Устройство для измерения скорости потока жидкости или газа

Изобретение предназначено для использования при измерениях скорости потока жидкости или газа с помощью термоанемометров. В потоке располагаются термочувствительный преобразователь для измерения температуры потока и термочувствительный преобразователь с подогревателем для измерения скорости потока (термоанемометр) и осуществляется измерение температуры среды и температуры термоанемометра. Если разность температур термочувствительных преобразователей (перегрев) находится в пределах заданного диапазона, то мощность нагрева фиксирована, а при изменении скорости потока изменяется перегрев; если же перегрев термоанемометра выходит за пределы заданного диапазона, то мощность нагрева изменяется до попадания перегрева в заданный диапазон. Значение измеряемой скорости потока вычисляется по формуле с учетом измеренного перегрева и мощности нагрева. Техническим результатом является повышение точности измерения скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур. 1 ил.

 

Изобретение предназначено для использования при измерениях скорости потока жидкости или газа с помощью термоанемометров.

Известны устройства для измерения скорости потока и расхода жидкости или газа, основанные на применении термоанемометров [1; 2].

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур.

Известно [1; 2], что рассеиваемая термоанемометром мощность и его температура в установившемся режиме конвективного теплообмена связаны формулой

где Р - мощность,

S - площадь поверхности,

ξ - коэффициент теплоотдачи,

Т_т - температура термоанемометра,

Т_с - температура среды.

Коэффициент теплоотдачи ξ, зависит от скорости потока жидкости или газа. Эта зависимость описывается формулой [1]

где V - скорость потока,

a, b, n - коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств среды, конструкции термоанемометра и числа Рейнольдса.

Известны устройства для измерения скорости потока с помощью термоанемометров, основанные на стабилизации мощности Р (или силы тока) нагрева [1]. При изменении скорости потока изменяется температура термоанемометра. В этом случае измеряются температуры термоанемометра Т_т и среды Т_с, определяется перегрев θ=Т_т-Т_с, затем на основе формул (1) и (2) вычисляется скорость V при Р=const. Недостатком таких устройств является то, что с увеличением скорости потока V перегрев θ уменьшается, что не позволяет обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне скоростей.

Другие известные устройства для измерения скорости потока основаны на стабилизации температуры Т_т (сопротивления) термоанемометра [1]. При изменении скорости потока изменяется мощность нагрева Р, которая измеряется. В этом случае необходимо также измерять и компенсировать влияние изменений температуры среды, а стабилизированная температура Т_т должна быть выше максимальной температуры среды, что существенно осложняет применение подобных устройств в большом диапазоне изменения температуры среды.

В широком диапазоне изменения скоростей и температур лучшие результаты обеспечивают устройства, основанные на стабилизации перегрева θ=Т_т-Т_с. Наиболее близким к предлагаемому является термоанемометрическое устройство, описанное в Патенте RU №2017157 [3]. Устройство содержит термочувствительные цепи для измерения температуры и скорости потока, задатчик перегрева, два сумматора, масштабирующий усилитель, регистратор скорости потока, блоки перемножения, деления и логарифмирования, источник питания подогревателя, регулятор мощности, причем термочувствительная цепь для измерения скорости потока снабжена подогревателем. В указанном устройстве стабилизируется перегрев θ, а выходной величиной является мощность нагрева термоанемометра.

Однако указанное устройство имеет существенные недостатки. Во-первых, погрешность измерения скорости потока в значительной мере определяется погрешностью стабилизации перегрева, которая в свою очередь зависит от погрешностей всех звеньев, входящих в контур автоматического регулирования. В данном устройстве погрешность стабилизации перегрева вызывается следующими причинами:

- не идентичностью функций преобразования трех полупроводниковых термопреобразователей (термисторов);

- отличием в широком диапазоне температур реальной функции преобразования указанных термисторов от используемой математической модели R_t=А·ехр(В/Т);

- погрешностями всех других звеньев, входящих в контур автоматического регулирования перегрева.

В связи с этим практически невозможно обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне изменения скорости и температуры среды.

Во-вторых, инерционность системы автоматического регулирования перегрева ограничивает быстродействие измерительного устройства.

