Датчик витрат рідини або газу

Изобретение относится к области измерения расхода жидкостей или газа и может быть использовано для создания на его базе счетчиков объемного расхода жидкости или газа. Известен датчик расхода, содержащий измерительный участок трубопровода с размещенным вовне трубопровода нагревателем и двумя термочувстви тельными элементами и закрепленное внутри трубопровода тело обтекания из теплоизоляционного материала цилиндрической формы. К недостаткам прототипа следует отнести наличие источника тепла, расположенного во вне трубопровода, т.к. его температура зависит от температуры внешней среды, никак не учитываемой в процессе измерения, но существенно влияющую на величину теплового потока, переносимого от нагревателя к термочувствительному элементу. Сама необходимость переноса тепла от нагревателя к термочувстви тельным элементам вносит дополнительную погрешность в измерения, так как 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 тела обтекания и применения 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, тепа обтекания и термочувствительного элемента, расположенных внутри тр убопровода, тело обтекания выполнено в виде симметричного крыла с расположенными на нем пластинами, установленными с возможностью теплового контакта термоэлементом, а в качестве термоэлемента использован датчик теплового потока. 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 находятся при температуре измеряемой ереды, а температура пластин изменяется только под действием среды. На чертеже представлен общий вид заявляемого датчика. Датчик состоит из измерительного участка трубопровода 1, тела обтекания в виде симметричного крыла 2, пластин разных размеров 3, находящихся в тепловом контакте с измеряемой средой и термоэлементом 4. Датчик работает следующим образом. Измеряемый поток жидкости или газа, проходящий внутри измерительного участка трубопровода 1, охлаждает пластины 3, находящиеся на крыле 2, и при этом пластина больших размеров охлаждается больше, чем пластина меньших размеров. Эта разность температур через тепловой контакт передается на торцы термоэлемента 4, в котором возникает термоЭДС, пропорциональная скорости движения потока. Достижение измеряемого результата подтверждается следующими расчетами. В состоянии, когда трубопровод заполнен неподвижным газом или жидкостью при t°C, с учетом, что газ или жидкость нагревались от 0°С до t°C пластины теплосъемников аккумулируют следующее количество тепла где r n - удельный вес материала теплосъемника; Сn - удельная теплоемкость материала теплосъемника; Vn(1,2) - объем первого и второго теплосъемников. Количество тепла, выносимое из теплосъемника при движении жидкости или газа за 1 секунду, описывается выражением где Сp - теплоемкость жидкости или газа при данном давлении; r(t) - плотность жидкости или газа приданном давлении; w - скорость движения жидкости или газа в тр убопроводе; Sn - площадь теплосъемника. Количество тепла, аккумулированное в теплосъемнике после воздействия движущейся среды в течение 1 сек составит где t1 - температура теплосъемника после воздействия среды. откуда Введя обозначение вид: и разделив числитель и знаменатель на Sn соотношение (4) примет где sn - толщина теплосьемника. С учетом того, что в измерительной части датчика используются два теплосъемника с разными величинами площади Sn1 и Sn2, причем Sn1 > S n2 , измеряемый тепловой поток, обусловленный разными температурами теплосъемников при одинаковой скорости движения среды их омывающей, описывается следующим соотношением: или При этом величина ЭДС измеряемого сигнала для датчика теплового потока где a 33 - термоэдс антимонида кадмия вдоль кристаллографической оси 001; a м - термоэдс меди. Отсюда 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 [2]. Образец был испытан и получена точность измерений от 0,3...0,6% в диапазоне расхода газа от 0,056...3,75 м 3/ч.