Тепловой расходомер

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(73) Патентообладатель Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(57) Тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода, выполненный с возможностью включения в магистраль, с расположенным на нем нагревателем, электрически связанным со стабилизированным источником напряжения, и двумя последовательно соединенными термометрами сопротивления,включенными в питающую диагональ мостовой измерительной схемы, в которую также включены два последовательно соединенных термостабильных резистора, а также регистратор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, делитель частоты, избирательный усилитель и преобразователь напряжение -ток, выход которого соединен с питающей диагональю мостовой измерительной схемы, измерительная диагональ которой соединена через дифференциальный усилитель с информационным входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого через фильтр нижних частот соединен с регистратором, а управляющий вход фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом делителя частоты. 740 Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к тепловым устройствам для измерения расхода жидкости или газа, и может быть использована в химической, энергетической и других отраслях промышленности. Известен тепловой расходомер 1, включающий тепловой преобразователь расхода, состоящий из измерительного участка трубопровода с расположенным на нем нагревателем и двумя термобатареями, мостовую измерительную схему, электронный усилитель и регистратор. Однако в данном техническом решении для обеспечения достаточной чувствительности необходимо использовать термобатареи, состоящие из значительного числа спаев (до 30), и значительную мощность нагревателя. Это влечет за собой трудоемкость в изготовлении расходомера и дополнительные погрешности при проведении измерений, обусловленные изменением теплофизических свойств измеряемой среды с изменением температуры. Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является тепловой расходомер 2, включающий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем нагревателем и двумя термометрами сопротивления, мостовую измерительную схему, стабилизированный источник питания постоянного тока для нагревателя и мостовой измерительной схемы, и регистратор в виде электронного потенциометра. В данном техническом решении при той же мощности нагрева удается повысить чувствительность расходомера. Однако повышение чувствительности в нем ограничено, с одной стороны несовершенством средств,измеряющих напряжение в измерительной диагонали мостовой схемы (наличие напряжения смещения и его дрейфа в усилителях, работающих на постоянном токе), а с другой - ограничением рабочего тока, протекающего через термометры сопротивления, вызванным выделением Джоулева тепла. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации на тепловой преобразователь расхода, линию связи и измерительную схему действуют помехи в основном сетевой частоты. Данные помехи прикладываются к входу регистратора, искажая результаты измерения расхода. Задачей заявляемой полезной модели является повышение чувствительности и помехоустойчивости. Поставленная задача решается тем, что в тепловой расходомер, содержащий измерительный участок трубопровода, выполненный с возможным включением в магистраль, с расположенными на нем, нагревателем,электрически связанным со стабилизированным источником питания и двумя последовательно соединенными термометрами сопротивления, включенными в питающую диагональ мостовой измерительной схемы, в которую также включены два последовательно соединенных термостабильных резистора, а также регистратор, согласно полезной модели, в него дополнительно введены последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов, делитель частоты, избирательный усилитель и преобразователь напряжениеток, выход которого соединен с питающей диагональю мостовой измерительной схемы, измерительная диагональ которой соединена через дифференциальный усилитель с информационным входом фазочувствительного выпрямителя, выход которого через фильтр нижних частот соединен с регистратором, а управляющий вход фазочувствительного выпрямителя соединен с выходом делителя частоты. На чертеже представлена функциональная схема заявленного технического решения. Расходомер, содержащий (см. чертеж) измерительный участок трубопровода 1, с намотанными на него одинаковыми термометрами сопротивления 2 и 3, например, из медной проволоки и расположенными по обе стороны нагревателя 4, намотанного, например, манганиновой проволокой и подключенного к стабилизированному источнику питания 5, двух термостабильных резисторов 6 и 7, образующих совместно с термометрами сопротивления 2 и 3 мостовую схему 8, в измерительную диагональ которой включен дифференциальный усилитель 9, выход которого соединен с информационным входом фазочувствительного выпрямителя 10, выход которого через фильтр нижних частот 11 соединен с входом регистратора 12. Формирователь прямоугольных импульсов 13, питаемый от напряжения сетевой частоты, например от вторичной обмотки силового трансформатора, соединенный с делителем частоты 14, выход которого соединен с управляющим входом фазочувствительного выпрямителя 10 и