CS269059B1

CS269059B1 - Electronic flowmeter

Info

Publication number: CS269059B1
Application number: CS875481A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Ing Zeman
Original assignee: Zeman Vladimir
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1990-04-11
Also published as: CS548187A1

Abstract

Je tvořen trubicí ee Škrticí clonou, s piezorezistivním snímačem tlaku, na Jehož membránu působí rozdíl tlaků před škrticí clonou a za ní. Na membráně Je uspořádán Vheatstonúv můstek vytvořený ze čtyř na membránu difuzně nanesených piexorezistorů a z proměnného rezistoru. Výstup Vheatstonova můstku Je připojen k hlavnímu zesilovači. Podstatou řešení Je, že v tělese piezoelektrického snímače je umístěno teplotní čidlo, spojené s prvním vstupem zesilovače kompenzačního napětí, který je spojen svým druhým vstupem s výstupem zdroje teplotně nezávislého napětí a svým výstupem s druhou vstupní svorkou hlavního zesilovače, k Jehož prvním vstupním svorkám Jsou připojeny výstupní svorky Vheatstonova můstku. Řešení lze využít zejména pro měření ma- « lých průtoků.It consists of a tube ee Throttle diaphragm, with a piezoresistive pressure sensor, whose membrane is affected by the pressure difference in front of and behind the throttle diaphragm. A Vheatstone bridge is arranged on the membrane, made of four piezoresistors diffusely applied to the membrane and a variable resistor. The output of the Vheatstone bridge is connected to the main amplifier. The essence of the solution is that a temperature sensor is placed in the body of the piezoelectric sensor, connected to the first input of the compensation voltage amplifier, which is connected by its second input to the output of the temperature-independent voltage source and by its output to the second input terminal of the main amplifier, to whose first input terminals the output terminals of the Vheatstone bridge are connected. The solution can be used especially for measuring small flow rates.

Description

Vynález se týká elektronického průtokoměru, tvořeného trubicí, jejíž vstupní a výstupní část jsou od sebe odděleny škrticí clonou, a piezorezistivnim snímačem tlaku, sestávajícím z tělesa, jehož vnitřní prostor je membránou rozdělen na první a druhou komoru, kde první komora je prvním kanálkem propojena ee vstupní částí trubice, zatímco druhá komora je druhým kanálkem propojena s výstupní částí trubice, přičemž membrána je opatřena Wheatstonovým můstkem ze čtyř na membráně difuzně nanesených piezorezistorů a jednoho vnějšího proměnného rezistoru, kde vstupní svorky Vheatstonova můstku jsou připojeny ke zdroji konstantního proudu.The invention relates to an electronic flow meter consisting of a tube, the inlet and outlet parts of which are separated from each other by a throttle diaphragm, and a piezoresistive pressure sensor consisting of a body, the inner space of which is divided by a membrane into a first and a second chamber, where the first chamber is connected to the inlet part of the tube by a first channel, while the second chamber is connected to the outlet part of the tube by a second channel, the membrane being provided with a Wheatstone bridge of four piezoresistors diffusely deposited on the membrane and one external variable resistor, where the input terminals of the Wheatstone bridge are connected to a constant current source.

Některé fyzikální analytické přístroje, jako například spektrometry nukleární magnetické rezonace, potřebují při své činnosti měřit průtok plynu, přičemž hodnota průtoku ee u nich pohybuje v jednotkách litrů za minutu. Většina výrobců těchto zařízení řeší měření malého průtoku použitím plováčkového průtokoměru. Potřebný průtok se nastavuje podle průtokoměru ručně. Nevýhodou ručního nastavování průtoku lze přitom vyřešit použitím elektronického průtokoměru, k'terý pomocí piezorezistivního snímače tlaku převádí velikost průtoku plynu na elektrickou veličinu. Toto řešení umožňuje zavést automatickou regulaci průtoku.Some physical analytical instruments, such as nuclear magnetic resonance spectrometers, need to measure gas flow during their operation, and the flow rate ee is in units of liters per minute. Most manufacturers of these devices solve the measurement of small flows by using a float flowmeter. The required flow rate is set manually according to the flowmeter. The disadvantage of manual flow rate adjustment can be solved by using an electronic flowmeter, which converts the gas flow rate into an electrical quantity using a piezoresistive pressure sensor. This solution allows for the introduction of automatic flow rate control.

Velkou nevýhodou piezorezistivních snímačů je však jejich teplotní závislost, které se projeví změnou nulové úrovně výstupního napětí snímače. Při měření malých průtoků v běžném rozmezí teploty v laboratoři je změnou teploty způsobená napěíová změna mnohem větší, než je užitečné napětí odpovídající měřenému průtoku.However, a major disadvantage of piezoresistive sensors is their temperature dependence, which is reflected in a change in the zero level of the sensor output voltage. When measuring small flow rates in the normal temperature range in the laboratory, the voltage change caused by the temperature change is much larger than the useful voltage corresponding to the measured flow rate.

