RU2018090C1

RU2018090C1 - Mass flowmeter

Info

Publication number: RU2018090C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Зингер
Original assignee: Зингер Александр Матвеевич
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1991-06-28
Publication date: 1994-08-15

Abstract

FIELD: measurement technology, measuring mass flow rates of liquida and gases. SUBSTANCE: mass flowmeter for a pipeline has two bridge measuring circuits, four working arms of bridge circuits, two stabilization systems, two amplifiers, two generators, two pulse shapers, two attenuators, four diodes, two variable resistors, two limiting resistors, one measuring-calculating unit and one indicator. EFFECT: enhanced accuracy. 23 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано для измерения массового расхода жидкостей и газов электрическими методами и может найти применение в технических устройствах другого назначения, работающих в условиях изменения температуры контролируемой среды. Оно может эффективно использоваться в тензометрии, термокондуктометрии и других технических решениях с использованием автобалансных резисторных мостов. The invention relates to instrumentation, can be used to measure the mass flow of liquids and gases by electrical methods and can find application in technical devices for other purposes, working in conditions of changing the temperature of the controlled environment. It can be effectively used in tensometry, thermoconductometry and other technical solutions using self-balanced resistor bridges.

Известен тепловой расходомер, содержащий источник стабилизированного напряжения, два уравновешенных резисторных моста, в выходных диагоналях (измерительные диагонали) которых включены исполнительные электродвигатели, в измерительное (рабочее) плечо одного из резисторных мостов включен измерительный термометр сопротивления (термопреобразователь сопротивления), а в измерительное (рабочее) плечо другого - компенсационный термометр сопротивления (термообразователь сопротивления), при этом измерительный прибор связан с обоими мостами посредством включенных в его цепи управляемых резисторов, управляющие входы которых кинематически связаны с валом соответствующего исполнительного электродвигателя, причем в цепь питания каждого моста последовательно включен регулируемый резистор, управляющий вход которого кинематически связан с исполнительным электродвигателем [1]. A heat flow meter is known that contains a stabilized voltage source, two balanced resistor bridges, in the output diagonals (measuring diagonals) of which executive electric motors are included, a measuring resistance thermometer (resistance temperature transducer) is included in the measuring (working) arm of one of the resistor bridges, and a measuring (working) ) the shoulder of the other is a compensation resistance thermometer (resistance heat generator), while the measuring device is connected to both bridges osredstvom included in its chain controllable resistors, control inputs of which are connected kinematically to a shaft of the corresponding motor actuator, wherein a power circuit of each bridge included in series an adjustable resistor, the control input of which is kinematically connected to the actuating motor [1].

Недостатком известного устройства со стабилизацией мощности, подводимой к термопреобразователям сопротивления, является нелинейность шкалы, высокая инерционность, вызванная наличием реверсивного электродвигателя в цепи обратной связи, и погрешность измерения, вызванная различием условий теплообмена непосредственно в трубопроводе и его "кармане". A disadvantage of the known device with stabilization of power supplied to resistance thermal converters is the non-linearity of the scale, high inertia caused by the presence of a reversible electric motor in the feedback circuit, and the measurement error caused by the difference in heat transfer conditions directly in the pipeline and its “pocket”.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для регистрации потока жидкости с компенсатором влияния окружающей температуры, поддерживающее поток жидкости, транспортируемой в определенном направлении и контролирующее окружающую температуру. Оно содержит приспособление, которое фиксирует по меньшей мере два резистора (термопреобразователя сопротивления), омываемых потоком жидкости. Две параллельные ветви (диагонали питания) первой мостовой схемы подсоединены к источнику регулируемого напряжения. Выходной элемент мостовой схемы подсоединен в диагональ (измерительная диагональ) этой схемы. В первую ветвь включен первый из указанных резисторов (первый термопреобразователь сопротивления), используемый в качестве нагревательного элемента. Термочувствительный резистор (второй термопреобразователь сопротивления), связанный с фиксирующим приспособлением за счет теплообмена), регистрирует окружающую температуру жидкости и включен во вторую ветвь указанной мостовой схемы. Цепь обратной связи, передающая сигнал рассогласования, подключена своим входом к выходному элементу (измерительной диагонали) мостовой схемы. Выходной элемент (источник регулируемого напряжения) этой цепи (цепи обратной связи стабилизации температуры первого термопреобразователя сопротивления) подключен к указанным ветвям (диагонали питания) мостовой схемы и выполняет функцию источника регулируемого напряжения, который управляет возбуждением (питанием) первой мостовой схемы. Вторая мостовая схема имеет две ветви (две диагонали), одна из которых (измерительная диагональ) подключена к цепи обратной связи системы, поддерживающей поток жидкости, а другая (диагональ питания) подключена к выходному элементу цепи обратной связи (т. е. параллельно диагонали питания первой мостовой схемы), причем в одну из этих ветвей (второй мостовой схемы) включен второй из указанных резисторов (второй термопреобразователь сопротивления) [2]. The closest in technical essence to the proposed one is a device for recording a fluid flow with a compensator for the influence of ambient temperature, supporting the flow of fluid transported in a certain direction and controlling the ambient temperature. It contains a device that fixes at least two resistors (resistance thermal converters), washed by the fluid flow. Two parallel branches (power diagonals) of the first bridge circuit are connected to a regulated voltage source. The output element of the bridge circuit is connected to the diagonal (measuring diagonal) of this circuit. The first branch includes the first of these resistors (the first resistance thermoconverter) used as a heating element. A thermosensitive resistor (second thermocouple of resistance), connected with the fixing device due to heat transfer), registers the ambient temperature of the liquid and is included in the second branch of the indicated bridge circuit. The feedback circuit transmitting the error signal is connected by its input to the output element (measuring diagonal) of the bridge circuit. The output element (controlled voltage source) of this circuit (the temperature stabilization feedback loop of the first resistance thermocouple) is connected to the indicated branches (power diagonal) of the bridge circuit and acts as a controlled voltage source that controls the excitation (power) of the first bridge circuit. The second bridge circuit has two branches (two diagonals), one of which (the measuring diagonal) is connected to the feedback circuit of the system supporting the fluid flow, and the other (power diagonal) is connected to the output element of the feedback circuit (i.e., parallel to the power diagonal the first bridge circuit), and in one of these branches (the second bridge circuit) is included the second of these resistors (second thermal resistance converter) [2].

Недостатком известного устройства является узкий диапазон работы, в пределах которого осуществляется температурная компенсация, что обусловлено параллельным подключением обеих мостотвых измерительных схем к одному источнику регулируемого напряжения, посредством которого обеспечивается равновесный режим работы первой мостовой измерительной схемы, осуществляющей стабилизацию температуры первого термопреобразователя сопротивления, используемого в качестве нагревательного элемента. Вторая мостовая измерительная схема работает в неравновесном режиме, вследствие чего устройство используется в ограниченном диапазоне температур и расходов транспортируемой среды, что ограничивает его применение в области поддержания стабилизации заданного расхода потока жидкости, транспортируемой в определенном направлении по трубопроводу. A disadvantage of the known device is the narrow range of operation within which temperature compensation is carried out, which is due to the parallel connection of both bridge measuring circuits to one adjustable voltage source, which ensures the equilibrium mode of operation of the first bridge measuring circuit, which stabilizes the temperature of the first resistance thermocouple used as heating element. The second bridge measuring circuit operates in non-equilibrium mode, as a result of which the device is used in a limited range of temperatures and flow rates of the transported medium, which limits its use in the field of maintaining stabilization of a given flow rate of a fluid transported in a certain direction through a pipeline.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации погрешности, вызванной изменением температуры среды во всем диапазоне возможных значений, и расширения диапазона контролируемых расходов. The aim of the invention is to improve the measurement accuracy by compensating for errors caused by changes in the temperature of the medium in the entire range of possible values, and expanding the range of controlled costs.

Поставленная цель достигается тем, что массовый расходомер для трубопровода содержит две мостовые измерительные схемы, в плечи сравнения которых включены термонезависимые резисторы, а в рабочие плечи - термопреобразователи сопротивления, установленные в трубопроводе, и снабженный системой стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, у которой вход в цепи обратной связи подключен к измерительной диагонали мостовой измерительной схемы, а выход подключен к ее диагонали питания, причем обе мостовые схемы снабжены системами стабилизации температуры термопреобразователей сопротивления, выбранных одинаковыми и установленных на одном участке трубопровода, с одинаковыми температурными и гидродинамическими характеристиками измеряемого потока, а сопротивления термонезависимых резисторов в плечах сравнения каждой мостовой измерительной схемы равны сопротивлению термопреобразователя сопротивления при температуре стабилизации своего моста, причем температура стабилизации одного моста равна верхнему пределу диапазона возможных температур контролируемой среды в трубопроводе, а разность температур стабилизации обеих мостовых измерительных схем пропорциональна диапазону измеряемых расходов и выбрана по градуировочной характеристике расходомера, выходы систем стабилизации которого подключены к вычислительнолму блоку, соединенному с показывающим прибором. This goal is achieved by the fact that the mass flow meter for the pipeline contains two bridge measuring circuits, thermally independent resistors are included in the comparison arms and resistance thermocouples installed in the pipeline, and equipped with a temperature stabilization system of the resistance thermocouple, which has an input in the feedback circuit connection is connected to the measuring diagonal of the bridge measuring circuit, and the output is connected to its diagonal of power, both bridge circuits are equipped with a system the temperature stabilization resistance thermoconverters are selected to be the same and installed on the same section of the pipeline, with the same temperature and hydrodynamic characteristics of the measured flow, and the thermally independent resistors in the comparison arms of each bridge measuring circuit are equal to the resistance of the resistance thermocouple at the stabilization temperature of its bridge, and the stabilization temperature of one bridge equal to the upper limit of the range of possible temperatures the medium being in the pipeline, and the temperature difference of both stabilizing bridge measuring circuits is proportional to the measured flow and the range selected by the flowmeter calibration characteristic outputs stabilization systems which are connected to vychislitelnolmu unit connected to the indicating device.

