датчик для измерения расхода и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Датчик для измерения расхода, содержащий корпус из нержавеющей стали с закрытым нижним концом, каркас, размещенный в нижней части корпуса, первый слой изоляции, нанесенный на боковую поверхность каркаса, намотанную на первый слой изоляции обмотку нагревателя, на которую нанесен второй слой изоляции, между которым и внутренней поверхностью корпуса размещен заполнитель с высоким коэффициентом теплопередачи, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде стержня из металла с высоким коэффициентом теплопроводности, причем диаметр каркаса на 0,5 мм меньше внутреннего диаметра корпуса, слои изоляции выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а в качестве заполнителя использован металл.

2. Датчик для измерения расхода по п.1, отличающийся тем, что в качестве заполнителя использован легкоплавкий металл.

3. Способ изготовления датчика для измерения расхода, заключающийся в изготовлении корпуса датчика из нержавеющей стали, изготовлении каркаса, нанесении на него первого слоя изоляции, закреплении на каркасе конца обмотки нагревателя, наматывании обмотки на первый слой изоляции нанесении на обмотку второго слоя изоляции и размещении в корпусе каркаса и заполнителя, отличающийся тем, что в качестве каркаса используют металлический стержень, диаметр которого на 0,5 мм меньше внутреннего диаметра корпуса, обмотку нагревателя наматывают проводом, сложенным вдвое, с коэффициентом заполнения 0,5 - 0,9, на второй слой изоляции осаждают слой меди, который гальванически наращивают до толщины 10 - 20 мкм, а в корпусе между его внутренней поверхностью и слоем меди размещают металлический заполнитель.

4. Способ изготовления датчика для измерения расхода по п.3, отличающийся тем, что для закрепления конца обмотки его приклеивают к каркасу быстросхватывающимся клеем, который после наматывания обмотки покрывают эпоксидно-уретановым клеем и сушат каркас с обмоткой при температуре 200^oC в течение 1 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к измерительной технике, а именно, к датчикам тепловых расходомеров, и могут быть использованы при измерении расхода жидких и газообразных сред, пульп, многокомпонентных потоков в трубопроводах и открытых лотках.

Известен тепловой измерительный зонд (патент США N 4016758, кл. G 01 F 1/68, 1977), содержащий удлиненный трубчатый шток с закрытым концом, который вводится в поток текучей среды, обмотку нагревателя, расположенную внутри штока на трубке из электроизоляционного материала и соединенную с источником электрической энергии, и термопару, помещенную внутрь штока. Трубка удерживает обмотку нагревателя на удалении от внутренней поверхности штока, между которой и обмоткой размещен неметаллический заполнитель.

Недостатками известного решения являются расположение обмотки нагревателя на каркасе из электроизоляционного материала и использование неметаллического заполнителя.

Наиболее близкими к изобретениям по совокупности сходных признаков являются датчик для измерения расхода и способ его изготовления, раскрытые в заявке Германии N 4017877, G 01 F 1/68, 1991.

Известный датчик для измерения расхода содержит корпус из нержавеющей стали с закрытым нижним концом, каркас, размещенный в нижней части корпуса, первый слой изоляции, нанесенный на боковую поверхность каркаса, намотанную на первый слой изоляции обмотку нагревателя, на которую нанесен второй слой изоляции, между которым и внутренней поверхностью корпуса размещен заполнитель с высоким коэффициентом теплопередачи. В процессе изготовления на каркас наносят первый слой изоляции, закрепляют на каркасе конец обмотки нагревателя, наматывают обмотку на первый слой изоляции, наносят на обмотку второй слой изоляции и размещают в корпусе каркас и заполнитель.

Недостатком известных решений является увеличенное тепловое сопротивление перехода нагревательный элемент - среда, что снижает точность измерения расхода.

Для устранения указанного недостатка в предложенном датчике каркас выполнен в виде стержня из металла с высоким коэффициентом теплопроводности, причем диаметр каркаса на 0,5 мм меньше внутреннего диаметра корпуса, слои изоляции выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а в качестве заполнителя использован металл.

В частном случае выполнения может использоваться легкоплавкий металл.

При изготовлении предложенного датчика обмотку нагревателя наматывают проводом, сложенным вдвое, с коэффициентом заполнения 0,5 - 0,9, на второй слой изоляции осаждают слой меди, который гальванически наращивают до толщины 10 - 20 микрон, а в корпусе между его внутренней поверхностью и слоем меди размещают металлический заполнитель.

