УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01F1/68 

Изобретение относится к технике измерения газовых потоков и может быть использовано в медицине, промышленности и научных исследованиях.

Известны устройства для измерения объемной скорости газового потока, основанные на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого устройством, установленным в приемнике газового потока. В частности, известно устройство для измерения объемной скорости газового потока /1/, содержащее устройство, создающее перепад давления, и датчик перепада давления. Недостатком его является низкая чувствительность в условиях малых потоков, сужение рабочего диапазона прибора и значительная погрешность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является устройство для измерения объемной скорости газового потока /2/, приемник газового потока которого содержит сужающее устройство в виде двух крестообразных препятствий, создающих перепад давления. Крестообразные препятствия выполнены полыми, а отбор давления происходит через имеющиеся в них каналы. Приемник газового потока соединен с датчиком перепада давления.

Недостаток прототипа заключается в следующем. Приемник газового потока обладает квадратичной зависимостью перепада давления от потока. Следствием этого является необходимость использования двух датчиков перепада давления, автоматизированного устройства их коммутации и аналогового устройства, вычисляющего квадратный корень из выходного напряжения. В результате чрезмерно усложняется электронный блок, снижается его надежность и точность измерения.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство для измерения объемной скорости газового потока, в котором новая форма выполнения сужающегося устройства и применение оригинального датчика перепада давления позволили бы обеспечить повышение его надежности, точности измерения и удешевления.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве, включающем приемник газового потока, выполненный в виде трубы, которая содержит сужающее устройство, создающее перепад давления при прохождении газа, и датчик перепада давления, сужающее устройство выполнено в виде перфорированной диафрагмы, состоящей из нескольких симметрично расположенных и соединенных в центре диафрагмы лепестков, а в качестве датчика перепада давления использован термоанемометр с нелинейной статической характеристикой. Кроме того, для регулирования зависимости газового потока через термоанемометр от перепада давления между приемником потока и термоанемометром расположен узел с калиброванным отверстием. И, кроме того, для повышения надежности работы за счет предотвращения попадания в датчик инородных частиц между термоанемометром и приемником потока включен фильтр.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 график зависимости от перепада давления выходного напряжения термоанемометрического датчика.

Устройство для измерения газового потока содержит приемник газового потока 1, внутри которого перпендикулярно потоку расположена диафрагма 2, перфорация которой выполнена в виде отверстий 3 либо в виде сегментов 4. Диафрагма образована соединенными в ее центре лепестками 5 или 6. С обеих сторон диафрагмы в приемник газового потока вставлены штуцеры 7, к которым подсоединены пневматические магистрали 8, служащие для соединения приемника газового потока 1 с термоанемометром с нелинейной статической характеристикой 9. На концах термоанемометра 9 закреплены узлы 10 с калиброванным отверстием. Между термоанемометром 9 и приемником потока 1 расположен фильтр 11. Поток газа попадает в приемник газового потока 1 и, проходя через перфорированную диафрагму 2, создает перепад давления на штуцерах 7. Вследствие этого в контуре, образованном пневматическими магистралями 8, возникает микропоток газа, который, проходя по магистрали 8, попадает в фильтр 11, очищаясь в нем от инородных частиц, проходит через узел с калиброванным отверстием 10 и регистрируется термоанемометрическим датчиком 9. Из известного соотношения между газовыми потоками через контур и приемник 1 определяется значение измеряемого основного потока.

Плоская перфорированная диафрагма 2 является конструктивно более простой, чем сдвоенное полое крестообразное препятствие прототипа. Вследствие этого использование предлагаемой диафрагмы 2 упрощает конструкцию устройства.

