RU2246099C2

RU2246099C2 - Thermal gas microscopic flowmeter

Info

Publication number: RU2246099C2
Application number: RU2002130552/28A
Authority: RU
Inventors: нцев А.В. Рум (RU); А.В. Румянцев; П.Р. Шевченко (RU); П.Р. Шевченко
Original assignee: Калининградский государственный университет
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: microscopic flowmeter has case provided with two identical chambers. High-temperature (1200K) thermo-sensitive elements in form of a flat spiral are disposed inside both chambers. Gas flow with half flow rate are introduced and carried away along case channel assemblies. To register irradiation flow of integral surface of both thermo-sensitive elements, four optical radiation converters being a sort of photodiodes are used. The photodiodes are placed inside capsules. Temperature of capsules is kept to preset level. Signals from photodiodes come to digital voltage meter.

EFFECT: improved precision of measurement; increased sensitivity; doubled measurement range.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым микрорасходомерам для измерения массового расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с.The invention relates to the field of measuring equipment, namely to thermal micro-flow meters for measuring the mass flow of gas in the range of 0-100 mg / s

Общим недостатком тепловых расходомеров, независимо от принципа измерения, положенного в основу их работы, является зависимость их показаний от ориентации расходомера. Эта зависимость наиболее существенна в области малых расходов (малых скоростей потока газа) из-за влияния естественной конвекции.A common drawback of heat flow meters, regardless of the measurement principle underlying their operation, is the dependence of their readings on the orientation of the flow meter. This dependence is most significant in the field of low flow rates (low gas flow rates) due to the influence of natural convection.

Известен способ измерения расхода газа, заключающийся в том, что нагреваемый электрическим током теплочувствительный элемент в виде цилиндрической спирали (ТЧЭ) помещается в теплоизолированный корпус-газопровод и охлаждается протекающим по газопроводу потоком газа. Изменение температуры омываемого потоком газа ТЧЭ сопровождается изменением его поверхностной спектральной энергетической светимости, которое регистрируется через оптическое окно в стенке газопровода с помощью преобразователя оптического излучения (ПОИ) [1]. Этот расходомер принят за прототип.A known method of measuring gas flow rate is that a heat-sensitive element in the form of a cylindrical spiral (TEC) heated by electric current is placed in a heat-insulated casing-gas pipeline and is cooled by a gas stream flowing through the gas pipeline. A change in the temperature washed by the gas flow by the HSE is accompanied by a change in its surface spectral energy luminosity, which is recorded through an optical window in the wall of the gas pipeline using an optical radiation converter (POI) [1]. This flowmeter is taken as a prototype.

Недостатками расходомера [1] являются зависимость показаний от ориентации в вертикальной плоскости его продольной оси; перпендикулярность газового потока и потока излучения, в силу чего поперечный характер обтекания ТЧЭ потоком газа и регистрацию потока излучения поверхности ТЧЭ можно обеспечить только при выполнении ТЧЭ в форме цилиндрической спирали.The disadvantages of the flow meter [1] are the dependence of the readings on the orientation in the vertical plane of its longitudinal axis; the perpendicularity of the gas flow and the radiation flux, due to which the transverse character of the flow around the HSE gas stream and the registration of the radiation flux of the surface of the HFC can be ensured only when performing HFC in the form of a cylindrical spiral.

Задача настоящего изобретения заключается в устранении указанных недостатков при одновременном повышении точности, чувствительности, надежности расходомера и в удвоении доступного измерению диапазона расхода газа.The objective of the present invention is to eliminate these disadvantages while improving the accuracy, sensitivity, reliability of the flow meter and doubling the measurement range of the gas flow rate.

