Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с. Тепловой микрорасходомер газа содержит корпус 1 с расположенными в нем теплообменником 2 управляемой мощности с нагревательной спиралью, газораспределительной камерой 3 и герметично соединенными с ней двумя измерительными 4 и 5 и двумя термокомпенсационными 6 и 7 каналами, в которых размещены соответствующие теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов, а также блок управления мощностью 15 и блок преобразования выходного сигнала. Блок преобразования выходного сигнала выполнен в виде схемы резистивного делителя напряжения, элементами которого являются последовательно соединенные термисторы в измерительных каналах и резистор задаваемой величины. На внешних стенках каналов размещены дополнительные нагреватели 13, 13′, 14, 14′, соединенные последовательно со спиралью нагревательного элемента в теплообменнике. Технический результат: увеличение точности измерений и повышение чувствительности выходного сигнала расходомера. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0÷100 мг/с.
Общими недостатками тепловых расходомеров являются недостаточные точность и чувствительность по расходу.
Задачей изобретения является повышение точности и чувствительности теплового микрорасходомера газа.
Поставленная задача достигается тем, что блок преобразования выходного сигнала теплового микрорасходомера выполнен в виде схемы резистивного делителя напряжения, элементами которого являются последовательно соединенные термисторы в измерительных каналах и резистор задаваемой величины. Выходными сигналами теплового микрорасходомера являются регистрируемые падения напряжения большой величины на элементах резистивного делителя напряжения.
Как показали наши исследования, схема резистивного делителя напряжения, содержащая в качестве элементов термистор и резистор, обладает, подобно мостовой схеме, точкой равновесия, которая достигается при равенстве падения напряжения на элементах схемы Utr=UR=Uп / 2, где Uп – напряжение питания схемы, при котором наступает равновесие.
Сущность изобретения графически представлена на чертеже, в частности, на фиг.1 схематически изображено устройство теплового микрорасходомера газа, отличие которого от прототипа заключается в том, что вместо мостовой схемы используется схема резистивного делителя напряжения, элементами которой являются последовательно включенные измерительные термисторы 8, 9 и резистор R(T0), и регистрируются падения напряжения на этих элементах так, как это представлено на фиг.1.
Заявляемый тепловой микрорасходомер содержит:
корпус 1 расходомера, корпус 2 теплообменника, газораспределительную камеру 3, каналы 4 и 5 с измерительными термисторами, каналы 6 и 7 с термокомпенсационными термисторами, измерительные термисторы 8 и 9, термокомпенсационные термисторы 10 и 11, нагревательную спираль 12 теплообменника, дополнительные спирали 13, 13′, 14, 14′ на поверхностях каналов, блок 15 управления мощностью спирали теплообменника и дополнительных спиралей; 2Rrt(Тn+Т) – сопротивление последовательно соединенных измерительных термисторов; R(T0) – сопротивление резистора; K – двухполюсный сдвоенный переключатель; V – вольтметр (типа В7-21а).
Тепловой микрорасходомер работает следующим образом.
Микрорасходомер заполняется исследуемым газом. Расположенные в каналах 6, 7 теплочувствительные элементы 10, 11 принимают температуру газа, и их омическое сопротивление становится равным R(Тг). Если Тг≠Тп – максимальным по условиям эксплуатации значениям Твх и Тср, то под действием сигнала рассогласования ΔR(Tг, Тп) с блока управления мощностью (БУМ) 15, к которому электрически подключены термокомпенсационные термисторы 10, 11, к последовательно соединенным спиралям 12, 13, 13′, 14, 14′ подводится мощность, сводящая ΔR к нулю. Это приводит к термостабилизации газовой среды на фиксированном уровне Тп. При подаче расхода постоянство температуры газового потока на заданном уровне Тп поддерживается БУМ автоматически, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Твх и Тср, т.е. его температурная автономность, как и у прототипа. Функция дополнительных спиралей 13, 13′, 14, 14′ на внешних поверхностях каналов та же, что и у прототипа.
Затем задается температура Т0 измерительных термисторов изменением напряжения питания схемы резистивного деления напряжения до тех пор, пока напряжение на элементах схемы не станет одинаковым и равным 2Utr=UR=Uп/2. При этом сумма сопротивлений термисторов становится равной сопротивлению резистора – 2Rtr(T0)=R(T0). Величина R(T0) находится по зависимости сопротивления термистора от температуры – Rtr(T0)=А·ехр(В/Т0), где А и В – постоянные термистора, определяемые экспериментально.
После этого через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Твх подается в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Тг и поступает в газораспределительную камеру (ГРК) 3, делящую газовый поток на четыре одинаковые по расходу (G/4) и температуре Тп потоки, поступающие затем в измерительные 4, 5 и в термокомпенсационные 6, 7 каналы соответственно. При этом в одинаковые по функции каналы газовые потоки расходом G/4 и одинаковой температуры Тп поступают в строго противоположных направлениях независимо от ориентации оси расходомера, чем обеспечивается ориентационная независимость его показаний, как и у прототипа.
Соединенные последовательно теплочувствительные элементы 8, 9 в измерительных каналах 4, 5, перегретые относительно газового потока проходящим через них током на величину ΔT≈25-50 K относительно фиксированного температурного уровня ТП, охлаждаются поступающими в измерительные каналы 4, 5 газовыми потоками и температура измерительных термисторов уменьшается. Это вызывает увеличение их омических сопротивлений, что при Uп=const приводит к перераспределению напряжений на элементах схемы резистивного делителя напряжения. При этом напряжение на термисторах Utr(G) растет с ростом расхода, а на резисторе напряжение UR(G) падает так, чтобы сумма напряжений Utr(G) +UR(G) равнялась напряжению питания UП=const. Из каналов 4, 5 и 6, 7 газовые потоки расходом G/4 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G уходит в газовую сеть через выходной штуцер (не показан).
