Устройство для измерения расхода газа

Устройство для измерения расхода газа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: техника измерения расхода газа в системах кондиционирования воздуха. Сущность изобретения: преобразователи давления 2, перепада давления 3 и температуры 5 соединены со схемой 16 преобразования и электрической цепью со светодиодом 14. Умножающие цифроаналоговые преобразователи 23 и 24 соединены последовательно между собой и лараллельно с выходом двоичного реверсивного счетчика 22. а выход умножающего цифроаналогового преобразователя соединен г входом компаратора 17. Диоды 11 включены в цепи контроля исправности. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 F 1/00 й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21} 4885858/10 (22) 26.11.90 (46) 07.07.92. Бюл. N. 25 (71) Винницкий политехнический институт (72) Ю.В.Дементьев и С.В.Юхимчук (53) 681,121.8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 838352, кл. G 01 F 1/00, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА . (57) Использование: техника измерения расхода газа в системах кондиционирования

„„. Ж„„1746222 А1 воздуха. Сущность изобретения: преобразователи давления 2, перепада давления 3 и температуры 5 соединены со схемой 16 преобразования и электрической цепью со светодиодом 14. Умножающие цифроаналоговые преобразователи 23 и 24 соединены последовательно между собой и лараллель но с выходом двоичного реверсивного счетчика 22. а выход умножающего цифроаналогового преобразователя соединен с входом компаратора 17. Диоды 11 включены в цепи контроля исправности. 1 ил. 3 ф

Ю !

ЬЭ М ,>

1746222

ЛР. Р где U,„, — выходное напряжение, пропорци- 50 ональное расходу газа;

ЛР— перепад давления на сужающем устройстве;

P — давление газа:

Т вЂ” температура газа; 55

К вЂ” коэффициент масштаба и размерности.

Напряжение с датчиков давления и перепада давления поступает на входы соответствующих развязывающих усилителей, Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерительным устройствам, используемым для измерения расхода газа в системах кондиционирования воздуха. 5.

Известен расходомер газа, измеряющий. расход газа по перепаду давления на сужающем устройстве с автоматическим учетом его давления и температуры. содер- . жащий сужающее устройство, установлен- 10 ное в трубопроводе, датчики давления и перепада давления, два развязывающих усилителя сигналов с датчика давления и перепада давления, термореэистивный датчик температуры, включенный в обратную 15 связь развязывающего усилителя датчика. перепада давления, Т-образный диодно-резисторный аппроксиматор для извлечения квадратного корня из произведения сигналов и масштабный усилитель, 20

Однако данное устройство имеет низкую точность, поскольку функция извлечения квадратного корня заменяется отрезками прямых линий с помощью T-образного диодно-реэисторного аппроксиматора, в то 25 же время недостаточной является точность самого аппроксиматора, поскольку напряжение отпирания входящих в него диодов имеет разброс и поэтому неодинаково, Кроме этого, в данном расходомере отсутству- 30 ют цепй контроля исправногти датчиков параметров газа. . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является расходомер газа, содержащий сужающее устройство, 35 установленное в трубопроводе; датчик давления, датчик перепада давления, два развязывающих усилителя, терморезисторный датчик температуры, включенный в обратную связь развязывающего усилителя дат- 40 чика перепада давления. масштабный. усилитель, Т-образный диодно-резисторный аппроксиматор, два диода и ограничитель на транзисторном каскаде;

Устройство решает уравнение вида причем в отрицательную обратную связь раэвяэывающего усилителя датчика перепада давления включен датчик температуры, сопротивление которого пропорционально температуре газа, С выхода развязывающих усилителей сигналы поступают на вход T-образного диодно-резисторного аппроксиматора, сигнал на выходе которого пропорционален корню квадратному из произведения входных напряжений, т,е, требуемая функция (1) заменяется набором отрезков прямых линий. После масштабного усилителя и ограничителя сигнал, пропорциональный расходу газа, поступает на выход устройства. При обрыве датчика давления, перепада давления или температуры на выходе расходомера устанавливается напря>кение, сигналиэирующее об аварийной сит.уации, Для данного устройства характерна недостаточная точность, поскольку для получения произведения сигналов и извлечения из него квадратного корня снова Т-образный диодно-резисторный аппроксиматор, а цепи контроля исправности датчика температуры сужают рабочий диапазон расходомера.