С целью повышения точности измерений скорости потока в широком диапазоне изменения скорости и температуры в устройство, содержащее термочувствительные цепи для измерения температуры и скорости потока, которые выполнены в виде полупроводниковых терморезисторов, причем термочувствительная цепь для измерения скорости потока снабжена подогревателем, источник питания подогревателя, регулятор мощности и задатчик перегрева, введены двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок точного оценивания перегрева, блок грубого оценивания перегрева, переключатель, устройство сравнения, блок оценивания скорости и устройство управления мощностью подогревателя, при этом терморезистор для измерения температуры потока подключен ко входу первого канала АЦП, терморезистор для измерения скорости потока подключен ко входу второго канала АЦП, выход первого канала АЦП соединен с первыми входами блока точного оценивания перегрева и блока грубого оценивания перегрева, выход второго канала АЦП соединен со вторыми входами блока точного оценивания перегрева и блока грубого оценивания перегрева, выход блока точного оценивания перегрева соединен с первым входом переключателя, выход блока грубого оценивания перегрева соединен со вторым входом переключателя, выход переключателя соединен с первыми входами устройства сравнения, блока оценивания скорости и устройства управления мощностью подогревателя, выход задатчика перегрева подключен ко вторым входам устройства сравнения и устройства управления мощностью подогревателя, выход устройства сравнения подключен к управляющим входам переключателя, блока оценивания скорости и устройства управления мощностью подогревателя, выход устройства управления мощностью подогревателя подключен ко входу регулятора мощности и третьему входу блока оценивания скорости, другой вход регулятора мощности соединен с выходом источника питания подогревателя, выход регулятора мощности подключен к нагревателю, а значение измеряемой скорости потока вычисляется в блоке оценивания скорости по известной формуле.

Структурная схема устройства для измерения скорости потока жидкости или газа приведена на чертеже.

Термочувствительные цепи для измерения температуры потока 1 и скорости потока 2 представляют собой аналогичные полупроводниковые термопреобразователи (термисторы). Термочувствительная цепь для измерения скорости потока 2 (термоанемометр) конструктивно объединена с подогревателем 3. Нагрев подогревателя 3 осуществляется от источника питания подогревателя 5 с помощью регулятора мощности 4. Термисторы 1 и 2 подключены ко входам двухканального АЦП 6, на выходах которого получаются коды, пропорциональные сопротивлениям соответствующих термисторов. Эти коды поступают на входы блока точного оценивания перегрева 7 и блока грубого оценивания перегрева 8, в которых по соответствующим формулам вычисляются оценки перегрева θ. В зависимости от положения переключателя 9 на его выходе получается сигнал, соответствующий либо точной, либо грубой оценке перегрева θ, который поступает на входы устройства сравнения 10, блока оценивания скорости 11 и устройства управления мощностью подогревателя 13. На второй вход устройства сравнения 10 поступают сигналы с выхода задатчика перегрева 12. Сигнал с выхода устройства сравнения 10 подается на управляющие входы переключателя 9, блока оценивания скорости 11 и устройства управления мощностью подогревателя 13. На другой вход устройства управления мощностью подогревателя 13 подаются сигналы с выхода задатчика пкрегрева 12. Выходной сигнал устройства управления мощностью подогревателя 13 поступает на соответствующие входы регулятора мощности 4 и блока оценивания скорости 11, в котором на основе информации о перегреве и мощности нагрева производится вычисление оценки скорости потока по известной формуле.

Устройство работает следующим образом.

Сопротивления термисторов 1 и 2 с помощью двухканального АЦП 6 преобразуются в соответствующие цифровые коды, на основе которых в блоках точного оценивания перегрева 7 и грубого оценивания перегрева 8 по соответствующим формулам вычисляются оценки перегрева θ.

Устройство имеет два режима работы: режим измерения скорости потока и режим регулирования мощности нагрева. Переключение режимов работы осуществляется автоматически в зависимости от выходного сигнала устройства сравнения 10.