Практика показала, что при использовании термисторов типа СТ1-18, в диапазоне расхода 0÷15 мг/с напряжение на термисторах изменяется в пределах 130÷206 В, а на резисторе – 130÷54 В. Усредненная по диапазону чувствительность составила 10,13 В/(мг/с), что намного превышает чувствительность всех известных расходомеров, в том числе и прототипа. Большие по величине напряжения, снимаемые с элементов схемы резистивного делителя напряжения, позволяют не принимать меры для их помехозащищенности и отказаться от усилительных схем различной степени сложности. Кроме того, большая величина регистрируемых напряжений обеспечивает: повышение точности измерений; нелимитируемую длину разнесения собственно расходомера и его электронного блока, что позволяет использовать расходомер в изолированных объемах, в частности, в вакуумной камере установок различного назначения; осуществление контроля качества работы стабилизированного источника питания для внесения необходимых поправок при нарушении равенства Uп=Utr+UR исключение вопроса о дрейфе нуля в отсутствие расхода.
Тепловой микрорасходомер газа, содержащий корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности с нагревательной спиралью, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней двумя измерительными и двумя термокомпенсационными каналами, в которых размещены соответствующие теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов, дополнительными спиралями, размещенными на внешних поверхностях измерительных и термокомпенсационных каналов, блок управления мощностью, к которому подключены термисторы термокомпенсационных каналов, а также последовательно соединенные спираль теплообменника и дополнительные спирали, а также блок преобразования выходного сигнала, отличающийся тем, что блок преобразования выходного сигнала теплового микрорасходомера выполнен в виде схемы резистивного делителя напряжения, элементами которого являются последовательно соединенные термисторы в измерительных каналах и резистор задаваемой величины.
Расходомеры Bronkhorst® занимают особую нишу: они разработаны для измерения и регулирования малых расходов газов и жидкости. В статье приводится обзор основных решений Bronkhorst®, представленных на российском рынке: рассмотрены характеристики расходомеров EL-FLOW и IN-FLOW, MASS-VIEW, mini CORI-FLOW, системы генерации пара CEM, приведены примеры их применения. В России расходомеры Bronkhorst® представляет компания ООО «Сигм плюс инжиниринг», имеющая свою измерительную лабораторию для калибровки и поверки этой уникальной продукции.
ООО «Сигм плюс инжиниринг», г. Москва
На рынке в настоящий момент представлены расходомеры самых различных принципов действия от российских и зарубежных производителей, список доступных опций ограничивается только бюджетом. Однако в большинстве случаев все эти приборы рассчитаны на измерение расходов газов и жидкостей от десятков кубических метров в час. Если же необходим прибор для измерения малых расходов, например 10 мл/мин, найти его не так просто. Редко кто из производителей серийно выпускает подобные расходомеры, да и перечень возможных технологий измерения таких расходов сильно ограничен.
Казалось бы, а нужны ли такие расходы российской науке и производству? Оказывается, нужны. Подача присадок (одорантов), катализаторов в химической и нефтехимической промышленности, фармацевтика, полупроводниковое производство, газоаналитические измерения (газоанализаторы, хроматографы), пилотные и стендовые установки, применяемые для физического моделирования и отработки регламентов процессов в научных исследованиях, – вот далеко не полный список применений, требующих измерения и регулирования малых расходов газов и жидкостей с высокой точностью и воспроизводимостью.
Компания «Сигм плюс инжиниринг» занимается поставками высокоточных измерителей и регуляторов расхода и давления от голландской компании Bronkhorst® в России с 1998 года. Производитель из Нидерландов нашел свою нишу на международном рынке – малые расходы газов и жидкостей. Линейка газовых расходомеров Bronkhorst® начинается с приборов, позволяющих измерять расход 0,014 мл/мин, а жидкостных – с уникальных приборов, фиксирующих расход 5 мг/ч! Продукция Bronkhorst® внесена в Государственный реестр средств измерения РФ, а компанией «Сигм плюс инжиниринг» построена эталонная база для проведения первичных и периодических поверок.
Рассмотрим основные серии расходомеров Bronkhorst® и варианты их практического применения.
Расходомеры EL-FLOW и IN-FLOW
Наиболее популярная серия газовых расходомеров – тепловые с разделением потока EL-FLOW (лабораторное исполнение со степенью защиты IP40) и IN-FLOW (промышленное исполнение со степенью защиты IP65). Используемый принцип измерения позволяет работать с расходами, начиная от 0,014 мл/мин. При этом благодаря конструкции расходомеров можно, используя один и тот же сенсор, измерять как микрорасходы, так и расходы вплоть до 11 000 м³/ч.
Газовый расходомер серии EL-FLOW и схема генератора газовых смесей:
1 – генератор газовой смеси; 2 – регулятор расхода газа; 3 – смесительная камера
Практическое применение. Динамическое приготовление поверочных и калибровочных смесей для настройки хроматографов
Конструктивные особенности позволяют использовать расходомеры EL-FLOW и IN-FLOW для автоматического регулирования потоков практически любых технологических газов. Для настройки хроматографов необходимо обеспечить точный и стабильный (без пульсаций) расход основного (разбавляющего) и калибровочных газов (рис. 1). Тепловой измеритель массового расхода, прецизионный регулирующий клапан и ПИД-регулятор на основе микропроцессора, входящие в состав регулятора расхода EL-FLOW, позволяют создать смесь точно заданного состава.
