Счетчик массового расхода газа — SU 2003048 (original) (raw)
ВУ (и) Б 1) Я 6 О 1 Г 1 68 митет. Ро патентам йской Федерации товарным знакам ИЕ ИЗО ЕТЕНИ Ь 3 Р :Р Р 4 й 1(54) СЧЕТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ГАЗА(57) Использование: в измерительной технике, в ссового расхода для из - носителей воздуха и тд счетчик массового расхода моанемометрический дат - ра 2 и 3, один трубопровод бразователь 5, один блок регистратор расхода 7. 4 частности в счетчиках ма мерения газовых энерго Сущность изобретения, газа содержит один тер чик 1, два терморегулято 4, один первичный прео пинеаризации 6 и одинИзобретение относится к измерительг гой технике и может быть использовано для измерения масссвого расхода газовых энергоносителей, воздуха и пр.Известно устройство измерения массового расхода газа, содержащее термоанемометрический датчик скорости движения газа, первичный преобразователь, блок линеаризации и регистратор расхода. Блоклинеариэации имеет два каскада, каждый иэ которых содержит устройство возведения сипгала в квадрат и устройство сдвига уровня, Такой слой линеаризации.реализует передаточную Функциго,5 10= СО - Ог)/(Оо - Ог)/Оо, г,1) имеющуго три независимых параметра Оо, Ог, (,(ъ позоолягощие идеально скомпенсировать погрешность в трех точках характеристики.еНедостатком устройства является его сложность и низкая точность из-за временной и температурной нестабильности устройгства возведения аналогового сигнала в квадрат.Известно устройство измерения массового расхода газа, отличающееся от рассмотренного тем, что блок линеаризации содержит соединенные каскадно: устройство сдвига уровня, логарифмический масштабирующий и антилогарифмиругощий прв. образователгг и реализует передаточную функцию,20 25 30 35 Три независимых параметра 01, 02, Кпозволяют идеально скомпенсировать погрешность в трех точках характеристики. 40Недостатком устройства является его сложность и низкая точность из-за временной итемпературной нестабильности логарифмиругощего и антилогарифмирующего преобразователей. Кроме того, поскольку 45входным сигналом регистрирующего устройства является напряжение, регистрациярасхода в цифровой форме требует применения аналого-цифрового преобразователя,дополнительного усложняющего устройство и увеличивающего суммарную погрешность измерения.Недостатком данного устройства является сложность и низкая точность измерения расхода, 55Целью изобретения является упрощение устройства и повышение точности измерсния массового расхода газа,Поставленная цель достигается тем, чтов счетчике массового расхода газа блок линеаризации содержит операционный усилитель, соединенный каскадно с ждущим мультивибратором, выход которого, являющийся выходом блока линеаризации, соединен с управлягощими входами первого и второго ключа; прямой вход операционного усилителя соединен с выходом источника опорного напряжения, а его инвертирующий вход соединен; через первый резистор со входом преобразователя, через второй резистор и параллельно соединенные конденсатор и первый ключ с общей шиной, через второй ключ выходом резистивного делителя, вход которого соединен с входом преобразователя, через последовательно соединенные интегрирующий конденсатор и корректирующий резистор с выходом операционного усилителя.На фиг, 1 изображена структурная схема предлагаемого счетчика массового расхода газа; на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема блока линеаризации, передаточная характеристика которого приведена на фиг, 3. Возмокная реализация регистратора расхода дана на фиг. 4.Счетчик массового расхода газа содержит термоанемометрический датчик 1 в виде двух терморезисторов 2 и 3, размещаемых в трубопроводе 4, подклгоченных к первичному преобразователю 5, выход которого соединен со входом каскадно соединенных блока линеаризации 6 и регистратора расхода 7.Блок линеаризации 6 содержит операционный усилитель 8, соединенный каскадно с ждущим мультивибратором 9, выход которого соединен с выходной клеммой 10 и с управлягощими входами ключей 11 и 12; прямой вход операционного усилителя 8 со единен с выходом источника опорного напряжения 13, а его инвертиругощий вход соединен через резистор 14 с вхгдной клеммой 15 - через резистор 16 и йараллельно соединенные конденсатор 17 и ключ 12 с общей шиной - через ключ 11 с выходдм резистивного делителя напряжения 18, вход которого соединен с входной клеммой 15, - через последовательно соединенные интегрирующий конденсатор 19 и корректирующий резистор 20 с выходом операционного усилителя 