Предлагаемое техническое решение изобретения состоит в том, что (см. фиг.1) в металлическом корпусе расходомера создаются две идентичные измерительные камеры 1, 1’ в каждой из которых размещаются нагреваемые электрическим током проволочные сдирали 2 и 2' плоского типа с герметизированными токоподводами 3 и 3'. Поток излучения всей поверхности спирали подается непосредственно через герметично закрепленные в корпусе световоды 4, 4' (по одному с каждой стороны спирали и выполняющие одновременно роль оптических окон) на преобразователи оптического излучения 5, 5' (ПОИ типа фотодиода). Ориентационная независимость показаний расходомера обеспечивается подводом (в отводом) газового потока к измерительным камерам в строго противоположных направлениях с помощью практически идентичных систем выполненных в корпусе расходомера газоподводящих 6 и газоотводящих 6' каналов, соединенных с камерами.The proposed technical solution of the invention consists in the fact that (see Fig. 1) two identical measuring chambers 1, 1 'are created in the metal housing of the flowmeter, in each of which there are placed electric wire heated by an electric current, stripped 2 and 2' of a flat type with sealed current leads 3 and 3 '. The radiation flux of the entire surface of the spiral is fed directly through the light guides 4, 4 'tightly fixed in the casing (one on each side of the spiral and simultaneously acting as optical windows) to the optical radiation converters 5, 5' (POI of the photodiode type). The orientational independence of the flowmeter readings is ensured by the supply (in the outlet) of the gas flow to the measuring chambers in exactly opposite directions using practically identical systems made in the flowmeter body of the gas supply 6 and gas exhaust 6 'channels connected to the chambers.

Объединение системы каналов 6, 6' с каналами для световодов делает газовые потоки в потоки излучения параллельными, в силу чего характер обтекания спирали газовым потоком остается поперечным при любой ее форме, а не только цилиндрической, как у прототипа.The combination of the channel system 6, 6 'with the channels for the optical fibers makes gas flows into the radiation flows parallel, due to which the nature of the flow of gas around the spiral remains transverse in any form, and not only cylindrical, as in the prototype.

Разделение входящего газового потока на два расходом G/2 каждый перед их подводом к камерам с ТЧЭ означает, что через каждую камеру проходит газовый поток расходом G/2. Это приводит к увеличению в два раза диапазона расхода газа, доступного измерению данным расходомером.Dividing the inlet gas stream into two by a flow rate of G / 2 each, before they are fed to the chambers with TEC, means that a gas stream flows through each chamber with a flow rate of G / 2. This leads to a doubling of the range of gas flow available for measurement by this flow meter.

Используемый принцип измерения обеспечивает наибольшую чувствительность именно в области малых расходов газа. Уменьшение вдвое расхода газа через измерительную камеру с ТЧЭ автоматически приводит, в силу указанной выше причины, к существенному увеличению чувствительности и точности предлагаемого устройства.The measurement principle used provides the greatest sensitivity precisely in the region of low gas flow rates. By halving the gas flow through the measuring chamber with a HSE, automatically, due to the above reasons, significantly increase the sensitivity and accuracy of the proposed device.

Использование четырех фотодиодов, каждый из которых вырабатывает свой выходной сигнал, существенно повышает надежность устройства в целом, которое остается работоспособным даже при выхода из строя остальных фотодиодов, при наличии предварительно полученных расходных характеристик для каждого из фотодиодов и их возможных комбинаций.The use of four photodiodes, each of which produces its own output signal, significantly increases the reliability of the device as a whole, which remains operational even if the remaining photodiodes fail, in the presence of previously obtained expendable characteristics for each of the photodiodes and their possible combinations.

Автономность и малая инерционность предлагаемого расходомера обусловлены, как и у прототипа, сильным перегревом (1200 К) ТЧЭ относительно температуры входящего газа, который к тому же подогревается в газоподводящей системе каналов, выполненных в нагреваемом ТЧЭ корпусе, в выбором принципа измерения, заключающимся в бесконтактном способе регистрации потока излучения ТЧЭ с помощью малоинерционных ПОИ.The autonomy and low inertia of the proposed flow meter are caused, like the prototype, by a strong overheating (1200 K) of the fuel element relative to the temperature of the incoming gas, which is also heated in the gas supply system of the channels made in the heated thermoelectric generator, in the choice of the measurement principle, which consists in a non-contact method registration of the radiation flux of HSE with the help of low-inert POI.

