Термоанемометрический датчик

 

ТЕРИОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК , содержащий термочувствительный элемент в виде трубки с подключенным к источнику охлаждающей жидкости капиллярным каналом и токопроводящей внешней поверхностью, соединенной с блоком питания, отличаю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности измерений в двухфазных потоках и увеличения срока службы датчика , трубка термочувствительного элемента выполнена из электропроводящего материала, а блок питания - в виде источника высокой частоты. I

ÄÄSUÄÄ 1191830

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)4 G 01 Р 5/12

OllHCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ, 1

К ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 all.:..

0 бил 1!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3733730/24-10 (22) 29,04.84 (46) 15.11.85. Бюл. № 42 (71) Казахский научно-исследовательский институт энергетики (72) А.А.Шишкин, Б. П.устименко, В.Н.Змейков, Б.О.Ривин, П.А.Рапапорт и И.Г.Дубильер (53) 532. 574 (088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР № 924580, кл. С 01 Р 5/12, 1978.

Патент CIA ¹ 3333470, кл. G Ol Р 5/12, 1967. (54)(57) ТЕРИОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий термочувствительный элемент в виде трубки с подключенным к источнику охлаждающей жидкости капиллярным каналом и токопроводящей внешней поверхностью, соединенной с блоком питания, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности измерений в двухфазных потоках и увеличения срока службы дач чика, трубка термочувствительного элемента выполнена из электропроводящего материала, а блок питания — в виде источника высокой частоты.

11В183О

Изобретение относится K технике измерений параметров потоков и, в частности, предназначено для измерений турбулентных характеристик в изометрических и неизометрических пото- 5 ках, в том числе в потоках, содержащих крупные частицы твердой фазы, например в пылеугольном факеле, в рабочем объеме пылеугольных топок др °

Цель изобретения - повышение надежности измерений в двухфазных потоках и увеличение срока службы датчика.

На фиг.1 представлен рабочий учас.1- ток, общий вид; на фиг.2 — датчик, общий вид; на фиг..3 — электраизмерительная схема датчика, основанная на использовании охлаждаемага капиллярного датчика, работающего в режиме 2 постоянного эффективнага значения переменнага тока высокой частоты; на фиг.4 — другой вариант схемы датчика,. работающего в режиме постоянного сопротивления. 25

Датчик содержит термочувствительный элемент, выполненный в виде трубки 1, охлаждаемай па капиллярному каналу, выполненной из электропра-водящего материала, концы 2 которой 3G падпаяны K палым Yp> ачатым HQ)KKK61 3 из электрапроводящега материала,, электропровадность катарога в предпочтительном варианте не зависит ат температуры. С помощью трубчатых ножек 3 через внутреннюю поласть 4 проводится охлаждающая ега жидкость, а к трубчатому элементу 1 подводится переменный электрический так высокой частоты. Расход жидкости че- 40 рез трубчатый элемент 1 поддерживается постоянным, достаточным для эффективнага охлаждения датчика, обес— печивающего его термическую устойчивость в потоках, имеющих, напри- 45 мер, высокую температуру. Переменный электрический ток также имеет величину, достаточную для обеспечения требуемого рабочего режк а и чувствительности датчика к турбулентным пульсациям скорости и температуры в потоке. Из-за наличия "скин-эффекта", характерного для тока высокой частоты, последний распространяется по тонкому внешнему слою 5 трубки 1. 55

Этот тонкий проводящий слой 5 толщиной d является чувствительным элементом датчика, реагирующим на воздействия со стороны окружающей среды. Остальная часть поперечного сечения 6 трубки 1, ограниченная внешним слоем 5, является неэлектропроводящей для токов высокой частоты и служит для обеспечения достаточной механической прочности трубки 1.„ а также для постоянного восполнения чувствительного слоя 5 при ега абразивном износе, вызванном продолжительной работай в среде с высокими абразивными свойствами. При этом толщина чувствительного слоя остается практически постоянной„ поскольку ана определяется выбранными значениями частоты переменного тока, а также свойствами материала, из каторога изготовлен капилляр„

;.то обеспечивает надежность и долговечность датчика.