Напыление покрытий на стекла
Пример применения промышленных расходомеров IN-FLOW – установки напыления, работающие в режиме 24 × 7 и создающие однородные по площади покрытия (рис. 2). Для такой задачи требуются расходомеры с высокой долговременной стабильностью поддержания расхода и малым временем отклика.
Рис. 2. Газовый расходомер серии IN-FLOW и газовая схема установки напыления
Конвертерная плавка стали
Еще один пример применения IN-FLOW – операция на металлургическом предприятии, при которой требуется обеспечить непрерывное движение расплавленного железа внутри конвертера за счет подачи азота и аргона в нескольких точках (рис. 3). В целях экономии следует ограничивать подачу газов, поддерживая ее на достаточном уровне. Расходомеры IN-FLOW стабильно работают в условиях постоянно меняющегося давления в конвертере.
Рис. 3. Газовый расходомер серии IN-FLOW и конвертер с газовой схемой
В линейке продукции Bronkhorst® есть и интересные «классические» тепловые расходомеры, выполненные в форм-факторе поплавкового ротаметра. Речь идет о расходомерах MASS-VIEW (рис. 4). Важно отметить, что они измеряют массовый расход газа, их показания практически не зависят от давления и температуры рабочего газа в отличие от поплавковых ротаметров, измеряющих объемный расход. Конкурентная цена, высокая точность, цифровой и аналоговый интерфейсы, а также монтаж прямо на место старых поплавковых ротаметров обеспечивают стабильный интерес покупателей к этим приборам.
Рис. 4. Электронный ротаметр MASS-VIEW и газовая схема реактора
Практическое применение. Реакторные системы
MASS-VIEW незаменим, когда необходимо подобрать оптимальные условия для протекания реакции: расход газа на входе и выходе из реактора, давление и температуру в реакторе. Расходомеры MASS-VIEW измеряют именно массовый расход газа, что важно для подбора условий реакции. Они имеют и локальную индикацию, и цифровой интерфейс, позволяющий интегрировать прибор с автоматизированной системой управления. Встроенный регулирующий клапан дает возможность устанавливать требуемый расход.
Расходомеры mini CORI-FLOW
В настоящее время широко применяются кориолисовые расходомеры. К их бесспорным преимуществам относятся возможность непосредственного измерения массового расхода, плотности и температуры рабочей среды, высокая точность. Один и тот же расходомер может работать как с газом, так и с жидкостью. Компания Bronkhorst и здесь остается верной выбранной стратегии. Расходомеры серии mini CORI-FLOW способны измерять расход от 0,05 г/ч, то есть капля в час! В настоящий момент ведется работа над созданием кориолисового расходомера еще с меньшим диапазоном измерений: от 0,01 до 10 г/ч.
Кориолисовые расходомеры Bronkhorst могут комплектоваться регулирующими клапанами или разнообразными насосами. В итоге получается прецизионная система дозирования, позволяющая реализовывать схему пропорционального дозирования (рис. 5).
Рис. 5. Кориолисовый расходомер mini CORI-FLOW с насосом и схема приготовления смеси
Практическое применение. Приготовление раствора для контактных линз
Использование схемы пропорционального дозирования для приготовления раствора дает возможность в значительной степени оптимизировать процесс производства контактных линз. Расходомеры mini CORI-FLOW и CORI-FLOW с насосами позволяют реализовать компактный блок дозирования, точно поддерживающий соотношение очищающей жидкости и физраствора.
Совсем недавно продуктовая линейка расходомеров на малые расходы компании Bronkhorst пополнилась ультразвуковыми расходомерами серии ES-FLOW (рис. 6). Разработанная технология Ultrasonic Wave позволила создать уникальный сенсор. Он позволяет измерять с помощью одного прибора объемный расход жидкости в рекордно низком для ультразвуковых сенсоров диапазоне: от 4 до 1500 мл/мин. При этом расходомер обладает высокой точностью и линейностью, обеспечивает низкий перепад давления. Существенно, что показания расходомера не зависят от типа измеряемой среды, ее плотности, вязкости и температуры.
Рис. 6. Ультразвуковой расходомер ES-FLOW
Система генерации пара CEM
Существует ряд задач, для которых необходимо создавать пар определенной концентрации. Система смешивания и испарения CEM (Controlled Evaporation and Mixing) – современное решение для генерации пара, которое может заменить традиционные устройства барботажного типа (рис. 7). Она состоит из регулятора расхода жидкости, регулятора расхода газа и термостатируемого устройства смешения и испарения. Отличительными особенностями СЕМ являются точное дозирование жидкости и газа (массовый расход), быстрый отклик, очень стабильный поток пара.
Рис. 7. Система генерации пара СЕМ и схема подачи пара в реактор
Практическое применение. Водоотталкивающие ткани
Один из примеров применения системы генерации пара CEM – обработка ткани жидким кремнийорганическим соединением гексаметилдисилоксан (HMDSO). Во время этой операции необходимо обеспечить точную концентрацию активного вещества в паре, стабильно поддерживать расход пара как на малых, так и на больших расходах.
