Тепловой преобразователь расхода

(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого(72) Авторы Карпов Владимир Александрович Мурашко Сергей Александрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого(57) Тепловой преобразователь расхода, включающий выполненный с возможностью установки в магистраль измерительный участок трубопровода с расположенными на нем измерительным и компенсационным термоэлементами, каждый из которых снабжен двумя контактными выводами, масштабный усилитель, дифференциальный усилитель, связанный с шиной нулевого потенциала резистивный делитель, токоизмерительный резистор,первым своим контактом соединенный с вторым входом блока определения мощности,первый и второй термостабильные резисторы соединены первыми своими контактами соответственно с первыми контактными выводами измерительного и компенсационного термоэлементов, отличающийся тем, что в него введен дополнительный резистор, включенный между шиной нулевого потенциала и вторым контактным выводом компенсационного термоэлемента, первый контактный вывод которого соединен с входом дифференциального усилителя, второй контактный вывод измерительного термоэлемента соединен с первым контактом токоизмерительного резистора, при этом его второй контакт соединен с шиной нулевого потенциала, второй контакт второго термостабильного резистора соединен с выходом дифференциального усилителя и с входом масштабного усилителя,выход которого соединен с вторым контактом первого термостабильного резистора, причем его первый контакт соединен с первым входом блока определения мощности и с входом резистивного делителя, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя.(56) 1. Френкель Б.А. Измерение малых и микрорасходов продуктов нефтехимических производств. - М. ЦНИИТЭнефтехим, 1973. - С. 73-75. 2. А. с. СССР 960538, МПК 01 1/68, 1982 (прототип). 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 преобразователь расхода 1, содержащий измерительный участок трубопровода с расположенными на нем компенсационным и измерительным термоэлементами, которые совместно с двумя термостабильными резисторами образуют мостовую схему, в измерительную диагональ которой включен дифференциальный усилитель, выход которого соединен со входом блока определения мощности и с нагревателем, расположенным поверх измерительной обмотки. В преобразователе реализован принцип измерения мощности, выделяемой в нагревателе, при стабилизации разности температур между измерительным и компенсационным термоэлементами. Недостатком преобразователя является повышенная сложность, обусловленная наличием нагревателя, и зависимость разности упомянутых температур от температуры потока. Наиболее близким техническим решением к заявляемой модели является тепловой преобразователь расхода 2, содержащий измерительный участок трубопровода, выполненный с возможностью установки в магистраль, с расположенными на нем компенсационным и измерительным термоэлементами, два термостабильных резистора, резистивный делитель, масштабный усилитель, дифференциальный усилитель и блок определения мощности. В данном преобразователе реализован режим прямого подогрева измерительного термоэлемента и отсутствует необходимость в нагревателе, что упрощает конструкцию преобразователя. Однако и в данном техническом решении существует зависимость разности температур от температуры компенсационного термоэлемента, воспринимающего температуру измеряемого потока. Задачей настоящей полезной модели является повышение точности измерения. Поставленная задача решается тем, что в известный тепловой преобразователь расхода,включающий выполненный с возможностью установки в магистраль измерительный участок трубопровода с расположенными на нем измерительным и компенсационным термоэлементами, каждый из которых снабжен двумя контактными выводами, масштабный усилитель, дифференциальный усилитель, связанный с шиной нулевого потенциала резистивный делитель, токоизмерительный резистор, первым своим контактом соединенный со вторым входом блока определения мощности, первый и второй термостабильные резисторы соединены первыми своими контактами соответственно с первыми контактными выводами измерительного и компенсационного термоэлементов, согласно полезной модели, дополнительно введен дополнительный резистор, включенный между шиной нулевого потенциала и вторым контактным выводом компенсационного термоэлемента, первый контактный вывод которого соединен со входом дифференциального усилителя, второй контактный вывод измерительного термоэлемента соединен с первым контактом токоизмерительного резистора,при этом его второй контакт соединен с шиной нулевого потенциала, второй контакт второго термостабильного резистора соединен с выходом дифференциального усилителя и со входом масштабного усилителя, выход которого соединен со вторым контактом первого термостабильного резистора, причем его первый контакт соединен с первым входом блока определения мощности и со входом резистивного делителя, выход которого соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя. На чертеже представлена функциональная схема теплового преобразователя расхода,где буквами А и Б обозначены первый и второй контактные выводы термоэлементов, а также первый и второй входы блока определения мощности. Тепловой преобразователь расхода содержит (чертеж) измерительный участок трубопровода 