Датчик для вимірювання витрати газу або рідини

1 Датчик для виміру витрати газу або рідини, що містить корпус датчика з нержавіючої сталі з закритим нижнім кінцем, каркас, виконаний з металу з високим коефіцієнтом теплопровідності, розміщений у нижній частині корпуса, ізоляції, нанесені на каркас, і нагрівальний елемент, який Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для виміру витрати газу або рідини в магістральних трубопроводах Сучасні вимоги до виміру витрати газу або рідини різноманітні, однак основною вимогою є висока точність виміру, особливо до ЛІЧИЛЬНИКІВ і дозаторів Зростаючі вимоги до надійності, якості й економічній ефективності пристроїв контрольновимірювальної техніки найбільшою мірою задовольняються теплообмінними вимірювальними перетворювачами, які є простими по конструкції, економічно вигідними й надійними в експлуатації ВІДОМІ теплові витратоміри, засновані на вимірі залежного від витрати ефекту теплового впливу на потік або тіло, що контактує з потоком [Кремлівський П П Витратоміри і лічильники КІЛЬКОСТІ Довідник Л Машинобудування Ленінгр Відділення, 1989 - 701с, Боровніков Г Н , Новожилов Б М , Сарафанів В Г Безконтактні витратоміри - М Машинобудування, 1985 128с ] Принцип дії термоанемометричних витратомірів заснований на залежності від швидкості (витрати) потоку тепловіддачі первинного перетворювача (нагрітого тіла), відрізняється тим, що датчик містить додатковий каркас і два терморезистори, які розташовані на порожніх каркасах, розміщених у корпусі датчика, при цьому каркас з терморезистором і нагрівальним елементом, розташований у нижній частині корпуса датчика, утворює нижній чутливий елемент, каркас з терморезистором, розташований у верхній частині корпуса датчика, утворює верхній чутливий елемент, а відстань між чутливими елементами заповнена теплоізоляційним матеріалом 2 Датчик по п 1, який відрізняється тим, що нагрівальний елемент розташований у порожнині каркаса 3 Датчик по п 1, який відрізняється тим, що нагрівальний елемент розташований на ЗОВНІШНІЙ поверхні каркаса поміщеного в потік газу (рідше рідини) Як вимірювана величина, по якій судять про витрату, служить звичайно або температура перетворювача при ПОСТІЙНІЙ потужності нагрівання, або потужність, за умови підтримки постійної температури перетворювача Відомо також, що в порівнянні з іншими типами теплових витратомірів термоанемометричні витратоміри мають більш високу точність виміру і меншу шерційність Однак їх істотним недоліком є невелика механічна МІЦНІСТЬ І нестабільність характеристик, унаслідок чого необхідні їх часті градуювання Останнє пояснюється тим, що у якості первинного перетворювача або тіла, що нагрівають, застосовували металеві нитки й плівки, напівпровідникові опори у формі циліндрів і бусинок, термопари [Коротше П А, Беляев Д В , Азімов Р К Теплові витратоміри - Л - д Машинобудування, 1969 -176с] Відомий датчик витратоміра, який містить вимірювальний і компенсаційний терморезистори [див опис до авт св СРСР №1264004, М кп G01F1/68, від 100185], що розташовані на пластині обтічного профілю, виконані у виді металевої форми і покриті захисною плівкою ю (О 00 47865 Вимірювальний терморезистор реагує на величину потоку, що обтікає, а компенсаційний коректує показання термоанемометра в залежності від того, як змінюється температура потоку Описаний вище датчик відрізняється простотою виконання, однак характеристики його не стабільні Конструкція датчика висуває високу вимогу до точності його розташування щодо контрольованого потоку, наявність порожнини може привести до деформації датчика і, як наслідок, до збільшення погрішності Конструкція датчика не дозволяє використовувати його в агресивних і вибухонебезпечних середовищах Відомий також тепловий витратомір, який містить корпус, у якому розміщені два терморезистора, виконані ідентично і включені в електричну вимірювальну схему [див опис до патенту РФ №2126956, М кл G01F1/69, від 08 07 97] Терморезистор першого перетворювача розташований в основному каналі, виконаному в корпусі, а другого - в горлі завузького елемента у виді труби Вентури Терморезистори