Целью изобретения является повышение точности. расширение диапазона измерений и улучшение условий эксплуатации.

Укаэанная цель достигается тем, что в

>стройство для измерения расхода газа, содержащее преобразователь давления, соединенный с анодом первого диода и первым входом схемы преобразования. преобразователь перепада давления, соединенный с анодом второго диода и вторым входом схемы преобразования, датчик температуры, выход схемы преобразователя и источник питания, введен вторичный преобразователь температуры. содержащий реэисторный мост, первая диагональ которого соединена с входом инвертирующего дифференциального усилителя с выходом, схема преобразования содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный с цифровым входом первого умножающего цифроаналогового преобразователя, выход которого c,oåäèíåí с первым входом компаратора напряжений, выход которого соединен с первым входом первой логической схемы ИЛИ и через инвертор с первым входом второй логической схемы ИЛИ, вторые входы первой и второй логических схем

ИЛИ соединены с генератором тактовых импульсов. а выходы логических схем ИЛИ соединены соответственно с входами прямого и обратного счета двоичного реверсивного счетчика, к выходу которого параллельно подключены цифровые входы второго и

1746222

10

55 третьего умножающих цифроаналоговых преобразователей (ЦАП}, у которых аналоговый выход второго умножающего ЦАП соединен с аналоговым входом третьего умножающего ЦАП, аналоговый выход которого соединен с вторым входом.компаратора напряжений, при атом аналоговый вход первого умножающего ЦАП является первым входом схемы преобразования, а вход

LIAll является вторым входом схемы преобразования, датчик температуры включен в плечо резисторного моста, вторая диагональ которого подключена к источнику питания, к выходу дифференциального усилителя параллельно подключены аналоговый вход второго умножающего ЦАП и. анод третьего диода, катоды первого, второго и третьего диодов соединены с анодом четвертого диода. выполненного в виде светодиода, катод которого через ограничивающий резистор соединен с источником питания, а выход двоичного реверсивного счетчика является выходом схемы преобразования.

Введением дополнительных блоков достигается более высокая точность измерения расхода газа, поскольку операция извлечения квадратного корня заменена возведением функции в квадрат с помощью двух умножающих ЦАП. на цифровые входы которых поступает цифровой код с двоичного реверсивного счетчика, э аналоговый выход одного умножающего ЦАП служит аналоговым входом для другого умножающего ЦАП, что привело к отказу от блока

Т-образного диодно-резисторного аппроксиматора для получения произведения двух сигналов и извлечения из этого произведения корня квадратного.

Цепь контроля датчика температуры не сужает рабочий диапазон устройства для измерения расхода газа, поскольку терморезисторный датчик температуры имеет индивидуальный канал усиления, а не включен в обратную связь развязывающего усилителя датчика перепада давления, что дает возможность получить на выходе инвертирующего дифференциального усилителя . сигнал, прямо пропорциональный измеряемой температуре газа. этот сигнал, используемый в устройстве для измерения расхода газа, можно также, при необходимости, использовать для контроля и управления температурой газа в трубопроводе, что имеет место в системах кондиционирования воздуха.

Улучшение условий зксплуатации достигается за счет введения сьетовой сигнализации о разрывах в цепях преобразователей давления, перепада давления и

50 температуры. Выходным сигналом устройства, пропорциональным расходу газа, является цифровой код, который получен непосредственно из устройства без предварительного преобразования.

