Устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока

Устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социдлистических

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 Р 5/14

ГОСУДАР СТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1307345 (21) 4874291/10 (22) 15,10.90 (46) 07.10.92. Бюл. N. 37 (71) Научно-технический комплекс "Институт технической теплофизики" AH УССР (72) В.И.Кузнецов, А,И.Лещенко и Т.Р.Терешонок (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1307345, кл. G Oi P 5/14, 1985, ЯЛ 1767440 А2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ПОТОКА (57) Использование: термометрия, одновременное измерение температуры и скорости потока жидкости или газа. Сущность изобретения: устройство содержит датчик 1 температуры, датчик 2 термоанемометра, термометр 3 сопротивления, источник 4 тока, переключатель 5, функциональный преобразователь 6. блок 7 компенсации, термометр 8 постоянной температуры, усилитель 9 обратной связи, делитель 10 сигналов, высокостабильный резистор 11.

1-3-6-7-9-5-4, 4-5-2-1 1-10-9. 1. ил.

1767440

Изобретение относится к измерительной технике (термоанемометрические способы и устройства) и может быть использовано для одновременного измерения температуры и скорости потока жидкости или газа.

Известное устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока по основному авт.св. 1Ф 1307345 содержит термометр сопротивления с включенным на его выходе блокоМ компенсации и термоанемометр постоянной температуры, состоящий из дифференциального усилителя обратной связи, высокостабильного резистора, датчика термоанемометра и делителя сигналов.

Недостатком устройства является пониженная точность измерения скорости потока с пространственной температурной неравномерностью (неизотермичного потока), с изменяющейся во времени температурой, вызванной неточностью коррекции (термокомпенсации) из-за того, что термокомпенсирующий датчик температуры и датчик термоанемометра разнесены между собой в пространстве, а температуры в местах их размещения отличаются.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости неизотермического потока путем уменьшения погрешности, вызываемой изменяющейся во времени температурой потока.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока, дополнительно введены функциональный преобразователь в виде аналогового нелинейного усилителя и источник тока с переключателем, выход термометра сопротивления подключен ко входу блока компенсации через функциональный преобразова.тель, а выход усилителя обратной связи соединен с датчиком термометра через переключатель.

На чертеже приведена схема устройства для одновременного измерения температуры и скорости потока.

Устройство состоит из термокомпенсирующего датчика 1 температуры и датчика 2 термоанемометра, термометра 3 сопротивления, источник 4 тока, переключатель 5, функционального преобразователя 6, блока

7 компенсации и термометра 8 постоянноу температуры, состоящего из усилителя 9 обратной связи, делителя 10 сигналов и высокостабильного резистора 11. Термокомпенсирующий датчик температуры 1 подключен к входу термометра 3 сопротивления, выход которого подключен к входу функционального преобразователя 6, выход

55 которого, в свою очередь, подключен к входу блока 7 компенсации. Выход блока 7 компенсации подключен к управляющему входу усилителя 9 обратной связи, Переключатель

5 одним входом подключен к источнику 4 тока, вторым входом — к выходу усилителя 9 обратной связи, а выходом — к датчику 2 термоанемометра. Датчик 2 термоанемометра через высокостабильный резистор 11 подключен к общей шине. Делитель 10 сигналов своим первым дифференциальным входом подключен к датчику 2 термоанемометра, а вторым дифференциальным входом — к высокостабильному резистору 11, а выходом — к управляемому входу усилителя 9 обратной связи. С выхода функционального преобразователя 6 снимается напряжение, зависящее от сопротивления неперегретого датчика термоанемометра и в конечном счете от температуры потока в месте его размещения, а с высокостабильного резистора 11 снимается напряжение, прямо пропорциональное току через перегретый относительно потока датчик термоанемометра и в конечном счете зависящее от скорости потока.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерения скорости исследуемого потока (режим определения значений напряжений, зависящих от сопротивлений неперегретого датчика термоанемометра и термокомпенсирующего датчика температуры и в конечном счете от температур потока в местах установки этих датчиков; далее: режим определения значений напряжений) термокомпенсирующий датчик 1 температуры и датчик 2 термоанемометра, представляющие собой терморезисторы, устанавливаются в исследуемый поток, причем датчик 2 термоанемометра устанавливается в то место, где необходимо в дальнейшем измерять скорость, а термокомпенсирующий датчик 1 температуры — в одно из мест, где исключено взаимное влияние датчиков 1 и 2 на показания друг друга.

Датчики 1 и 2 подключены к измерительным блокам по четырехпроводным схемам для исключения влияний сопротивлений подводящих линий (в том числе и изменения этих сопротивлений).

