Термоанемометр и способ нагрева его терморезисторной структуры
Владельцы патента RU 2528572:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры в потоках газов и жидкостей. Предлагается устройство термоанемометра, в котором на одной оптической оси последовательно друг за другом расположены источник света, ТЧЭ в виде терморезистивной структуры с внешними электрическими выводами и пластина, выполняющая роль отражающей поверхности. Пластина установлена за терморезистивной структурой. Центр пластины совпадает с оптической осью, а высота пластины больше размера поперечного сечения термочувствительного элемента. Также заявлен способ нагрева терморезистивной структуры термоанемометра, в котором на обратной, теневой, стороне терморезистивной структуры также формируется источник теплового потока. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 н. п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры в потоках газов и жидкостей.
Известны термоанемометры (ТА), конструкция которых включает термочувствительный элемент (ТЧЭ) на основе терморезистора, при этом нагрев ТЧЭ осуществляется с помощью постоянного или переменного электрического тока [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн.2 / Под общ. Ред. Е.А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004].
Недостатками таких термоанемометров является сильная зависимость греющего тока от электрического сопротивления ТЧЭ и, как следствие, невозможность использования ТЧЭ с высокими значениями электрического сопротивления, а также сложность измерительных электрических цепей.
Известны термоанемометры, у которых осуществляется бесконтактный нагрев ТЧЭ с помощью электромагнитного поля, включая сверхвысокочастотное (СВЧ) [Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн.2 / Под общ. Ред. Е. А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004].
Недостатками таких устройств является сильная зависимость температуры нагрева ТЧЭ от коэффициента связи, формы элемента. Кроме того, одновременный нагрев электромагнитным полем крепежной арматуры, внешних выводов и других элементов конструкции увеличивает погрешность измерения скорости потока, ухудшает надежность конструкции.
Наиболее близким по техническому решению является принятый за прототип оптико-волоконный термоанемометр и способ его нагрева (см. RU №2060504, G01P 5/10, 20.05.1996), состоящий из ТЧЭ, оптически согласованного с радиационным нагревателем (источником направленного потока излучения). Излучение от источника света поглощается поверхностью ТЧЭ, обращенной в сторону этого источника, формируя источник теплового потока.
Недостатками такого термоанемометра являются: влияние кондуктивной связи внешних выводов (сток тепловой энергии), невысокая степень изотермичности поверхности ТЧЭ (неравномерное температурное поле), обусловленные возникновением тени с противоположной стороны поверхности ТЧЭ от источника направленного потока излучения.
Задачей изобретения является повышение быстродействия за счет обеспечения равномерного нагрева термочувствительного элемента и уменьшение погрешности измерений термоанемометра за счет использования высокоомной терморезистивной структуры.
Для решения данной задачи предложен термоанемометр, состоящий из расположенных на одной оптической оси последовательно друг за другом: источника света, ТЧЭ в виде терморезистивной структуры (ТРС) с внешними электрическими выводами и отражающей пластины, обладающей способностью прогиба вдоль этой оси, причем центр пластины совпадает с оптической осью. Высота пластины больше размера поперечного сечения ТЧЭ, что обеспечивает попадание излучения от источника света на пластину. Способность пластины фокусировать излучение обеспечивается за счет согласованной с формой ТЧЭ формой прогиба пластины. Причем ТЧЭ находится на таком расстоянии от пластины, чтобы сформированный источник теплового потока располагался на всей теневой поверхности ТЧЭ.
Способ осуществляется следующим образом.
Источник света создает поток излучения, направленный вдоль оптической оси, распространяющийся в газовой или жидкостной среде. За счет поглощения энергии излучения, длина волны которого согласована с коэффициентом поглощения терморезистивной структуры, на поверхности ТЧЭ, расположенного перпендикулярно этому потоку, формируется источник теплового потока [Дульнев Г.Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец. «Конструир. И произв. радиоаппаратуры». - М.: Высш. шк., 1984]. В связи с тем, что размер поперечного сечения ТЧЭ меньше размера поперечного сечения потока излучения, то по закону прямолинейного распространения света [Ландсберг Г.С. Оптика. Учеб. пособие для вузов. - 6-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003] исходное излучение попадает на расположенную за ТЧЭ пластину. Причем коэффициент отражения пластины согласован с длиной волны излучения источника света, что приводит к отражению исходного излучения в направлении обратной (теневой) стороны ТЧЭ. Форма прогиба пластины обеспечивает формирование дополнительного источника теплового потока на обратной (теневой) поверхности ТЧЭ в виде круглого или вытянутого пятна. Причем ТЧЭ находится на таком расстоянии от пластины, чтобы сформированный источник теплового потока располагался на всей теневой поверхности ТЧЭ. Таким образом, происходит формирование двух поверхностных источников теплового потока с противоположных сторон ТЧЭ: со стороны источника излучения и со стороны пластины. Тем самым происходит увеличение быстродействия ТЧЭ за счет удвоения количества источников теплового потока на его поверхности, сокращается время нагрева (реагирования). В свою очередь, расположение двух источников теплового потока с противоположных сторон на поверхности ТЧЭ обеспечивает равномерный нагрев (создается изотермическая поверхность). Способ нагрева ТЧЭ позволяет использовать высокоомные ТРС с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), что снижает погрешность при измерениях.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена оптико-геометрическая схема нагрева ТЧЭ направленным потоком излучения от источника света.
На фиг.2 изображен общий вид конструкции ТА с пластиной без прогиба.
При этом на фиг.1-2 и далее по тексту:
1 - источника света;
2 - термочувствительный элемент (ТЧЭ);
3 - терморезистивная структура (ТРС);
4 - внешние электрические выводы;
5 - пластины с прогибом;
6 - направленный поток излучения.
Устройство работает следующим образом.
При помощи направленного потока излучения 6 от источника света 1 на поверхности ТЧЭ 2, представленного в виде ТРС 3 с внешними электрическими выводами 4, формируется источник теплового потока. Часть исходного потока излучения 6, отражаясь от пластины с прогибом 5, которая расположена за ТЧЭ 2, попадает на обратную (теневую) поверхность ТЧЭ 3. Так как центр пластины с прогибом 5 находится на одной оптической оси с ТЧЭ 2 и источником света 1, то происходит формирование дополнительного теплового потока за счет поглощения энергии излучения. Регистрация параметров ТЧЭ и фиксация его в пространстве осуществляется при помощи внешних электрических выводов 4.
Следует отметить, что несмотря на то, что изобретение проиллюстрировано конструкцией термоанемометра, в котором отражающая поверхность имеет форму пластины с прогибом в виде цилиндрической поверхности, ось которой пересекается с оптической осью, отражающая поверхность может быть иной формы.
1. Термоанемометр, включающий расположенные на оптической оси термочувствительный элемент (ТЧЭ), выполненный в виде терморезистивной структуры с внешними электрическими выводами, и источник света, формирующий направленный поток излучения, отличающийся тем, что на оптической оси за терморезистивной структурой установлена пластина, выполняющая роль отражающей поверхности, что формирует на обратной стороне терморезистивной структуры источник теплового потока, причем центр пластины совпадает с оптической осью, а высота пластины больше размера поперечного сечения термочувствительного элемента.
2. Способ нагрева терморезистивной структуры термоанемометра, включающий формирование с помощью исходного направленного потока излучения от источника света на поверхности терморезистивной структуры, обращенной в сторону этого источника света, источника теплового потока, отличающийся тем, что одновременно на обратной, теневой, стороне терморезистивной структуры также формируется источник теплового потока.