виконані дротовими й розміщені на поверхні тонкостінних металевих трубок Тепловий витратомір, виконаний ВІДПОВІДНО ДО описаного вище винаходу, має експлуатаційні можливості більш широкі в порівнянні з відомими аналогічними витратомірами, на порядок більш високу точність, у 8-10 разів більше відношення найменшої і найбільшої меж вимірів витрати, у декілька разів менший час виходу на режим Однак описаний вище витратомір не може бути використаний при високих тисках контрольованого середовища, оскільки виконаний на основі тонкостінних металевих трубок ( із товщиною стінок 0,05мм) Він не може бути також використаний для контролю вибухонебезпечних середовищ, тому що корпус перетворювача виконаний не герметичним Найбільш близьким до рішення, що заявляється, по призначенню, технічній сутності і результату, що досягається при використанні, є датчик для виміру витрати газу або рідини, який містить корпус з нержавіючої сталі із закритим нижнім кінцем, каркас, виконаний з металу з високим коефіцієнтом теплопровідності, розміщений у нижній частині корпуса, ізоляції, нанесені на каркас і нагрівач [див опис до патенту РФ №2143667, М кл G01F1/69, від 10 1198] У цьому датчику каркас виконаний з металу з високим коефіцієнтом теплопровідності, причому діаметр каркаса на 0,5мм менше внутрішнього діаметра корпуса, шари ізоляції виконані з матеріалу з високим коефіцієнтом теплопровідності, а як заповнювач використаний метал Датчик описаної вище конструкції може здійснити два варіанти роботи При одному підтримується постійної температура датчика, при другому підтримується постійної різниця температур між середовищем і поверхнею датчика (термопари, що вимірюють температуру датчика й середовища на кресленні не показані) Тому що тепловий опір датчика запропонованої конструкції менше відомих, то, на думку заявників, зазначені ВІДОМІ залежності споживаної датчиком потужності від масової витрати середовища і її температур виконуються з більш високою точністю, ніж при використанні інших датчиків Однак оскільки точність виміру температури, що залежить як від датчика температури, так і від вторинного перетворювача, впливає на кінцевий результат, важливо, щоб и вимір виконувався більш надійними засобами В описаному вище рішенні температуру вимірюють за допомогою термопар, які на фігурі не показані Однак відомо, що тонкі металеві нитки термопар, знаходячись у безупинному зіткненні з потоком, піддані аеродинамічному навантаженню, а також ударному навантаженню з боку твердих часток у потоці Вага умов роботи збільшується вібраціями, що виникають через пульсації газового або рідинного потоку Вібраційне навантаження прискорює руйнування термопар, вносить ІСТОТНІ погрішності у вимір Крім того, при визначенні споживаної потужності, використовуючи вихідний сигнал нагрівача, необхідно вносити додаткові корекції, зв'язані з нелінійним характером зміни опору нагрівача в залежності від температури, що вносить додаткові погрішності при визначенні витрати вимірюваного середовища або істотно ускладнює пристрої вторинного перетворення Тому задачею пропонованого технічного рішення є підвищення точності виміру і стабільності характеристик датчика в сполученні з високою механічною МІЦНІСТЮ, а також підвищення точності виміру й стабільності показань шляхом автоматичного усунення залежності вихідного сигналу первинного перетворювача від зміни температури контрольованого середовища В основу винаходу поставлена задача поліпшення датчика для виміру витрати газу або рідини, у якому, унаслідок його виконання з додатковим каркасом і двома терморезисторами, які розташовані на порожніх каркасах, розміщених у корпусі, утворення каркасом з терморезистором і нагрівальним елементом нижнього чуттєвого елемента, розташованого в нижній частині корпуса датчика, утворення каркасом з терморезистором верхнього чуттєвого елемента, розташованого у верхній частині корпуса датчика, і заповнення відстані між чуттєвими елементами теплоізоляційним матеріалом, забезпечується рівномірне нагрівання нижнього терморезистора в діапазоні температур, що виключає швидке старіння матеріалу, усунення