8,Предложенныгг вариант реализации регистратора расхода содержит входную клемму 21 для приема импульсов с частотой Г, поступающих с выхода нелинейного преобразователя напряжения в частоту, масштабирующий делитель частоты 22, счетчик импульсов 23, устройство индикации 24, клемму 25 для подключения автономного питания 26.35 40 Счетчик массового расхода газа работает следующим образом,Первичный преобразователь фоомирует через термореэистор 2 ток, нагревающий этот терморезистор до такой температуры, при которой отношение сопротивлений терморезисторов 2 и 3 достигает задан ного (измерительным мостом) постоянного уровня. В режиме термодинамического равновесил электрическая мощность, подводимая к терморезистору 2 тратится на теплообмен с окружающей средой. Имеются четыре пути такого теплообмена: излучение, теплопроводность установочной арматуры, естественная конвекция и теплообмен за счет обдува термореэистора 2 газом в трубопроводе 4. Мощность,затрачиваемая на излучение, теплопроводность и естественную конвекциюлвллетсл постоянной величиной, определяемой конструкцией датчика, Мощность, затрачиваемая на теплообмен эа счет обдува,определяется произведением плотности газа р на его скорость ч в трубопроводе 4 в точке установки датчика. При ламинарном потоке скорость пропорциональная средней скорости чср движения газа в трубопроводе 4, При этом произведение Р чср будет однозначно определять ток нагрева терморезистора 2, а также пропорциональное этому току напряжение О, формируемое на выходе первичного преобразователя 5,Зависимость О( р чср) нелинейна и имеет вид, показанный на фиг. 3,Блок линеаризации 6 преобразует напряжение О в частоту Р и реализует передаточную характеристику Г(О), которал обратна (с точностью до масштабного коэффициента) зависимости О(,о чср), что обеспечивает пропорциональность между произведением р чср и частотой Р следования импульсов, подаваемых на регистратор расхода 7. При этом масса газа, проходящего через сечение трубопровода 4 эа интервал времени между соседними импульсами в установившемся режиме не зависит от скорости движения газа и его плотности, а определяется лишь площадью поперечного сечения Я трубопровода.4 в месте установки датчика 1 и коэффициентом пропорциональности между Е и Р чсрРегистратор расхода 7 в этом случае может быть выполнен в виде цифрового устройства, показанного на фиг. 4, производящего масштабирование, счет импульсов.и индикацию результата. Для сохранения результата счета при отключении внешнего (сетевого) питания (+Ои) используется автономный источник 26, формирующий, напряжение +О пит, достаточное для сохраненил информации в счетчике 23,Для правильной работы блока линеаризации необходимо установить опорное напряжение Е источника 13 равным начальному значению напряжения О, снимаемого с первичного преобразователл 5, при нулевой скорости движенил газа через трубопровод 4, Тогда при разомкнутых клочах 11, 12 и ОЕ интегрирующий конденсатор 19 будет заряжаться током, протекающим через резистор 14, вследствие чего напряжение на выходе операционного усилителя 8 уменьшается. В момент, когда это напряжение достигнет порога срабатывания ждущего мультивибратора 9, на выходе этого мультивибратора формируется импульс длительностью г. Под действием этого импульса ключи 11 и 12 замыкаются, что приводит к формированию дополнительного(раэрлдного) тока через интегрирующий . конденсатор, направленный противоположной упомянутому зарядному току, протекающему через резистор 14. Параметры резисторов 14, 15, а также резисторов делителя 1,8 таковы, что значение разрядного токабольше значенил зарядного тока во всем рабочем диапазоне значений О. При этом на интервале действия импчльса напряжение на выходе операционного усилителя 8 увеличивается и к моменту окончания импульса становится больше порога срабатывания ждущего мультивибратора 9. Реально, вследствие паразитной задержки срабатыванил ждущего мультивибратора 9 и паразитной задержки коммутации ключей 11 и 12, значение напряжения на выходе операционного усилителя в момент замыкания упомянутых клочей меньше значения статического порога срабатывания ждущего мультивибратора на величину динамической погрешности, Чтобы исключить влияние этой погрешности, а также влияние возможного гистерсзиса характеристики запуска мультивибратора 9 на работу устройства в области предельно больших значений напряжения О, при которых положительное приращение напряжения на интегрирующем конденсаторе на интервале действия импульса стремится к нулю, последовательно с