Возможна также реализация массового расходомера, в который введен общий источник установочного напряжения, подключенный через переменные резисторы и диоды гальванической развязки к диагоналям питания мостовых измерительных схем. It is also possible to implement a mass flow meter into which a common installation voltage source is connected, connected via variable resistors and galvanic isolation diodes to the power diagonals of bridge measuring circuits.

Выполнение обеих мостовых измерительных схем автобалансными за счет введения второй системы стабилизации температуры термопреобразователя сопротивления, выбор одинаковых термопреобразователей сопротивления и включение их в схему измерения таким образом, что каждый из них работает одновременно и как источник тепла, и как измеритель собственной температуры в контролируемой среде, а также вычисление вызванной изменением массового расхода разности приращений мощностей самонагрева измерительным током термопреобразователей сопротивления, измеренных на выходах систем стабилизации, является новым по отношению к прототипу. The implementation of both bridge measurement circuits is auto-balanced by introducing a second temperature stabilization system for the resistance thermocouple, selecting the same resistance thermocouples and including them in the measurement circuit so that each of them works both as a heat source and as a measuring device of its own temperature in a controlled environment, and also the calculation of the difference in increments of the self-heating capacities caused by the change in the mass flow rate by the resistance thermocouples measuring current eniya measured on stabilization systems exits, it is new with respect to prior art.

Также новым по отношению к прототипу является введение общего (для обеих мостовых измерительных схем) источника установочного напряжения, вызванной изменением массового расхода разности. Also new in relation to the prototype is the introduction of a common (for both bridge measuring circuits) source of installation voltage caused by a change in the mass flow rate of the difference.

Исследование показало, что совместное применение двух самобалансирующихся мостов с одинаковыми термопреобразователями сопротивления, установленными на одном участке трубопровода с одинаковыми тепловыми и гидродинамическими характеристиками, установка в плечах сравнения измерительных мостов таких значений сопротивлений термонезависимых резисторов, при которых температура стабилизации одного моста равна максимальному значению температуры контролируемой среды, а температура стабилизации другого моста превышает температуру стабилизации первого моста на разность, пропорциональную диапазону расходов массового расходомера, измерительные мосты которого связаны между собой источником установочного напряжения и вычислительным блоком, входы которого подключены к системе стабилизации, а выходы - к показывающему прибору - все это является новым по отношению к прототипу. Следует отметить, что только совместное применение указанных признаков приводит к достижению поставленной цели. The study showed that the combined use of two self-balancing bridges with the same resistance thermocouples installed on the same section of the pipeline with the same thermal and hydrodynamic characteristics, the installation in the shoulders of the measuring bridges of such resistance values of thermally independent resistors at which the stabilization temperature of one bridge is equal to the maximum value of the temperature of the controlled environment , and the stabilization temperature of the other bridge exceeds the temperature of the stub orizing the first bridge to a difference proportional to the flow range of the mass flowmeter, the measuring bridges of which are connected by a source of installation voltage and a computing unit, the inputs of which are connected to the stabilization system, and the outputs to the indicating device - all this is new in relation to the prototype. It should be noted that only the combined use of these signs leads to the achievement of the goal.

Было найдено устройство для измерения расхода в трубопроводе, которое также содержит два термопреобразователя сопротивления (два термистора), прикрепляемых к внешней поверхности стенки трубопровода. Термистор нагревается установленным рядом нагревателем. Оба термистора включены в мостовую схему, в которую включены также два других резистора, не подвергаемых действию контролируемого потока. Противолежащие углы схемы соединены с входом дифференциального усилителя, а нагреватель соединен с входом усилителя. Усилитель обеспечивает ток нагрева, необходимый для поддержания сбалансированного состояния схемы, т.е. для поддержания постоянного перепада температур между термисторами (термопреобразователями сопротивления). Чем больше расход потока, тем больше должен быть ток нагревателя. Этот ток является мерой расхода потока. Между выходом дифференциального усилителя и его инвертирующим выходом предусмотрена цепь обратной связи. A device was found for measuring the flow rate in the pipeline, which also contains two resistance thermocouples (two thermistors) attached to the outer surface of the pipeline wall. The thermistor is heated by a nearby heater. Both thermistors are included in the bridge circuit, which also includes two other resistors that are not exposed to the controlled flow. Opposite angles of the circuit are connected to the input of the differential amplifier, and the heater is connected to the input of the amplifier. The amplifier provides the heating current necessary to maintain a balanced state of the circuit, i.e. to maintain a constant temperature difference between thermistors (resistance thermal converters). The greater the flow rate, the greater should be the heater current. This current is a measure of flow rate. A feedback circuit is provided between the output of the differential amplifier and its inverting output.

Сравнение свойств усилителя для измерения расхода в известном решении и предлагаемом показало, что в известном устройстве термопреобразователь сопротивления выполняет функцию чувствительного элемента, а в предлагаемом не только чувствительного элемента, но и нагревателя. Кроме того, в предлагаемом расходомере для расширения диапазона измерения используются два автобалансных моста. Реализованные в предложенном техническом решении вычислительные функции позволили расширить диапазон измерения расходов и учитывать изменение температуры контролируемой среды во всем диапазоне возможных значений. Comparison of the properties of the amplifier for measuring the flow rate in the known solution and the proposed one showed that in the known device, the resistance thermal converter performs the function of a sensitive element, and in the proposed one not only a sensitive element, but also a heater. In addition, the proposed flowmeter uses two auto-balanced bridges to expand the measuring range. The computational functions implemented in the proposed technical solution made it possible to expand the range of flow measurements and take into account the temperature change of the controlled medium in the entire range of possible values.

Это свидетельствует о том, что заявляемое техническое решение содержит всю совокупность признаков и соответствует требованию "существенные отличия". This indicates that the claimed technical solution contains the entire set of features and meets the requirement of "significant differences".

Положительный эффект достигается совокупностью всех признаков, но причиной достижения поставленной цели - расширенеие диапазона измерения и повышение точности измерения за счет компенсации погрешности, вызванной изменением температуры среды, транспортируемой по трубопроводу, - является то, что при определении разности Δ Р мощностей P_θ1 и P_θ2, подводимых к термопреобразователям сопротивления R_θ1 и R_θ2при их самонагреве измерительными токами до температуры θ₁ и θ₂соответственно, полностью исключается температура контроллируемой среды θ_cp, во всем диапазоне измеряемых значений. Действительно, мощности самонагрева термопреобразователей сопротивления определяются из выражений
P_θ1=α˙S(θ₁-θ_cp) , (1)
P_θ2=α˙S(θ₂-θ_cp) , (2) где α - коэффициент теплообмена;
S - площадь поверхности термопреобразователя сопротивления, участвующая в тепмлообмене.A positive effect is achieved by the combination of all the signs, but the reason for achieving the goal - expanding the measurement range and increasing the accuracy of the measurement by compensating for the error caused by the change in the temperature of the medium transported through the pipeline - is that when determining the difference Δ P power P _θ1 and P _θ2 supplied to the resistance transducers R _θ1 and R _θ2 at their self heating measurement currents to a temperature θ ₁ and θ _2, respectively, is completely eliminated temperature-controlled environments θ _cp, over the entire range of measured values. Indeed, the self-heating capacities of resistance thermal converters are determined from the expressions
P _θ1 = α˙S (θ ₁ -θ _cp ), (1)
P _θ2 = α˙S (θ ₂ -θ _cp ), (2) where α is the heat transfer coefficient;
S is the surface area of the resistance thermoconverter involved in heat transfer.

Вычитая из выражения (1) выражение (2), находим
ΔP=P_θ1-P_θ2=α˙S(θ₁-θ₂) . (3)
В отличие от прототипа, у которого область применения ограничена пределами линеаризации второго моста, работающего в режиме стабилизации расхода, в предложенном техническом решении температурная компенсация осуществляется полностью во всем диапазоне рабочих значений расходов и температур контролируемой среды.Subtracting expression (2) from expression (1), we find
ΔP = P _θ1 -P _θ2 = α˙S (θ ₁ -θ ₂ ). (3)
Unlike the prototype, in which the scope is limited by the linearization of the second bridge operating in the mode of flow stabilization, in the proposed technical solution, temperature compensation is carried out completely in the entire range of operating values of flow rates and temperatures of the controlled environment.

