УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕКУЧИХ СРЕД Российский патент 2001 года по МПК G01P5/12 G01F1/69 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к области измерения скорости текучих сред, и может быть использовано, в частности, для измерения расхода газа в нескольких автономных каналах.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство для измерения скорости текучей среды (Датчики измерительных систем. Ж.Аш с соавторами. Книга 2. Перевод с французского под редакцией А. С. Обухова. Москва. Мир, 1992. С. 133-136). Устройство содержит источник тока, подключенный к чувствительному элементу в виде вольфрамовой нити, измерительный усилитель напряжения, входы которого соединены с выводами чувствительного элемента, и компенсатор тепловой инерции чувствительного элемента, вход которого соединен с выходом измерительного усилителя напряжения. Блок компенсации в данном устройстве предназначен для компенсации тепловой инерции нити, т.к. показания снимаются с нагретой нити.

Устройству для измерения скорости текучих сред присущи следующие недостатки.

Во-первых, так как показания снимаются с чувствительного элемента во время прохождения нагревного тока, чувствительный элемент, в качестве которого используется вольфрамовая нить, быстро стареет и меняет свои характеристики, при этом происходит перекристаллизация материала нити, следовательно, снижается точность измерений. Во-вторых, при малых скоростях потока воздуха имеет место "тепловой шум", т.е. неконтролируемые флуктуации сопротивления, возникающие при больших токах и температурах, что приводит к снижению точности и сужению диапазона измерений. В-третьих, так как нагретое тело (чувствительный элемент) обладает некоторой теплоемкостью, определяющей тепловую постоянную времени запаздывания, то возникает необходимость компенсации тепловой инерции, что также снижает точность. В-четвертых, в вышеописанном устройстве в качестве меры скорости текучей среды используется равновесная температура нагретого чувствительного элемента, определяемая путем измерения ее электрического сопротивления, при этом на результаты измерений влияют такие трудно учитываемые внешние факторы, как начальная температура среды, температура нити и нестабильность параметров схемы. Эти факторы приводят к изменению электрического сопротивления нити, и, следовательно, появлению на измерительных входах усилителя нескомпенсированного сигнала, обусловленного этими изменениями, что приводит к снижению точности измерений и сужению динамического диапазона измеряемого сигнала. Кроме того, при наличии нескольких каналов измерения скорости текучей среды невозможно подобрать вольфрамовые нити с идентичными характеристиками, а значит возникает проблема индивидуального подбора параметров усилителя для каждого чувствительного элемента, что усложняет и удорожает устройство. К тому же при этом возникает необходимость использования для каждого канала своего источника тока, что приведет к увеличению потребляемой мощности.

Таким образом, описанное устройство обладает низкой точностью измерений и узким динамическим диапазоном, что ограничивает область его применения и не позволяет использовать в случае необходимости контроля расхода газа одновременно в нескольких автономных каналах из-за неоправданно больших энергетических и материальных затрат.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерений скорости текучих сред, расширения динамического диапазона измерений и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения проведения измерений скорости текучих сред в нескольких автономных каналах при минимальных энергетических и материальных затратах.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения скорости текучих сред, содержащее чувствительный элемент, источник тока и измерительный усилитель предлагается выполнить так, что оно содержит n чувствительных элементов, мультиплексор, блок подстройки нуля, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, при этом первые выводы чувствительных элементов объединены и подключены к одному полюсу источника питания, вторые выводы чувствительных элементов через мультиплексор подключены к другому полюсу источника питания, соединенному с первым входом измерительного усилителя, второй вход которого соединен с выходом блока подстройки нуля, а выход измерительного усилителя соединен с объединенными входами блока подстройки нуля и аналого-цифрового преобразователя, причем выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микроконтроллера, первый выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора, второй выход соединен с управляющим входом источника питания, а третий выход соединен с управляющим входом блока подстройки нуля.

При этом блок подстройки нуля может содержать запоминающий конденсатор, инвертирующий усилитель и управляемый ключ, вход которого является входом блока подстройки нуля, а выход соединен со входом инвертирующего усилителя, при этом управляющий вход ключа является управляющим входом блока подстройки нуля, один вывод запоминающего конденсатора соединен со входом инвертирующего усилителя, а другой вывод - с выходом инвертирующего усилителя, представляющим собой выход блока подстройки нуля.