конденсатором включен корректирующий резистор 20. Действие этого резистора проявляется в формировании коммутационных скачков напряжения на выходе операционного усилителя 8 (положительного скачка при замыкании ключей 11, 12 и. отрицательного скачка при их размыкании). Сопротивление корректирующего резистора 20 необходимо выбрать так, что амплитуда скачков была2003048 ходного импульса т, коэффициент О равенотношению сопротивления резистора 14 ксопротивлению верхнего плеча резистивногоделителя 18. Совместно с опорным напря 5 жением Е эти коэффициенты образуют пятьнезависимых параметра характеристики передачи функционального преобразователянапряжения в частоту, позволяющие идеально скомпенсировать нелинейность зави 10 симосФи 0(р ч) в пяти точках. Примерноерасположение этих точек показано на фиг,. 3. Вне этих точек методическая погрешность измерения массового расхода газа непревышает долей процента.15 Упрощение предлагаемого устройствадостигается за счет того, что схемная реализация блока линеариэации проще аналогичных блоков, применяемых в известныхсчетчиках массового расхода газа %1, В 2.20 Повышение точности измерения массового.расхода газа обеспечивается тем, чтовследствие увеличения числа параметровреализуемой передаточной функции уменьшена методическая погрешность линеари 25 зации характеристики передачи устройства,а также тем, что стабильность указанныхпараметров,определяемая стабильностьюотношений сопротивления резисторов,существенно выше, чем стабильность па 30 раметра характеристики передачи известных устройств, в которых для реализациинелинейной характеристики блока линеаризаций используют свойства полупроводниковых Р-п-переходов,35 (56) Патент США М 4373387,кл; 0 01 Р 1/68, 1987.Патент США М 4193300,кл; 6 01 Е 1/68, 1980, . аФормула изобретения. СЧЕТЧИК МАССОВОГО РАСХОДА ГАЗА, содержащий термоанемометрический датчик, помещенный в измерительный участок трубопровода и подключенный к первичному преобразователю, соединенному через блок линеариэации с регистратором расхода, отличающийся тем, что блок линеаризации выполнен е виде последователь 5 больше суммы максимального значения динамической погрешности и максимальной ширины петли гистереэиса характеристики запуска мультивибратора 9. После окончания импульса ключи 11 и 12 размыкаются. При этом составляющая разрядного тока, задаваемая делителем 18, исчезает практически мгновенно, а составляющая этого тока, задаваемая резистором 15, уменьшается постепенно (по закону экспоненты с постоянной времени О равной произведению сопротивления резистора.16 и емкости конденсатора 17),Статическую передаточную характеристику блока линеаризации, определяемую как функциональную зависимость между частотой следования выходных импульсов Р и постоянным (мвдленно изменяющимся) входным напряжением У, можно получить иэ условия баланса процесса заряда и разряда интегрирующего конденсатора 19, полагая, что о установившемся режиме суммарное приращение заряда наэтом конденсаторе за период следования импульсов равно нулю. Эта функциональная зависи-, мость описывается алгебраическим выра- жением где коэффициент А равен отношению сопротивления резистора 14 к сопротивлению нижнего плеча резистивного делителя 18, коэффициент 8 равен отношению сопротивления резистора 14 к сопротивлению резистора 15, коэффициент С равен отношению постоянной времени О к длительности выо соединенных источника опорно напряжения, подключенного к прямому входу операционного усилителя, и ждущего мультивибратора, выход которого подключен к управляющим входам первого и второго ключей и является выходом блока линеариэации, вход которого через реэистивный делитель соединен с общей шиной блока линеаризации и через первый резистор подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, соединенному со своим выходом через последовательно включенные первый конденсатор и второй реЗистор и подключенному к общей шине блока линеаризации через последовательно соединенные третий резистор и второй конденсатор, при этом первый ключ включен между средней точкой резистивного делителя и инвертирующим входом операционного усилителя, а второй ключ включен между общей шиной блока лйнеариэации и первой обкладкой второго конденсатора, а термоанемометрический датчик выполнен в виде двух терморезисторов.2003048 Экого Составитель Л. По Техред М.Моргентал ректор А. Козори актор Н. Семенова Тираж Подпи НПО "Поиск" Роспатента035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Заказ 322 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10