Расходомер газа

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Дмитренко Юрий Михайлович Глеб Владимир Константинович Коротков Владимир Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Расходомер газа, включающий камеру с патрубками ввода и вывода газа, внутри которой расположены сопло, чувствительный элемент скорости и термокомпенсатор, электронный измерительный блок, содержащий усилитель обратной связи и электрически связанный с ним резистивный мост, отличающийся тем, что камера дополнительно снабжена акустическим излучателем, расположенным на задней стенке камеры, при этом патрубок ввода газа установлен на боковой стенке камеры, а электронный измерительный блок снабжен генератором синусоидальных колебаний, подключенным к акустическому излучателю, и узкополосным фильтром, подключенным к выходу усилителя обратной связи./ 6560375. - ./1975.. - . 64-65 (прототип). Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к приборам для измерения расхода газа, и может найти применение в технологических процессах, в которых требуется поддержание малых расходов газов с высокой точностью и быстродействием, например в вакуумных установках для нанесения покрытий на оптические детали в контролируемой газовой среде. Известен класс тепловых расходомеров с электрическим нагревом, подкласс термоанемометрических расходомеров, который описан в книге Расходомеры и счетчики количества 1. Принцип действия указанных расходомеров основан на том, что тепловая мощность, необходимая для поддержания постоянного перепада температур между нагретым чувствительным элементом и обтекающим его потоком газа, зависит от скорости этого потока и, следовательно, от массового расхода газа, проходящего через расходомер. Недостатком термоанемометрических расходомеров является низкая чувствительность в области малых расходов газа, которая ограничивает область их применения. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятым за прототип является термоанемометрический расходомер газа, который описан в каталоге изделий Анемометрические системы с нагретой проволокой, с нагретой пленкой и ионные фирмы. 2. Данный расходомер содержит камеру с патрубками для ввода и вывода газа, через которую протекает измеряемый газ и внутри которой расположены сопло для увеличения скорости потока газа, чувствительный элемент скорости в виде платиновой пленки, нанесенной на подложку из диэлектрика, и термокомпенсатор, представляющий собой термометр сопротивления, изготовленный из тонкой платиновой проволоки и предназначенный для измерения температуры потока газа и компенсации влияния этой температуры на выходной сигнал прибора. Чувствительный элемент скорости и термокомпенсатор подключены к электронному измерительному блоку, представляющему собой термоанемометр постоянного перегрева, включающий усилитель обратной связи и электрически связанный с ним резистивный мост, в одно плечо которого включен чувствительный элемент скорости, во второе - термокомпенсатор, а в остальные два плеча постоянные резисторы. Расходомер газа работает следующим образом. Измеряемый поток газа, проходя через патрубок ввода газа, поступает в камеру и воздействует на подключенный к резистивному мосту и нагреваемый электрическим током чувствительный элемент скорости, который установлен в горловине сопла. Изменение расхода газа, а значит, и скорости обдува чувствительного элемента скорости потоком газа приводит к изменению тока, протекающего через чувствительный элемент скорости. Благодаря усилителю обратной связи указанное изменение тока происходит автоматически следующим образом. При увеличении расхода газа увеличивается скорость обдува чувствительного элемента скорости потоком газа, а следовательно, возрастает и теплоотдача от него. В результате возрастания теплоотдачи температура и электрическое сопротивление чувствительного элемента скорости понижаются, резистивный мост выходит из равновесия и на входе усилителя обратной связи появляется разность потенциалов, которая им усиливается и вызывает повышение напряжения на вершине резистивного моста. Рост этого напряжения приводит к увеличению тока, протекающего через резистивный мост, вследствие чего сопротивление чувствительного элемента скорости возрастает и резистивный мост снова 2 64162010.08.30 приходит в равновесие. Измеряя напряжение на выходе усилителя обратной связи внешним регистрирующим прибором, определяют расход потока газа, используя калибровочную характеристику расходомера газа. Термокомпенсатор, установленный на некотором расстоянии от чувствительного элемента скорости, представляет собой проволочный термометр сопротивления, включенный в резистивный мост. При изменении температуры потока газа электрические сопротивления термокомпенсатора и чувствительного элемента скорости изменяются таким образом,что резистивный мост остается в равновесии, благодаря чему выходное напряжение расходомера газа не зависит от температуры измеряемого потока газа. При этом перегрев чувствительного элемента скорости, то есть разность между его температурой и температурой потока газа, сохраняется постоянным. Малые размеры чувствительного элемента скорости в сочетании с высоким коэффициентом усиления усилителя обратной связи обеспечивают данному прибору высокое быстродействие. Недостатками данного расходомера газа являются низкая чувствительность расходомера и большая погрешность измерения малых расходов газа, снижающие эффективность его работы и не позволяющие применять его для измерения расходов газа менее 0,01 л/мин. Низкая чувствительность термоанемометрического расходомера газа при измерении малых расходов газа объясняется тем, что по мере уменьшения расхода газа снижается скорость обдува чувствительного элемента скорости потоком газа. В результате этого относительная доля конвективной составляющей (вклад вынужденного движения газа) в суммарном теплообмене чувствительного элемента скорости, от которой зависит выходной сигнал расходомера, монотонно приближается к нулю. При нулевой скорости потока газа весь теплообмен чувствительного элемента скорости осуществляется только благодаря свободной конвекции. Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности работы устройства за счет увеличения чувствительности расходомера и повышения точности измерения малых расходов газа. Задача решается следующим образом. Известный расходомер газа включает камеру с патрубками ввода и вывода газа, внутри которой расположены сопло, чувствительный элемент скорости и термокомпенсатор,электронный измерительный блок, содержащий усилитель обратной связи и электрически связанный с ним резистивный мост. Согласно предлагаемому техническому решению, камера дополнительно снабжена акустическим излучателем, расположенным на задней стенке камеры, при этом патрубок ввода газа установлен на боковой стенке камеры, а электронный измерительный блок снабжен генератором синусоидальных колебаний, подключенным к акустическому излучателю, и узкополосным фильтром, подключенным к выходу усилителя обратной связи. Это позволяет расширить диапазон измерений расходомера за счет увеличения его чувствительности и повышения точности при измерении малых расходов газа. На фиг. 1 приведена схема расходомера газа. На фиг. 2 приведена зависимость напряжения на вершине резистивного моста от расхода газа при работе без акустического излучателя. На фиг. 3 приведена зависимость эффективного значения пульсационного сигнала на выходе узкополосного фильтра от расхода газа при работе с акустическим излучателем. Расходомер газа содержит камеру 1, на задней стенке 3 которой установлен акустический излучатель 4 (например, телефонный динамик), создающий стоячую акустическую волну в зоне 2 между акустическим излучателем 4 и входом в сопло 5, через которое протекает газ. В непосредственной близости от горловины 6 сопла 5 установлены чувствительный элемент 7 скорости и термокомпенсатор 8, связанные с резистивным мостом 13 электронного измерительного блока 12. Камера 1 снабжена патрубком 9 ввода газа, установленным на боковой стенке, и патрубком 10 для вывода газа. Акустический излучатель 4 соединен с генератором 11 сину 3 64162010.08.30 соидальных колебаний, предназначенным для выработки сигнала с заданными частотой и амплитудой. Генератор 11 расположен в электронном измерительном блоке 12, который содержит также соединенные последовательно резистивный мост 13, усилитель 14 обратной связи и узкополосный фильтр 15, подключенный к выходу усилителя 14, который служит для выделения из электрического сигнала на выходе усилителя 14 пульсационной составляющей, частота которой равна частоте акустических колебаний, генерируемых акустическим излучателем 4. Выходной сигнал электронного измерительного блока 12 расходомера газа измеряется на выходе узкополосного фильтра 15 внешним регистратором сигнала, например стандартным вольтметром эффективных значений (на фигурах не показан). Резистивный мост 13, одна из вершин которого заземлена, а с другой вершины 17 снимается электрический сигнал и подается на вход узкополосного фильтра 15, служит для преобразования сигнала, снимаемого с чувствительного элемента 7 скорости при обтекании его потоком газа. Резистивный мост 13, связанный с термокомпенсатором 8,включает также два постоянных резистора 16, электрические сопротивления которых выбираются таким образом, чтобы ток, протекающий через чувствительный элемент 7 скорости, вызывал его разогрев до заданной рабочей температуры (около 300 С). Резистивный мост 13 соединен с усилителем 14 обратной связи. Геометрические размеры и электрические сопротивления чувствительного элемента 7 скорости и термокомпенсатора 8 подобраны таким образом, что при изменении температуры потока газа разница их электрических сопротивлений остается постоянной. В этом режиме выходной сигнал расходомера газа зависит только от расхода газа и практически не зависит от температуры газа. Расходомер газа работает следующим образом. Измеряемый поток газа из внешнего источника, например баллона (на фиг. 1 не показан),через патрубок 9 поступает внутрь камеры 1, входит в сопло 5 и выходит через патрубок 10. Для повышения чувствительности прибора скорость потока газа увеличивается в сопле 5,достигая своего максимального значения в его горловине 6, в непосредственной близости от которой установлены чувствительный элемент 7 скорости и термокомпенсатор 8. При включенном акустическом излучателе 4, когда на него подается электрический сигнал от генератора 11 синусоидальных колебаний, в зоне 2 камеры 1 между акустическим излучателем 4 и входом в сопло 5 создается стоячая акустическая волна. Колебания давления в стоячей акустической волне вызывают колебания скорости потока газа в горловине 6 сопла 5, которые накладываются на постоянный поток газа. Колебания скорости потока газа, воспринимаемые нагретым чувствительным элементом 7 скорости, вызывают колебания тока, протекающего через чувствительный элемент 7 скорости, термокомпенсатор 8 и резисторы 16, что