На чертеже изображена структурная схема устройства, Схема содержит сужающее устройство

1, установленное в трубопроводе, преобразователь 2 давления, преобразователь 3 перепада давления, датчик. 4 температуры, вторичный преобразователь 5 температуры, выполненный в виде резисторного измерительного моста, состоящий из резисторов

6-9, инвертирующий дифференциальный усилитель 10, диоды 11,.диод 14, выполненный в виде светодиода, резистор 15, схему

16 преобразования, содержащую АЦП 12, соединенный с цифровым входом первого умножающего ЦАП 13, аналоговый вход которого является первым входом схемы преобразования, компаратор 17 напряжения, инвертор 18, двухвходовые логические схемы ИЛИ 19 и 20, генератор 21 тактовых импульсов, двоичный реверсивный счетчик

22, второй 23 и третий 24 умножающие ЦАП. причем выход преобразователя 2 давления связан с анодом первого диода 11 и первым входом схемы 16 преобразования, выход преобразователя 3 давления связан с анодом второго диода 11 и вторым входом схемы 16 преобразования, терморезисторный датчик 4 температуры соединен последовательно с резистором 6 и включен в одно из плеч вторичного преобразователя 5 температуры, другие плечи которого составляют резисторы 7-9, выход вторичного преобразователя 5 температуры соединен с входом инвертирующего дифференциального уси-, лителя 10, выход которого соединен с анодом третьего диода 11 и аналоговым входом второго умножающего ЦАП 23, катоды диода 11 соединены с анодом диода 14, выполненного в виде светодиода, катод которого через резистор подсоединен к источнику питания, выход схемы 16 преобразования связан с первым входом компаратора 17 напряжений, второй вход которого соединен с выходом третьего умножающего ЦАП

24, выход компаратора 17 напряжений связан с первым входом логической схемы ИЛИ

19 и входом инвертора 18, выход которого соединен с первым входом второй логической схемы ИЛИ 20, второй вход которой соединен с выходом генератора 21 тактовых импульсов и вторым входом первой логической схемы ИЛИ 19,, выход которой соединен с входом прямого счета двоичного реверсивного счетчика 22, вход обратного счета которого подсоединен к выходу вто1746222

= -К2 Кдр ЛР, (5) Rt = Ro (1 + Qt) (13) рой логической схемы ИЛИ 20, цифровой выход двоичного реверсивного счетчика 22 связан с цифровыми входами второго 23 и третьего 24 умножающих ЦАП, аналоговый вход последнего соединен с выходом второго умножающего ЦАП 23.

Устройство для измерения расхода газа обеспечивает решение уравнения (1) следующим Ьбразом.

Напряжение Ор на выходе датчика давI ления, входящего в преобразователь 2 давления, равно

Ор =Кр P+Осм, (2) где Kp — коэффициент преобразования датчика давления;

UcM напряжение холостого хода датчика давления.

Тогда, учитывая (2), напряжение на выходе преобразователя 2 давления

О,т = К1(Кр Р > Осм - Осм) =- -К1 Кр Р. (3) где К1 — коэффициент усиления.развязыва:ющего усилителя датчика давления, входящего в преобразователь 2 давления.

Напряжение на выходе датчика перепада давления, входящего в преобразователь

3 перепада давления

Одр =- K p ЛР+ Осм, (4) где К др — коэффициент преобразования датчика перепада давления;

UcM — напряжение холостого хода датчика перепада давления.

Учитывая (4), напряжение на выходе преобразователя 3 перепада давления

Одр = К2(К др ЛР UrM Осм) = где К2 — коэффициент усиления развязывающего усилителя датчика давления, входящего в преобразователь 3 перепада давления, Поскольку напряжение О р поступает на второй вход схемы 16 преобразования и этот вход схемы преобразования является входом АЦП,. работающего в следящем режиме, то значение цифрового кода N на выходе АЦП соответствует напряжению Uc,p, т,е.

N =-Кз О„,, (6) где Кз — постоянный коэффициент. Подставив (5) в (6). получают

М = К2кзК,р Л Р, (7) Напряжение U> на выходе схемы 16 преобразования, а также и на первом входе

5 компаратора 17 напряжения равно

U1=2" N Up, (8) где и — разрядность АЦП.

10 Разрядность АЦП и первого умножающего ЦАП, входящих в схему 16 преобразования, а также второго 23 и третьего 24 умножающих ЦАП и двоичного реверсивного счетчика 22 должна быть одинакова.