Дополнительный эффект достигается за счет автоматического поддержания постоянства сопротивления термопреобразователя сопротивления и его температуры во всем диапазоне измеряемых расходов. В этом случае исключается влияние нестабильности термометрической зависимости
R_θ=R_o/(1+αΔθ) , (4)
на точность результатов измерения, так как во всем диапазоне измеряемых расходов используется только одна точка этой характеристики.An additional effect is achieved by automatically maintaining the constancy of the resistance of the resistance thermal converter and its temperature over the entire range of measured flows. In this case, the influence of instability of the thermometric dependence is excluded
R _θ = R _o / (1 + αΔθ), (4)
on the accuracy of the measurement results, since in the entire range of measured costs only one point of this characteristic is used.

На фиг.1 приведена схема массового расходомера для трубопровода с цифровым отсчетом; на фиг.2 - схема массового расходомера с аналоговым отсчетом. Figure 1 shows a diagram of a mass flow meter for a pipeline with digital readout; figure 2 is a diagram of a mass flow meter with analog reading.

Массовый расходомер для трубопровода содержит две мостовые измерительные схемы 1 и 2, в рабочие плечи 3 и 4 которых включены термопреобразователи R_θ1 и R_θ2 сопротивлений, а в плечи 5 и 6 сравнения - термонезависимые резисторы R₁ и R₂. Величины сопротивлений резисторов R₁ и R₂ найдены из номинальной статической характеристики и выбраны равными сопротивлению R_θ термопреобразователя сопротивления своего моста (соответственно R_θ1 и R_θ2) в установившемся режиме работы при температуре стабилизации (соответственно θ₁ и θ₂). В устройство входят цепи 7 обратной связи, содержащие усилители 8 разбаланса моста, подключенные к измерительной диагонали а-b.The mass flow meter for the pipeline contains two bridge measuring circuits 1 and 2, in the working arms 3 and 4 of which thermocouples R _θ1 and R _{θ2 of} resistance are included, and in the shoulders 5 and 6 of the comparison are thermally independent resistors R ₁ and R ₂ . The resistance values of the resistors R ₁ and R ₂ are found from the nominal static characteristic and are chosen equal to the resistance R _{θ of the} thermal converter of the resistance of its bridge (R _θ1 and R _θ2, respectively) in the steady-state mode of operation at a stabilization temperature (θ ₁ and θ _2, respectively). The device includes feedback circuits 7, containing bridge imbalance amplifiers 8 connected to the measuring diagonal a-b.

В примере реализации с цифровым отсчетом (см. фиг.1) цепь обратной связи содержит также последовательно включенные генератор 9 управляемой частоты, формирователь 10 импульсов тока и подключенный к диагонали питания с-d аттенюатор 11 импульсного сигнала. Мостовые измерительные схемы 1 и 2 совместно с цепью 7 обратной связи образуют системы 12 стабилизации температур θ₁ и θ₂ термопреобразователей сопротивления R_θ1и R_θ2, каждый из которых одновременно является и нагревателем, и датчиком температуры. Для гальванической развязки устройство оснащено диодами 13. Питание мостовых измерительных схем 1 и 2 может быть как автономным по каналам цепи 7 обратной связи, так и совмещенным, когда к диагоналям питания с-d подсоединен параллельно цепи 7 обратной связи и общий источник 14 установочного напряжения, подключенный посредством переменных резисторов 15 и ограничительных резисторов 16. Под установочным напряжением понимается напряжение, необходимое для приведения мостовых измерительных схем 1 и 2 в равновесное сопротивление при нулевых расходах контролируемой среды в трубопроводе.In an example implementation with a digital readout (see FIG. 1), the feedback circuit also contains a controlled frequency generator 9, a current pulse shaper 10 and a c-d pulse attenuator 11 connected to the power diagonal. The bridge measuring circuits 1 and 2 together with the feedback circuit 7 form a temperature stabilization system 12 θ ₁ and θ _{2 of the} resistance thermocouples R _θ1 and R _θ2 , each of which is simultaneously a heater and a temperature sensor. For galvanic isolation, the device is equipped with diodes 13. The power supply of the bridge measuring circuits 1 and 2 can be either autonomous via the channels of the feedback circuit 7, or combined when the feedback circuits 7 and a common installation voltage source 14 are connected to the c-d power diagonals, connected by means of variable resistors 15 and limiting resistors 16. The installation voltage refers to the voltage necessary to bring the bridge measuring circuits 1 and 2 into equilibrium resistance at zero flow x controlled environment in the pipeline.

Системы 12 стабилизации имеют измерительные выходы е и m, сигналы которых функционально связаны с приращениями мощностей самонагрева измерительными токами термопреобразователей R 1 м R 2 сопротивления, в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. К выодам е и m систем 12 стабилизации подключен измерительно-вычислительный блок 17, соединенный с показывающим прибором 18. Термонезависимвый резистор 19 подключен между выходом е и корпусом (точка d), а термонезависимый резистор 20 подключен между точками m и d (см. фиг.2). Падение напряжения на резисторе 19 между точками е и d пропорционально вызванному изменением расхода приращению мощности самонагрева термонагревателя R 1 в рабочем плече 3 мостовой измерительной схемы 1, а падение напряжения на резисторе 20 пропорционально вызванному тем же изменением расхода приращению мощности самонагрева термопреобразователя R 2 сопротивления в рабочем плече 4 мостовой измерительной схемы 2. The stabilization systems 12 have measuring outputs e and m, the signals of which are functionally connected with increments of the self-heating capacities by the measuring currents of the thermocouples R 1 m R 2 of resistance, in the working arms 3 and 4 of the bridge measuring circuits 1 and 2. To the outputs e and m of the stabilization systems 12 measuring and computing unit 17 connected to the indicating device 18. A non-volatile resistor 19 is connected between the output e and the housing (point d), and a thermally independent resistor 20 is connected between the points m and d (see figure 2). The voltage drop across the resistor 19 between points e and d is proportional to the increment of the self-heating power of the thermal heater R 1 in the working arm 3 of the bridge measuring circuit 1 caused by the flow rate change, and the voltage drop across the resistor 20 is proportional to the increment of the self-heating power of the thermal converter R 2 of the resistance caused by the same flow change shoulder 4 of the bridge measuring circuit 2.

Массовый расходомер для трубопровода работает следующим образом. Mass flow meter for the pipeline works as follows.

Система 12 стабилизации температур реализует изотермический режим работы, при котором стабилизируются температура термопреобразователя R 1 сопротивления рабочего плеча 3 мостовой схемы 1 и температура термопреобразователя R 2 сопротивления рабочего плеча 4 мостовой измерительной схемы 2. Стабилизация обеспечивается в широком диапаоне изменения внешних возмущающих факторов, в том числе при изменении расхода и температуры контролируепмой среды в трубопроводе, как это следует из выражений (1), (2) и (3). The temperature stabilization system 12 implements an isothermal mode of operation in which the temperature of the thermocouple R 1 of the resistance of the working arm 3 of the bridge circuit 1 and the temperature of the thermocouple R 2 of the resistance of the working arm 4 of the bridge measuring circuit 2 are stabilized. Stabilization is provided over a wide range of changes in external disturbing factors, including when the flow rate and temperature of the controlled medium in the pipeline change, as follows from expressions (1), (2) and (3).

Устройство может работать как с источником 14 установочного напряжения, так и без него, но с большими погрешностями измерений. При использовании совмещенного питания схем с параллельным подключением диагоналей питания c-D к цепи 7 обратной связи и к общему источнику 14 установочного напряжения через регулировочные резисторы 15 и ограничительные резисторы 16, перед началом эксплуатации предусматривается предварительная настройка. В процессе такой настройки мостовые измерительные схемы 1 и 2 приводятся в равновесие с помощью резистороов 15 при отколюченной цепи 7 обратной связи и при нулевом расоде контролируемого потока. The device can work both with the source 14 of the installation voltage, and without it, but with large measurement errors. When using combined power circuits with parallel connection of the c-D power diagonals to the feedback circuit 7 and to the common installation voltage source 14 through the adjustment resistors 15 and the limiting resistors 16, a preliminary setting is provided before operation. In the process of this setup, the bridge measuring circuits 1 and 2 are brought into equilibrium with the help of resistors 15 with the feedback circuit 7 disconnected and with a zero flow of the controlled flow.