С помощью задатчика перегрева 12 устанавливается диапазон допустимых перегревов [θ_min, θ_max]. При использовании полупроводниковых термопреобразователей (термисторов) этот диапазон может составлять единицы или первые десятки градусов Цельсия. В устройстве сравнения 10 оценка перегрева θ сравнивается с заданными границами диапазона [θ_min, θ_max]. Если θ_min≤θ≤θ_max, то устройство сравнения 10 выдает сигнал, устанавливающий режим измерения скорости потока. При этом переключатель 9 находится в верхнем положении и используется точная оценка перегрева, которая поступает на вход блока оценивания скорости 11. Устройство управление мощностью подогревателя 13 обеспечивает фиксированную мощность нагрева (P=const). Сигнал, определяющий мощность нагрева, подается на вход регулятора мощности 4 и другой вход блока оценивания скорости 11. В блоке оценивания скорости 11 информация о перегреве θ и мощности нагрева Р используется для вычисления оценки скорости потока жидкости или газа по формуле

где V - измеряемая скорость потока;

Р - мощность нагрева;

θ=Т_т-Т_c - перегрев;

k, с, d - постоянные коэффициенты.

Формула (3) для вычисления скорости потока получена из уравнений (1) и (2).

В режиме измерения скорости потока изменение измеряемой скорости V при фиксированной мощности нагрева Р вызывает изменение температуры термоанемометра Т_т и соответствующее изменение перегрева θ.

Если перегрев θ выходит за границы заданного диапазона (θ<θ_min или θ>θ_max), то выходной сигнал устройства сравнения 10 переводит измерительное устройство в режим регулирования мощности нагрева. При этом переключатель 9 находится в нижнем положении и используется грубая оценка перегрева θ. Выходной сигнал устройства сравнения 10 запрещает работу блока оценивания скорости и разрешает работу устройства управления мощностью подогревателя 13 в режиме регулирования. Устройство управления мощностью подогревателя изменяет мощность нагрева до тех пор, пока перегрев не окажется примерно в середине заданного диапазона [θ_min, θ_max]. После этого измерительное устройство автоматически переходит в режим измерения скорости потока при новом фиксированном значении мощности нагрева Р.

В режиме регулирования мощности нагрева измерения температур термоанемометра и среды и оценка перегрева могут выполняться с невысокой точностью, т.к. нет необходимости в точном определении перегрева. Достаточно добиться того, чтобы перегрев оказался в заданном диапазоне [θ_min, θ_max]. При этом могут быть использованы простые математические модели измерительных преобразователей и простые способы регулирования.

В режиме измерения скорости потока мощность нагрева фиксирована, с высокой точностью измеряются перегрев и мощность нагрева, а затем вычисляется скорость потока по формуле (3). При этом используются более сложные и более точные математические модели измерительных преобразователей. Поскольку в режиме измерений скорости потока отсутствует регулирование мощности нагрева (Р=const), то при этом обеспечивается высокое быстродействие измерительного устройства. Если измеряемая скорость потока изменяется относительно медленно, то регулирование мощности выполняется довольно редко.

Таким образом, разделение процедур измерения скорости потока и регулирования мощности нагрева позволяет получить небольшой диапазон перегревов [θ_min, θ_max] при большом диапазоне допустимых изменений скорости потока и большом диапазоне температур среды. За счет этого достигается высокая точность измерений скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур.

Практически было реализовано устройство для измерения скорости потока жидкости (воды). В качестве измерительного преобразователя температуры среды применен миниатюрный термистор с отрицательным температурным коэффициентом. Термоанемометр содержал аналогичный термистор и подогреватель, помещенные в один корпус. Сопротивления обоих термисторов преобразовывались в цифровой код с помощью 24-разрядного Сигма-Дельта АЦП. Блоки точного и грубого оценивания перегрева, устройство сравнения, блок оценивания скорости и устройство управления мощностью подогревателя выполнены на микропроцессорах. Регулятор мощности нагрева выполнен на основе 16-разрядного цифро-аналогового преобразователя.

В режиме регулирования мощности для грубой оценки перегрева использовалась простая математическая модель функции преобразования термисторов

где R_t - сопротивление термистора;

Т - абсолютная температура;

А и В - постоянные коэффициенты.

При этом характеристики термисторов в термоанемометре и преобразователе температуры среды считались идентичными. Эти допущения существенно упрощают и ускоряют процедуру оценивания перегрева.

