Федерации: RU 2004102301 А от 10.07.2005, МПК Е21В 47/00, «Способ определения скорости потока газа в действующей газоносной скважине» - прототип.12. Application for an invention of the Russian Federation: RU 2004102301 A dated 10.07.2005, IPC Е21В 47/00, "Method for determining the gas flow rate in an operating gas-bearing well" - a prototype.

13. Патент на изобретение РФ: RU 2501001 С1 от 10.12.2013, МПК G01N 25/02, «Устройство для определения фазового состояния газожидкостного потока».13. Patent for invention of the Russian Federation: RU 2501001 C1 from 10.12.2013, IPC G01N 25/02, "Device for determining the phase state of a gas-liquid flow."

14. Гончар И.И., Кочарян С.А., Аржанников А.В. Терморезисторные чувствительные элементы для измерения температуры с низкими показателями тепловой инерции. Журнал: «Вопросы радиоэлектроники», серия - Приборы и методы измерения, №1, 2020.14. Gonchar I.I., Kocharyan S.A., Arzhannikov A.V. Thermistor sensors for temperature measurement with low thermal inertia. Journal: "Questions of radio electronics", series - Instruments and methods of measurement, No. 1, 2020.

Claims (23)

1. Способ измерения расхода текучей среды, включающий нагрев терморезистора импульсным током с последующим определением по измерению его сопротивления расхода текучей среды, отличающийся тем, что1. A method for measuring the flow rate of a fluid, including heating a thermistor with a pulsed current, followed by determination by measuring its resistance to the flow of a fluid, characterized in that используют одновременно измерение расхода текучей средыuse simultaneously the measurement of the flow rate of the fluid термоанемометрическим методом за счет измерения сопротивления терморезистора в момент подачи импульсов нагрева и после его подачиhot-wire method by measuring the resistance of the thermistor at the time of the heating pulses and after their supply и калориметрическим методом за счет измерения разности сопротивлений терморезистора в момент подачи импульсов до и после нагрева терморезистора,and by the calorimetric method by measuring the difference in resistance of the thermistor at the moment of impulses before and after heating the thermistor, при этом используют циклическое поочередное подключение к терморезистору источника тока для его нагрева протекающим током более 10 мА, обеспечивая температуру нагрева более 50°С относительно температуры текущей среды и источника тока для измерения величины сопротивления менее 1 мА, снижая к минимуму самонагрев терморезистора,at the same time, a cyclic alternate connection to the thermistor of a current source is used to heat it with a flowing current of more than 10 mA, providing a heating temperature of more than 50 ° C relative to the temperature of the current medium and the current source to measure the resistance value of less than 1 mA, minimizing the self-heating of the thermistor, измерение сопротивления терморезистора выполняют в разные моменты времени при разных температурах, в холодном состоянии - перед подачей импульса нагрева, в горячем состоянии - в конце импульса нагрева и в момент остывания - после подачи импульса нагрева,the resistance of the thermistor is measured at different times at different temperatures, in the cold state - before the heating pulse is applied, in the hot state - at the end of the heating pulse and at the moment of cooling - after the heating pulse is applied, величина сопротивления зависит от скорости потока среды и ее температуры в моменты времени нагрева и остывания,the value of resistance depends on the flow rate of the medium and its temperature at the moments of heating and cooling, а в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева величина сопротивления зависит только от температуры текучей среды и используется для измерения температуры текучей среды,and in the cold state, before the heating pulse is applied, the resistance value depends only on the temperature of the fluid and is used to measure the temperature of the fluid, при этом для определения расхода применяют термоанемометрический метод измерения расхода, учитывающий влияние температуры текущей среды, путем определения расхода по изменению сопротивлений в горячем состоянии или в момент остывания, а по изменению сопротивления в холодном состоянии перед подачей импульса нагрева определяют температуру текущей среды и вводят поправку, для учета влияния температуры текущей среды, изменяя измеренные сопротивления, используемые для измерения расхода,in this case, to determine the flow rate, a hot-wire method of flow measurement is used, which takes into account the effect of the temperature of the flowing medium, by determining the flow rate from the change in resistances in the hot state or at the moment of cooling, and by the change in resistance in the cold state, before the heating pulse is applied, the temperature of the flowing medium is determined and an amendment is introduced, to take into account the influence of the temperature of the flowing medium by changing