Je znám způsob teplotní kompenzace snímačů pomocí paralelních’ a sériových přídavných odporů k některé větvi tenzometrického můstku snímače. Avěak vzhledem k velkému rozptylu snímačů a k poměrně pracnému hledání optimální hodnoty kompenzačních odporů pro každý snímač individuálně je tento způsob zejména pro opakovanou výrobu průtokoměrů nepoužitelný.There is a known method of temperature compensation of sensors using parallel and series additional resistors to some branch of the strain gauge bridge of the sensor. However, due to the large dispersion of sensors and the relatively laborious search for the optimal value of compensation resistors for each sensor individually, this method is especially unusable for repeated production of flow meters.

Uvedené nevýhody dosavadního stavu do značné míry odstraňuje elektronický průtokoměr, tvořený trubicí, jejíž vstupní a výstupní část jsou od sebe odděleny škrticí clonou, a piezorezistivnim snímačem tlaku, sestávajícím z tělesa, jehož vnitřní prostor je membránou rozdělen na první a druhou komoru, kde první komora je prvním kanálkem propojena se vstupní částí trubice, zatímco druhá komora je druhým kanálkem propojena s výstupní částí trubice, přičemž membrána je opatřena Vheatstonovým můstkem ze čtyř na membráně difuzně nanesených piezorezietorů a jednoho vnějšího proměnného rezistoru, kde vstupní svorky Vheastonova můstku jsou připojeny ke zdroji konstantního proudu, podle vynálezu, jehož podstatou je, že v tělese piezoelektrického snímače je umístěno teplotní čidlo, spojené s prvním vstupem zesilovače kompenzačního napětí, který je spojen svým druhým•vs't-upems výstupem zdroje teplotně nezávislého napětí a svým výstupem s druhou vstupní svorkou hlavního zesilovače, k jehož prvním vstupním svorkám jsou připojeny výstupní svorky Vheatstonova můstku.The above disadvantages of the prior art are largely eliminated by an electronic flow meter consisting of a tube, the inlet and outlet parts of which are separated from each other by a throttle diaphragm, and a piezoresistive pressure sensor, consisting of a body, the inner space of which is divided by a membrane into a first and a second chamber, where the first chamber is connected to the inlet part of the tube by a first channel, while the second chamber is connected to the outlet part of the tube by a second channel, while the membrane is provided with a Vheatstone bridge of four piezoresistors diffusely deposited on the membrane and one external variable resistor, where the input terminals of the Vheatstone bridge are connected to a constant current source, according to the invention, the essence of which is that a temperature sensor is placed in the body of the piezoelectric sensor, connected to the first input of the compensation voltage amplifier, which is connected by its second output to the temperature-independent voltage source and by its output to the second input terminal of the main amplifier, to whose first input terminals are connected to the output terminals of the Wheatstone bridge.

Výhody elektronického průtokoměru podle vynálezu spočívají zejména v tom, že je při malých měřených průtocích nezávislý na změnách okolní teploty, přičemž je výrobně jednoduchý a v praxi jednoduše nastavitelný.The advantages of the electronic flow meter according to the invention lie mainly in the fact that it is independent of changes in ambient temperature at small measured flow rates, while being simple to manufacture and easily adjustable in practice.

Vynález bude dále podrobněji popsán podle připojeného výkresu, na kterém je schematicky znázorněno příkladné provedení elektronického průtokoměru podle vynálezu.The invention will be further described in more detail with reference to the attached drawing, which schematically shows an exemplary embodiment of an electronic flow meter according to the invention.

CS 269 059 BlCS 269 059 Bl

Na obrázku je znázorněna trubice £, jejíž vstupní a výstupní část jsou od eebe odděleny Škrticí clonou 2. K trubici £ je připojen piezorezistivní snímač £ tlaku, tvořený tělesem £, jehož vnitřní prostor je membránou £ rozdělen na první komoru 6, propojenou prvním kanálkem £ se vstupní částí trubice £, a druhou komoru 8, propojenou druhým kanálkem £ s výstupní částí trubice £. Na membráně 5. jsou difuzně naneSeny čtyři piezorezistory 10, které jsou spolu s vnějěím proměnným rezistorem ££ zapojeny do Wheatstonova můstku 12. Vstupní svorky Wheatstonova můstku 12 jsou připojeny k výstupním svorkám zdroje 13 konstantního proudu, zatímco výstupní svorky Wheatstonova můstku 12 jdou připojeny k prvním vstupním svorkám hlavního zesilovače 14. V tělese £ piezorezistivního snímače £ tlaku je uspořádáno teplotní čidlo 15. spojeně svým výstupem s prvním vstupem zesilovače 16 kompenzačního napětí, který je spojen svým druhým vstupem s výstupem zdroje 17 teplotně nezávislého napětí a svým výstupem s druhou vstupní svorkou hlavního zesilovače 14.The figure shows a tube £, the inlet and outlet parts of which are separated from the eebe by a throttle 2. A piezoresistive pressure sensor £ is connected to the tube £, formed by a body £, the internal space of which is divided by a membrane £ into a first chamber 6, connected by a first channel £ to the inlet part of the tube £, and a second chamber 8, connected by a second channel £ to the outlet part of the tube £. Four piezoresistors 10 are diffusely deposited on the membrane 5, which, together with an external variable resistor ££, are connected to a Wheatstone bridge 12. The input terminals of the Wheatstone bridge 12 are connected to the output terminals of a constant current source 13, while the output terminals of the Wheatstone bridge 12 are connected to the first input terminals of the main amplifier 14. A temperature sensor 15 is arranged in the body £ of the piezoresistive pressure sensor £, its output connected to the first input of the compensation voltage amplifier 16, which is connected to the output of the temperature-independent voltage source 17 with its second input and to the second input terminal of the main amplifier 14 with its output.

