СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА Российский патент 1994 года по МПК G01P5/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения скорости течения жидкостного или газового потока криогенных сред.

Известен в термоанемометрии способ измерения скорости и течения жидкости или газа, заключающийся в подведении к термочувствительному элементу (ТЧЭ) электрического тока и определении скорости измеряемой среды по величине теплового потока при достижении ТЧЭ заданной температуры [1] . Недостатком данного способа является низкая чувствительность термоанемометрического устройства, его реализующего.

Известен также способ измерения скорости течения криогенной жидкости, заключающийся в пропускании через ТЧЭ электрического сигнала, подведении к нему тепла от дополнительного источника и определении скорости течения жидкости по величине теплового потока от дополнительного источника тепла в момент перехода ТЧЭ из сверхпроводящего состояния в нормальное [2] .

Недостатком этого способа является сложность его реализации, заключающаяся в необходимости дополнительного источника тепла.

Целью изобретения является упрощение процесса измерения скорости потока криогенных сред и повышение чувствительности измерения.

Для этого в способе измерения скорости течения жидкости, заключающемся в пропускании через чувствительный элемент электрического тока и определении скорости течения жидкости по изменению величины напряжения на чувствительном элементе, через чувствительный элемент, выполненный из высокотемпературной металлокерамики, например YBaCuO, пропускают электрический ток, величина которого обеспечивает работу в режиме фазового перехода в сверхпроводящее состояние и устанавливается в соответствии с формулой
I= I_c(1-T/T_c)^m, (1) где I - величина устанавливаемого тока;
I_c - величина критического тока при T= 0^oK;
Т - начальная температура измеряемой среды;
Т_с - температура фазового перехода при I= 0;
m - показатель степени, равный 1-1,5 (для пленок, изготовленных по разным технологиям).

Таким образом, в предложенном способе измерение скорости по величине теплового потока проводится не в момент перехода в сверхпроводящее состояние, а в течение протяженного интервала температур, охватывающего весь диапазон фазового перехода. При этом используется обнаруженный в экспериментах интервал температур фазового перехода у высокотемпературных металлокерамик (ВТСП), значительно более широкий, чем у сверхпроводящих металлов (и их сплавов) при низких температурах. Например, для олова это 10^-3К, а для YBaCuO - (2. . . 6)K.

Применение сверхпроводящей металокерамики в ТЧЭ позволяет отказаться от дополнительного источника тепла, т. е. упростить способ измерения и повысить чувствительность, поскольку в этом случае весь диапазон теплового режима при установленном постоянном токе в диапазоне измеряемых скоростей может быть охвачен вышеупомянутым интервалом температур фазового перехода в сверхпроводящее состояние. Иными словами, тепловой режим ТЧЭ в диапазоне измеряемых скоростей потока не выходит за интервал температур Т_с1>Т_с>Т_с2, где Т_с1 - температура начала перехода в сверхпроводящую фазу ТЧЭ; Т_с2 - температура конца перехода в сверхпроводящую фазу ТЧЭ. При этом рабочий режим, соответствующий фазовому переходу, обеспечивается выбором тока смещения Ic, пропускаемого через ТЧЭ и устанавливаемого в соответствии с формулой (1).

Меняя величину пропускаемого тока в пределах от 0 до I_c, можно изменять температурный интервал, например, чтобы температура Т_с, ТЧЭ находилась приблизительно посередине интервала [T_c1, T_c2] .

На фиг. 1 изображен термоанемометрический датчик, продольный разрез; на фиг. 2 - термоанемометрический датчик, общий вид.

Термоанемометрический датчик (фиг. 1) состоит из корпуса 1, пленочного термочувствительного элемента 2, выполненного из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики, например Y₁Ba₂Cu₂O₇, размещенной на диэлектрической подложке. Крепление подложки обеспечивается эпоксидным компаундом 3, выводы от контактных площадок тонкими проводниками 4 подсоединены к клеммным контактам 5 разъемного соединения 6. На корпусе имеется резьбовое соединение для установки термоанемометрического датчика в канале трубопровода. Электрическая схема термоанемометрического датчика имеет четыре вывода: два потенциальных U₁ и U₂ и два токовых I₁ и I₂. К потенциальным выводам подсоединяется микровольтметр, к токовым - источник тока.

Датчик работает следующим образом. Поток измеряемой среды обтекает рабочую поверхность чувствительного элемента 2 термоанемометрического датчика и отводит от нее тепло. При этом электрическое сопротивление датчика изменяется по мере изменения скорости измеряемой среды. Связь температура среды/ скорости потока V с непосредственно измеряемой термоанемометром величиной (сопротивлением R, силой тока I или разностью потенциалов U) определяется основным уравнением теплообмена
I²R= (T_изм-Т_с)(а+bVⁿ), (2)
R= R_o[1+ α_t (T_изм-Т_с)] , (3) где a, b, n - постоянные;
Т_изм - температура измеряемой среды при скорости V;
R - сопротивление ТЧЭ при Т_с;
α _t - температурный коэффициент сопротивления.

Величина чувствительности для ТЧЭ зависит от определенной величины тока смещения I_c, при котором критическая температура фазового перехода становится равной температуре рабочей среды (Т_изм= Т), и от температурного коэффициента сопротивления. Чувствительность термопреобразователя в принципе может быть достигнута 100^-7B/K , что позволяет регистрировать изменение температуры до 10^-7 К.

Таким образом, выполнение чувствительного элемента термоанемометра из высокотемпературной сверхпроводящей металлокерамики позволяет кроме упрощения способа измерения иметь высокочувствительный термоэлемент. (56) 1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. Л. , 1975, с. 464.

2. Авторское свидетельство СССР N 525886, кл. G 01 P 5/12, 1976.

Использование: для измерения скорости течения жидкостного или газового потока криогенных сред. Сущность изобретения: выполнение чувствительного элемента высокотемпературной металлокерамики, например YBaCuO, и пропускание через него электрического тока, величина которого обеспечивает работу в режиме фазового перехода в сверхпроводящее состояние, позволяет отказаться от дополнительного источника тепла, что упрощает способ измерения и позволяет повысить чувствительность, поскольку в этом случае весь диапазон теплового режима при установленном постоянном токе в диапазоне измеряемых скоростей может быть охвачен интервалом температур фазового перехода в сверхпроводящее состояние. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА , заключающийся в пpопускании чеpез чувствительный элемент электpического тока и опpеделении скоpости течения по изменению величины напpяжения на чувствительном элементе, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполняют из высокотемпеpатуpной металлокеpамики, а величину I электpического тока устанавливают в соответствии с фоpмулой
I = I_c1- ,
где I_с - величина критического тока при T = 0 К;
T - начальная температура среды;
T_с - температура фазового перехода при I = 0;
m = 1 - 1,5 - показатель степени. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполняют из YBa CuO.