Трубка 1 включена последовательна в электрическую и гидравлическую схемы питания датчика. Трубчатые ножки 3, отделенные друг от друга изолятором 7, закрыты сверху защитным металлическим чехлом 8, а их свободные концы подключены к штуцерам 9, предназначенным для подведения к капилляру охлаждающей жидкости, а также к клеммам 10 — для подключения к источнику тока и к контральнс-измерительной аппаратуре.

На фиг.3 представлен один из возможных вариантов электраизмерительнай схемы, включающей предлагаемый датчик с предлагаемым чувствительным элементом. Схема состоит из моста 11, питаемого от источника 12 переменного тока высокой частоты через регулируемое сопротивление 13, величина которого многа больше общего сопротивления моста 11. Последовательна с сопротивлением.13 включен измеритель 14 эффективного значения така. В плечи моста 11 включены два сопротивления 15 и 16, величины которых для заданной рабочей частоты могут быть либо одинаковыми (симметричный мост ), либо отличными друг от друга, причем в последнем случае для увеличения чувствительности моста сопротивление 15 должно превосходить по величине сопротивление 16.

Последовательно каждому из сопротивлений 15 и 16 включены соответственна сопротивление 17 и сопротивление

18 (сопротивление термочувствителькога элемен-а -). Сопротивление 17 яв1!91830

20 ляется активным регулируемым сопротивлением (в качестве данного сопротивления может быть, например, использован магазин сопротивлений, пригодный для работы в области вы- 5 бранных рабочих частот переменного тока, питающего мост 1 1 ). Последовательно с активным сопротивлением 17 включены регулируемые реактивные сопротивления 19 и 20, например, в виде регулируемых индуктивности и емкости, предназначенные для компенсации соответствующих реактивных составляющих сопротивления 18 чувствительного элемента предлагаемого I5 датчика и сопротивления подводящих проводов (показаны пунктиром ). В диагональ моста 11 к точкам 21 и 22 под. ключены индикатор 23 нуля для индикации баланса моста ll. К этим же точкам подключен усилитель 24 (в предпочтительном варианте узкополосной селективный усилитель, настроенный на частоту переменного напряжения, генерируемого источником !2 ), к 2S выходу которого подключен фильтр низких частот (ФНЧ ) 25, а выход последнего подключен к блоку компенсатора 27 тепловой инерции. К выходу компенсатора 27 тепловой инерции под- 3!1 ключен регистратор 28 (в качестве которого может быть использован любой регистратор, используемый в обычной термоанемометрии для наблюдения, регистрации или измерения сигнала с термоанемометрических датчиков ) для регистрации пульсационного сигнала 29.

Электроизмерительная схема пред1 ставленная на фиг,4, состоит из элек-4р трического моста 11, к точкам 21 и

22 которого помимо индикатора 23 баланса подключен усилитель 24, выход которого нагружен на ФНЧ. 25, а к выходу последнего подключен регистра- 4g тор 28. Параллельно регистратору 28 к выходу ФНЧ подключен управляемый источник 30 переменного тока высокой частоты. Выход последнего посредством контура 31 обратной связи go

1 подключен к вершине моста 11, на который подается напряжение 32 питания высокой частоты, в общем случае модулированное по амплитуде низкочастотными управляющим сигналом 55

25 на выходе источника 30. К выходу источника 30 параллельно мосту 11 подключен измеритель 33 среднеквдл.— ратичного (эффективного ) значения, подаваемого на мост ll напряжения высокой частоты.

Работа предлагаемого охлаждаемого капиллярного датчика состоит в следующем.

При перемещении термоанемометрического датчика в турбулентный поток под воздействием турбулентных пульсаций скорости и температуры в потоке происходит изменение интенсивности теплообмена датчика с окру- . жающей средой, а мерой пульсационных характеристик потока будут пульсации напряжения на клеммах 10 датчика, регистрируемые с помощью подходящей для данной цели контрольно-измерительной аппаратуры. В случае, когда чувствительный слой 5 запитан током высокой частоты, имеющим постоянное эффективное значение, пульсации напряжения на чувствительном слое 5 датчика определяются произведением пульсаций сопротивления чувствительного элемента 5 на постоянное эффективное значение тока (режим постоянного эффективного значения тока ). Напротив, в случае, когда температура, а следовательно, и сопротивление чувствительного элемента имеют постоянное значение (что может быть обеспечено соответствующим автоматическим изменением величинй тока, протекающего по чувствительному слою 5, например, при работе такого датчика в цепи термоанемометра постоянной температуры ), пульсации напряжения соответствуют произведе нию постоянного сопротивления чувствительного слоя 5 на пульсации тока, компенсирующие тепловые потери чув/ ствительного слоя 5 (режим постоянной температуры или иначе режим постоянного сопротивления ).