В установившемся режиме напряжение на выходе усилителя 8 в цепи обратной связи 7 устанавливается равным 0. Устройство подготовлено к работе, цепь обратной связи замыкается и при изменении расхода дальнейшая балансировка мостовых схем 1 и 2 сопротивлений осуществляется электрическими сигналами в цепи 7 обратной связи. в примере реализации устройства с цифровым отсчетом (см.фиг.1) цепь 7 обратной связи содержит также генератор 9 управляемой частоты, формирователь 10 импульсов тока и подключенный к диагонали питания аттенюатор 11 импульсного сигнала. Термопреобразователи сопротивления R 1 и R 2 выбраны одинаковыми и установлены на одном участке трубопровода с одинаковыми температурными и гидродинамическими характеристиками контролируемой среды. При изменении расхода G контролируемой среды изменяются условия теплообмена между контролируемой средой и термопреобразователями R 1 и R 2 сопротивления в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. Возникающие в этом случае изменения сопротивлений рабочих плеч 3 и 4 приводят к нарушению баланса мостовых измерительных схем 1 и 2, которое компенсируется приращением и мощностей самонагрева за счет изменения сигналов цепи 7 обратной связи. В общем случае связь между приращением мощности самонагрева термопреобразователя R сопротивления и сигналами цепи 7 обратной связи характеризуется следующим выражением:
(4) где Е - уровень сигнала напряжения цепи обратной связи, амплитуда импульса в импульсном режиме работы;
Т - длительность питающего импульса;
Fо.с и 1/Tо.с - частота подачи питающих импульсов длительности Т цепи 7 обратной связи, с периодом То.с.In the steady state, the voltage at the output of the amplifier 8 in the feedback circuit 7 is set equal to 0. The device is ready for operation, the feedback circuit closes and, when the flow rate changes, further balancing of the bridge resistance circuits 1 and 2 is carried out by electrical signals in the feedback circuit 7. in an example implementation of a device with a digital readout (see Fig. 1), the feedback circuit 7 also contains a controlled frequency generator 9, a current pulse shaper 10, and an attenuator 11 of the pulse signal connected to the power diagonal. Resistance thermocouples R 1 and R 2 are chosen the same and installed on the same section of the pipeline with the same temperature and hydrodynamic characteristics of the controlled environment. When the flow rate G of the controlled medium changes, the heat transfer conditions between the controlled medium and the resistance thermocouples R 1 and R 2 in the working arms 3 and 4 of the bridge measuring circuits 1 and 2 change. The changes in the resistance of the working arms 3 and 4 that arise in this case lead to an imbalance in the bridge measuring schemes 1 and 2, which is compensated by the increment and self-heating capacities due to changes in the signals of the feedback circuit 7. In the General case, the relationship between the increment of the self-heating power of the thermal converter R of resistance and the signals of the feedback circuit 7 is characterized by the following expression:
(4) where E is the signal level of the voltage of the feedback circuit, the amplitude of the pulse in a pulsed mode of operation;
T is the duration of the supply pulse;
Fo.s and 1 / To.s - the frequency of supply of power pulses of duration T of the feedback circuit 7, with a period of T.s.

Из приведенного выражения (5) следует, что управление в цепи 7 обратной связи может быть осуществлено тремя техническими реализациями
Устанавливают постоянный уровень Е м F, при этом постоянство R достигается за счет изменения длительности Т питающего импульса, образуется система 12 стабилизации на базе времяимпульсного (широтно-импульсного) управления в соответствии с выражением
Р = k1 Т (6) где k1 = E2 Fo.c/R (постоянная величина)
Устанавливают постоянный уровень Е и Т, при этом постоянство R достигается за счет изменения частоты Fо.с питающих импувльсов цепи 7 обратной связи. ОБразуется частотно-импульсная система 12 стабилизации, рассмотренная в примре, представленном на фиг.1 В этом случае реализуется выражение
Р = k2 Fo.c, (7) где k2 = E2 T/R (постоянная величина)
Устанавливают длительность питающего импульса Т = То.с, тогда Т и Fо.с сокращаются и выражение (5) преобразуется из дискретной зависимости в непрерывную
Р = Е2/R (8)
Аналоговая система 12 стабилизации, основанная на использование зависимости (8) приведена на фиг.2. В рассматриваемом примере приращение Р мощности самонагрева термопреобразователя R сопротивления формируется в цепи 7 обратной связи путем изменения уровня сигнала напряжения Е согласно выражению (8). В общем случае массовый расходомер состоит из двух одинаковых систем 12 стабилизации, содержащих мостовые измерительные схемы 1 и 2, в рабочие плечи 3 и 4 которпых включены одинаковые термопреобразователи R 1 и R 2 сопротивления. Задание температур стабилизации 1 и 2 осуществляется путем ввода определенных значений сопротивлений плеч 5 и 6 сравнения, выбранных в соответствии с номинальной статической характеристикой термопреобразователя сопротивдления.From the above expression (5) it follows that the control in the feedback circuit 7 can be carried out by three technical implementations
A constant level E m F is established, while the constancy of R is achieved by changing the duration T of the supply pulse, a stabilization system 12 is formed on the basis of time-pulse (pulse-width) control in accordance with the expression
P = k1 T (6) where k1 = E2 Fo.c / R (constant value)
A constant level of E and T is established, while the constancy of R is achieved by changing the frequency Fo.s of the supply impulses of the feedback circuit 7. Formed frequency-pulse stabilization system 12, considered in the example shown in figure 1. In this case, the expression
P = k2 Fo.c, (7) where k2 = E2 T / R (constant value)
Set the duration of the supply pulse T = To.s., then T and Fo.s are reduced and expression (5) is converted from a discrete dependence to a continuous
P = E2 / R (8)
An analog stabilization system 12 based on the use of dependency (8) is shown in FIG. In the considered example, the increment P of the self-heating power of the thermal converter R of resistance is formed in the feedback circuit 7 by changing the level of the voltage signal E according to expression (8). In the General case, the mass flow meter consists of two identical stabilization systems 12, containing bridge measuring circuits 1 and 2, in the working arms 3 and 4 of which the same thermal converters R 1 and R 2 are included. The stabilization temperatures 1 and 2 are set by entering certain values of the resistance of the shoulders 5 and 6 of the comparison, selected in accordance with the nominal static characteristic of the resistance thermoconverter.

Температура стабилизпации, например 1, мостовой измерительной схемы 1 одной системы 12 стабилизации выбрана равной максимально возможной температуре среды контролируемого потока в трубопроводе, а температура стабилизации, например 2, мостовой измерительной схемы 2 другой системы 12 стабилизации превышает температуру 1 на величину разности, пропорциональную диапазону измеряемых расходов, определяемому при градуировке прибора. The stabilization temperature, for example 1, of the bridge measuring circuit 1 of one stabilization system 12 is selected equal to the maximum possible temperature of the medium of the controlled flow in the pipeline, and the stabilization temperature, for example 2, of the bridge measuring circuit 2 of the other stabilization system 12 exceeds the temperature 1 by a difference proportional to the range of measured costs determined by the calibration of the device.

Разность Р мощностей самонагрева термопреобразователей R 1 и R 2 находится при автономном питания мостовых измерительных схем 1 и 2 согласно (3) из выражения
Р = P 1 - P 2 = S( ) (9)
и, аналогично, при совмещенном питания из выражения
Р = Р 1 - Р 2 = S( ) (10)
Исходя из того, что коэффициент теплообмена функционально связан с расходом, а коэффициенты S, 1 и 2 являются постоянными величинами, расход G контролируемой среды и разность мощностей самонагрева согласно (4) связаны между собой следующим выражением:
(11) где n - показатель, зависящий от режима потока (для калориметрических расходомеров n = 1, для расходомеров пограничного слоя при ламинарном потоке n = 0,33 и при турбулентном потоке n = 0,8);
Ко - коэффициент, включающзий поправки от факторов, которые можно учесть только в процессе градуировки, к таким факторам относятся расположение термопреобразователей сопротивления относительно потока, распределение уровня температур вдоль и вокруг термопреобразователя сопротивления, зависимость к-та тепмлообмена от его размеров и т.д.;
= 1- 2 - разность температур стабилизации термопреобразователя сопротивления R 1 и R 2, мостовых схем 1 и 2 сопротивлений.The difference P of the self-heating capacities of the thermocouples R 1 and R 2 is found when the bridge measuring circuits 1 and 2 are independently powered according to (3) from the expression
P = P 1 - P 2 = S () (9)
and, similarly, with combined nutrition from the expression
P = P 1 - P 2 = S () (10)
Based on the fact that the heat transfer coefficient is functionally related to the flow rate, and the coefficients S, 1 and 2 are constant values, the flow rate G of the controlled medium and the difference in self-heating capacities according to (4) are related by the following expression:
(11) where n is an indicator depending on the flow regime (for calorimetric flowmeters n = 1, for flowmeters of the boundary layer with laminar flow n = 0.33 and with turbulent flow n = 0.8);
Ko is a coefficient that includes corrections from factors that can be taken into account only during the calibration process; these factors include the location of resistance thermoconverters relative to the flow, the distribution of the temperature level along and around the resistance thermoconverter, the dependence of the heat transfer coefficient on its size, etc .;
= 1- 2 is the temperature difference between the stabilization of the resistance thermoconverter R 1 and R 2, bridge circuits 1 and 2 of the resistances.