впливу на його показання інших параметрів середовища, автоматична компенсація зміни температури контрольованого середовища, і за рахунок цього спрощується робота вторинного перетворювача, підвищується точність вимірів і збільшується стабільність показань датчика Поставлена задача зважується тим, що у відомому датчику для виміру витрати газу або рідини, який містить корпус з нержавіючої сталі з закритим нижнім кінцем, каркас, виконаний з металу з високим коефіцієнтом теплопровідності, розміщений у нижній частині корпуса, ізоляції, нанесені на каркас, і нагрівальний елемент, 47865 ВІДПОВІДНО до винаходу, він містить додатковий каркас і два терморезисторм, що розташовані на порожніх каркасах, розміщених у корпусі датчика, при цьому каркас з терморезистором і нагрівальним елементом розташований у нижній частині корпуса датчика й утворює нижній чуттєвий елемент, каркас з терморезистором розташований у верхній частині корпуса датчика й утворює верхній чуттєвий елемент, а відстань між чуттєвими елементами заповнена теплоізоляційним матеріалом ВІДПОВІДНО ДО винаходу, нагрівальний елемент може бути розташований у порожнині каркаса ВІДПОВІДНО ДО винаходу, нагрівальний елемент може бути розташований на ЗОВНІШНІЙ поверхні каркаса Використання порожніх каркасів для терморезисторів і нагрівального елемента дозволяє розмістити чуттєві елементи таким чином, щоб виключити вплив на них інших факторів, крім температури Поділ чуттєвих елементів у корпусі датчика теплоізолюючим матеріалом зводить практично до нуля вплив нагрівального елемента на показання терморезистора, який дає інформацію про температуру середовища, витрату якого вимірюють Як видно з викладу сутності технічного рішення, що заявляється, воно відрізняється від прототипу і, отже, є новим Рішення також має винахідницький рівень ВІДОМІ термоанемометри з перетворювачем непрямого нагрівання [Коротше П А , Беляев Д В, Азімов Р К Теплові витратоміри - Л - д Машинобудування, 1969 - 176с ] Достоїнством відомого термоанемометра є стабільність градуювальної кривої, можливість її уніфікації, а також висока механічна МІЦНІСТЬ Однак, як зазначено в згаданому джерелі інформації, недоліком є порівняльна складність виготовлення перетворювача малих розмірів, значна шерційність (час установлення т э д с дорівнює 40 - 50сек), зміна умов теплообміну від положення датчика в потоці Пропоноване технічне рішення позбавлене, принаймні, двох останніх недоліків, оскільки в якості терморезисторів використані не термопари, які виконані з дроту 0,3 - 0,5мм, а обмотки, виконані проводом з діаметром 0,05 мм, наприклад, з платини або МІДІ, розташовані на каркасах, виготовлених із матеріалу з високою теплопровідністю, що забезпечує значно меншу шерційність Розміщення чуттєвих елементів у єдиному корпусі дозволяє мінімізувати розміри датчика, і тим самим знизити його опір потоку контрольованого середовища, зменшити погрішність виміру Крім того, оскільки тимчасова стабільність чуттєвих елементів датчика визначається відносною зміною опорів вимірювальних ланцюгів протягом тривалого часу, поділ вимірювальних і нагрівальних ланцюгів у пропонованому рішенні дозволяє до мінімуму знизити величину вимірювального струму, а отже і перегрів дротових чуттєвих елементів, що забезпечує на порядок більш високу стабільність характеристик датчика в порівнянні із прототипом протягом тривалого часу й істотно збільшує міжповірочний період Розміщення в корпусі датчика верхнього чуттєвого елемента, що вимірює температуру потоку контрольованого середовища, дозволяє вносити в розрахунки параметри середовища при конкретній температурі, і тим самим забезпечити точність вимірів до ± 1,0% у діапазоні витрат Q m a x > Qm > 0,2Qmax і 2,0% у діапазоні витрат 0,2Qmax > Qm > Qmin,, ДЄ Q m - МЭСОВЭ ВИТрЭТЭ Пропоноване технічне рішення знаходить широке застосування в промисловості для виміру витрати газу або рідини в магістральних трубопроводах Фіг 1 Датчик для виміру витрати газу або рідини (у зборі) Фіг 2 Чуттєвий елемент із нагрівальним елементом у порожнині каркаса Фіг 3 Електрична схема первинного перетворювача датчика Датчик