Эталонная база ООО «Сигм плюс инжиниринг»
Вполне закономерно, что ограниченное количество игроков на рынке расходомеров малых расходов в России сопровождается недостатком эталонной базы для калибровки и поверки приборов. В связи с этим в 2008 году руководство компании «Сигм плюс инжиниринг» приняло решение о создании измерительной лаборатории. Теперь это одна из немногих в стране компаний, обладающих эталоном, который фиксирует минимальный расход 2 мл/мин по газу и 1 г/ч по жидкости. Верхний предел эталонов составляет 200 м³/ч по газу и 600 кг/ч по жидкости. К концу года планируется увеличение расхода по газу до 400 м³/ч. Еще одна особенность эталонов – испытание расходомеров на избыточном давлении.
Благодаря огромному опыту, накопленному без малого за 20 лет работы с приборами Bronkhorst®, в настоящее время ООО «Сигм плюс инжиниринг» предоставляет полный спектр услуг, начиная от подбора прибора в соответствии с задачей заказчика, поставки и установки, и заканчивая полной постпродажной поддержкой, включая периодическую поверку и ремонт. Более того, открытая в 2011 году в Москве собственная сборочная линия позволила компании значительно сократить срок поставки некоторых наиболее популярных серий приборов.
Ваша задача – наше решение!
Статья опубликована в журнале “ИСУП” № 5(71)_2017
Расходомер содержит: герметичный корпус 1 с теплообменником 2 и газораспределительной камерой 3, с которой герметично соединены два идентичных канала – измерительный 4 и термокомпенсационный 5, с размещенными в них идентичными термисторами с косвенным нагревом – 6, 7, которые включены в качестве управляющих элементов в схемы: 8 – стабилизации теплового режима измерительного термистора 6, 11 – стабилизации теплового режима теплоносителя. Со спиралью измерительного термистора 6 последовательно соединено нагрузочное сопротивление RH, падение напряжения на котором при протекании по нему тока косвенного нагрева является выходным сигналом микрорасходомера. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения, возможность задания чувствительности по расходу независимо от контролируемого газа. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может использоваться в устройствах для измерения расхода газа.
В статическом состоянии расходомер заполняется подлежащим последующему контролю газом и при отсутствии расхода с помощью схемы термостабилизации газ нагревается до температуры Тп, которая поддерживается схемой неизменной при любом расходе. Температура измерительного термистора изменением силы тока косвенного нагрева, протекающего через его спираль, устанавливается на уровне
Т0>Тп и его сопротивление становится равным R(T0). Величина силы тока I0 фиксируется на достигнутом уровне и впоследствии остается неизменной (I0=const). С появлением расхода контролируемого газа температура измерительного термистора изменяется, в силу чего изменяется и величина его омического сопротивления R(G), являющаяся выходным сигналом расходомера, регистрируемого блоком преобразования выходного сигнала (омметром или частотомером).
По большинству совпадающих признаков этот расходомер принят в качестве прототипа.
Наличие схемы термостабилизации теплоносителя на задаваемом уровне, превосходящем температуры входящего в расходомер контролируемого газа и внешней среды, обеспечивает независимость показаний расходомера от этих температур, т.е. его температурную автономность. Однако процесс конвективного теплообмена не оптимизирован – мощность потока конвективной теплоотдачи Qα(G)=α(G)·θ(G)·S=W0=I0 2r=const (r – coпротивление спирали термистора) остается постоянной, так как, несмотря на увеличение с ростом расхода коэффициента теплоотдачи α(G), одновременно уменьшается температурный напор
К недостаткам известной конструкции можно, на наш взгляд, отнести невысокую ее чувствительность по расходу и, как следствие, недостаточно высокую точность измерений, а также отсутствие возможности задания величины чувствительности независимо от рода контролируемого газа. Кроме того, форма выходного сигнала – омическая или частотная – усложняет процедуру его автоматической регистрации.
Целью предлагаемого изобретения является создание теплового расходомера, лишенного недостатков прототипа. В частности, к задачам, которые поставили перед собой авторы, относятся: повышение точности измерения расхода контролируемого вещества; существенное повышение чувствительности по расходу, обеспечение возможности задания ее величины независимо от рода контролируемого газа.
Поставленная цель достигается тем, что в микрорасходомере газа измерительный термистор включается в качестве управляющего элемента в схему стабилизации его теплового режима на задаваемом температурном уровне. Нагрузкой в схеме стабилизации служит спираль косвенного нагрева измерительного термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление задаваемой величины, падение напряжения на котором становится выходным сигналом микрорасходомера.