В первом случае, когда термочувствительный элемент включен в электроиэмерительную цепь н режиме пос- . тоянного эффективного значения тока, баланс датчика с окружающей средой определяется балансом тепла, подводимого к термочувствительному элементу, и изменениями теплосодержания за счет изменения температуры чувствительного слоя, с одной стороны, и тепла, отводимого охлаждающей жидкостью — с другой. Во втором случае при включении термочувствительного элемента в режиме постоянной ;емпера1191830 туры его тепловой баланс определяется только тепловым потоком от окружающей среды Q, джоулевым теплом, ср выделяющимся в чувствительном слое д"(Я, ), и теплом, отводимым водой Я .

Второй режим является более предпочтительным для многих случаев практического применения такого датчика, поскольку не включает в себя член, 10 характеризующий изменения теплосодержания чувствительного элемента, обусловленные пульсациями скорости и температуры в потоке. Это приводит к двум положительным факторам: во-пер15 вых, отпадает необходимость опреде- ления инерционности датчика и ее последующей компенсации; во-вторых, тепловой поток, отводимый водой, при таком режиме включения датчика имеет постоянное значение (Q = const ).

Датчик согласно фиг.3 работает следующим образом, Эффективное значение тока высокой частоты, питающего мост 11 от источника 12, устанавливается с помощью регулируемого сопротивления 13 на заданном постоянном уровне 12 (опре—

1 деляемым требуемым нагревом чувствительного элемента 5 ) и измеряется

30 соответствующим измерителем 14. Ток, питающий мост 11, распределяется по двум плечам: по первому плечу, состоящему из последовательно включенных сопротивлений 15, 17, 19 и 20, и второму плечу, состоящему из сопро- 35 тивлений 16 и 18, а также сопротивлений подводящими проводов (показаны пунктиром ). Поскольку величина сопро— тивления 13 во много раз превосходит сопротивление моста 11, ток, проте- 40 кающий по каждому иэ плеч моста, on— ределяется величиной сопротивления

13 и практически не зависит от изме— нения сопротивления в каждой из ветвей моста (режим постоянного эффек—

45 тивного значения тока ). С помощью регулируемого сопротивления мост устанавливается в равновесие по индикатору 23 баланса, Для балансировки моста 11 по реак- 0 тивным составляющим сопротивлений используются регулируемые индуктивность 19 и емкость 20 на основе применения любой подходящей для данной цели методики, например той, что при- меняется в термоанемометрии для решения аналогичной задачи. При балансе моста 11 значения переменного напряжения в точках 21 и 22 оказывается уравновешенными. В первом плече все сопротивления после выполнения балансировки моста ll сохраняют постоянное значение, а следоI вательно, и падение напряжения 21 в точке 21 будет постоянным независимо от турбуленТных пульсаций скорости во внешней исследуемой среде.

Во втором плече сопротивление 18 термочувствительного элемента, помещенного в турбулентный поток, изменяется в соответствии с изменениями теплового потока от окружающей среды к датчику, вызванными турбулентными пульсациями. Балансировка моста 11 по-прежнему будет иметь место, однако не в каждый отдельный момент, а для достаточно больших периодов осреднения по времени, т.е. для среднеквадратичных значений напряжений на обоих плечах моста. В результате наличия пульсаций сопротивления 18 соответствующим образом изменяется и амплитуда высокочастотных колебаний напряжения