Фиксирование абсолютной спектральной характеристики ПОИ осуществляется их помещением в термостабилизированные на температурном уровне Т=323 К теплоизолированные капсулы 5, 5 '. Указанное значение температурного уровня является оптимальным, так как дальнейшее его увеличению приведет к резкому возрастанию темнового тока фотодиода [2], что нежелательно. Температурный режим капсулы поддерживается на заданном уровне автоматически с помощью специальной контролирующе-управляющей электронной схемы (см. фиг.2). Для термостабилизации капсул служат вмонтированные в них идентичные нихромовые спирали, напряжение на которые подается после усиления с диагонали мостовой схемы. В одно из плеч моста включен терморезистор, сопротивление которого при Т=323 К заранее определено. Терморезистор размещается в одной из капсул. При отклонении температуры капсулы от заданного уровня (т.е. сопротивления терморезистора при сбалансированном мосте) напряжение с диагонали разбалансированного моста после усиления подводится к спиралям капсул, ликвидируя разбалансировку моста.The absolute spectral characteristics of the POI are fixed by their placement in thermally insulated capsules 5, 5 ', which are thermally stabilized at a temperature level T = 323 K. The indicated value of the temperature level is optimal, since its further increase will lead to a sharp increase in the dark current of the photodiode [2], which is undesirable. The temperature regime of the capsule is maintained at a predetermined level automatically using a special control-controlling electronic circuit (see figure 2). For thermal stabilization of the capsules, identical nichrome spirals are mounted in them, the voltage to which is supplied after amplification from the diagonal of the bridge circuit. A thermistor is included in one of the arms of the bridge, the resistance of which at T = 323 K is predefined. The thermistor is located in one of the capsules. When the temperature of the capsule deviates from the set level (i.e., the resistance of the thermistor with a balanced bridge), the voltage from the diagonal of the unbalanced bridge is supplied to the spirals of the capsules after amplification, eliminating the unbalance of the bridge.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (см. фиг.1). Подводимый через расположенную в нагретом от ТЧЭ корпусе газоподводящую систему 6 каналов газ поступает в каналы со световодами 4, 4' и через них - в измерительные камеры с нагретыми через токоподводы 3 и 3' спиралями 2 и 2' (ТЧЭ) соответственно и уходит через систему каналов 6' в систему газовой подачи. Охлаждаемые потоком газа расходом G/2 спирали 2 и 2' (ТЧЭ) уменьшают свою поверхностную спектральную энергетическую светимость, что и регистрируется через световоды 4, 4' преобразователями оптического излучения 5, 5' (ПОИ). Выходные информативные сигналы с ПОИ 5, 5' в форме электрического (вольтового) сигнала поступают на вход электронного блока обработки и преобразования сигнала (БОПС) (на фиг.1 не показан). В качестве БОПС могут служить цифровой вольтметр, на вход которого подается напряжение с сопротивления нагрузки параллельно включенных фотодиодов; напряжение с нагрузочного сопротивления фотодиодов можно подавать на АЦП, подключенный к ПК с программой пересчета напряжения в расход согласно предварительно заложенной в нее расходной характеристике расходомера. Расходная характеристика представляет собою экспериментально определенную зависимость измеряемой величины падения напряжения на нагрузочном сопротивлении фотодиодов от задаваемого расхода газа.The proposed device operates as follows (see figure 1). The gas supplied through a gas supply system of 6 channels located in a gas-supplying system heated up by a HFC and 6 channels enters the channels with light guides 4, 4 'and through them into the measuring chambers, with 2 and 2' coils heated through current leads 3 and 3 ', respectively and leaves through the system channels 6 'into the gas supply system. Spirals 2 and 2 ', cooled by the gas flow rate G / 2, reduce their surface spectral energy luminosity, which is recorded through optical fibers 4, 4' by optical radiation converters 5, 5 '(POI). Output informative signals with POI 5, 5 'in the form of an electric (volt) signal are fed to the input of an electronic signal processing and conversion unit (BOPS) (not shown in Fig. 1). A digital voltmeter can be used as a BOPS, the input of which is supplied with voltage from the load resistance of the parallel connected photodiodes; the voltage from the load resistance of the photodiodes can be fed to an ADC connected to a PC with a program for converting voltage to flow according to the flowmeter’s flow characteristic that was previously included in it. The flow characteristic is an experimentally determined dependence of the measured magnitude of the voltage drop across the load resistance of the photodiodes on a given gas flow.

Claims

A thermal micro-gas flow meter, comprising a housing in which are made: two identical measuring chambers, in each of which there is a wire heat-sensitive element heated in an electric current in the form of a flat spiral; and channel systems leading to and removing gas streams from the measuring chambers at half the incoming gas flow rate each, respectively in opposite directions, hermetically fixed in the casing one on each side of the spiral of the optical fibers, and four optical radiation transducers placed in heat-stabilized capsules and serving to record the radiation flux of the entire surface of both heat-sensitive elements passing through the optical fibers.