Для обеспечения работы датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений напряжений выход переключателя 5 замыкается с его первым входом, соединенным с выходом источника тока 4, и тем самым датчик 2 термоанемометра подключается к выходу источника 4 тока (включение показано на чертеже). Источник 4 тока вы1767440 дает такой ток 14, который не приводит к нагреву датчик 2 термоанемометра.

Температурная составляющая потока, воздействуя на датчик 2 термоанемометра, вызывает изменения его электрического сопротивления по закону

:. Rg2i Ro2 (1 + ap2 Ьt2i), где Rg2i — сопротивление датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений сопротивлений в l-тый момент времени;

Ro2 — СОПрОтИВЛЕНИЕ датЧИКа 2 тврМОанемометра при температуре 0 С (измеренное заранее);

ap2 — температурный коэффициент сопротивления датчика термоанемометра 2;

A t2i — температура потока в месте размещения датчика термоанемометра 2 в i-ый момент времени (в С).

Так как в этом режиме определения значений напряжений датчик 2 термоанемометра и последовательно соединенный с ним высокостабильный резистор 11 через переключатель 5 подключены к выходу источника 4 тока, который выдает ток 14, а входы делителя 10 сигналов высокоомные, то согласно закону Ома на датчике 2 термоанемометра 2 в режиме определения значений напряжений образуются напряжения

ОЯдгь Равные

URg2i = 14 Вдэ = 14 Ro2 (1 + aP2 Ë t2i) а на высокостабильном резисторе 11 в этом же режиме образуется напряжение Оя11, равное:

ОЙ11 = 14 R11 где R11 — величина сопротивления высокостабильного резистора 11.

Делитель 10 сигналов (делитель напряжения на напряжение) в каждый 1-тый момент времени делит эти два поступающие ему на входы напряжения друг на друга (первое на второе) и на своем выходе образует напряжения, равные ивих.1DI "Я вЂ” К10 — — — К10 =

ОВ 2i 14 В 21

UR11 l4 R11

К10 К10.

= —,„Rg2l =, R02 (1+аР2 At2I), где K10 — коэффициент пропорциональности делителя сигналов, имеющий размерность напряжения (следовательно, величина

К10/R11 имеет размерность тока).

Следует отметить, что в этом режиме блоки 6, 7 и 8 не влияют на работу устройства, так как переключатель 5 отключает выход блока 9 от остальной схемы. В это время на выходе термометра сопротивления 3 образуются напряжения

О.,х.з = K3 13.R01 (1+ ap1 A t1l) =

- Кз-13 Rg1i, где Овыхз — напряжение на выходе термометра сопротивления 3 в 1-тый момент вре10 мени;

Кз — коэффициент усиления по нап ряжению термометра 3 сопротивления;

13 — ток термометра 3 сопротивления, протекающий через термокомпенсирую15 щий датчик температуры;

R01 — электрическое сопротивление датчика 1 температуры при температуре 0 С (измеренное заранее);

ap1 — температурный коэффициент со20 противления датчика 1 температуры;

At1i — температура потока в месте установки датчика 1 температуры в l-тый момент времени (С).

Таким образом, в режиме определения

25 значений напряжений на выходе термометра 3 сопротивления и на выходе делителя 10 сигналов одновременно (так как время прохождения сигналов от датчика 1 температуры до выхода термометра сопротивления 3

30 и время прохождения сигналов от датчика 2 термоанемометра до выхода" делителя 10 сигналов пренебрежимо малы) образуются

НаПРЯжЕНИЯ Us»3i И ОвыхЛОЬ ЗаВИСЯЩИЕ От сопротивлений датчиков 1 и 2, в конечном

35 счете от температур потока в местах размещения этих датчиков.

Эти напряжения одновременно записываются контрольно-записывающей аппаратурой во всем диапазоне изменяющихся

40 температур исследуемого потока, после чего, беря в качестве точек для построения

ТОЧКИ С КООРДИНатаМИ Х = Овых.ЗЬ У = ОвыхЛОЬ строят зависимость напряжения Овых.10 от

НаПряжЕНИя Us».3, т.Е. фуНКцИЮ 0»х.10 =

45 =f(Usvx3), ПРИЧЕМ В ПОтОКаХ С ОДНОЗНаЧНОй зависимостью между изменяющимися температурами Л t2 и Ь t1, в местах размещения датчиков 2 и 1 зависимость между напряжениями Овыхло и Овых.з будет также

50 однозначной.

Полученная зависимость Usыхло от

Овых.з запоминается путем введения в функциональный преобразователь 6, который представляет собой аналоговый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению

К6 раВНЫМ ОТНОШЕНИЮ НаПряжЕНИй UвыхЛО И

Овых.3. т Е.