В примере технической реализации устройства с цифровым отсчетом (см. фиг. 1) изменение расхода приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленный сигнал разбаланса через усилитель 8 подается на вход генератора 9 управляемой частоты Р , подключенного к формирователю 10 импульсов тока, связанного с диагональю питания с-d мостовой измерительной схемы 1 (20 через аттенюатор 11. Когда в результате изменения частоты Fо.с изменение мощности самонагрева Р ( Р ) изменит сопротивление термопреобразователя R 1(R 2) до значения, соответствующего установленному в плечах сравнения 5(6), мостовая измерительная схема 1(2) приходит в состояние равновесия. Новому значению расхода будет соответствовать новое значение частоты Fо. с в цепи 7 рбратной связи системы 12 стабилизации. Несмотря на то, что оба термопреобразователя R 1 и R 2 выбраны одинаковыми, установлены на одном участке трубопровода, в одинаковых условиях и омываются одним и тем же потоком. Частоты Fо.с1 и Fо.с2 на выходах генераторов 9 управляемой частоты и пропорциональные им приращения мощности Р 1 и Р 2 в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2 отличаются между собой, что вызвано различием сопротивлений резисторов в плечах 5 и 6 сравнения мостовых измерительных схем 1 и 2. В плечах сравнения одного моста сопротивлений устанавливается сопротивление, по номинальной статической характеристике соответствующее максимально возможной температуре потока в трубопроводе контролируемой среды, а в плечах сравнения другого моста сопротивлений устанавливается сопротивление по температуре, превышающей температуру рабочего плеча первого моста на разность температур, пропорциональную диапазону измеряемых расходов. Эта разность температур устанавливается эмперически при градуировке расходомера. In an example of a technical implementation of a device with a digital readout (see Fig. 1), a change in flow rate leads to an imbalance of the bridge measuring circuits 1 and 2. An amplified unbalance signal is fed through an amplifier 8 to the input of a controlled frequency generator 9 connected to a current pulse shaper 10 connected with a diagonal of supply c-d of the bridge measuring circuit 1 (20 through the attenuator 11. When, as a result of changing the frequency Fo.s, a change in the self-heating power P (P) will change the resistance of the thermal converter R 1 (R 2) to the value corresponding to installed in the shoulders of comparison 5 (6), the bridge measuring circuit 1 (2) comes into equilibrium. The new value of the flow will correspond to the new value of the frequency Fo.s in the feedback circuit 7 of the stabilization system 12. Despite the fact that both thermocouple R 1 and R 2 are chosen the same, installed on the same section of the pipeline, under the same conditions and washed by the same flow .. Frequencies Fo.s1 and Fo.s2 at the outputs of the controlled frequency generators 9 and power increments P 1 and P 2 proportional to them in the working arms 3 and 4 bridges and measuring circuits 1 and 2 differ from each other, which is caused by the difference in the resistances of the resistors in the arms 5 and 6 of the comparison of the bridge measuring circuits 1 and 2. In the arms of the comparison of one bridge of resistors, a resistance is set that corresponds to the maximum possible flow temperature in the pipeline of the controlled medium by nominal static characteristic and in the shoulders of the comparison of another bridge of resistance, a resistance is established at a temperature higher than the temperature of the working arm of the first bridge by the temperature difference proportional to the range of measured costs. This temperature difference is established empirically when calibrating the flow meter.

Частоты с выходом е и m обоих генераторов 9 управляемой частоты подаются на вход измерительно-вычислительного блока 17, где согласно выражению (7) они преобразуются в расход, который отображается показывающим прибором 18. Frequencies with the output e and m of both controlled frequency generators 9 are fed to the input of the measuring and computing unit 17, where according to expression (7) they are converted into a flow rate, which is displayed by indicating device 18.

В схеме с цифровым отсчетом (см. фиг.1) предпочтителен биполярный формирователь 10 импульсов тока. Биполярные импульсы не содержат постоянной составляющей, что целесообразно для исключения влияния на коэффициент преобразования мостовой измерительной схемы постоянной составляющей тока самонагрева, питающейся от источника 14 установочного напряжения. Аттенюаторы 11 необходимы для согласования чувствительностей мостовых измерительных схем 1 и 2 и для учета разброса параметров термопреобразователей сопротивления R одного типа относительно номинальной статической характеристики. In a digital readout circuit (see FIG. 1), a bipolar shaper 10 of current pulses is preferred. Bipolar pulses do not contain a constant component, which is advisable to exclude the influence of the DC component of the self-heating current from the source 14 of the installation voltage on the conversion coefficient of the bridge measurement circuit. Attenuators 11 are necessary to coordinate the sensitivities of the bridge measuring circuits 1 and 2 and to take into account the variation in the parameters of resistance thermocouples R of the same type relative to the nominal static characteristic.

В примере технической реализации устройства с аналоговым отсчетом (см. фиг. 2) цепь обратной связи содержит усилитель 8 разбаланса мостовой измерительной схемы, выходы которого подключены к измерительной диагонали а-b, а выходы - к диагонали питания с-d мостовых измерительных схем 1 и 2. Изменение контролируемого расхода G приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленные сигналы разбаланса с выхода усилителя 8 ртазбаланса подаются на диагонали питания с-d постовых измерительных схем 1 и 2. В результате изменяются приращения Р 1 и Р 2 мощности самонагрева термопреобразователей R 1 и R 2 сопротивления, в установившемся режиме восстанавливаются температуры 1, 2 и сопротивления R 1, R 2 термопреобразователей сопротивления, а по новому значению приращения Р 1 и Р 2 судят о новом значении измеряемого расхода, величина которого определяется в измерительно-вычислительном блоке 17 по падениям напряжений на резисторах 19 и 20, по которым протекает измерительный ток. Величины сопротивлений резисторов 19 и 20 пропорциональны сопротивлениям R 1 и R 2 рабочих плеч своих мостовых измерительных схем
(12)
(13)
Учитывая, что ток в диагонали питания мостовой измерительной схемы в установившемся состоянии симметричного моста равен удвоенному значению тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, можно записать
I19 = 2i (14)
I19 = 2I 1
I20 = 2I 2 (15)
Тогда согласно (12) - (15) падения напряжения на резисторах 19 и 20 оказывается равным приращениям мощности самонагрева на термопреобразователях сопротивления
Е19 = I19 R19 = AI P 1 (16)
E20 = I20 R20 = AI P 2 (17)
В измерительно-вычислительном блоке 17 реализуется выражение
Е = (Е19 - Е20) (Е19 + Е20)/В А2( 1 - 2) (18)
Учитывая что , можно записать согласно (3)
Е = где = Ко, т.е. выходной сигнал измерительно-вычислительного блока, отображаемый показывающим прибором 18, прямо пропорционален измеряемому расходу G. По сравнению с прототипом массовый расходомер длоя трубопровода обладает следующими преимуществами.In the example of a technical implementation of the device with an analog reading (see Fig. 2), the feedback circuit contains an unbalance amplifier 8 of the bridge measuring circuit, the outputs of which are connected to the measuring diagonal a-b, and the outputs to the power diagonal c-d of the bridge measuring circuits 1 and 2. A change in the controlled flow rate G leads to an imbalance of the bridge measuring circuits 1 and 2. The amplified unbalance signals from the output of the amplifier 8 of the imbalance are fed to the diagonal of the supply c-d of the fast measuring circuits 1 and 2. As a result, the increments P 1 and P 2 self-heating power of thermal converters R 1 and R 2 resistance, in the steady state, temperatures 1, 2 and resistance R 1, R 2 of resistance thermal converters are restored, and a new value of the measured flow rate is determined by the new increment value P 1 and P 2, the value of which is determined in the measuring and computing unit 17 for voltage drops across the resistors 19 and 20, through which the measuring current flows. The resistance values of the resistors 19 and 20 are proportional to the resistances R 1 and R 2 of the working shoulders of their bridge measuring circuits
(12)
(thirteen)
Considering that the current in the diagonal of the power supply of the bridge measuring circuit in the steady state of the symmetric bridge is equal to twice the value of the current flowing through the resistance thermal converter, we can write
I19 = 2i (14)
I19 = 2I 1
I20 = 2I 2 (15)
Then, according to (12) - (15), the voltage drop across the resistors 19 and 20 turns out to be equal to the increments of the self-heating power on the resistance thermal converters
E19 = I19 R19 = AI P 1 (16)
E20 = I20 R20 = AI P 2 (17)
In the measuring and computing unit 17, the expression
E = (E19 - E20) (E19 + E20) / B A2 (1 - 2) (18)
Given that, we can write according to (3)
E = where = Ko, i.e. the output signal of the measuring and computing unit displayed by the indicating device 18 is directly proportional to the measured flow G. Compared with the prototype, the mass flow meter for the pipeline length has the following advantages.

Исключается погрешность, вызванная изменением температуры контролируемой среды . Действительно, как видно из формул (1), (2) и (3), при определении Р величина сокращается. The error caused by a change in the temperature of the controlled medium is excluded. Indeed, as can be seen from formulas (1), (2) and (3), when determining P, the value is reduced.

Существенно расширяется диапазон измерения в результате того, что обе мостовые измерительные схемы снабжены системами стабилизации температуры термопреобразователей сопротивления. Расширение диапазона измерения достигается путем изменения разности , а также путем изменения уровня сигнала в цепи обратной связи за счет к-та усидлия усилителя при аналоговой реализации или за счет регулировки аттенюатора в случае реализации прибора на цифровых элементах. The measurement range is significantly expanded as a result of the fact that both bridge measuring circuits are equipped with temperature stabilization systems for resistance thermal converters. The extension of the measurement range is achieved by changing the difference, as well as by changing the signal level in the feedback circuit due to the amplifier usd at the analog implementation or by adjusting the attenuator in the case of the implementation of the device on digital elements.

Существенно пвышена чувствительность за счет совмещенного питания мостовой измерительной схемы, при котором разогрев термопреобразователя сопротивления при нулевых расходах осуществляется за счет источника установочного напряжения, а токи цепи обратной связи используются толко для дополнительного разогрева, вызванного изменением расхода. The sensitivity is significantly increased due to the combined power supply of the bridge measuring circuit, in which the resistance thermoconverter is heated at zero flow rates due to the installation voltage source, and the feedback circuit currents are used only for additional heating caused by a change in flow rate.