для виміру витрати газу або рідини (Фіг 1) містить корпус 1 із закритим нижнім кінцем, каркас 2, виконаний, наприклад, з МІДІ, розміщений у нижній частині корпуса і уявляючий собою основу нижнього чуттєвого елемента (НЧЕ) У порожнині каркаса 2 розташована капсула З, виконана з електроізоляційного матеріалу з високою теплопровідністю, наприклад, із берилієвої кераміки (ВеО), у яку поміщений нагрівальний елемент 4 Нагрівальний елемент 4 являє собою низькоомний резистор, наприклад дротовий Для досягнення максимальної теплопередачі готову капсулу 3 вплавляють у каркас 2 з лудженою внутрішньою поверхнею за допомогою низькотемпературного сплаву, наприклад сплаву Розе, з Тпл = 93 - 96°С На ЗОВНІШНІЙ поверхні каркаса 2 розташований дротовий терморезистор 5, виконаний із платини або МІДІ На каркасі 2 установлена контактна планка 6, виконана із двостороннього матеріалу, на доріжках якої закріплені виведення нагрівального елемента 4 і терморезистора 5 Другий каркас 7, що є основою верхнього чуттєвого елемента (ВЧЕ), виконаний також із матеріалу з високою теплопровідністю, розташований також у корпусі 1 на відстані від нижнього чуттєвого елемента, що виключає вплив нагрівального елемента 4 на терморезистор 8, який розташований на ЗОВНІШНІЙ поверхні каркаса 7 Контактна планка 6 проходить усередині каркаса 7, а простір між каркасами 2 і 7 заповнено теплоізолюючим матеріалом, наприклад, фторопластом, компаундом і т п Можливо й інше виконання нижнього чуттєвого елемента (фіг 2) У цьому випадку нагрівальний елемент 9 розташовують на ЗОВНІШНІЙ поверхні каркаса 2, а терморезистор 10 розміщають на стрижні 11, також виконаному із матеріалу з високою теплопровідністю, наприклад із МІДІ Зазор між терморезистором і каркасом заповнюють легкоплавким матеріалом, наприклад сплавом Розе, із Тпл = 93 - 96°С Верхній і нижній чуттєві елементи складають первинний перетворювач, схема підключення 47865 якого показана на фіг 3 Контакти 12 і 13 відповідають підключенню нагрівального елемента 4 (9), 14 і 15 - терморезистора 5 (10) нижнього чуттєвого елемента, 16, 17 - терморезистора 8 верхнього чуттєвого елемента Для підвищення теплопередачі, а отже, і швидкодії датчика верхній і нижній чуттєві елементи піддають мідненню, потім вплавляють у корпус 1, з попередньо лудженою внутрішньою поверхнею, за допомогою низькотемпературного сплаву, наприклад сплаву Вуда, з Тпл = 66 - 70°С Пристрій, що заявляється, придатний для здійснення двох варіантів роботи термоанемометричних витратомірів У першому випадку, при підтримці постійної потужності для нагрівання НЧЕ, різниця температур НЧЕ й ВЧЕ залежить від масової витрати, тобто 5Т = f (Qm) В другому випадку, при підтримці постійної різниці температур між ВЧЕ і НЧЕ потужність залежить від масової витрати, ТОбТО W = f (Qm) Датчик витрати газу або рідини працює в такий спосіб При включенні електричної вимірювальної схеми через контакти 12 - 17 на терморезистор 5 (10) і терморезистор 8 подають ічЛкЧЧЧЛЛЧУ невеликий, що не нагріває їх, електричний струм для виміру їхнього опору Після включення нагрівального елемента 4 в електричний ланцюг через контакти 12 і 13 фіксують різницю температур між ВЧЕ і НЧЕ Контрольоване середовище, що рухається, здатне змінювати цю різницю Вимір витрати здійснюють шляхом або виміру різниці температур між НЧЕ й ВЧЕ, або шляхом визначення потужності нагрівача, що забезпечує постійну різницю температури Терморезистори 5 (10) і 8, а також нагрівальний елемент 4 (9) включені в електричну вимірювальну схему, що побудована на базі ЕОМ із забезпеченням корекції величини вихідного електричного сигналу для одержання лінійної залежності електричної потужності від витрати контрольованого середовища Як видно з викладу сутності і приклада здійснення пропонованого технічного рішення, воно забезпечує підвищення точності виміру й стабільність характеристик датчика Міцний герметичний корпус датчика дозволяє використовувати його у вибухонебезпечних і агресивних середовищах із високим тиском \ \ \\\\ч\\\\\\\\\\\ч\\\\\^ ФІГ. 1 47865 10 Фіг. 2 Фіг. З ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71