Поточный измеритель водности

 

ОПИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (i ц77 76l1

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 13.09.78 (21) 2663042/18-10 с присоединением заявки № (51) М. Кл.

G 01W 1/00 (43) Опубликовано 07.11.80. Бюллетень № 41 по делам изобретений (53) УДК 551.508.9 (088.8) и открытии (45) Дата опубликования описания 07.11,80 (72) Автор изобретения

А. Н, Невзоров

Центральная аэрологическая обсерватория (71) Заявитель (54) ПОТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВОДНОСТИ

Государственный комитет (23) Приоритет

Изобретение относится к области метеорологических измерений, конкретнее к измерениям водности облаков и туманов в потоке и с самолета, и может быть использовано в других областях народного хозяйства для измерения содержания водного аэрозоля в газовом потоке.

Известны поточные (самолетные) измерители водности облаков, содержащие измерительный термочувствительный элемент, обладающий термозависимым сопротивлением и подогреваемый проходящим через него электрическим током. Мерой водности служит понижение температуры и, следовательно, изменение сопротивления чувствительного элемента под влиянием испарения осаждающейся на нем воды (1). Для компенсации изменений начальной температуры измерительного чувствительного элемента, связанных с изменениями параметров потока — скорости, давления и температуры, служит второй — опорный или компенсационный чувствительный элемент, аэродинамически защищенный от осаждения облачных частиц. Оба чувствительных элемента включены в смежные плечи измерительного моста и подогреваются питающим его током (2).

Основными недостатками этих устройств являются: зависимость изменения температуры измерительного чувствительного элемента по отношению к опорному и выходного напряжения моста от коэффициента конвективной теплоотдачи измерительного

5 чувствительного элемента, зависящего от параметров потока; высокая начальная температура чувствительного элемента (200 — 300"С), снижающая его стабильность, долговечность и начальную чувствиIp тельность устройства, вследствие неполного испарения и уноса осаждающейся воды изза образования паровой прослойки между каплями и поверхностью чувствительного элемента; большая потребляемая электрическая мощность.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является самолетный измеритель водности, содержащий измерительный чувствительный элемент с термозависимым сопротивлением и замкнутую цепь стабилизации его температуры, включающую резистивный мост, нуль-орган и усилитель мощности постоянного тока, выход которого нагружен на питающую диагональ моста и является выходом устройства.

Рабочая температура чувствительного элемента, достаточная для полного испарения осаждающейся воды, сравнительно невысока (не более 100 С) и автоматически под30 держивается постоянной за счет изменения

777611

Зо

40

50

65 мощности (напряжения) питания чувствительногоо элемента. При этом мощность питания чувствительного элемента затрачивается не только на испарение осаждающейся воды, но и частично на теплоотдачу чувствительного элемента независимо от водности потока, причем, эта часть мощности зависит от параметров потока. Это приводит к недостаточной точности и чувствительности устройства в условиях изменчивых параметров потока, в том числе при его использовании на самолете.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений путем непрерывной автоматической компенсации затрат мощности на конвективную тсплоотдачу чувствительного элемента.

Это достигается тем, что измеритель водности снабжен дополнительной аналогичной замкнутой цепью с чувствительным элементом, защищенным от воздействия входного аэрозоля, при этом усилитель мощности этой цепй выполнен с дополнительным пропорциональным выходом переменного тока, подключенным к резистивному мосту основной цепи измерителя.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого поточного измерителя водности.

Измеритель водности содержит датчик, имеющий два чувствительных элемента в виде обмоток 1 и 2 из изолированной проволоки с термозависимым сопротивлением, размещенных на цилиндрическом основании 3. Обмотка 1 размещена в коническом углублении в торце основания 3 и служит измерительным чувствительным элементом, а обмотка 2 намотана на цилиндрической поверхности основания и служит компенс.-ционной. В устройстве может быть использован любой аналогичный датчик, содержащий измерительный и компенсационный чувствительные элементы.

Обмотки 1 и 2 включены в плечи резистивных мостов 4 и 5 соответственно. К измерительным диагоналям мостов 4 и 5 подключены усилители переменного напряжения 6 и 7, нагруженные на синхронные детекторы (фазочувствительные выпрямители) 8и9.

Переменное опорное напряжение на детекторы подается от задающего генератора

10. К выходам синхронных детекторов подключены усилители 11 и 12 постоянного напряжения одной полярности, имеющие мощные выходные транзисторные каскады 13 и

14. При этом каскад 13 в цепи измерительного чувствительного элемента выполнен с высоким выходным сопротивлением (по схеме генератора тока), что достигается, например, включением выходного транзистора по схеме с общим эмиттером, и погружен на питающую диагональ соответствующего моста 4. К выходу каскада 14 подключен ключевой усилитель 15 переменного напря4 жения задающего генератора 10, нагруженный на выходной трансформатор 16. Вторичные обмотки трансформатора 16 подключены к питающим диагоналям мостов 4 и 5, причем к мосту 4 — через переменный резистор 17 и конденсатор 18.