Обеспечивается возможность измерения расходов с высокой точностью при использовании высокочувствительных термопреобразователей сопротивления с низкими метрологическими свойствами (например, при использовании полупроводниковых терморезисторов). Это достигается за счет схемного решения, обеспечивающего работу устройства в изотермическом режиме, при котором мостовая измерительная схема работает в одной точке номинальной статической характеристики термопреобразователя сопротивления. It provides the ability to measure costs with high accuracy when using highly sensitive resistance thermocouples with low metrological properties (for example, when using semiconductor thermistors). This is achieved due to the circuit design that ensures the operation of the device in isothermal mode, in which the bridge measuring circuit operates at one point of the nominal static characteristic of the resistance thermal converter.

По сравнению с прототипом в данной конструкции обеспечивается быстродействие за счет охвата обоих термопреобразователей сопротивления отрицательной обратной связью по мощности. В этом случае уменьшение эквивалентной постоянной времени мостовой измерительной схемы по отношению к постоянной времени термопреобразователя сопротивления пропорционально коэффициенту отрицательной обратной связи своей мостовой измерительной схемы. Кроме того, за счет устройства повышается точность измерения ≈ в 1,3 раза. Compared with the prototype, this design provides performance due to the coverage of both thermal converters of resistance with negative power feedback. In this case, the decrease in the equivalent time constant of the bridge measurement circuit with respect to the time constant of the resistance thermocouple is proportional to the negative feedback coefficient of its bridge measurement circuit. In addition, due to the device increases the accuracy of the measurement ≈ 1.3 times.

Системы 12 стабилизации имеют измерительные выходы е и m, сигналы которых функционально связаны с приращениями мощностей самонагрева измерительными токами термопреобразователей R_θ1 и R_θ2 сопротивления, в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. К выходам е и m систем 12 стабилизации подключен измерительно-вычислительный блок 17, соединенный с показывающим прибором 18. Термонезависимвый резистор 19 подключен между выходом е и корпусом (точка d), а термонезависимый резистор 20 подключен между точками m и d (см. фиг.2). Падение напряжения на резисторе 19 между точками е и d пропорционально вызванному изменением расхода приращению δP_θ1 мощности самонагрева термонагревателя R_θ1 в рабочем плече 3 мостовой измерительной схемы 1, а падение напряжения на резисторе 20 пропорционально вызванному тем же изменением расхода приращению δP_θ2 мощности самонагрева термопреобразователя R_θ2 сопротивления в рабочем плече 4 мостовой измерительной схемы 2.The stabilization systems 12 have measuring outputs e and m, the signals of which are functionally connected with increments of the self-heating capacities by the measuring currents of the thermocouples R _θ1 and R _{θ2 of} resistance, in the working arms 3 and 4 of the bridge measuring circuits 1 and 2. Connected to the outputs e and m of the stabilization systems 12 measuring and computing unit 17 connected to the indicating device 18. A non-volatile resistor 19 is connected between the output e and the housing (point d), and a thermally independent resistor 20 is connected between the points m and d (see figure 2). The voltage drop across the resistor 19 between points e and d is proportional to the increment δP _θ1 of the self-heating power of the thermal heater R _θ1 caused by the flow rate change in the working arm 3 of the bridge measuring circuit 1, and the voltage drop across the resistor 20 is proportional to the increment δP _θ2 caused by the same flow rate increment of the self-heating power of the thermal converter R _{θ2 of} resistance in the working arm 4 of the bridge measuring circuit 2.

Система 12 стабилизации температур реализует изотермический режим работы, при котором стабилизируются температура θ₁ термопреобразователя R_θ1 сопротивления рабочего плеча 3 мостовой схемы 1 и температура θ₂термопреобразователя R_θ2 сопротивления рабочего плеча 4 мостовой измерительной схемы 2. Стабилизация обеспечивается в широком диапаоне изменения внешних возмущающих факторов, в том числе при изменении расхода и температуры контролируемой среды в трубопроводе, как это следует из выражений (1), (2) и (3).The temperature stabilization system 12 implements an isothermal mode of operation in which the temperature θ _{1 of the} thermal converter R _{θ1 of the} resistance of the working arm 3 of the bridge circuit 1 and the temperature θ _{2 of the} thermal converter R _{θ2 of the} resistance of the working arm 4 of the bridge measuring circuit 2 are stabilized. Stabilization is ensured in a wide range of changes in external disturbing factors , including when the flow rate and temperature of the controlled medium in the pipeline change, as follows from expressions (1), (2) and (3).

Устройство может работать как с источником 14 установочного напряжения, так и без него, но с большими погрешностями измерений. При использовании совмещенного питания схем с параллельным подключением диагоналей питания c-d к цепи 7 обратной связи и к общему источнику 14 установочного напряжения через регулировочные резисторы 15 и ограничительные резисторы 16, перед началом эксплуатации предусматривается предварительная настройка. В процессе такой настройки мостовые измерительные схемы 1 и 2 приводятся в равновесие с помощью резистороов 15 при отколюченной цепи 7 обратной связи и при нулевом расxоде контролируемого потока. The device can work both with the source 14 of the installation voltage, and without it, but with large measurement errors. When using the combined power of circuits with parallel connection of the c-d power diagonals to the feedback circuit 7 and to the common installation voltage source 14 through the adjustment resistors 15 and the limiting resistors 16, a preliminary adjustment is provided before operation. In the process of this setup, the bridge measurement circuits 1 and 2 are brought into equilibrium with the help of resistors 15 when the feedback circuit 7 is disconnected and at a controlled flow rate of zero.

В установившемся режиме напряжение на выходе усилителя 8 в цепи обратной связи 7 устанавливается равным 0. Устройство подготовлено к работе, цепь обратной связи замыкается и при изменении расхода дальнейшая балансировка мостовых схем 1 и 2 сопротивлений осуществляется электрическими сигналами в цепи 7 обратной связи. В примере реализации устройства с цифровым отсчетом (см.фиг.1) цепь 7 обратной связи содержит также генератор 9 управляемой частоты, формирователь 10 импульсов тока и подключенный к диагонали питания аттенюатор 11 импульсного сигнала. Термопреобразователи сопротивления R_θ1 и R_θ2 выбраны одинаковыми и установлены на одном участке трубопровода с одинаковыми температурными и гидродинамическими характеристиками контролируемой среды. При изменении расхода G контролируемой среды изменяются условия теплообмена между контролируемой средой и термопреобразователями R_θ1 и R_θ2 сопротивления в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2. Возникающие в этом случае изменения сопротивлений рабочих плеч 3 и 4 приводят к нарушению баланса мостовых измерительных схем 1 и 2, которое компенсируется приращением δP_θ1 и δP_θ2 мощностей самонагрева за счет изменения сигналов цепи 7 обратной связи. В общем случае связь между приращением δP_θ мощности самонагрева термопреобразователя R_θсопротивления и сигналами цепи 7 обратной связи характеризуется следующим выражением:
δR_θ =

· F_oc , (5) где Е - уровень сигнала напряжения цепи обратной связи, амплитуда импульса в импульсном режиме работы;
Т - длительность питающего импульса;
F_о.с и 1/T_о.с - частота подачи питающих импульсов длительности Т цепи 7 обратной связи, с периодом Т_о.с.In the steady state, the voltage at the output of the amplifier 8 in the feedback circuit 7 is set equal to 0. The device is ready for operation, the feedback circuit closes and, when the flow rate changes, further balancing of the

bridge resistance circuits

1 and 2 is carried out by electrical signals in the feedback circuit 7. In an example implementation of a device with a digital readout (see Fig. 1), the feedback circuit 7 also contains a controlled frequency generator 9, a current pulse shaper 10, and an attenuator 11 of the pulse signal connected to the power diagonal. Resistance _{thermocouples} R _θ1 and R _θ2 are chosen the same and installed on the same section of the pipeline with the same temperature and hydrodynamic characteristics of the controlled environment. When the flow rate G of the controlled medium changes, the heat transfer conditions between the controlled medium and the resistance thermocouples R _θ1 and R _θ2 in the working

arms

3 and 4 of the

bridge measuring circuits

1 and 2 change. The changes in the resistance of the working

arms

3 and 4 that arise in this case lead to an imbalance in the

bridge measuring schemes

1 and 2, which is compensated by an increment of δP _θ1 and δP _{θ2 of} self-heating capacities due to changes in the signals of the feedback circuit 7. In the General case, the relationship between the increment δP _θ of the self-heating power of the thermocouple R _θ resistance and the signals of the feedback circuit 7 is characterized by the following expression:
δR _θ =

· F _oc , (5) where Е is the signal level of the voltage of the feedback circuit, the amplitude of the pulse in the pulse mode of operation;
T is the duration of the supply pulse;
F _OS and 1 / T _OS - the frequency of the supply of power pulses of duration T feedback circuit 7, with a period of T _OS .

Из приведенного выражения (5) следует, что управление в цепи 7 обратной связи может быть осуществлено тремя техническими реализациями. From the above expression (5) it follows that the control in the feedback circuit 7 can be carried out by three technical implementations.

Устанавливают постоянный уровень Е и F, при этом постоянство R_θдостигается за счет изменения длительности Т питающего импульса, образуется система 12 стабилизации на базе времяимпульсного (широтно-импульсного) управления в соответствии с выражением
δP_θ = k₁ ˙ Т , (6) где k₁ = E²˙F_o.c/R_θ (постоянная величина).A constant level E and F is set, while the constancy of R _{θ is} achieved by changing the duration T of the supply pulse, a stabilization system 12 is formed on the basis of time-pulse (pulse-width) control in accordance with the expression
δP _θ = k ₁ ˙ Т, (6) where k ₁ = E ² ˙ F _oc / R _θ (constant value).