Микроконтроллер может содержать процессор с блоком памяти программ, блоком памяти данных и портом ввода-вывода, при этом первый вывод порта ввода-вывода является входом микроконтроллера, второй вывод порта ввода-вывода является первым выходом микроконтроллера, третий вывод порта ввода-вывода является вторым выходом микроконтроллера, четвертый вывод порта ввода-вывода является третьим выходом микроконтроллера.

Устройство для измерения скорости текучих сред может дополнительно содержать блок индикации и пульт управления, при этом вход блока индикации соединен с четвертым выходом микроконтроллера, являющимся пятым выводом порта ввода-вывода, а выход пульта управления соединен со вторым входом микроконтроллера, являющимся шестым выводом порта ввода-вывода.

Введение в устройство n чувствительных элементов и мультиплексора позволяет реализовать возможность измерения скорости текучих сред в нескольких автономных каналах.

Введение в устройство блока подстройки нуля позволяет повысить точность измерений скорости текучих сред за счет уменьшения влияния внешних факторов таких, как начальная температура среды, температура нити и нестабильность параметров схемы, связанных с изменением температуры, а также за счет устранения необходимости индивидуальной калибровки каждого чувствительного элемента и индивидуального подбора параметров измерительного усилителя.

Введение в устройство аналого-цифрового преобразователя и микроконтроллера обеспечивает автоматизацию процесса измерений и позволяет программно менять в широких пределах диапазон измеряемых скоростей, а также сокращает временные и материальные затраты на проведение измерений.

Введение в устройство индикатора и пульта управления позволяет реализовать возможность визуализации результатов измерений и оперативно изменять параметры работы устройства, что способствует повышению удобства работы устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для измерения скорости текучих сред. На фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма управляющей программы устройства. На фиг. 3 приведена временная диаграмма работы устройства.

Устройство для измерения скорости расхода текучих сред содержит чувствительные элементы 1, блок 2 питания и измерительный усилитель 3. Первые выводы чувствительных элементов 1 объединены и подключены к одному полюсу блока 2 питания, вторые выводы чувствительных элементов 1 через мультиплексор 4 подключены к другому полюсу блока 2 питания, соединенному с первым входом измерительного усилителя 3. Второй вход измерительного усилителя 3 соединен с выходом блока 5 подстройки нуля, а выход измерительного усилителя 3 соединен с объединенными входами блока 5 подстройки нуля и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6, при этом выход АЦП 6 соединен со входом микроконтроллера 7. Первый выход микроконтроллера 7 соединен с управляющим входом мультиплексора 4, второй выход - с управляющим входом блока 2 питания, а третий выход соединен с управляющим входом блока 5 подстройки нуля. Блок 5 подстройки нуля содержит запоминающий конденсатор 8, инвертирующий усилитель 9 и управляемый ключ 10, информационный вход которого является управляющим входом блока 5 подстройки нуля. Выход управляемого ключа 10 соединен с входом усилителя 9, а вход ключа 10 является входом блока 5. Один вывод запоминающего конденсатора 8 соединен с входом усилителя 9, а другой вывод - с выходом усилителя 9, являющимся выходом блока 5. Микроконтроллер 7 содержит процессор 11, с блоком 12 памяти программ, блоком 13 памяти данных и портом 14 ввода-вывода, при этом первый вывод порта 14 является входом микроконтроллера 7, второй вывод порта 14 является первым выходом микроконтроллера 7, третий вывод порта 14 является вторым входом микроконтроллера 7, четвертый вывод порта 14 является третьим входом микроконтроллера 7. Блок 15 индикации соединен с четвертым выходом микроконтроллера 7, являющимся пятым выводом порта 14 ввода-вывода. Пульт 16 управления соединен со вторым входом микроконтроллера 7, являющимся шестым выводом порта 14 ввода-вывода. Источник 2 питания содержит включенные параллельно источник 17 измерительного тока и источник 18 нагревного тока, снабженный не показанным на фигурах управляемым ключом. Блок 15 индикации соединен с четвертым входом микроконтроллера 7, являющимся пятым выводом порта 14, а пульт 16 управления соединен с пятым входом 5 микроконтроллера 7, являющимся шестым выводом порта 14.