Питающая диагональ моста 4 либо обмотка 1 через фильтр переменного напряжения 19 подключена к регистрирующему устройству 20.

Устройство работает следующим ои,. -. зом.

Датчик 3 расположен в воздушном потоке и ориентирован обмоткой 1 навстречу потоку. Частицы водного аэрозоля, содержащиеся в потоке, осаждаются на обмотке 1 и не обтекают обмотку 2, благодаря чему ее тепловой режим не зависит от водности потока.

Мосты 4 и 5 заранее уравновешены при сопротивлениях обмоток чувствительных элементов 1 и 2, соответствующих их одинаковой заданной рабочей температуре, йапример, 80 — 100 С. Синхронные детекторы

8 и 9 сфазированы таким образом, чтобы контуры 1 — 4 — 6 — 8 — 11 — 13 — 4 и 2 — 5 — 7—

9 — 12 — 14 — 15 — 16 — 5 обеспечивали отрицательную термическую обратную связь, необходимую для автоматического поддержания баланса мостов 4 и 5 посредством регулирования тока их питания, нагревающего чувствительные элементы 1 и 2 до заданной температуры. Стабилизация заданной температуры измерительного чувствительного элемента 1 производится постоянным управляющим напряжением выходного каскада

13, а опорного 2 — переменным управляющим напряжением выходной обмотки трансформатора 16. С другой обмотки трансформатора 16 через конденсатор 17 и реостат 18 на питающую диагональ моста

4 поступает переменное напряжение, величина которого, вследствие большого выходного сопротивления каскада 13, не зависит от его выходного тока..

С помощью реостата (переменного резистора) 17 величина переменного напряжения питания моста 4 устанавливается такой, чтобы мост 4 был сбалансирован в условиях сухого потока при нулевом токе каскада 13. При изменениях параметров потока этот баланс достаточно точно сохраняется, так как при этом и потери тепла с обоих чувствительных элементов, и переменные напряжения, и соответствующие мощности их питания меняются пропорционально друг другу.

Таким образом, в сухом потоке постоянное напряжение питания моста 4 и чувствительного элемента 1 равно нулю. Наличие в потоке водного аэрозоля вызывает дополнительные потери тепла с чувствительного элемента 1 на нагревание и испарение осаждающейся воды. Прн этом мощность переменного напряжения оказывается недоста777611 точной для поддержания его заданной температуры, и баланс моста 4 восстанавливается за счет постоянного управляющего тока выхода каскада 13. На чувствительном элементе 1 выделяется мощность, равная сумме мощностей переменной и постоянной составляющих тока, причем мощность переменной составляющей компенсирует конвективную теплоотдачу чувствительного элемента, а мощность постоянного тока— затраты тепла на нагревание и испарение осаждающейся воды. Если рабочая температура чувствительного элемента достаточно высокая, чтобы обеспечить испарение всей осаждающейся воды в заданных условиях измерений, то мощность постоянного тока на обмотке чувствительного элемента

1 равна

P = Я, = = 0,24ЯЮЮ я, т где i — постоянная составляющая тока чувствительного элемента;

U — постоянная составляющая падения напряжения на нем: U = Я„

R, — сопротивление чувствительного элемента при рабочей температуре;

5 — приемная (нормальная к потоку) площадь чувствительного элемента;

V — скорость потока;

L — удельная теплота парообразования воды при температуре потока;

W — водность; в — коэффициент захвата чувствительного элемента, равный единице для использованного датчика;

0,24 дж/кал — механический эквивалент

5 теплоты.

Регистрирующее устройство 20 регистрирует постоянную составляющую напряжения на чувствительном элементе 1, а фильтр 19 на его входе подавляет перемен10 ную составляющую.

Формула изобретения

Поточный измеритель водности, содержащий чувствительный элемент с термозави15 симым сопротивлением, включенный в замкнутую цепь стабилизации его температуры, состоящую из резистивного моста, нуль-органа и усилителя мощности с выходом на постоянном токе, являющимся выходом из20 мерителя, отл и чаю щийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, он снабжен дополнительной аналогичной замкнутой цепью с чувствительным элементом, защищенным от воздействия

25 водного аэрозоля, усилитель мощности которой выполнен с дополнительным пропорциональным выходом переменного тока, подключенным к резистивному мосту основной цепи измерителя.

30 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США № 2.814.948, кл. 73 — 170, 1957, 2. Авторское свидетельство СССР

35 № 124684, кл, G 01W 1/00, 1959.

Редактор E. Гончар

Составитель С. Непомнящая

Техред А. Камышникова

Корректор О. Тюрина

Заказ 29/19 Изд. М 595 Тираж 474 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, OK-35, Раушская наб., д. 4 5

Типография, пр. Сапунова, 2