Для закрепления конца обмотки его приклеивают к каркасу быстросхватывающимся клеем, который после наматывания обмотки покрывают эпоксидно - уретановым клеем и сушат каркас с обмоткой при температуре 200^oC в течение 1 часа.

Намотка обмотки нагревателя на боковую поверхность изолированного каркаса, нанесение на обмотку нагревателя второго слоя изоляции из материала с высокой теплопроводностью, помещение между слоем изоляции и внутренней стенкой корпуса заполнителя, в качестве которого используют легкоплавкий металлический сплав с высоким коэффициентом теплопередачи улучшает теплопередачу от обмотки нагревателя к корпусу датчика для измерения расхода и далее в среду, расход которой измеряется и, следовательно, уменьшает тепловое сопротивление. При этом нанесенные слои изоляции изолируют микротрещины в обмотке нагревателя, возникновение которых возможно при намотке обмотки, и исключают возможность короткого замыкания между витками обмотки, что позволяет использовать заполнитель из металлического сплава.

Введение в датчик для измерения расхода металлического стержня из металла с высоким коэффициентом теплопроводности и размещение его в нижней части корпуса также улучшает теплопередачу от обмотки нагревателя к корпусу датчика и далее в среду, расход которой измеряется и, следовательно, уменьшает тепловое сопротивление.

Изготовление корпуса датчика из немагнитной нержавеющей стали позволяет применять предлагаемый датчик для измерения расхода неочищенных сред, так как обеспечивает надежную защиту измерительного элемента от воздействия среды.

Осаждение на второй слой изоляции слоя меди и наращивание его до указанной толщины позволяет улучшить тепловой контакт между слоем изоляции и заполнителем и способствует уменьшению теплового сопротивления предлагаемого датчика.

Выполнение намотки обмотки нагревателя с коэффициентом заполнения 0,5,.. . , 0,9 проводом, сложенным вдвое, также улучшает теплопередачу от обмотки нагревателя к корпусу датчика и далее в среду, расход которой измеряется и, следовательно, уменьшает тепловое сопротивление вследствие того, что между двумя рядом расположенными проводами, в которых направление тока противоположно, возникает электрическое поле, которое нагревает непосредственно корпус датчика и улучшает теплопередачу в среду, расход которой определяется.

На чертеже приведен схематический чертеж предлагаемого датчика для измерения расхода.

Датчик для измерения расхода среды содержит корпус 1 с закрытым нижним концом, каркас - металлический стержень 2, размешенный в нижней части корпуса 1, первый слой изоляции 3, нанесенный на каркас 2, обмотку нагревателя 4, которая намотана на первый слой изоляции 3, второй слой изоляции 5, который нанесен на обмотку нагревателя 4, заполнитель 6, который помещен в пространство вторым между слоем изоляции 5 и внутренней поверхностью корпуса 1.

Диаметр каркаса 2 выбирается на 0,5 мм меньше, чем внутренний диаметр корпуса 1. Высота каркаса 2 выбирается исходя из того, чтобы разместить на нем один слой обмотки нагревателя 4 выбранным проводом при оммическом сопротивлении обмотки 461 Ом.

Толщина слоев изоляции 3 и 5 выбирается исходя из того, что она должна выдерживать рабочее напряжение 100 В и испытательное напряжение на пробой 150 В постоянного тока.

Датчик для измерения расхода работает следующим образом.

Датчик для измерения расхода вводится в поток среды, расход которой измеряется, на обмотку нагревателя 4 подается переменное напряжение от источника питания (на чертеже не показан) и измерительной схемой (на чертеже не показана) измеряется потребляемая датчиком мощность. Часть электрической энергии, поступающей на обмотку датчика, нагревает обмотку нагревателя 4, при этом тепло, выделяемое обмоткой нагревателя 4, через слой изоляции 5 и заполнитель 6 передается к корпусу 1 и далее в среду, расход которой измеряется. Кроме того, так как в соседних витках обмотки нагревателя 4 ток имеет противоположное направление, то между витками возникает электрическое поле, на образование которого расходуется остальная электрическая энергия, поступающая в обмотку нагревателя 4. За счет возникшего электрического поля корпус 1 датчика также нагревается и это тепло также передается в среду, расход которой измеряется. Каркас 2, выполненный в виде металлического стержня, нагревается от обмотки нагревателя 4 и также излучает тепло через слои изоляции 3 и 5, обмотку нагревателя 4, заполнитель 6 и корпус 1 в среду, расход которой измеряется. Поток среды, в которой находится датчик, уносит тепло, поэтому устанавливается динамическое равновесие между количеством энергии, поступающим от источника питания и количеством энергии, уносимой средой. Возможно два варианта работы датчика, при одном поддерживается постоянной температура датчика, при втором поддерживается постоянной разность температур между средой и поверхностью датчика (термопары, измеряющие температуру датчика и температуру среды на чертеже не показаны). В первом случае, то есть при поддержании постоянной температуры датчика, мощность, затрачиваемая на нагрев датчика, зависит от массового расхода (Qm) и от величины обратной температуре измеряемой среды (1/T) - W = f(Qm, 1/T). Во втором случае, то есть при поддержании постоянной разности температур между средой и поверхностью датчика, мощность, затрачиваемая на нагрев датчика, зависит от массового расхода и от температуры измеряемой среды - W = f(Qm, T). Так как тепловое сопротивление датчика меньше известных, то указанные зависимости потребляемой датчиком мощности от массового расхода среды и ее температуры выполняются с более высокой точностью, чем при использовании других датчиков. По величине потребляемой датчиком мощности и температуры датчика или температурам датчика и среды по одной из вышеуказанных зависимостей рассчитывают массовый расход среды.