Чувствительный элемент 1 может быть выполнен, например, в виде тонкой вольфрамовой нити.

Измерительный усилитель 3 и инвертирующий усилитель 9 могут быть выполнены, например, на операционных усилителях ОР17.

Мультиплексор 4 может быть выполнен, например, на микросхеме МАХ306.

Микроконтроллер 7 и АЦП 6 могут быть выполнены, например на основе чипа Intel 87C196KC.

Управляемый ключ 10 блока 5, может быть выполнен на основе аналогового ключа МАХ303.

Блок 15 индикации может быть выполнен, например, на стандартном алфавитно-цифровом жидкокристаллическом модуле ВТ 1602.

Пульт 16 управления может быть выполнен, например, на основе клавиатуры FT 32064.

Источник 17 измерительного тока и источник 18 нагревного тока могут быть выполнены, например, по стандартной схеме преобразователя напряжение в ток.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы с помощью образцового измерительного прибора, например, ротаметра, производится калибровка каждого измерительного канала, а результаты калибровки заносятся в блок 13 памяти данных. В зависимости от характера предстоящих измерений, например, с пульта 16 управления устанавливаются рабочие параметры, такие как число и очередность опрашиваемых каналов измерения, точность и диапазон измерения скоростей, т.е. длительность протекания нагревного тока.

Работа устройства производится в соответствии с управляющей программой, блок-схема алгоритма которой приведена на фиг. 2. Программа хранится в блоке 12 памяти программ микроконтроллера 7. Процессор 11 в соответствии с управляющей программой выдает команду на выбор канала измерения, по которой на управляющий вход мультиплексора 4 поступает сигнал управления и последний подключает к первому (неинвертирующему) входу измерительного усилителя 3 соответствующий чувствительный элемент 1, размещенный в канале с автономным потоком воздуха, скорость которого необходимо измерить. Измерительный усилитель 3 постоянно включен. На начальном этапе (участок t₀-t₁ временной диаграммы фиг. 3) включен только источник 17 измерительного тока, величина которого не превышает 2 мА. Измерительный ток I_изм подводится через мультиплексор 4 к соответствующему чувствительному элементу 1, при этом на выходе мультиплексора 4 появляется напряжение U₀, обусловленное начальным суммарным сопротивлением чувствительного элемента 1 и мультиплексора 4. В момент времени t₁ процессор 11 вырабатывает команду, в соответствии с которой на управляющий вход ключа 10 поступает сигнал управления, в результате чего ключ 10 замыкается и блок 5 подстройки нуля включается. Напряжение, поступающее с выхода измерительного усилителя 3, фиксируется на запоминающем конденсаторе 8 и в противофазе подается на второй (инвертирующий) вход измерительного усилителя 3 так, что образуется цепь обратной связи. Режим подстройки нуля измерительного усилителя 3 (участок t₁-t₂ временной диаграммы) длится до тех пор, пока напряжение на выходе измерительного усилителя 3, измеряемое с помощью АЦП 6, не станет равно нулю. Это означает, что начальное суммарное сопротивление чувствительного элемента 1 и мультиплексора 4 полностью скомпенсировано и не будет влиять на результаты измерений.

В момент времени t₂ микроконтроллер 7 вырабатывает команду на размыкание ключа 10 и отключение блока 5, а также вырабатывает команду на включение источника 18. Величина тока нагрева лежит в пределах 30 мА. В течение заданного интервала времени, составляющего, например, 300 мсек, нагревный ток подводится через мультиплексор 4 к выбранному чувствительному элементу 1 и нагревает его (участок t₂-t₃ временной диаграммы). Длительность 300 мсек выбрана из расчета обеспечения точности 5% в диапазоне измерения расхода газа от 0 до 2 л/мин при толщине нити чувствительного элемента 1, составляющей 0,01 мм.