22 в точке 22 моста 11. Напряжение между точками 21 и 22 усиливается усилителем 24, который может быть усилителем низких частот (для усиления лишь огибающей пульсирующего высокочастотного сигнала ), обусловленных турбулентными пульсациями в потоке (в этом случае усиленный сигнал 24 может непосредственно постуI пать на компенсатор 27 тепловой инерции и затем на регистратор 28). Однако для данного варианта предпочтительно в качестве усилителя 24 испольэовать узкополосный усилитель, работающий на частоте источника 12 питания моста 11 (для снижения влияния шумов и помех на полезный сигнал ). После уси. ения высокочастотный сигнал 24, модулированный по амплитуде низкочастотной составляющей, обусловленной турбулентными пульсациями в потоке, поступает на

ФНЧ 25, выполняющий роль детектора, выделяющего низкочастотную составляющую 26 сигнала 24, которая да-! лее подается на компенсатор 27 тепловой инерции, с выхода которого скорректированный сигнал 29 поступает на регистратор 28 для наблюдения или измерения среднеквадратичного значения данного сигнала. Путем деления измеренного среднеквад11918 ратичного значения сигнала 29 на коэффициент усиления всего тракта можно перейти к значениям среднеквадратичного сигнала с точек 21 и

22, который является среднеквадратич- > ным значением раэностного сигнала (между сигналами 21 и 22 ) и исполь.зуется вместе с измеренным измерителем 14 значением тока 12 для последующего расчета турбулентных харак- 1О теристик в потоке.

Датчик согласно фиг.4 работает несколько иначе.

В отличие от рассмотренного выше датчика в данном варианте сопротивле- 15 ние 18 термочувствительного элемента датчика поддерживается постоянным соответствующим изменением тока в це-, пи 31 обратной связи таким образом, чтобы мост 11 оставался в состоянии 2п равновесия. Например, пусть на датчик, нахоцящийся в потоке; начинает поступать больший тепловой поток (положительная пульсация температуры или скорости ). Это вызовет изме- 25 кение сопротивления 18 (в сторону его увеличения ). Возникший при этом разбаланс моста 11 в виде разностного сигнала поступает на вход усили30 8 теля 24, где усиливается и затем усй-. ленный сигнал 24 поступает на ФНЧ

25 с выхода которого низкочастотная

I составляющая 25 сигнала 24 поступает на регистратор (например, осциллограф, вольтметр и др,), а также на вход управляемого источника 30 тока, в результате его напряжение на выходе управляемого источника 30 тока, подаваемое на мост 11 по цепи 31 обратной связи, изменяется таким образам (в сторону уменьшения ), чтобы сопротивление 18 в цепи моста 11 сохранило свое прежнее значение. Это значение напряжения 32 в цепи 31 обратной связи одновременно выводится на измеритель 33 среднеквадратичнога значения напряжения питания моста.

Как и в ервом варианте пересчет среднеквадратичного значения напряжения 25 (путем деления на коэффици- ент передачи тракта ) позволяет перейти к значению раэностного среднеквадратичйого сигнала на входе между точками 21 и 22, которое вместе со значением напряжения, подаваемым на мост (измеренным измерителем 33 ), используется далее для расчета турбулентных характеристик в потоке.

1191830 фМГ

Составитель В.Назарова

Редактор М.Келемеш Техред.C.Ìèãóíoâà Корректор M.Ñàìáîðñêàÿ

Заказ 7 152 /42 Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Термоанемометрический датчик Термоанемометрический датчик Термоанемометрический датчик Термоанемометрический датчик Термоанемометрический датчик Термоанемометрический датчик 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерению параметров движения и может быть использовано для измерения скорости движения газовоздушных потоков

Изобретение относится к устройствам измерения скорости потоков газа или жидкости и может найти применение в измерительной технике и приборостроении

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к области измерения скорости текучих сред, и может быть использовано, в частности, для измерения расхода газа в нескольких автономных каналах

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению массового расхода газа и к устройству тепловых расходомеров газа, предназначенных для использования в системах контроля и регулирования расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с при широком варьировании входной температуры газа и температуры внешней среды

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений характеристик газовых потоков

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости движения газовой или жидкой среды, ее плотности, состава, а также состава и плотности твердых теплопроводных сред

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве датчиков расхода и изменения уровней жидкостей и газов

Термоанемометрический датчик, термоанемометрический датчик

Наверх