в свою очередь приводит к колебаниям электрического напряжения на выходе усилителя 14 обратной связи и, соответственно, на вершине 17 резистивного моста 13 электронного блока 12 расходомера газа. Сигнал с выхода усилителя 14 обратной связи проходит через узкополосный фильтр 15, в котором выделяется пульсационный сигнал, частота которого равна частоте сигнала, подаваемого на акустический излучатель 4. Амплитуда сигнала, выделенного узкополосным фильтром 15, прямо пропорциональна скорости потока газа, обтекающего чувствительный элемент 7 скорости, а следовательно,пропорциональна измеряемому расходу газа. Пульсационный сигнал на выходе узкополосного фильтра 15 измеряется внешним регистратором сигнала, например вольтметром эффективных значений (на фигурах не показан). Частота синусоидального сигнала, подаваемого на акустический излучатель 4 от генератора 11 синусоидальных колебаний, установленного в электронном блоке 12, выбирается таким образом, чтобы пучности образующейся акустической волны находились у задней стенки 3 камеры 1 и у входа в сопло 5. 64162010.08.30 Пульсационная составляющая сигнала на вершине 17 резистивного моста 13 связана со скоростью (расходом) измеряемого потока газа. Колебания давления в акустической волне создают в потоке газа синусоидальные пульсации скорости( ) , 0 где- частота акустических колебаний,- время, 0 - амплитуда пульсаций скорости потока газа. Пульсации скоростинакладываются на измеряемый поток газа, движущийся со средней скоростью, вследствие чего скорость потока газа в точке, где установлен чувствительный элемент 7 скорости , является суммой средней скоростии пульсаций скорости Известно, что при очень малых скоростях потока газа (когдане превышает 0,2 м/с) зависимость напряжения Е на вершине 17 резистивного моста 13 от скорости потока газаявляется квадратичной и описывается выражением ЕЕ 02,где Е 0 - напряжение на вершине 17 резистивного моста 13 при нулевой скорости потока газа, с - эмпирическая константа, определяемая путем калибровки. При создании в измеряемом потоке газа синусоидальных пульсаций скоростис помощью акустического излучателя 4 напряжение Е на вершине 17 резистивного моста 13 зависит от средней и пульсационной составляющих скорости потока газа следующим образом 2 2( )2 Из последнего выражения вытекает, что сигнал Е на вершине 17 резистивного моста 13 содержит синусоидальную составляющую с частотой , а именно 2 0( ) , амплитуда которой прямо пропорциональна средней скорости потока газа, а следовательно, и расходу измеряемого потока газа. Для измерения амплитуды этой составляющей сигнал Е предварительно пропускается через узкополосный фильтр 15, где из него удаляются по 2 стоянная составляющая 020 и переменная составляющая с удвоенной частотой 220 (2 ) . 2 Калибровка расходомера газа в области малых расходов газа выполняется путем измерения амплитуды пульсационного сигнала на выходе узкополосного фильтра 15 внешним регистратором сигнала, например стандартным вольтметром эффективных значений для ряда значений расхода газа. Амплитуда синусоидального сигнала, подаваемого на акустический излучатель 4 от генератора 11 синусоидальных колебаний, в процессе калибровки поддерживается постоянной, поскольку она влияет на амплитуду создаваемых пульсаций скорости потока газа 0, а значит, и на выходной сигнал, измеряемый регистратором сигнала. В результате испытания предлагаемой конструкции расходомера газа были получены калибровочные характеристики расходомера газа при работе с выключенным и включенным акустическим излучателем. В качестве газа использовался воздух. Расход воздуха обеспечивается за счет медленного вытекания воды из бюретки, верхний конец которой 5 64162010.08.30 подсоединяли трубкой к выходному патрубку камеры 1. Объемный расход воздуха равен объемному расходу вытекающей воды, который рассчитывают по объему воды, вытекшей из бюретки за измеренное (например, секундомером) время. При выключенном акустическом излучателе 4 выходным сигналом расходомера газа является напряжение Е на вершине резистивного моста 13. Зависимость этого напряжения от объемного расхода воздухаприведена на фиг. 2. При включенном акустическом излучателе измерялась зависимость эффективного значения пульсационного сигнала е на выходе узкополосного фильтра 15 от объемного расхода воздуха . Эта характеристика приведена на фиг. 3. Из сопоставления полученных калибровочных характеристик (фиг. 2 и 3) следует, что при работе с выключенным акустическим излучателем погрешность измерения малых расходов воздуха ( не более 0,7 мл/с) очень велика. В частности, при изменении расхода воздуха в три раза в пределах 0,01-0,03 мл/с выходное напряжение возрастает с 1,093 до 1,110 В, то есть всего на 0,7 , что соизмеримо с дрейфом электронной схемы и погрешностью прибора. При включенном акустическом излучателе зависимость выходного сигнала от расхода линейная. Благодаря этому можно достаточно точно измерять малые расходы воздуха вплоть до расхода 0,01 мл/с. Таким образом, введение в состав камеры акустического излучателя, а также включение в состав электронного измерительного блока узкополосного фильтра и генератора синусоидальных колебаний, связанного с акустическим излучателем, повышает эффективность работы термоанемометрического расходомера газа за счет увеличения его чувствительности и повышения точности при измерении малых расходов газа, что позволяет расширить его рабочий диапазон. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6