По истечении заданного времени 300 мсек, в момент времени t₃ микроконтроллер 7 вырабатывает команду на выключение источника 18 тока нагрева. Чувствительный элемент 1 начинает остывать и его электрическое сопротивление уменьшается (участок t₃-t₄ временной диаграммы). Измерительный ток, протекая через остывающий чувствительный элемент 1, вызывает появление напряжения, обусловленного нескомпенсированным из-за нагревания сопротивлением нити и являющегося мерой этого сопротивления. АЦП 6 измеряет напряжение на выходе усилителя 3 в дискретные моменты времени (через каждые 20 мкс) в течение 400 мсек. Оцифрованные значения напряжения U(t) считываются по команде процессора 11 из АЦП 6 и записываются в блок 13 памяти данных.

По измеренным значениям определяется скорость потока, а следовательно, и расход газа, для чего процессор 11 вычисляет значение α, используя формулу R(t) = A₀e^-αt, где A₀ - постоянный коэффициент, определяемый опытным путем при градуировке измерительного канала, α- показатель экспоненты (коэффициент затухания), являющийся мерой расхода газа, R(t) = U(t)/I_изм - сопротивление чувствительного элемента. После чего процессор 11 по найденному значению α вычисляет расход газа в соответствии с калибровочной таблицей, находящейся в блоке 13 памяти данных, и выводит результат на жидкокристаллический индикатор 15.

По окончании цикла измерений, процессор 11 в соответствии с управляющей программой выдает команду на подключение следующего чувствительного элемента 1 к информационному входу измерительного усилителя 3 и вышеописанные процессы повторяются.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства за счет обеспечения оперативного измерения скорости, а следовательно, и расхода газа в нескольких автономных каналах с различными потоками при минимальных энергетических и материальных затратах. Кроме того, повышается точность и расширяется диапазон измерения скорости текучей среды. Так, например, в промышленно выпускаемом 60-канальном устройстве при диаметре измерительного канала 15 мм достигается точность измерения расхода воздуха 2%. К тому же повышается надежность, долговечность и удобство работы устройства.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода газа в нескольких автономных каналах. Устройство содержит n чувствительных элементов, мультиплексор, блок подстройки нуля, измерительный усилитель, АЦП, микроконтроллер, пульт управления. Блок подстройки нуля включает в себя запоминающий конденсатор, инвертирующий усилитель и управляемый ключ. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения скорости текучих сред при минимальных энергетических затратах. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения скорости текучих сред, содержащее чувствительный элемент, источник питания и измерительный усилитель, отличающееся тем, что оно содержит n чувствительных элементов, мультиплексор, блок подстройки нуля, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, при этом первые выводы чувствительных элементов объединены и подключены к одному полюсу источника питания, вторые выводы чувствительных элементов через мультиплексор подключены к другому полюсу источника питания, соединенному с первым входом измерительного усилителя, второй вход которого соединен с выходом блока подстройки нуля, а выход измерительного усилителя - с объединенными входами блока подстройки нуля и аналого-цифрового преобразователя, причем выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом микроконтроллера, первый выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора, второй выход - с управляющим входом источника питания, а третий выход - с управляющим входом блока подстройки нуля. 2. Устройство для измерения скорости текучих сред по п.1, отличающееся тем, что блок подстройки нуля содержит запоминающий конденсатор, инвертирующий усилитель и управляемый ключ, вход которого является входом блока подстройки нуля, а выход соединен с входом инвертирующего усилителя, при этом управляющий вход ключа является управляющим входом блока подстройки нуля, один вывод запоминающего конденсатора соединен с входом инвертирующего усилителя, а другой вывод - с выходом инвертирующего усилителя, представляющим собой выход блока подстройки нуля. 3. Устройство для измерения скорости текучих сред по п.1 или 2, отличающееся тем, что микроконтроллер содержит процессор с блоком памяти программ, блоком памяти данных и портом ввода-вывода, при этом первый вывод порта ввода-вывода является входом микроконтроллера, второй вывод порта ввода-вывода - первым выходом микроконтроллера, третий вывод порта ввода-вывода - вторым выходом микроконтроллера, четвертый вывод порта ввода-вывода - третьим выходом микроконтроллера. 4. Устройство для измерения скорости текучих сред по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок индикации и пульт управления, при этом вход блока индикации соединен с четвертым выходом микроконтроллера, являющимся пятым выводом порта ввода-вывода, а выход пульта управления соединен с вторым входом микроконтроллера, являющимся шестым выводом порта ввода-вывода.