V činnosti elektronického průtokoměru proudící plyn vstupuje do vstupní části trubice £ ve směru šipky. Na Škrticí cloně £ se vytvoří tlakový rozdíl, který se prostřednictvím prvního kanálku 7 a druhého kanálku £ dostane k membráně £, která se v důsledku nestejného tlaku v první komoře £ a druhé komoře 8 prohne. Deformace membrány 5, které je úměrná průtoku plynu trubicí £, je snímána' piezořezistory 10. které rozváží Vheatetonův můstek 12. Výstupní signál Wheatstonova můstku 12. který je úměrný průtoku plynu trubicí £, je zesílen hlavním zesilovačem 14. na jehož výstupu je možno snímat analogový signál, úměrný průtoku plynu trubicí £. Teplotní čidlo 15 snímá teplotu tělesa £ piezorezistivního snímače £ tlaku a jeho výstupní signál je po zesílení zesilovačem 16 kompenzačního napětí použit pro teplotní kompenzaci změny nulové úrovně Vheatstonova můstku 12 způsobené změnou jeho teploty. V zesilovači 16 kompenzačního napětí, se kompenzační napětí sčítá s výstupním napětím zdroje 17 teplotně nezávislého napětí, které je voleno tak, aby při zvolené teplotě bylo nulové. Tím se značně zjednoduěí postup nastavení podmínky teplotní kompenzace. Při teplotě a při nulovém průtoku plynu trubicí £ se vyváží Vheatetonův můstek 12 na nulové výstupní napětí hlavního zesilovače 14. Potom se pracovní teplota elektronického průtokoměru změní na hodnotu t₂ a změnou zesílení zesilovače 16 kompenzačního napětí ee výstupní napětí hlavního zesilovače 14 opět nastaví na nulu. Tímto postupem se dosáhne velmi přesné teplotní kompenzace.In the operation of the electronic flow meter, the flowing gas enters the inlet part of the tube £ in the direction of the arrow. A pressure difference is created on the throttle valve £, which, through the first channel 7 and the second channel £, reaches the membrane £, which bends due to the unequal pressure in the first chamber £ and the second chamber 8. The deformation of the membrane 5, which is proportional to the gas flow through the tube £, is sensed by piezoresistors 10. which are balanced by the Wheatstone bridge 12. The output signal of the Wheatstone bridge 12. which is proportional to the gas flow through the tube £, is amplified by the main amplifier 14. at the output of which it is possible to sense an analog signal, proportional to the gas flow through the tube £. The temperature sensor 15 senses the temperature of the body £ of the piezoresistive pressure sensor £ and its output signal, after being amplified by the compensation voltage amplifier 16, is used for temperature compensation of the change in the zero level Vheatstone bridge 12 caused by a change in its temperature. In the compensation voltage amplifier 16, the compensation voltage is added to the output voltage of the temperature-independent voltage source 17, which is selected so that it is zero at the selected temperature. This greatly simplifies the procedure for setting the temperature compensation condition. At the temperature and at zero gas flow through the tube £, the Vheatstone bridge 12 is balanced to the zero output voltage of the main amplifier 14. Then the operating temperature of the electronic flow meter changes to the value t ₂ and by changing the gain of the compensation voltage amplifier 16, the output voltage of the main amplifier 14 is set to zero again. This procedure achieves very accurate temperature compensation.

Řešení lze využít zejména pro měření malých průtoků.The solution can be used especially for measuring small flow rates.

Claims

An electronic flowmeter, formed by a tube, the inlet and outlet parts of which are separated from the eebe by a throttle diaphragm and a piezoresistive pressure sensor, consisting of a body, the inner space of which is divided by a membrane into a first and a second chamber, where the first chamber is connected to the inlet part of the tube by a first channel, while the second chamber is connected to the outlet part of the tube by a second channel, the membrane being provided with a Wheatstone bridge of four piezoresistors diffusely deposited on the membrane and one external variable resistor, where the input terminals of the Wheatstone bridge are connected to a constant current source, characterized in that a temperature sensor (15) is located in the body (4) of the piezoelectric sensor (3), connected to the first input of the amplifier (16) of the compensation voltage, which is connected by its second input and output to the source (17) of the temperature-independent voltage and by its output to the second input terminal of the main amplifier (14), to whose first input terminals are connected to the output terminals of the Wheatstone bridge (12).