15 Подставив (4), (7) в (8), получают

О1= 2 К1К2КзКрКюр p hp. (9) При равенстве сопротивлений 6-9 вто20 ричного преобразователя 5 температуры, дифференциальный сигнал на его выходе

От = Оп.1 (Нт/(4R + 2Вт)3. (10) 25 где Ол,1 — напряжение, подаваемое на одну из диагоналей моста вторичного преобразователя 5 температуры;

RT — сопротивление терморезисторного датчика 4 температуры;

30 R — сопротивление резисторов 6-9.

При 4R» 2RT можно записать

От = Un,1 Ry/4й. (11) 35 Тогда напряжение От на выходе инвер-, тирующего. дифференциального усилителя

10 равно

От = -К4 Un.1 йт/4R, (12) 40 где К4 — коэффициент усиления инвертирующего дифференциального усилителя 10, Если в качестве датчика температуры газа использовать термометр сопротивле45 ния типа ТСМ, то его сопротивление йт при температуре t С равно

50 где Ro — сопротивление датчика температуры при 0 С; а- температурный коэффициент сопротивления, Если построить по градуировочным таб55 лицам зависимость Вт =- f(T), то сопротивление датчика температуры типа ТСМ с погрешностью менее десятой доли процента в широком диапазоне изменения температуры газа можно описать соотношением

1746222 (14) Вт = K5 Т, 30 (21) (18) где К5 — постоянный коэффициент;

Т вЂ” температура газа, К.

Учитывая (14), соотношение (12) можно переписать в виде

0т = К4К5 0п.1 Т/4R. (15) Напряжение U2 на выходе второго умножающего ЦАП 23 формируется аналогично напряжению U1 на выходе схемы 16 преобразования по соотношению (8) и равно

02 = 2 От живых. (16) где живых — значение двоичного кода на выходе двоичного реверсивного счетчика 22.

Поскольку этот же цифровой код с выхода двоичного реверсивного счетчика 22 поступает на цифровой вход третьего умножающего ЦАП 24, то учитывая (16), напряжение U3 на его выходе, а значит, и на втором входе компаратора 17 напряжения равно

03 = 2 вых U2 -- 2 " Мвпix 2 х От . Квых = 2 йпых От. (17) -2n 2

Подставив (15) э (17), получают

U3= 2 Квых К1 K5х

-2n 2

< U 1 Т/4R.

Если 0» 03 то на выходе компаратора

17 напряжения имеется логический "0", который поступает на первый вход первой логической схемы ИЛИ 19 и через ин вертор 18 уровнем логической "1" поступает на первый вход второй логической схемы ИЛИ 20.

В результате при непрерывной работе генератора 21 тактовых импульсов на входе обратного счета двоичного реверсивного счетчика 22 имеется постоянная логическая

"1.", а на вход прямого счета двоичного реверсивного счетчика 22 поступают тактовые импульсы, Следовательно. значение двоичного кода на выходе двоичного реверсивного счетчика 22 возрастает до тех пор, пока напряжение U3 нэ выходе третьего умножающего ЦАП 24 не станет равным напряжение U1 на выходе схемы 16 преобразования, Если U1 < U3, TQ на выходе компаратора

17 напряжения имеется логическая "1", которая поступает на первый вход первой логической схемы ИЛИ 19 и инвертор 18, Тогда на входе прямого счета Двоичного реверсивного счетчика 22 имеется постоянная логическая "1", а на первом входе второй логической схемы ИЛИ 20 — логический "0", 5 В результате импульсы с генератора 21 тактовых импульсов проходят на вход обратного счета двоичного реверсивного счетчика

22, уменьшая значение двоичного кода живых на его выходе, в результате чего напряже10 ние,U3 уменьшается до тех пор, пока не сравняется с напряжением U1.

Следовательно, устройство автоматически поддерживает равенство напряжений

U1 и U3 на входе компаратора 17 напряже15 ний, т.е. с учетом (9) и (18) можно записать

U1 = U3 или

-2" K1K2K3ÊðKóð Р . ЛР =20» 2 йвых К1К5 Оп.1 Т/4R, (19)

Решив уравнение (19) относительно

N», получают

К1 К2 КЗ Кр Кдр

25 Мпых =— — М . 2 — и.

Уравнение (20) можно переписать в виде йР Р х= K, Т

35 т

К1 К2 К3 К1, К, Р 4 R где К =К1 К5 Ол,1 . 2 и представляет собой постоянный коэффи.40 циент масштаба и размерности.