Предлагаемое техническое решение состоит в смене режима работы расходомера – вместо режима постоянной мощности расходомер работает в режиме постоянного температурного напора θ0=Т0-Тп, где Т0=const и Тп=const – температуры измерительного термистора и теплоносителя, остающиеся неизменными при любом расходе. В этом режиме работы независимость от расхода температуры измерительного термистора обеспечивается изменением с расходом силы тока косвенного нагрева, величина которой становится функцией расхода Iк.н = Iк.н(G). Мощность потока конвективной теплоотдачи, пропорциональная коэффициенту теплоотдачи α(G), растет с расходом как α(G), поскольку температурный напор
θ0=Wкн(G)/α(G)·S=12 к.н(G)·r/α(G)·S=const. Последовательное подключение к спирали косвенного нагрева измерительного термистора нагрузочного сопротивления RH, падение напряжения на котором становится выходным сигналом расходомера, позволяет задавать чувствительность расходомера по соотношению SU=RH·S1, т.е. увеличивать чувствительность по току в Rн раз. Во столько же раз возрастает и уровень выходного сигнала Uн(G)=Rн-Iк.н.(G), что приводит к повышению точности измерения расхода предлагаемым расходомером. Для автоматического управления силой тока косвенного нагрева с целью обеспечения постоянства температуры измерительного термистора последний включается в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации его температуры на постоянном уровне Т0, нагрузкой которой является спираль измерительного термистора и нагрузочное сопротивление Rн. Таким образом, расходомер содержит две схемы термостабилизации: измерительного термистора на уровне Т0 и теплоносителя на задаваемых уровнях Тп.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где
изображен общий вид предложенного расходомера с задаваемым значением чувствительности. Он содержит: теплоизолированный внутри герметичный металлический корпус 1 с входным и выходным штуцерами (не показаны); нагреватель-теплообменник 2 (ТО) с нихромовой спиралью 10 внутри него; газораспределительную камеру 3 (ГРК), герметично соединенную с ТО и с двумя идентичными каналами 4, 5, в каждом из которых расположены идентичные термисторы 6 и 7; измерительный термистор 6 в канале 4 включен в качестве управляющего элемента в электронную схему 8 (СТРG) стабилизации его теплового режима на задаваемом уровне Т0, нагрузкой которой служит спираль косвенного нагрева этого термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление (резистор) RH, падение напряжения на котором измеряется вольтметром 9; термокомпенсационный термистор 7 в канале 5 включен в качестве управляющего элемента в электронную схему 11 (СТРт) стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемых уровнях Тп, нагрузкой которой служит спираль 10 теплообменника и электрически соединенные с ней последовательно дополнительные нагреватели 12, 13 на внешних поверхностях каналов.
Работа расходомера с задаваемым значением чувствительности осуществляется следующим образом.
Через входной штуцер (не показан) газ расходом G и температурой Твх поступает в теплообменник 2, в котором нагревается до температуры Тг и попадает в газораспределительную камеру 3, делящую газовый поток на два одинаковых по расходу (G/2) и температуре потока, поступающих затем в измерительный 4 и в термокомпенсационный 5 каналы соответственно. Термистор 7, размещенный в термокомпенсационном канале 5, принимает температуру Тг вышедшего из теплообменника потока газа расходом G/2, и его омическое сопротивление становится равным R(Tг). Если Тг≠Тп – максимальным по условиям эксплуатации значениям Твх и Тc, под действием сигнала рассогласования ±ΔR(Tг, Тп) с блока 11 управления мощностью (СТРт) к спиралям 10, 12, 13 подводится дополнительная мощность ±ΔW(Tг, Тп), сводящая сигнал рассогласования к нулю. Это приводит, как и у прототипа, к стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемом уровне Тп, чем и обеспечивается независимость показаний расходомера от значений Твх и Тс, т.е. его температурная автономность. Функции дополнительных нагревателей на внешних поверхностях каналов те же, что и у прототипа.
Измерительный термистор 6 в измерительном канале 4 нагревается током косвенного нагрева до задаваемой температуры Т0>Тп. При этом его сопротивление становится равным R(T0). Подача расхода приводит к уменьшению его температуры на величину ΔT, следовательно, к увеличению его сопротивления на величину ±ΔR(ΔT). Под действием этого сигнала рассогласования блок 8 управления силой тока косвенного нагрева (СТРG) вырабатывает дополнительный ток +ΔIк.н(ΔT) (дополнительную мощность +ΔWKH(ΔТ) косвенного нагрева), сводящий сигнал рассогласования к нулю, вследствие чего температура термистора вновь становится равной Т0, а его сопротивление – R(T0). Падение напряжения на нагрузочном сопротивлении увеличивается и становится равным Uн=Rн·(Iкн.+ΔIкн). Из каналов газовые потоки расходом G/2 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 расходомера, и газ расходом G через выходной штуцер (не показан) уходит в газовую сеть.
Практика работы с расходомером показала, что выходной сигнал изменяется в пределах: UN2≈65÷85 В; UAr≈86÷109 В; Uxe≈83÷106 В в диапазоне расхода 0÷12 мг/с (через один канал) при величинах нагрузочных сопротивлений: (RH)N2=5,6 к; (Rн)Ar≈7,5 к; (R)Xe≈13,3 к и заданной чувствительности для всех контролируемых газов SU=2 В/(мг·с-1).
Таким образом, чувствительность расходомера не зависит от рода газа, что очень важно в случае измерения расхода газов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами, таких, например, как азот и ксенон. Очевидным достоинством этого расходомера является так же то, что минимальный выходной сигнал (при G=0) составляет десятки вольт, и это исключает дрейф нуля, который наблюдается у известных тепловых расходомеров. Отмеченными достоинствами не обладает ни один из известных тепловых расходомеров.