Устанавливают постоянный уровень Е и Т, при этом постоянство R_θдостигается за счет изменения частоты F_о.с питающих импульсов цепи 7 обратной связи. Образуется частотно-импульсная система 12 стабилизации, рассмотренная в примре, представленном на фиг.1 В этом случае реализуется выражение
δP_θ = k₂ ˙ F_o.c , (7) где k₂ = E²˙T/R_θ (постоянная величина).A constant level of E and T is established, while the constancy of R _{θ is} achieved by changing the frequency F _{o.s. of the} supply pulses of the feedback circuit 7. Formed frequency-pulse stabilization system 12, considered in the example shown in figure 1. In this case, the expression
δP _θ = k ₂ ˙ F _oc , (7) where k ₂ = E ² ˙ T / R _θ (constant value).

Устанавливают длительность питающего импульса Т = Т_о.с, тогда Т и F_о.с сокращаются и выражение (5) преобразуется из дискретной зависимости в непрерывную
δP_θ= E²/R_θ. (8)
Аналоговая система 12 стабилизации, основанная на использовании зависимости (8) , приведена на фиг.2. В рассматриваемом примере приращение δP_θ мощности самонагрева термопреобразователя R_θсопротивления формируется в цепи 7 обратной связи путем изменения уровня сигнала напряжения Е согласно выражению (8). В общем случае массовый расходомер состоит из двух одинаковых систем 12 стабилизации, содержащих мостовые измерительные схемы 1 и 2, в рабочие плечи 3 и 4 которых включены одинаковые термопреобразователи R_θ1 и R_θ2 сопротивления. Задание температур стабилизации θ₁ и θ₂ осуществляется путем ввода определенных значений сопротивлений плеч 5 и 6 сравнения, выбранных в соответствии с номинальной статической характеристикой термопреобразователя сопротивления.Set the duration of the supply pulse T = T _о.s. , then T and F _о.s. are reduced and expression (5) is converted from a discrete dependence to a continuous
δP _θ = E ² / R _θ . (8)
An analog stabilization system 12 based on the use of dependence (8) is shown in FIG. In this example, the increment δP _θ of the self-heating power of the thermal converter R _{θ of} resistance is formed in the feedback circuit 7 by changing the level of the voltage signal E according to expression (8). In the General case, the mass flow meter consists of two identical stabilization systems 12, containing bridge measuring circuits 1 and 2, in the working arms 3 and 4 of which the same thermal converters R _θ1 and R _{θ2 of} resistance are included. The stabilization temperatures θ ₁ and θ ₂ are set by entering certain resistance values of the shoulders 5 and 6 of the comparison, selected in accordance with the nominal static characteristic of the resistance thermal converter.

Температура стабилизации, например θ₁, мостовой измерительной схемы 1 одной системы 12 стабилизации выбрана равной максимально возможной температуре среды контролируемого потока в трубопроводе, а температура стабилизации, например θ₂, мостовой измерительной схемы 2 другой системы 12 стабилизации превышает температуру θ₁ на величину разности, пропорциональную диапазону измеряемых расходов, определяемому при градуировке прибора.The stabilization temperature, for example, θ ₁ , of the bridge measuring circuit 1 of one stabilization system 12 is chosen equal to the maximum possible temperature of the medium of the controlled flow in the pipeline, and the stabilization temperature, for example θ ₂ , of the bridge measuring circuit 2 of the other stabilization system 12 exceeds the temperature θ ₁ by the difference proportional to the range of measured flow rates, determined during calibration of the device.

Разность Δ Р мощностей самонагрева термопреобразователей R_θ1 и R_θ2находится при автономном питания мостовых измерительных схем 1 и 2 согласно (3) из выражения
ΔP=P_θ1-P_θ2=α˙S(θ₁-θ₂) , (9)
и, аналогично, при совмещенном питании из выражения
ΔP=δP_θ1-δP_θ2=α˙S(θ₁-θ₂). (10)
Исходя из того, что коэффициент α теплообмена функционально связан с расходом, а коэффициенты S, θ₁ и θ₂ являются постоянными величинами, расход G контролируемой среды и разность мощностей самонагрева согласно (4) связаны между собой следующим выражением:
Gⁿ=

, (11) где n - показатель, зависящий от режима потока (для калориметрических расходомеров n = 1, для расходомеров пограничного слоя при ламинарном потоке n = 0,33 и при турбулентном потоке n = 0,8);
k_о - коэффициент, включающий поправки от факторов, которые можно учесть только в процессе градуировки, к таким факторам относятся расположение термопреобразователей сопротивления относительно потока, распределение уровня температур вдоль и вокруг термопреобразователя сопротивления, зависимость к-та теплообмена от его размеров и т.д.;
Δθ=θ₁ - θ₂ - разность температур стабилизации термопреобразователя сопротивления R_θ1 и R_θ2, мостовых схем 1 и 2 сопротивлений.The difference Δ P of the self-heating capacities of the thermal converters R _θ1 and R _θ2 is found when the

bridge measuring circuits

1 and 2 are independently powered according to (3) from the expression
ΔP = P _θ1 -P _θ2 = α˙S (θ ₁ -θ ₂ ), (9)
and, similarly, with combined nutrition from the expression
ΔP = δP _θ1- δP _θ2 = α˙S (θ ₁ -θ ₂ ). (10)
Based on the fact that the heat transfer coefficient α is functionally related to the flow rate, and the coefficients S, θ ₁ and θ ₂ are constant, the flow rate G of the controlled medium and the difference in self-heating power according to (4) are related by the following expression:
G ⁿ =

, (11) where n is an index depending on the flow regime (for calorimetric flowmeters n = 1, for flowmeters of the boundary layer with laminar flow n = 0.33 and with turbulent flow n = 0.8);
k _о - coefficient including corrections from factors that can be taken into account only during the calibration process; these factors include the location of resistance thermal converters relative to the flow, the distribution of the temperature level along and around the resistance thermal converter, the dependence of the heat transfer coefficient on its dimensions, etc. ;
Δθ = θ ₁ - θ ₂ is the temperature difference between the stabilization of the resistance thermocouple R _θ1 and R _θ2 ,

bridge circuits

1 and 2 of the resistances.

В примере технической реализации устройства с цифровым отсчетом (см. фиг. 1) изменение расхода приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленный сигнал разбаланса через усилитель 8 подается на вход генератора 9 управляемой частоты δP_θ, подключенного к формирователю 10 импульсов тока, связанного с диагональю питания с-d мостовой измерительной схемы 1 (2) через аттенюатор 11. Когда в результате изменения частоты F_о.с изменение мощности самонагрева δP_θ1(δP_θ2) изменит сопротивление термопреобразователя R_θ1 (R_θ2) до значения, соответствующего установленному в плечах сравнения 5(6), мостовая измерительная схема 1(2) приходит в состояние равновесия. Новому значению расхода будет соответствовать новое значение частоты F_о.с в цепи 7 обратной связи системы 12 стабилизации. Несмотря на то, что оба термопреобразователя R_θ1 и R_θ2 выбраны одинаковыми, установлены на одном участке трубопровода, в одинаковых условиях и омываются одним и тем же потоком. Частоты F_о.с1 и F_о.с2 на выходах генераторов 9 управляемой частоты и пропорциональные им приращения мощности δP_θ1 и δP_θ2 в рабочих плечах 3 и 4 мостовых измерительных схем 1 и 2 отличаются между собой, что вызвано различием сопротивлений резисторов в плечах 5 и 6 сравнения мостовых измерительных схем 1 и 2. В плечах сравнения одного моста сопротивлений устанавливается сопротивление, по номинальной статической характеристике соответствующее максимально возможной температуре потока в трубопроводе контролируемой среды, а в плечах сравнения другого моста сопротивлений устанавливается сопротивление по температуре, превышающей температуру рабочего плеча первого моста на разность температур, пропорциональную диапазону измеряемых расходов. Эта разность температур устанавливается эмпирически при градуировке расходомера.In an example of a technical implementation of a device with a digital readout (see Fig. 1), a change in flow rate leads to an imbalance of the bridge measuring circuits 1 and 2. An amplified unbalance signal is fed through an amplifier 8 to the input of a generator 9 of a controlled frequency δP _θ connected to a current pulse shaper 10, associated with the diagonal to the power-d bridge measurement circuit 1 (2) via an attenuator 11. As a result of the frequency variation F _o.s self-heating power change δP _θ1 (δP _θ2) change resistance thermocouple R _θ1 (R _θ2) to a value acc stvuyuschego installed in the shoulders 5 of comparison (6), a measuring bridge circuit 1 (2) comes to equilibrium. The new value of the flow will correspond to the new value of the frequency F _OS in the feedback circuit 7 of the stabilization system 12. Despite the fact that both thermocouples R _θ1 and R _θ2 are chosen the same, installed on the same section of the pipeline, in the same conditions and washed by the same stream. The frequencies F _ос1 and F _ос2 at the outputs of the controlled frequency generators 9 and the power increments δP _θ1 and δP _θ2 proportional to them in the working arms 3 and 4 of the bridge measuring circuits 1 and 2 differ from each other, which is caused by the difference in the resistances of the resistors in the arms 5 and 6 comparisons of bridge measuring circuits 1 and 2. In the comparison arms of one resistance bridge, a resistance is set that corresponds to the maximum possible flow temperature in the pipeline of the controlled medium by the nominal static characteristic, and in the comparison arms of the first resistance bridge, a resistance is established at a temperature exceeding the temperature of the working arm of the first bridge by a temperature difference proportional to the range of measured flows. This temperature difference is established empirically when calibrating the flow meter.