Овых.10 К10 R11 R02 1+ At2

6=

Овых,3 К3 13 R01 (1+Op) Л С1) 1767440

"0 R02 (1 +ap2.Лтг).

К10.

R11

ПриЧЕМ ЕСЛИ ЭТО ОТНОШЕНИЕ Овых.10/Овых.3 постоянно, то усилитель линейный (т,е. его коэффициент усиления постоянный), а если не постоянно, то усилитель нелинейный (нелинейный усилитель создается на базе линейного усилителя с помощью кусочнолинейной аппроксимации).

Следует отметить, что как в линейных, так и в нелинейных усилителях каждой величине входного сигнала соответствует только одна, строго определенная величина выходного сигнала. Применительно к заявляемому техническому решению это значит, что в функциональном преобразователе 6 каждой величине входного напряжения

Usx.6 Равного Овых.б сос ветствУет только оДна, строго определенная величина выходного напряжения Usblx.6i равного Usblx.10 (следовательно, равного K10/R11. R02(1 + ау 2 Л т2).

На этом оканчивается режим определения значений напряжений.

В режиме измерения скорости (т,е. в рабочем режиме) датчики 1 и 2 остаются на тех же местах в потоке, что обеспечивает сохранение в режиме измерения скорости зависимости, полученной в режиме определения значений напряжений, Для обеспечения работы датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости выход переключателя 5 замыкается с его вторым входом, соединенным с выходом усилителя 9 обратной связи и тем самым датчик 2 термоанемометра подключается к выходу усилителя 9 обратной связи, т.е. датчик 2 термоанемометра для измерения скорости подключается к термометру 8 постоянной температуры через переключатель 5.

При этом термокомпенсирук щий датчик 1 температуры по-прежнему измеряет изменяющуюся температуру потока в месте своего размещения и на выходе термометра

3 сопротивления образуется напряжение

Овых.з = Кз 13 R01.(1 + аР1 Л С1).

Это напряжение, поступая на вход функционального преобразователя 6, умножается на его коэффициент усиления К6 и на выходе функционального преобразователя

6 образуется напряжение

Овых.б = Овых.3 K6 = K3 13 R01.(1 + аР1 .Л т1) х х

К3 13 R01 (1+аф2 Л т1) Так как в функциональном преобразователе

6 каждой величине входного напряжения

Usx.6, РаВНОГО Us x.з, СООтВЕтСтВУЕт ТОЛЬКО одна, строго определенная величина выход5 ного напРЯжениЯ Овых.б, Равного К10/811. й02(1+ ар2 Л t2), то это значит, что в отличие от прототипа на входе блока 7 компенсации соединенном с выходом функционального преобразователя 6, образуется напряже10 ние, зависящее от изменяющейся температуры потока не в месте размещения термокомпенсирующего датчика 1 температуры 1, а в месте размещения датчика 2 термоанемометра, т,е. не измеряя напряже15 ние, зависящее в конечном счете от изменяющейся температуры потока в месте размещения датчика 2 термоанемометра во время измерения им скорости, мы тем не менее получаем напряжение, зависящее в

20 конечном счете от изменяющейся температуры потока именно в этом месте, а это дает возможность в одних случаях практически исключить, а в других — значительно уменьшить ошибку измерения изменяющейся

25 скорости потока, вызванную его изменяющейся неизотермичностью. При этом следует отметить, что это изменяющееся напряжение

Овых.б пРактически не имеет заДеРжки относительно изменяющегося напряжения

30 Usx,б = Овых.з, так как функциональный преобразователь (линейный или нелинейный аналоговый усилитель) содержит практически беэинерционные элементы, которые практически не создают задержку во време35 ни.

В дальнейшем устройство работает аналогично устройству по основному авт.св.

М 1307345, т.е, напряжение Овых.б поступает на вход блока 7 компенсации, который

40 представляет собой аналоговый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению

K7, PBBHblM Кпер, ГДЕ Кпер — КОЭффИЦИЕНт перегрева датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости (коэффициент пе45 регрева, при котором производится предварительная градуировка по скорости датчика 2 температур).

Таким образом, на выходе блока 7 компенсации образуется напряжение Us x,7, 50 равное

Овых.7 = К10/R11 Й02 (1 + Qp2 Лт2) Кпер. =

= K10/R11 В02 Knep. = К10И11 Вч2треб.!

Гдв Вьч2треб. = Rg2 Knep — трЕбуЕМОЕ ИЗМЕНяащееся сопротивление, которое должен иметь датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости потока с изменяющейся температурой.

1767440

Напряжение .4ых.7 llG той же причине, что и напфйжс ие U x.б, практически не имеет задержки во времени относительно напряжения Овых.з.