Таким образом, значение двоичного кода Йвых на выходе двоичного реверсивного счетчика 22 характеризует расход газа в трубопроводе и является выходным сигналом

45 устройства в целом, При обрыве датчика давления, входящего в преобразователь 2 давления, или датчи-. ка перепада давления,. входящего в преобразователь 3 перепада давления, напряжение на выходе преобразователя 2 давления и на выходе преобразователя 3 перепада давления становится равным произведению напряжения U<> на коэффициент усиления развязывающих усилителей, входящих в преобразователи 2 и 3, но противоположного знака, поэтому соответствующий диод 11 открывается и загорается диод 14. выполненный в виде светодиода, 1746222

12 температуры, содержащий резисторный мост, первая диагональ которого соединена с входами инвертирующего дифференциального усилителя с выходом, схема преоб5

10 разования содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный с цифровым входом первого умножающего цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом компаратора напряжений, выход которого соединен с первым входом первой логической схемы

ИЛИ и через инвертор с первым входом второй логической схемы ИЛИ, вторые входы первой и второй логических схем ИЛИ

15 соединены с генератором тактовых импуль-. сов, а выходы логических схем ИЛИ соединены соответственно с входами прямого и обратного счета двоичного реверсивного счетчика, к выходу которого параллельно подключены цифровые входы второго и третьего умножающих цифроаналоговых

20 преобразователей, у которых аналоговый выход второго умножающего цифроаналогового преобразователя соединен с аналоговым входом третьего умножающего цифроаналогового преобразователя, анало25 говый выход которого соединен с вторым входом компаратора напряжений, при этом

Составитель Ю,Дементьев

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор Э,Лончакова

Редактор И.Шматова

Заказ 2388 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 что сигнализирует об обрыве датчика давления или перепада давления.

При обрыве датчика 4 температуры потенциал узла, соединяющий резисторы б и . 7. нулевой потенциал, а потенциал узла, соединяющий резисторы 8 и 9. равен Un 1/2 (поскольку сопротивление резисторов 8 и 9 одинаково).

Раэностный сигнал с вторичного преобразователя 5 температуры равный О,,)/2, усиливается инвертирующим дифференциальным усилителем 10 и на его выходе при. сутствует высокий положительный потенциал. В результате-этого третий диод

11 открывается, загорается диод 14, выполненный в виде светодиода. что сигнализирует об обрыве датчика 4 температуры.

Технико-экономическая эффективность ,предлагаемого устройства для измерения расхода газа заключается в том. что его внедрение позволит уменьшить по сравнению с прототипом погрешность измерения расхода газа. Это даст экономию расхода газа, поскольку каждый кубический метр газа содержит его на самом деле больше на значение погрешности устройства измерения его расхода. В предлагаемом устройстве информация о расходе представлена в цифровом коде, поэтому ее можно непосредственно использовать совместно с цифровыми индикаторами либо, при необходимости, вводить в систему сбора информации беэ предварительного преобразования.

Формула изобретения

Устройство для измерения расхода газа, содержащее преобразователь давления, соединенный с анодом первого диода и первым входом схемы преобразования, преобразователь перепада давления, соединенный с анодом второго диода и вторым входом схемы преобразования, датчик температуры, третий вход схемы преобразования, выход схемы преобразования и источник питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности. расширения диапазона измерений и улучшения условий . эксплуатации, в него введены ограничивающий резистор, вторичный преобразователь

50 вход аналого-цифрового преобразователя является вторым входом схемы преобразования, а аналоговый вход первого умножающего цифроаналогового преобразователя является первым входом схемы преобразования, датчик температуры включен в плечо реэисторного моста, вторая диагональ которого подключена к источнику питания, к выходу дифференциального усилителя параллельно подключены аналоговый вход второго умножающего цифроаналогового преобразователя и анод третьего диода, катоды первого. второго и третьего диодов соединены с анодом четвертого диода. выполненного в виде светодиода. катод которого через ограничивающий резистор соединен с источником питания, выходдвоичного реверсивного счетчика является выходом схемы преобразования. а аналоговый вход второго умножающего цифроаналогового преобразователя является третьим входом схемы преобразования.