В схеме с цифровым отсчетом (см. фиг.1) предпочтителен биполярный формирователь 10 импульсов тока. Биполярные импульсы не содержат постоянной составляющей, что целесообразно для исключения влияния на коэффициент преобразования мостовой измерительной схемы постоянной составляющей тока самонагрева, питающейся от источника 14 установочного напряжения. Аттенюаторы 11 необходимы для согласования чувствительностей мостовых измерительных схем 1 и 2 и для учета разброса параметров термопреобразователей сопротивления R_θ одного типа относительно номинальной статической характеристики.In a digital readout circuit (see FIG. 1), a bipolar shaper 10 of current pulses is preferred. Bipolar pulses do not contain a constant component, which is advisable to exclude the influence of the DC component of the self-heating current from the source 14 of the installation voltage on the conversion coefficient of the bridge measurement circuit. Attenuators 11 are necessary to coordinate the sensitivities of the bridge measuring circuits 1 and 2 and to take into account the variation in the parameters of resistance thermocouples R _{θ of the} same type relative to the nominal static characteristic.

В примере технической реализации устройства с аналоговым отсчетом (см. фиг. 2) цепь обратной связи содержит усилитель 8 разбаланса мостовой измерительной схемы, выходы которого подключены к измерительной диагонали а-b, а выходы - к диагонали питания с-d мостовых измерительных схем 1 и 2. Изменение контролируемого расхода G приводит к разбалансу мостовых измерительных схем 1 и 2. Усиленные сигналы разбаланса с выхода усилителя 8 разбаланса подаются на диагонали питания с-d мостовых измерительных схем 1 и 2. В результате изменяются приращения δP_θ1 и δP_θ2 мощности самонагрева термопреобразователей R_θ1 и R_θ2сопротивления, в установившемся режиме восстанавливаются температуры θ₁, θ₂ и сопротивления R_θ1 и R_θ2 термопреобразователей сопротивления, а по новому значению приращения δP_θ1 и δP_θ2 судят о новом значении измеряемого расхода, величина которого определяется в измерительно-вычислительном блоке 17 по падениям напряжений на резисторах 19 и 20, по которым протекает измерительный ток. Величины сопротивлений резисторов 19 и 20 пропорциональны сопротивлениям R_θ1 и R_θ2 рабочих плеч своих мостовых измерительных схем
R₁₉=

, (12)

, (13)
Учитывая, что ток в диагонали питания мостовой измерительной схемы в установившемся состоянии симметричного моста равен удвоенному значению тока, протекающего через термопреобразователь сопротивления, можно записать

=2i_θ (14)

=2

(15)
Тогда согласно (12) - (15) падениe напряжения на резисторах 19 и 20 оказывается равным приращениям мощности самонагрева на термопреобразователях сопротивления
E₁₉=

R₁₉=

(16)
E₂₀=

R₂₀=

(17)
В измерительно-вычислительном блоке 17 реализуется выражение
Е = (Е₁₉ - Е₂₀) (Е₁₉ + Е₂₀)/В А₂(θ₁ - θ₂), (18)
Учитывая что Δθ = θ₁ - θ₂, можно записать согласно (3)
E=

=

, где

= K_o , т.е. выходной сигнал измерительно-вычислительного блока, отображаемый показывающим прибором 18, прямо пропорционален измеряемому расходу G. По сравнению с прототипом массовый расходомер для трубопровода обладает следующими преимуществами.In the example of a technical implementation of the device with an analog reading (see Fig. 2), the feedback circuit contains an unbalance amplifier 8 of the bridge measuring circuit, the outputs of which are connected to the measuring diagonal a-b, and the outputs to the power diagonal c-d of the

bridge measuring circuits

1 and 2. Changing the controlled flow rate G unbalances the

bridge measuring circuits

1 and 2. The amplified signals from the amplifier output unbalance unbalance 8 are fed with power on the diagonal-d

bridge measuring circuits

1 and 2. As a result, change increment δP _θ1 δP _θ2 power self-heating thermal R _θ1 and R _θ2 resistance at steady state are reduced temperature θ _1, θ ₂ and resistance R _θ1 and R _θ2 resistance thermocouples, and the new value of the increment δP _θ1 and δP _θ2 judged on the new value of the measured flow rate value which is determined in the measuring and computing unit 17 by the voltage drop across the

resistors

19 and 20, through which the measuring current flows. The resistances of the

resistors

19 and 20 are proportional to the resistances R _θ1 and R _{θ2 of the} working arms of their bridge measurement circuits
R ₁₉ =

, (12)

, (thirteen)
Considering that the current in the diagonal of the power supply of the bridge measuring circuit in the steady state of the symmetric bridge is equal to twice the value of the current flowing through the resistance thermal converter, we can write

= 2i _θ (14)

= 2

(fifteen)
Then, according to (12) - (15), the voltage drop across the

resistors

19 and 20 turns out to be equal to the increments of the self-heating power on the resistance thermal converters
E ₁₉ =

R ₁₉ =

(sixteen)
E ₂₀ =

R ₂₀ =

(17)
In the measuring and computing unit 17, the expression
E = (E ₁₉ - E ₂₀ ) (E ₁₉ + E ₂₀ ) / B A ₂ (θ ₁ - θ ₂ ), (18)
Given that Δθ = θ ₁ - θ ₂ , we can write according to (3)
E =

=

where

= K _o , i.e. the output signal of the measuring and computing unit displayed by the indicating device 18 is directly proportional to the measured flow G. Compared to the prototype, the mass flow meter for the pipeline has the following advantages.

Исключается погрешность, вызванная изменением температуры контролируемой среды θ_cp. Действительно, как видно из формул (1), (2) и (3), при определении Δ Р величина θ_cp сокращается.The error caused by the change in the temperature of the controlled medium θ _{cp is} excluded. Indeed, as can be seen from formulas (1), (2) and (3), when determining Δ P, the value of θ _{cp is} reduced.

Существенно расширяется диапазон измерения в результате того, что обе мостовые измерительные схемы снабжены системами стабилизации температуры термопреобразователей сопротивления. Расширение диапазона измерения достигается путем изменения разности θ₁ - θ₂, а также путем изменения уровня сигнала в цепи обратной связи за счет к-та усиления усилителя при аналоговой реализации или за счет регулировки аттенюатора в случае реализации прибора на цифровых элементах.The measurement range is significantly expanded as a result of the fact that both bridge measuring circuits are equipped with temperature stabilization systems for resistance thermal converters. The extension of the measurement range is achieved by changing the difference θ ₁ - θ ₂ , as well as by changing the signal level in the feedback circuit due to the amplification of the amplifier in the analog implementation or by adjusting the attenuator in the case of implementation of the device on digital elements.

Существенно повышена чувствительность за счет совмещенного питания мостовой измерительной схемы, при котором разогрев термопреобразователя сопротивления при нулевых расходах осуществляется за счет источника установочного напряжения, а токи цепи обратной связи используются толко для дополнительного разогрева, вызванного изменением расхода. The sensitivity is significantly increased due to the combined power supply of the bridge measuring circuit, in which the resistance thermocouple is heated at zero flow rates due to the installation voltage source, and the feedback circuit currents are used only for additional heating caused by a change in flow rate.

Claims

1. A MASS FLOW METER containing a voltage source, first and second measuring bridge circuits, thermally independent resistors are included in the comparison arms, and resistance thermocouples installed in the measured medium flow in the measuring section of the pipeline are in the working arms, while the first measuring bridge circuit is connected with a measuring diagonal to the input of the first temperature stabilization circuit of the resistance temperature converter, and the power diagonal to its first output, characterized in that, in order to increase In order to ensure the accuracy of the measurement, it introduced the second temperature stabilization circuit of the resistance thermocouple of the second measuring bridge circuit connected to the measurement diagonal of the second measuring bridge circuit and connected to the power diagonal of the second measuring bridge circuit by the first output, as well as a measuring and computing unit connected in series and showing the device, and both temperature stabilization circuits of the resistance temperature converter contain second outputs connected to the corresponding the corresponding inputs of the measuring and computing unit, and the resistance values of thermally independent resistors in the comparison arms of the measuring bridge circuits are chosen equal to the resistance values of the corresponding resistance thermal converters at given stabilization temperatures.

2. The flow meter according to claim 1, characterized in that the temperature stabilization circuit is made in the form of a series-connected amplifier, a pulse generator, a pulse shaper and an attenuator connected by an output to the second output of the temperature stabilization circuit, connected by an input and a first output, with an amplifier input and an output pulse generator, respectively.

3. The flow meter according to claim 1, characterized in that the temperature stabilization circuit is made in the form of a series-connected amplifier and a thermally independent resistor connected respectively to the first and second outputs to the first and second outputs of the temperature stabilization circuit connected to its inputs with the corresponding inputs of the amplifier.