Микрорасходомер газа, содержащий корпус с расположенными в нем теплообменником управляемой мощности, газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней измерительным и термокомпенсационным каналами, на внешних поверхностях которых размещены нагреватели, при этом в измерительном канале размещен измерительный термистор, а в термокомпенсационном канале – термокомпенсационный термистор, включенный в качестве управляющего элемента в схему термостабилизации теплоносителя на задаваемых уровнях, отличающийся тем, что измерительный термистор включен в качестве управляющего элемента в схему стабилизации его теплового режима на задаваемом температурном уровне, нагрузкой которой служит спираль косвенного нагрева измерительного термистора и электрически последовательно соединенное с ней нагрузочное сопротивление задаваемой величины, падение напряжения на котором является выходным сигналом микрорасходомера.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым микрорасходомерам для измерения расхода газа в диапазоне (0÷5) мг/с. Микрорасходомер работает в режиме переменной мощности внутреннего тепловыделения. В предлагаемом двухканальном микрорасходомере измерительный термистор и постоянный резистор являются элементами схемы резистивного делителя напряжения. При постоянном напряжении питания схемы U0 = const при подаче расхода сопротивление термистора растет, что приводит к уменьшению тока в цепи и, как следствие, к перераспределению падения напряжения на элементах схемы: напряжение на термисторе Utr(G/2) растет, а на резисторе UR(G/2) падает так, чтобы их сумма равнялась напряжению питания: Utr(G/2)+UR(G/2)=U0. Размещение на выходе каналов идентичных диафрагм с отверстиями задаваемой величины (диаметры 1; 1,5; 3 мм) уменьшило доступный измерению диапазон расхода газа и тем самым привело к существенному увеличению чувствительности по расходу – максимальная 36,4 и 28,8 В/(мг·с-1) у N2 и Ar соответственно; средняя по диапазону ~ 19 В/(мг·с-1) – и точности измерения расхода газа. При этом температурная автономность микрорасходомера сохранена. Способ измерения расхода газа состоит в помещении термисторов в потоки газа расходом G/2. Включение в качестве управляющего термостабилизационного термистора в схему стабилизации теплового режима теплоносителя на задаваемых температурных уровнях Тп обеспечивает температурную автономность расходомера независимо от величины расхода газа. Выходной сигнал формируется как разность падения напряжений на измерительном термисторе и резисторе: U(G)=Utr(G/2)-UR(G/2). Регистрируемые напряжения на элементах схемы изменяются в пределах (25÷85) В. В отсутствие расхода напряжения на элементах равны и составляют половину напряжения питания: Utr(0)=UR(0)=U0/2. Расходомер содержит: корпус 1; корпус теплообменника 2; газораспределительную камеру 3; канал 4 с измерительным термистором 5; канал 6 с термостабилизационным термистором 7; нагревательную спираль 8 теплообменника; дополнительные спирали 9 и 10 на поверхностях каналов; блок 11 управления мощностью (БУМ) спирали 8 теплообменника и дополнительных спиралей 9, 10; R(To) – сопротивление резистора. По своим показателям предлагаемый микрорасходомер газа не имеет отечественных и зарубежных аналогов. Технический результат – уменьшение доступного измерению диапазона расхода газа, повышение чувствительности по расходу и точности измерения расхода газа. 1 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне (0÷5,0) мг/с.
Известен тепловой, температурно-автономный четырехканальный микрорасходомер газа с неизменяемым доступным измерению диапазоном расхода газа (патент РФ №2476828, 2013, кл. G01F 1/68), содержащий теплообменник с нагреваемой спиралью, герметичный металлический корпус с расположенными в нем газораспределительной камерой для подачи поступающего в нее потока газа в два измерительные и в два термостабилизационные (термокомпенсационные) каналы, выполненные идентичными. В каналах размещены теплочувствительные элементы (ТЧЭ) в виде соединенных последовательно полупроводниковых сопротивлений (термисторов СТ1-18) без косвенного нагрева, а на внешних поверхностях каналов установлены дополнительные нагревательные спирали. ТЧЭ термостабилизационных каналов включены в качестве управляющих элементов в электронную схему блока управления мощностью спирали теплообменника и дополнительных нагревательных спиралей с целью автоматического поддержания температуры газового потока на задаваемом уровне, превышающем температуры входящего в расходомер газового потока и внешней среды. Выходным сигналом является разность напряжений, снимаемых с измерительных термисторов и резистора задаваемой величины. Неизменяемый доступный измерению диапазон расхода газа с помощью этого микрорасходомера (0÷60) мг/с. Этот микрорасходомер принят за прототип.
Общими недостатками прототипа и других промышленных тепловых расходомеров являются недостаточные воспроизводимость вследствие отсутствия системы термокомпенсации, точность измерений и чувствительность по расходу.
Задачей изобретения является предложение способа задания верхнего предела, доступного измерению диапазона расхода газа и тем самым чувствительности и точности расходомера без влияния на инерционность системы термостабилизации газового потока (СТРт).
Поставленная задача решается уменьшением количества каналов высокочувствительного микрорасходомера газа до двух – один измерительный и один – термостабилизационный, и диафрагмированием каналов так, чтобы исключить влияние на инерционность СТРт.
Сущность изобретения представлена на фиг. 1, где схематически изображено устройство теплового микрорасходомера газа, отличие которого от прототипа заключается в том, что он содержит два идентичных канала, на выходе которых могут вставляться диафрагмы с отверстиями разных диаметров с целью изменения верхнего значения доступного измерению диапазона расхода и тем самым чувствительности и точности расходомера. Так как диафрагмы расположены на выходе каналов, их диафрагмирование не приведет к увеличению скорости газового потока при его движении по каналу и, как следствие, увеличению инерционности (СТРт).
Заявляемый микрорасходомер (Фиг. 1) содержит:
корпус 1; корпус теплообменника 2; газораспределительную камеру 3; канал 4 с измерительным термистором 5; канал 6 с термостабилизационным термистором 7; нагревательную спираль 8 теплообменника; дополнительные спирали 9 и 10 на поверхностях каналов; блок 11 управления мощностью (БУМ) спирали 8 теплообменника и дополнительных спиралей 9, 10; R(To) – сопротивление резистора; Rtr(Тп+θ) – сопротивление измерительного термистора, V – вольтметр.
