Датчик витрат рідини або газу

Изобретение относится к области расхода жидкостной или газа и может быть использовано для создания на его базе счетчиков объемного расхода жидкости или газа. Известен датчик расхода [1], содержащий измерительный участок трубопровода с размещенным вовне трубопровода нагревателем и двумя термочувствительными элементами и закрепленное внутри трубопровода тело обтекания из теплоизоляционного материала цилиндрической формы. К недостаткам прототипа следует отнести наличие источника тепла, расположенного вовне трубопровода, т.к. его температура зависит от температуры внешней среды, никак неучитываемой в процессе измерения, но существенно влияющую на величину теплового потока, переносимого от нагревателя к термочувствительным элементам. Сама необходимость переноса тепла от нагревателя к термочувствительным элементам вносит дополнительную погрешность в измерения, т.к. обеспечить одинаковые условия переноса тепла невозможно в зависимости от внешних условий окружающей среды и от образца к образцу. Наличие двух термочувствительных элементов, размещенных в цилиндрическом теплоизоляционном теле обтекания и приведенных в тепловой контакт с измеряемой средой обуславливает погрешность измерения типа "плавающий ноль" за счет изменения температуры измеряемой среды, и, следовательно, изменения величины теплового потока от нагревателя к термочувствительным элементам. Задачей изобретения является создание такого датчика расхода жидкости или газа, в котором за счет иного конструктивного выполнения тел обтекания и использования другого термочувствительного элемента достигается измерение количества теплового потока вместо температуры датчиков, что позволяет повысить точность измерения. Задача решается за счет того, что в заявляемом датчике, состоящем из измерительного участка трубопровода, тела обтекания, расположенного внутри трубопровода, и термочувствительного элемента, расположенного вне трубопровода, тело обтекания выполнено в виде двух пластин разных размеров, расположенных симметрично относительно оси и стенок трубопровода и параллельно друг другу, а в качестве термочувствительного элемента использован датчик теплового потока, при этом торцы датчика теплового потока установлены с возможностью теплового контакта с пластинами. Технический результат в заявляемом датчике достигается за счет причинно-следственной связи в статике, когда пластины находятся в измеряемой среде, находящейся в спокойном состоянии и без движения, между пластинами и измеряемой средой устанавливается термодинамическое равновесие, при этом система: измеряемая среда - пластины –датчик теплового потока принимают одинаковую температуру, равную температуре среды; в динамике при движении измеряемой среды происходит вынос тепла из пластин, т.е. понижается их внутренняя энергия, а, следовательно, и температура, при этом температура пластины больших размеров становится ниже, чем пластины с меньшими размерами, вследствие чего между ними устанавливается тепловой поток, фиксируемый датчиком теплового потока, приведенного в тепловой контакт с пластинами, а поскольку величины выносимого из пластин количества тепла пропорциональны скорости потока жидкости или газа, то и величина потока, проходящего через датчик теплового потока, пропорциональна скорости движения жидкости или газа и не зависит от температуры измеряемой среды, т.к. система все время находится при температуре измеряемой среды, а температура пластин изменяется только под действием движения среды. На чертеже представлен общий вид заявляемого датчика. Датчик состоит из измерительного участка трубопровода 1,внутри которого расположены пластины 2 разных размеров, расположенные симметрично относительно оси и стенок трубопровода и параллельно друг другу, находящиеся в тепловом контакте с термоэлементом 3. Датчик работает следующим образом. Измеряемый поток жидкости или газа, проходящий внутри измерительного участка трубопровода 1, охлаждает пластины 2 и при этом пластина больших размеров охлаждается больше, чем пластина меньших размеров. Эта разность температур через тепловой контакт передается на торцы термоэлемента 3, в котором возникает термо-эдс, пропорциональная скорости движения потока. Достижение измеряемого результата подтверждается следующими расчетами. В состоянии, когда трубопровод заполнен неподвижным газом или жидкостью при температуре t°C, с учетом, что газ или жидкость нагревались от 0°С до t°C, пластины теплосъемников аккумулируют следующее количество тепла: где: rn - удельный вес материала тепло-съемника; Сn - удельная теплоемкость материала теплосъемника; Vn(1,2) - объем первого и второго тепло-съемников. Количество тепла, выносимое из тепло-съемника при движении жидкости или газа за 1 секунду описывается выражением: где: Ср -теплоемкость жидкости или газа при данном давлении; r (t) - плотность жидкости или газа при данной температуре; w - скорость движения жидкости или газа в трубопроводе; Sn - площадь теплосъемника. Количество тепла, аккумулированное в теплосъемнике после воздействия движущейся среды в течение 1 секунды, составит: где t1 - температура теплосъемника после воздействия среды. Введя обозначение и разделив числитель и знаменатель на Sn соотношение (4) примет вид: где sn - толщина теплосъемника. С учетом того, что в измерительной части датчика используются два теплосъемника с разными величинами площади Sn1 и Sn2, причем Sn1>Sn2. измеряемый тепловой поток, обусловленный разными температурами теплосъемников при одинаковой скорости движения среды их омывающей, описывается следующим соотношением: При этом величина ЭДС измеряемого сигнала для латчика теплового потока где: a 33 - термоЭДС антимонида кадмия вдоль кристаллографической оси 001; т.е. величина сигнала на выходе датчика не зависит от температуры измеряемой жидкости или газа, а зависит от материала и конфигурации теплосъемника и скорости движения среды. Согласно изобретению на заводе был изготовлен экспериментальный образец заявляемого устройства, в котором пластины были выполнены размером в соотношении 1:5, а в качестве термоэлемента был использован кристалл из антимонида кадмия, вырезанный вдоль кристаллографической оси 001. Образец был испытан и получена точность измерений от 0,3...0,6% в диапазоне расхода газа от 0,056...3,75 м3/час.