с входом избирательного усилителя 15, выход которого через преобразователь напряжение -ток 16 соединен с питающей диагональю мостовой измерительной схемы 8. Расходомер работает следующим образом. Измерительный участок трубопровода расходомера включают в магистраль. При наличии расхода температурное поле измерительного участка трубопровода 1 отличается от симметричного относительно нагревателя 4, при этом температуры термометров сопротивления 2 и 3 становятся различными, а в измерительной диагонали мостовой измерительной схемы 8 появляется напряжение разбаланса, несущее информацию о расходе. Мостовая измерительная схема 8 питается током от преобразователя напряжение - ток 16. Этот ток имеет форму синусоиды, период которой кратен периоду сетевого напряжения. Это достигается за счет формирования прямоугольных импульсов с периодом, равным периоду сетевого 2 740 напряжения с использованием формирователя прямоугольного напряжения 13. Полученная последовательность прямоугольных импульсов делится делителем частоты 14, этим достигается кратность периода. Избирательный усилитель 15 выделяет из выходной последовательности импульсов первую гармонику, в результате чего на входе преобразователя напряжение - ток 16 формируется синусоидальный ток с периодом,кратным периоду сетевого напряжения. Таким образом, при наличии расхода на выходе мостовой измерительной схемы 8 будет присутствовать синусоидальное напряжение, которое усиливается дифференциальным усилителем 9 и подается на информационный вход фазочувствительного выпрямителя 10, на управляющий вход которого подается прямоугольное напряжение с делителя частоты 10. В результате на входе фазочувствительного выпрямителя получается двухполупериодное напряжение, среднее значение которого, выделяемое фильтром нижних частот 11, несет информацию о расходе, которое документируется с использованием регистратора 12. Положительный эффект заявленного технического решения заключается в повышении чувствительности и помехоустойчивости. Повышение чувствительности по сравнению с прототипом заключается в следующем. Поскольку в прототипе мостовая измерительная схема питается постоянным напряжением, то полезное напряжение, несущее информацию о расходе, получаемое в измерительной диагонали, представлено в виде постоянного напряжения. Порог обнаружения данного напряжения определяется напряжением смещения дифференциального усилителя. В заявляемом техническом решении сигнал разбаланса имеет вид синусоидального напряжения, т.е. смещение дифференциального усилителя 9 и полезный сигнал имеют различную форму. Фазочувствительный выпрямитель 10 в зависимости от управляющего напряжения, поступающего с делителя частоты 14, имеет коэффициент усиления либо 1, либо - 1. Поскольку скважность управляющего напряжения равна 2, то от постоянной составляющей входного напряжения среднее значение выходного напряжения равно 0. В то же время среднее значение выходного напряжения фазочувствительного выпрямителя 10 от переменной составляющей отлично от нуля. Таким образом, фазочувствительный выпрямитель 10 осуществляет разделение полезной составляющей переменного напряжения и составляющих, не несущих информацию о знании расхода. Кроме напряжения смещения дифференциального усилителя, к появлению постоянной составляющей могут привести и термоэлектрические эффекты, обусловленные разнородными материалами, из которых образована мостовая измерительная схема (особенно в случаях, когда термометры сопротивления изготавливаются из материалов, отличных от материалов соединительных проводов платины, никеля, вольфрама и пр.). Из отмеченного следует повышение чувствительности заявляемого технического решения по сравнению с прототипом. Повышение помехоустойчивости объясняется следующим образом. Основная доля помех, присутствующих на измерительной диагонали мостовой измерительной схемы 8(на входе дифференциального усилителя 9), обусловлена напряжением сети, т.е. имеет частоту 50 Гц. Эти помехи обусловлены паразитными связями между питающей сетью и линией связи, соединяющий тепловой преобразователь расхода, состоящий из элементов 1, 2, 3, 4 и дифференциальным усилителем 9 паразитной связью между током, протекающим по измерительному участку трубопровода 1, и термометрами сопротивления 2,3 током утечки силового трансформатора, протекающими по элементам мостовой, и измерительной схемы 8. Поскольку период полезного напряжения кратен периоду сетевой частоты, то в интервалы времени, когда коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 10 равен 1 (или - 1), укладывается целое число периодов сетевой частоты. Например, при коэффициенте деления делителя частоты 14, равном 2, кратность полезного сигнала и сетевой частоты равна 2 (40 и 20 мс). Тогда в интервал времени (20 мс), когда коэффициент передачи фазочувствительного выпрямителя 10 равен 1 (или - 1), на его выход проходит целый период сетевой помехи. Среднее значение за период синусоидального напряжения равно нулю. Таким образом, напряжение помехи с частотой сети (и естественно с кратными сети частотами) не влияет на показания регистратора 12. Таким образом, в заявленном техническом решении по сравнению с прототипом повышена чувствительность и помехоустойчивость. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3