Высокочувствительный микрорасходомер газа работает следующим образом.
Включается система термостабилизации СТРт и микрорасходомер продувается исследуемым газом, затем клапан на выходном штуцере его корпуса закрывается. Расположенный в канале 6 термистор 7 принимает температуру газа Тг, и его омическое сопротивление становится равным R(Тг). Если Тг≠Тп – заданному уровню температуры термостабилизации Тп, превосходящему температуры газа Тг и внешней среды Тср при данных условиях испытаний, то под действием сигнала рассогласования ΔRtr(Tп-Тr) с блока управления мощностью 11, к которому электрически подключен термостабилизационный термистор 7, к спирали теплообменника и к последовательно соединенными с ней спиралям 9, 10 подводится мощность, сводящая ΔRtr к нулю. О достижении заданного уровня термостабилизации судят по величине сопротивления измерительного термистора Rtr(Tп), которое вычислено заранее по формуле Rtr(Tп)=Аехр(В/Тп) при известных A и B, найденных предварительно экспериментально. Затем клапан открывается и в расходомер вновь начинает поступать газовый поток. О поддержании температуры газового потока на заданном уровне Тп независимо от величины расхода судят по величине сопротивления измерительного термистора, которое может изменяться в пределах не более чем на ±100 кОм, что соответствует отклонению температуры потока от заданного уровня не более чем на
∓
1,0
K
. Этот режим работы СТРт поддерживается БУМ автоматически благодаря действующей в системе отрицательной обратной связи, так как dRtr(T)/dT<0. Так обеспечивается независимость показаний расходомера от значений температур Твх и Тср, т.е. его температурная автономность, как и у прототипа. Функция дополнительных спиралей 9, 10 на внешних поверхностях каналов та же, что и у прототипа.
После настройки СТРт выходной клапан вновь закрывается и на схему резистивного делителя напряжения, элементами которой являются измерительный термистор и резистор, подается напряжение питания U0, величина которого изменяется до тех пор, пока не будет достигнута точка равновесия, о чем судят по равенству падения напряжений на элементах схемы – Utr(0)=UR(0)=U0/2. В результате измерительный термистор 5 в измерительном канале 4 перегрет относительно газа в расходомере проходящим через него током на величину θ(0)≈(55÷25) K в зависимости от фиксированного температурного уровня Тп=(293÷323) K.
Затем клапан открывается и при подаче расхода термистор 5 охлаждается поступающим в канал 4 газовым потоком расходом G/2, и его температура уменьшается. Это вызывает увеличение его омического сопротивления, что при U0 = const приводит к уменьшению тока в цепи, и, как следствие, к перераспределению напряжений на элементах схемы резистивного делителя напряжения: напряжение на термисторе Utr(G/2) растет с ростом расхода, так как его сопротивление возросло, а на резисторе неизменного сопротивления напряжение UR(G/2) соответственно падает. При этом сумма напряжений Utr(G/2)+UR(G/2) = U0 = const. Выходной сигнал расходомера формируется как разностный: U(G)=Utr(G/2)-UR(G/2), как и у прототипа. Из каналов 4 и 6 газовые потоки расходом G/2 каждый поступают во внутренний объем герметичного корпуса 1 микрорасходомера, и газ расходом G уходит в газовую сеть через выходной штуцер (не показан).
Практика показала, что при использовании термисторов типа СТ1-18, в диапазоне расхода (0÷3) мг/с напряжения на измерительном термисторе и резисторе изменяются в пределах (25÷85) В. Максимальная и усредненная по диапазону чувствительность В/(мг·с-1) у азота составила 36,4 и 19,0 соответственно, у аргона – 28,8 и 18,7, что намного превышает чувствительность всех известных расходомеров, в том числе и прототипа. Большие по величине напряжения, снимаемые с элементов схемы резистивного делителя напряжения, позволяют не принимать меры для их помехозащищенности и отказаться от усилительных схем различной степени сложности. Кроме того, большая величина регистрируемых напряжений обеспечивает: повышение точности измерений; нелимитируемую длину разнесения собственно расходомера и его электронного блока, что позволяет использовать расходомер в изолированных объемах, в частности в вакуумной камере установок различного назначения; осуществление контроля качества работы стабилизированного источника питания для внесения необходимых поправок при нарушении равенства U0=Utr+UR = const; исключение дрейфа нуля в отсутствие расхода. Таким образом, созданный микрорасходомер является, как и прототип, универсальным.
Для каждого образца микрорасходомера строится расходная характеристика U(G) путем отнесения к известному расходу G исследуемого газа величины выходного сигнала U микрорасходомера. Эта процедура необходима и проводится она для каждого экземпляра, потому что, как показала практика, теоретические расходные характеристики существенно отличаются от экспериментальных, особенно сильно в области именно малых и сверхмалых расходов независимо от рода исследуемого газа.
Высокочувствительный микрорасходомер газа, содержащий теплообменник с нагревательной спиралью управляемой мощности, корпус с расположенными в нем газораспределительной камерой и герметично соединенными с ней измерительным и термостабилизационным каналами, в которых размещены соответствующие теплочувствительные элементы в виде идентичных термисторов, дополнительными спиралями, размещенными на внешних поверхностях измерительного и термостабилизационного каналов, блок управления мощностью, к которому подключен термистор термостабилизационного канала, а также последовательно соединенные спираль теплообменника и дополнительные спирали, отличающийся тем, что содержит один измерительный и один термостабилизационный каналы, на выходе которых размещены идентичные диафрагмы с задаваемыми диаметрами отверстий с целью уменьшения доступного измерению диапазона расхода газа, увеличения чувствительности по расходу и точности измерений расхода газа.