the measured resistances used for flow measurement, а также применяют калориметрический метод измерения расхода, с использованием одного нагреваемого импульсами тока терморезистора, путем определения расхода по изменению разницы сопротивлений в моменты времени до и после подачи импульсов нагрева, независимо от температуры среды, так как в моменты измерения температура среды не изменяется.and also use the calorimetric method for measuring the flow rate, using one thermistor heated by current pulses, by determining the flow rate by changing the difference in resistances at the time moments before and after the heating pulses, regardless of the temperature of the medium, since at the moments of measurement the temperature of the medium does not change. 2. Устройство измерения расхода текучей среды, содержащее измерительное устройство и терморезистивный датчик, состоящий из корпуса, одной стороной навинченного на ответвление трубчатого тройника, в центре которого вдоль оси движения потока расположен свободный торец печатной платы с консольно припаянным терморезистором «точечного» исполнения, противоположный свободному торец печатной платы консольно закреплен в корпусе, на другой стороне которого герметично установлен электрический разъем, контакты которого проводами соединены с проводниками печатной платы, электрический разъем терморезистивного датчика кабелем соединен с измерительным устройством, содержащим схему с аналого-цифровыми преобразователями, микроконтроллером с программным управлением и выходом на регистратор в виде персонального компьютера, отличающееся тем, что2. A device for measuring the flow of a fluid containing a measuring device and a thermoresistive sensor, consisting of a body, one side of a tubular tee screwed onto a branch, in the center of which along the flow axis there is a free end of a printed circuit board with a cantilever-soldered "point" thermistor, opposite to the free the end of the printed circuit board is cantilevered in the housing, on the other side of which an electrical connector is sealed, the contacts of which are connected by wires to the conductors of the printed circuit board, the electrical connector of the thermoresistive sensor is connected by a cable to a measuring device containing a circuit with analog-to-digital converters, a microcontroller with programmed control and an output to the recorder in the form of a personal computer, characterized in that в качестве терморезистора применен тонкопленочный платиновый терморезистор на стеклянной подложке, выполненный в «точечном» исполнении с размерами по площади меандра его резистора не более 1 мм2 и размещенный на тонкой теплоизоляционной подложке шириной не более 1 мм и толщиной не более 200 мкм с малой тепловой инерционностью с показателем тепловой инерции не более 5 мс,as a thermistor, a thin-film platinum thermistor on a glass substrate is used, made in a "point" design with dimensions of the meander of its resistor no more than 1 mm 2 and placed on a thin heat-insulating substrate no more than 1 mm wide and no more than 200 microns thick with low thermal inertia with an indicator of thermal inertia no more than 5 ms, устройство выполнено с возможностью нагрева терморезистора и измерения его сопротивлений и температуры в установленные моменты времени с использованием последовательности импульсов тока для нагрева, измерения сопротивления и температуры,the device is made with the possibility of heating the thermistor and measuring its resistance and temperature at set points in time using a sequence of current pulses for heating, measuring resistance and temperature, причем период между подачей импульсов определяется временем, необходимым для увеличения разности температур перед и после подачи импульсов нагрева, период импульсных токов для нагрева и измерения сопротивления, и следовательно температуры терморезистора, не превышает 4 с, серия импульсных токов, подаваемых на терморезистор, состоит из начального и конечного коротких импульсов величиной не более 0,7 мА и длительностью не более 80 мс, сводящий к минимуму самонагрев терморезистора протекающим током, а также двух последовательных нарастающих импульсов тока с параметрами соответственно величиной 10…60 мА, длительностью 70…400 мс и величиной 25…100 мА и длительностью 50…200 мс, обеспечивающих нагрев терморезистора выше 50°С относительно температуры текучей среды,moreover, the period between the supply of pulses is determined by the time required to increase the temperature difference before and after the supply of heating pulses, the period of the pulse currents for heating and measuring the resistance, and therefore the temperature of the thermistor, does not exceed 4 s, the series of pulse currents supplied to the thermistor consists of the initial and final short pulses of no more than 0.7 mA and a duration of no more than 80 ms, minimizing the self-heating of the thermistor by the flowing current, as well as two successive increasing current pulses with parameters respectively 10 ... 