Итак, на выходе блока 7 компенсации 5 образуется напряжение

0вых.7 = К10/В11 Rw2xpe6. пропорциональное изменяющемуся сопро- 10

ТИВЛЕНИЮ Ячч2треб., КОТОРОЕ ДОЛЖЕН ИМЕТЬ датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости, причем в отличие от прототипа, это напряжение пропорционально изменяющейся температуре не в месте ус- 15 тановки термокомпенсирующего датчика 1 температуры, а в месте установки датчика 2 термоанемометра, несмотря на то, что датчик 2 термоанемометра измеряет в это время скорость, а не температуру. Иными 20 словами, на выходе блока 7 компенсации образуется напряжение компенсирующего (корректирующегося сигнала U»<,7, учитывающего отличие изменяющихся температур (то есть неизотермичность) в местах 25 размещения датчиков 1 и 2, т,е. образуется напряжение, не зависящее от неизотермичности потока с однозначной зависимостью между изменяющимися температурами в местах размещения датчиков 1 и 2. 30

Это напряжение подается на управляющий (неинвертирующий) вход дифференциального усилителя 9 обратной связи.

На управляемый (инвертирующий) вход дифференциального усилителя 9 обратной 35 связи в этот же момент времени поступает с выхода делителя 10 сигналов напряжение

0вых.10 образовавшееся в результате деления напряжения, снимаемого с датчика 2 термоанемометра в режиме измерения ско- 40 рости, на напряжение, снимаемое в этом же режиме с высокостабильного резистора 11,. т.е, 0йчч2ист (9 Вчч2ист вых.10 = у К10 R х 45 Й11 9 11

К10.

X K11 = чч2ист

R11

ГДЕ ОЯчч2ист — НаПРЯжЕНИЕ На ДатЧИКЕ тЕРМОанемометра 2 в режиме измерения скорости;

Ою1 — напряжение, образовавшееся в этом же режиме на высокостабильном резисторе 11; йчч2ист — истинное сопРотивление Датчи- 55 ка 2 термоанемометра в режиме измерения скорости;

Ig-ток, протекающий в режиме измерения скорости с выхода усилителя 9 обратной связи через датчик 2 термоанемометра и через высокостабильный резистор 11;

R11 и K10 — величины, указанные ранее.

Дифференциальный усилитель обратной связи 9 усиливает в большое число раз (в Kg раз, где Кд — коэффициент усиления по напряжению разности входных напряжений дифференциального усилителя обратной связи 9) разность этих, поступающих ему на входы, двух напряжений и эту усиленную разность, образовавшуюся íà его выходе, подает в обратную связь, то есть через переключатель 5 непосредственно на датчик термоанемометра 2, перегревая его относительно потока и изменяя таким

ОбРаЗОМ его СОПРОТИВЛЕНИЕ Вчч2ист ДО ВЕЛИЧИНЫ Ячч2треб. ИНЫМИ СЛОВаМИ, ДИффЕРЕНЦИальный усилитель обратной связи, имеющий большой коэффициент усиления сводит разность поступающих к нему на входы напряжений практически к нулю, т.е.

К10 K10. Rw2 peб R Rw2wn =

11 11

К10. (Вчч2треб Rw2vcr) = 0 а это равенство возможно только в том слуЧав КОГДа Вчч2треб Йчч2ист = О, т.Е, КОГДа

Rw21pe6 = чч2ист

Таким образом, в предлагаемом устройстве в режиме измерения скорости истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра при любых как скоростях, так и изменяющихся температурах потока в месте размещения датчика 2 термоанемометра практически равно, в отличие от прототипа, требуемому именно в месте размещения датчика 2 термоанемометра 2 сопротивлению датчика 2 термоанемометра, в то время как в прототипе в режиме измерения скорости истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра при любых скоростях и температурах практически равно требуемому сопротивлению датчика 2 термоанемометра; но не в месте его размещения, а в месте размещения термокомпенсирующего датчика 1 температуры, Предлагаемое устройство позволяет исключить ошибку, вызванную неиэотермичностью потока с изменяющейся во времени температурой в тех случаях, когда существует однозначная зависимость между температурами потока в различных его местах, Формула изобретения

Устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока по

1767440

Составитель А. Лещенко

Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор О. Густи

Заказ 3546 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 у

К. авт.св. hh 1307345, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения скорости неизотермического потока путем уменьшения погрешности, вызываемой изменяющейся во времени температурой потока, в него введены функциональный преобразователь в виде аналогового нелинейного усилителя и источник тока с переключателем, выход термометра сопротивления подключен к входу блока компенсации через функциональный преобразователь, а

5 выход усилителя обратной связи соединен с датчиком термоанемометра через переключатель.