Счетчики СУГ, Расходомеры газа, топлива
Счетчики СУГ (расходомеры) Liquatech – это точные измерительные приборы для жидкостей и газов, которые обеспечивают точное измерение, в течение длительных периодов эксплуатации. Простота конструкции в сочетании с постоянной точностью привели к широкому использованию счетчиков Liquatech в различных областях промышленности для коммерческого учета во всем мире.
Компания Liquatech производит ¾”, 1,1½и2-дюймовые счетчики для жидкостей и газов, в основном для СУГ и аммиака.
Расходомеры Liquatech укомплектованы:
• Измерителем с запатентованной опцией Trac-Bearing®;
• Эксклюзивным переходником Liqua-Tech щита распределительных шестерен;
• печатающими или не печатающими регистрами компании Veeder-Root;
• отделителем паров, сетчатым фильтром и дифференциальным клапаном.
LPM200 – расходомер для автоцистерн и нефтебаз, производительность от 80 до 380 л/мин;
LPM102 – расходомер для топливораздаточных установок розничной продажи, производительность от 12 до 68 л/мин;
LPM150 – расходомер для газовозов и нефтебаз, производительность от 45 до 227 л/мин;
Цена на счетчики СУГ варьируется с учетом потребностей предприятия.
Сервисная служба «ЛПГруп» осуществляет ремонт и техобслуживание расходомеров газа
Расходомер Liquatech оснащен клапаном возврата паров, который позволяет утечку примерно 0.02 галлонов в минуту (75.7 кубических см) обратно в питающий резервуар. Этот клапан функционирует совместно с дифференциальным клапаном давления. Поршень клапана двигается от гнезда, когда в измерительной камере по крайней мере поддерживается давление равное 15 пси (1,034 бар) выше давления пара. Это гарантирует, что счетчик измеряет только жидкость.
Дренажная линия газового расходомера
Дренажная линия от парового клапана расходомера к пространству пара питающего резервуара должна иметь внутренний диаметр трубопровода минимум 3/8“ (10 мм). Отсечной кран должен быть установлен в паровую дренажную линию, чтобы обеспечить опустошение расходомера для чистки или осуществления сервисных работ. Дренажная линия
выпуска паров должна быть возвращена в питающий резервуар и не должна стать обычным соединением с линиями возврата паров или перепускным клапаном насоса. Если она установлена правильно, эта линия должна позволять осуществлению передвижения потока без помех в обе стороны. Если клапан в дренажной линии закрыт, расходомер не будет работать. Эти инструкции должны быть выполнены для того, чтобы обеспечить должную работу дифференциального клапана.
Рекомендации к работе газового расходомера:
Повышайте давление в устройстве медленно, выпуская пар по дренажной линии. После начала работы насоса медленно открывайте выходной кран по пути из расходомера. Проверьте уровень потока после того, как устройство заполнено; он не должен превышать максимальную производительность.
Максимальное рабочее давление на устройстве не должно превышать 350 PSI(24.13 бар). Не используйте рукава маленького диаметра и завышенное давление для достижения желаемых уровней потока, это может вызвать утечку и чрезмерный износ насоса. Хотя все расходомеры точным образом проверены и протестированы после монтажа и нет необходимости в каких-либо изменениях, рекомендуется калибровка после завершения установки. При новой установке фильтр нуждается в регулярной чистке. После того, как устройство было установлено, необходимо только периодическая чистка.
Рекомендации по эксплуатации газового расходомера:
Для точной работы расходомеров требуется небольшой уход для обеспечения соответствующих условий работы. После правильной установки расходометра эти условия состоят только в защите от инородных веществ, таких как пар, воздух, осадок или вода, проникающие внутрь измерительной камеры. Не рекомендуется разбирать расходомер до первой серьезной неисправности в работе или повреждения.
Осадки – жидкость, проходящая сквозь измерительную камеру, должна быть освобождена от песка и остальных видов осадка для избегания ненужного трения и устранения шероховатостей поршня и стенок резервуара. В противном случае возникнут неисправности в работе при показаниях расходомера. Периодическая чистка и осмотр фильтра расходомера помогут избежать возможные повреждения.
Пар — являясь инструментом, который измеряет объем, расходомер будет фиксировать прохождение пара или воздуха так же, как и жидкость, полученный результат будет учтен в показаниях, в случае неисправности системы пароотделения.
Вода – случайное попадание воды не нанесет никакого вреда расходометру. Неисправность может возникнуть только тогда, когда вода находится продолжительное время в расходомере.
Неустойчивые показания счетчика СУГ
Неустойчивые показания счетчика СУГ обычно вызваны испарением продукта, неисправным дифференциальным клапаном или клапаном выпуска паров (перепоказания) или грязью или осадком в измерительной камере (недопоказания). При необходимости прочистите расходомер. Если расходомер продолжает показывать перепоказания при закрытом клапане выпуска, проверьте затворы дифференциального клапана.
Наличие перепоказаний и недопоказаний
Если показания расходомера больше или меньше фактических и причина неисправности не выявлена, рекомендуется калибровка измерительного устройства.
Разработка сайтов mittus.ru