Использование в устройстве термоанеометра с нелинейной статической характеристикой 9 расширяет диапазон измерений. В приемнике газового потока при прохождении потока газа через перфорированную диафрагму 2 возникает перепад давления, имеющий зависимость от потока, близкую к квадратичной, т.е. изменение потока, например, в 1000 раз вызывает изменение перепада давления в 10⁶ раз. Термоанемометр с нелинейной статической характеристикой 9 имеет зависимость выходного напряжения от потока, близкую к корневой. В этом случае изменение перепада давления и, следовательно, микропотока через этот термоанемометр 9, в 10⁶ раз вызывает изменение выходного сигнала датчика в (10⁶)^1/2 1000 раз. Реально зависимость выходного сигнала термоанемометра от перепада давления не является чисто корневой и в значительной степени определяется конструкцией датчика. Перепад давления, создаваемый диафрагмой 2, также зависит от ее формы и характера газового потока (ламинарный или турбулентный). Кроме того, достигается улучшение воспроизводимости ее размеров при изготовлении. В результате улучшается воспроизводимость зависимости перепада давления, создаваемого сужающим устройством, от потока газа.

Однако общая для всех термоанемометров повышенная чувствительность в области малых потоков и пониженная в области больших потоков обеспечивает расширение диапазона измерений.

Приведенные расчеты подтверждены экспериментально.

На фиг. 2 представлена зависимость от перепада давления P выходного напряжения U термоанемометрического датчика 9, подключенного к аналоговому устройству обработки сигналов. Датчик является нелинейным элементом и измеряет перепады давления 0,01 -1500 Па.

Экспериментальные образцы предлагаемого устройства измеряют объемную скорость газового потока в диапазоне 0,04 15 л/с. Регистрация выходного напряжения проводится аналого-цифровым преобразователем (АЦП), работающим в диапазоне от -10 до +10 В с погрешностью ±2,5 В.

Для работы термоанемометрического датчика в оптимальном режиме поток газа пропускают через узел с калиброванным отверстием 10. Пусть l и d - соответственно длина и диаметр калиброванного отверстия. При потоке q через контур, образованный магистралями 8, на двух элементах падает давление
P 2Rq,
где R пневматическое сопротивление, равное:

μ вязкость газа.

Изменяя значение l и d, можно регулировать поток q через термоанемометр 9 так, чтобы датчик работал в оптимальном режиме. Например, при необходимости измерения больших потоков, вызывающих увеличение перепада давления на диафрагме 2, можно уменьшить диаметр d. В этом случае увеличение пневматического сопротивления R позволяет избежать выхода датчика в режим насыщения. Возможность адаптировать таким образом термометр 9 к требуемому режиму измерений позволяет расширить диапазон измерений.

Для предотвращения попадания в термоанемометр инородных частиц поток газа пропускают через фильтр 11.

При конкретном использовании предлагаемого устройства в него могут быть внесены дополнительные изменения. Например, может быть изменена форма диафрагмы 5 или 6, изменено количество и тип фильтров 11.

Использование: для измерения скорости газовых потоков в медицине, промышленности и научных исследованиях. Сущность изобретения: устройство состоит из приемника газового потока в виде трубы, внутри которой находится сужающее устройство, выполненное в виде перфорированной диафрагмы, состоящей из нескольких симметрично расположенных и соединенных в центре диафрагмы лепестков, и датчика перепада давления, в качестве которого использован термоанемометр с нелинейной статической характеристикой. Для предотвращения попадания в датчик инородных частиц использован фильтр. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения скорости газового потока, содержащее приемник газового потока в виде трубы, внутри которой размещено сужающее устройство, создающее перепад давления при протекании газа, и датчик перепада давления, отличающееся тем, что сужающее устройство выполнено в виде перфорированной диафрагмы, представляющей собой несколько симметрично расположенных относительно оси и соединенных в центре диафрагмы лепестков, а в качестве датчика перепада давления использован термоанемометр с нелинейной статической характеристикой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит узел с калиброванным отверстием, регулирующий зависимость газового потока через термоанемометр от перепада давления и расположенный между приемником потока и термоанемометром. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит между термоанемометром и приемником потока фильтр, предотвращающий попадание в датчик инородных частиц.