60 mA, 70 ... 400 ms duration and 25 ... 100 mA and a duration of 50 ... 200 ms, providing heating of the thermistor above 50 ° C relative to the temperature of the fluid, между импульсами токов для их формирования использован временной промежуток не более 10 мс,between the current pulses for their formation, a time interval of no more than 10 ms is used, при этом устройство выполнено с возможностью измерения сопротивления при подаче каждого импульса в установившемся режиме на его конечном участке в течение не более 30% времени его временного интервала,in this case, the device is made with the ability to measure the resistance when each pulse is applied in a steady state at its final section for no more than 30% of the time of its time interval, измерительное устройство выполнено с возможностью за счет измерения сопротивлений терморезистора при подаче импульсов нагрева измерения расхода термоанемометрическим методом, а при подаче импульсов до и после нагрева измерения расхода калориметрическим методом,the measuring device is made with the possibility of measuring the resistances of the thermistor when the heating pulses are supplied, the flow rate is measured by the hot-wire method, and when the pulses are supplied before and after heating, the flow rate is measured by the calorimetric method, устройство содержит стабильные источники тока для подачи импульсов,the device contains stable current sources for supplying pulses, причем устройство выполнено с возможностью осуществления обработки результатов измерений с использованием аналого-цифровых преобразователей не менее 16 разрядов и микроконтроллера с программным управлением, предназначенным для управления режимами подачи токов и проведения измерений величин сопротивлений, их цифровой фильтрации и формирования цифровой последовательности для передачи результатов измерений с выхода измерительного устройства на вход персонального компьютера для дальнейшей обработки и визуализации результатов измерений.moreover, the device is made with the possibility of processing measurement results using analog-to-digital converters of at least 16 bits and a microcontroller with programmed control, designed to control the modes of supply of currents and measurements of resistance values, their digital filtering and formation of a digital sequence for transmitting measurement results from the output measuring device to the input of a personal computer for further processing and visualization of measurement results. 3. Устройство измерения расхода текучей среды по п. 2, отличающееся тем, что на обратной стороне печатной платы вдоль свободного ее торца напротив консольно припаянного терморезистора - основного терморезистора «точечного» исполнения - припаян аналогичный дополнительный терморезистор, соединенный своими проводами с контактами электрического разъема терморезистивного датчика,3. The device for measuring the flow rate of a fluid according to claim 2, characterized in that on the reverse side of the printed circuit board along its free end opposite the cantilevered thermistor - the main thermistor of the "point" design - a similar additional thermistor is soldered, connected by its wires to the contacts of the electrical connector of the thermoresistive sensor, импульсный ток дополнительного терморезистора состоит из одного начального короткого импульса величиной не более 1 мА и длительностью не более 100 мс, совпадающего по времени с первым коротким импульсом, подаваемым на основной терморезистор перед подачей импульса нагрева.the pulse current of the additional thermistor consists of one initial short pulse of no more than 1 mA and a duration of no more than 100 ms, which coincides in time with the first short pulse applied to the main thermistor before the heating pulse is applied. 4. Устройство измерения расхода текучей среды, по п. 2, отличающееся тем, что электрический разъем выполнен в герметичном газонепроницаемом исполнении и установлен на корпусе через герметизирующую прокладку.4. The device for measuring the flow rate of a fluid according to claim 2, characterized in that the electrical connector is made in a sealed gas-tight design and is installed on the body through a sealing gasket. 5. Устройство измерения расхода текучей среды, по п. 2, отличающееся тем, что пространство корпуса с проводами между электрическим разъемом и печатной платой с терморезистором заполнено отвердевшим компаундом.5. The device for measuring the flow rate of a fluid according to claim 2, characterized in that the space of the housing with wires between the electrical connector and the printed circuit board with the thermistor is filled with a hardened compound.
RU2020135252A 2020-10-26 2020-10-26 Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof RU2761932C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020135252A RU2761932C1 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020135252A RU2761932C1 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2761932C1 true RU2761932C1 (en) 2021-12-14