При указанных допущениях для грубой оценки перегрева θ может быть использована следующая приближенная формула:

где N1 - код на выходе АЦП, пропорциональный сопротивлению термистора 1;

N2 - код на выходе АЦП, пропорциональный сопротивлению термистора 2;

В и N0 - постоянные коэффициенты.

Вычисление оценки θ по формуле 5 реализовано в блоке грубого оценивания перегрева 8. Вычисленная оценка перегрева использовалась для регулирования мощности нагрева подогревателя термоанемометра, причем было применено простое ступенчатое шаговое регулирование: мощность нагрева изменялась пропорционально отношению среднего значения заданного диапазона перегрева к полученной оценке перегрева. При таком способе регулирования процесс регулирования мощности нагрева может иметь итерационный характер. Однако, как показали экспериментальные исследования, при заданном диапазоне перегревов (10±3)°С регулирование мощности нагревало попадания перегрева в заданный диапазон практически осуществляется за один шаг.

В режиме измерения скорости потока для термисторов использовались более сложные математические модели:

где R_t - сопротивление термистора;

Т - абсолютная температура;

А, В, С, D - постоянные коэффициенты.

При этом коэффициенты А, В, С, D для каждого термистора определялись индивидуально, что позволило измерять температуру в диапазоне (0...100)°С с погрешностью (0,01...0,02)°С при разрешающей способности 0,001°С.

В блоке точного оценивания перегрева 7 производятся вычисления оценок температур среды Т_c и термоанемометра Т_т по формуле (6) с учетом индивидуальных коэффициентов для каждого термистора и оценивание перегрева θ=Т_т-Т_c.

Оценка перегрева θ и значение установленной мощности нагрева Р поступают на вход блока оценивания скорости потока 11, в котором по формуле (3) вычисляется оценка скорости потока V.

Как показали эксперименты, в описанном измерительном устройстве погрешность измерения скорости потока воды в диапазоне скоростей V_max/V_min=100 и диапазоне температур (0...100)°С не превышала 1%. При этом одновременно с измерением скорости потока с высокой точностью измерялась его температура, что необходимо во многих случаях практики.

Предлагаемый способ измерения скорости потока жидкости или газа может быть применен как для измерения местной скорости потока, так и для измерения расхода.

Литература

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ие, 1989. - 701 с.

2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ие, 1983. - 320 с.

3. Дубовский В.В. Термоанемометрическое устройство. Патент РФ №2017157. Бюл. №14, 30.07.94.

Устройство для измерения скорости потока жидкости или газа, содержащее термочувствительные цепи для измерения температуры и скорости потока, которые выполнены в виде полупроводниковых терморезисторов, причем термочувствительная цепь для измерения скорости потока снабжена подогревателем, источник питания подогревателя, регулятор мощности и задатчик перегрева, отличающееся тем, что в него введены двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок точного оценивания перегрева, блок грубого оценивания перегрева, переключатель, устройство сравнения, блок оценивания скорости и устройство управления мощностью подогревателя, при этом терморезистор для измерения температуры потока подключен ко входу первого канала АЦП, терморезистор для измерения скорости потока подключен ко входу второго канала АЦП, выход первого канала АЦП соединен с первыми входами блока точного оценивания перегрева и блока грубого оценивания перегрева, выход блока точного оценивания перегрева соединен с первым входом переключателя, выход блока грубого оценивания перегрева соединен со вторым входом переключателя, выход переключателя соединен с первыми входами устройства сравнения, блока оценивания скорости и устройства управления мощностью подогревателя, выход задатчика перегрева подключен ко вторым входам устройства сравнения и устройства управления мощностью подогревателя, выход устройства сравнения подключен к управляющим входам переключателя, блока оценивания скорости и устройства управления мощностью подогревателя, выход устройства управления мощностью подогревателя подключен ко входу регулятора мощности и третьему входу блока оценивания скорости, другой вход регулятора мощности соединен с выходом источника питания подогревателя, выход регулятора мощности подключен к нагревателю, а значение измеряемой скорости вычисляется в блоке оценивания скорости.