Способ изготовления датчика реализуется следующим образом.

Предварительно изготавливают корпус 1 датчика, например вытачивают из заготовки из немагнитной нержавеющей стали, и подготавливают его.

Для этого, например, внутреннюю поверхность корпуса 1 проходят разверткой для снятия возможных шероховатостей, очищают от стружки и загрязнений трихлорэтиленом, промывают этиловым спиртом и производят при температуре +260-280^oC дозированное лужение ее, например, припоем ПОС-61 с использованием в качестве флюса ортофосфорной кислоты. Излишки припоя в жидком состоянии удаляют с помощью отсоса. После этого внутреннюю поверхность корпуса промывают горячей водой (температура воды +70-85^oC) и корпус сушат в течение двух часов при температуре 855^oC.

Каркас 2 - металлический стержень вытачивают из металла с высокой теплопроводностью, например, из меди марки М1 (ГОСТ 859-78) или из другого материала с теплопроводностью не хуже, чем у меди, и обезжиривают бензином, например, марки "Калоша" в ультразвуковой ванне. На каркас 2 наносят слой изоляции 3 и на него наматывают обмотку нагревателя 4. Намотка производится проводом, сложенным вдвое, вразрядку с коэффициентом заполнения 0,5, ..., 0,9 и начинается с закрепления конца обмотки 4 на металлическом стержне, например, путем приклеивания конца обмотки 4 быстросхватывающимся клеем, например, циакрином, потом обмотка 4 наматывается на каркас 2. Выводы обмотки 4 соединяют с подводящими проводами путем приварки методом односторонней контактной сварки. Места соединения выводов обмотки 4 с подводящими проводами и конец обмотки 4 (дополнительно) приклеивают к каркасу 2 эпоксидно-уретановым клеем марки УП5-207 и каркас 2 с обмоткой нагревателя 4 сушат при температуре 200^oC в течение 1 часа. После этого обмотка 4, место крепления ее конца и места соединения выводов обмотки 4 с подводящими проводами покрывают вторым слоем изоляции 5, например кремнийорганическим лаком марки КО-921. Слои изоляции 3 и 5 наносят методом химического или вакуумного осаждения. Толщина слоев изоляции 3 и 5, как указывалось выше, определяется используемым изолирующим материалом, например, при изоляции кремнийорганическим лаком марки КО-921 толщина каждого из слоев изоляции 3 и 5 должна быть 4 - 5 микрон, при изоляции алмазоподобными пленками 1 - 1,5 микрона. На слой изоляции 5, нанесенный на обмотку, осаждают (химически или в вакууме) слой меди, который гальванически наращивают до 20 микрон.

Далее расчитывают объем металла, которым необходимо заполнить корпус 1. Рассчитанный объем металла, примененного в качестве заполнителя помещают в корпус 1 и нагревают до его расплавления. Каркас 2 с обмоткой нагревателя 4, на которую нанесен слой изоляции 5, на которую наращен слой меди, окунают в расплав металла, используемого в качестве заполнителя 6, вынимают и вставляют в корпус 1 с находящимся в нем расплавленным заполнителем. После охлаждения корпуса 1 удаляют излишки заполнителя 6, выдавленные при вставлении каркаса 2 в корпус 1. Далее проверяют величину оммического сопротивления обмотки нагревателя 4, которое должно быть 461 Ом и проводят метрологические испытания совместно с вторичным прибором.