Family

ID=80444830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020135252A RU2761932C1 (en) 2020-10-26 2020-10-26 Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2761932C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791425C1 (en) * 2021-12-29 2023-03-07 федеральное государственное бюджетное образовательное учереждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Quasi-distributed hot-wire probe for measuring the distribution of gas flow velocity

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2001111131A (en) * 2001-04-23 2003-05-20 ООО "Югпромавтоматизация" Method and device for thermal flow measurement
DE10356443A1 (en) * 2003-12-03 2005-07-07 Digmesa Ag Method and device for non-contact measuring of flow rates
RU2004102301A (en) * 2004-01-26 2005-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Кубаньгазпром" (ООО "Кубаньгазпром") (RU) METHOD FOR DETERMINING A GAS FLOW SPEED IN AN EXISTING GAS WELL
EP3012596A1 (en) * 2014-10-21 2016-04-27 wenglor fluid GmbH Measuring device for determining the flow speed of a medium in a conduit

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2001111131A (en) * 2001-04-23 2003-05-20 ООО "Югпромавтоматизация" Method and device for thermal flow measurement
RU2002130147A (en) * 2002-11-11 2004-05-10 Валерий Владимирович Тихонов HEAT METER FLOW METER
DE10356443A1 (en) * 2003-12-03 2005-07-07 Digmesa Ag Method and device for non-contact measuring of flow rates
RU2004102301A (en) * 2004-01-26 2005-07-10 Общество с ограниченной ответственностью "Кубаньгазпром" (ООО "Кубаньгазпром") (RU) METHOD FOR DETERMINING A GAS FLOW SPEED IN AN EXISTING GAS WELL
EP3012596A1 (en) * 2014-10-21 2016-04-27 wenglor fluid GmbH Measuring device for determining the flow speed of a medium in a conduit

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2791425C1 (en) * 2021-12-29 2023-03-07 федеральное государственное бюджетное образовательное учереждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Quasi-distributed hot-wire probe for measuring the distribution of gas flow velocity

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100485944B1 (en) Thermal flow sensor, method and apparatus for identifying fluid, flow sensor, and method and apparatus for flow measurement
JPH08201327A (en) Heat conductivity meter
EP2154489A1 (en) Heat flowmeter
WO2001044761A1 (en) Thermal flowmeter with fluid discriminant function
US12092502B2 (en) Non-invasive thermometer
CN107132417B (en) A kind of precision resister measurement method of reactive circuit parameter drift
JP3310430B2 (en) Measuring device and measuring method
KR19990037001A (en) Methods for determining exhaust gas temperature and air-fuel ratio lambda and sensor arrangements for implementing such methods
RU2761932C1 (en) Method for measuring the flow rate of a fluid medium and apparatus for implementation thereof
US20240053209A1 (en) Thermometer with a diagnostic function
EA043451B1 (en) METHOD FOR MEASURING FLUID FLOW AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
US7031861B2 (en) Apparatus and method for calibrating a resistance thermometer and gas analyzer employing same
JP3114137B2 (en) Thermal conductivity gas concentration analyzer
RU2445611C1 (en) Method of determining phase of gas-liquid stream and apparatus for realising said method
CN117043555A (en) Thermal sensor and method for operating a thermal sensor
RU177514U1 (en) THERMOANEMOMETRIC FLOW AND GAS FLOW SENSOR
KR100356994B1 (en) Thermal conductivity detecting method for fluid and gas
Golan et al. High sensitivity calorimetric sensor for flow measurements
Wasserman et al. HEATED SENSORS FOR FLOW MEASUREMENTS
RU9315U1 (en) THERMOANEMOMETER
SU1140044A1 (en) Device for measuring speed of non-isothermal flows
JPS6125086B2 (en)
JPS5816128B2 (en) netsushikiriyuryokei
RU2034248C1 (en) Device for measuring temperature
SU770349A1 (en) Film thermoanemometer