1, выполненный с возможностью включения в магистраль, с расположенными на нем компенсационным 2 и измерительным 3 термоэлементами. Последние могут быть реализованы, например, путем намотки на измерительный участок трубопровода 1 термочувствительной проволоки (медной, платиновой, никелевой и др.), с обеспечением надежного теплового контакта. Масштабный усилитель 4 преобразователь своим входом соединен с выходом дифференциального усилителя 5. Блок определения мощности 6 связан с шиной нулевого потенциала резистивного делителя 7, образованного двумя резисторами 8 и 9. Вход резистивного делителя 7 соединен с первым контактным выводом измерительного термоэлемента 3 и с первым входом блока определения мощности 6, а также с выходом масштабного усилителя 4. Через первый термостабильный резистор 10 выход резистивного делителя 7 (общая точка резисторов 8 и 9) соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 5. Второй контактный вывод измерительного термоэлемента 3 соединен с вторым входом блока определения мощности 6 и через токоизмерительный резистор 11 - с шиной нулевого потенциала. Неинвертирующий вход дифференциального усилителя 5 через второй термостабильный резистор 12 соединен с входом масштабного усилителя 4 и через первый и второй контактные выводы компенсационного термоэлемента 2 и дополнительный резистор 13 с шиной нулевого потенциала. Тепловой преобразователь расхода работает по принципу поддержания неизменной разности температур между компенсационным 2 и измерительным 3 термоэлементами. Причем в измерительном термоэлементе реализован режим прямого подогрева, т.е. он же является нагревателем. При этом соотношение между электрической мощностью Р 3, расходуемой в измерительном термоэлементе 3, и расходом имеет следующий вид 3(3-2)0,где- коэффициент теплоотдачи от стенки трубопровода в поток пропорционален массовому расходу (0,8,0,33 соответственно для турбулентного и ламинарного характера движения потока) и зависит от теплофизических характеристик измеряемой среды- эффективная площадь теплообмена 0 - теплопотери в окружающую среду 3-2 разность температур между измерительным 3 и компенсационным 2 термоэлементами. В установившемся режиме и при достаточно большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя 5 напряжения на его входах будет одинаковым. Т.е. можно записать(1) 72,где 7, 2 - соответственно входное напряжение резистивного делителя 7 и напряжение на втором контактном выводе компенсационного термоэлемента 2. Обозначая входное напряжение дифференциального усилителя 5 через 5 и полагая, что входное сопротивление резистивного делителя 7 много больше, чем сопротивление последовательно соединенных измерительного термоэлемента 3 и токоизмерительного резистора 11, можно записать(11 )75 4 3(2) где 4 - коэффициент усиления масштабного усилителя 4- коэффициент деления резисторного делителя 7,9/(89) 2, 3 - сопротивления компенсационного и измерительного термоэлементов 2, 3, 20(2) и 30(3), где 0,- соответст 2 венно начальное сопротивление термоэлементов 2, 3 и температурный коэффициент материала, из которого они изготовлены 12, 10, 11, 13 - соответственно сопротивления первого 12, второго 10 термостабильных резисторов, токоизмерительного резистора 11 и дополнительного резистора 13. Для простоты допустим, что 41 1012,тогда с учетом (1) и (2) можно записать 50 (13 )1150 (12 )13, 0 (13 )110 (12 )13 или после упрощения 0(13)110(12)13,113213.0 Из последнего выражения видно, что в заявляемом техническом решении разность температур поддерживается стабильно и не зависит от влияния температуры потока (2). В прототипе разность температур между измерительным и компенсационным термоэлементами зависит от температуры компенсационного термоэлемента, воспринимающего температуру потока, входящего в тепловой преобразователь расхода. Согласно данному решению, также напряжения на входах дифференциального усилителя также равны. Тогда можно записать 4,142 где- выходное напряжение дифференциального усилителя,- коэффициент деления резистивного делителя К - коэффициент усиления масштабного усилителя, причем К 1 1, 2 - сопротивления термостабильных резисторов 0(1) и 0(1) сопротивления соответственно измерительного компенсационного термоэлементов. После упрощения и выражения температурыможно получить 2 11.2 2 Из анализа данного выражения видно, что значение температуры измерительного термоэлемента зависит от температуры компенсационного термоэлемента и разность их температур не является стабильной. Блок определения мощности 6 работает следующим образом. На его первый вход подается напряжение с последовательно соединенных измерительного термоэлемента 3 и токоизмерительного резистора 11. На второй вход подается напряжение с токоизмерительного резистора 11. Указанные напряжения имеют следующий вид 7(311) 1111. Определение мощности осуществляется в блоке определения мощности 6 в соответствии со следующим алгоритмом 66(7-11)11623116311,где К 6 - коэффициент передачи блока определения мощности. Из алгоритма следует, что напряжение 6 пропорционально электрической мощности Р 3, выделяемой в измерительном термоэлементе 3 (Р 323), т.е. пропорционально расходу измеряемого потока. Таким образом, заявляемая модель по сравнению с известной обеспечивает повышение точности измерения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.