СПОСОБ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/00 

Предложенное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости движения газовой или жидкой среды, ее состава, плотности, а также плотности и состава твердых теплопроводных сред.

Известен способ термоанемометрических измерений путем изменения условий теплообмена терморезистора и регистрации установившегося значения его электрического сопротивления. Недостатком данного способа являются большие температурные погрешности при измерении характеристик движущихся газовых или жидких сред [1].

Известен способ термоанемометрических измерений путем разогрева терморезистора до характеристической температуры за счет тока разогрева, отключения тока разогрева и регистрации времени остывания терморезистора до температуры окружающей среды. Недостатком данного способа является необходимость ожидания времени окончания переходного процесса остывания терморезистора от характеристического значения температуры до температуры окружающей среды, что обуславливает большую инерционность при измерениях [2].

В качестве прототипа выбран способ термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации длительности импульса изменения энергетического состояния терморезистора [3].

Недостатком данного способа являются недостаточные динамические свойства (большая инерционность) при измерениях, обуславливающие большие динамические погрешности при измерении быстроменяющихся газодинамических процессов.

Действительно, время измерения значения, например скорости движения среды, в известном способе термоанемометрических измерений не может быть меньше длительности импульса изменения температуры терморезистора, т.к. длительность импульса функционально связана с условиями теплообмена терморезистора, а следовательно, и с характеристиками окружающей терморезистор среды. При регистрации длительности импульса осуществляется однократное измерение значения входного параметра.

Целью изобретения является снижение инерционности измерений за счет обеспечения на интервале длительности импульса изменения температуры терморезистора возможности регистрации нескольких значений входных воздействий.

Данная цель достигается за счет того, что в способе термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации характеристик изменения энергетического состояния терморезистора при фиксированных температурах коммутации энергетического состояния терморезистора регистрируют значения угла наклона кривых изменения энергетического состояния терморезистора в моменты коммутации на интервале импульса изменения энергетического состояния терморезистора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства, реализующего предложенный способ термоанемометрических измерений, на фиг.2 - диаграмма изменения температуры терморезистора в процессе измерения.

Терморезистор 1 соединен с источником питания 2 через ключ 3. Выход терморезистора соединен с входом дифференцирующего звена 4.

Работа устройства, реализующего предложенный способ измерения, осуществляется следующим образом.

При подключении терморезистора 1 к источнику питания 2 с помощью ключа 3 через терморезистор начинает протекать электрический ток I, который начинает разогревать (изменять температуру Т) терморезистор. При достижении температуры нагрева терморезистора значения T₁ ключ 3 по сигналу с терморезистора (см. фиг. 1) отключает источник питания 2, тем самым прерывая электрический ток I через терморезистор. Терморезистор начинает остывать и при достижении его температуры значения Т₂ ключ 3 по сигналу с терморезистора снова подключает источник питания 2 к терморезистору, после чего разогрев терморезистора под действием протекающего через него электрического тока до температуры T₁ повторяется.

Время разогрева t₁ терморезистора от температуры Т₂ до T₁, a следовательно, и крутизна нарастания температуры целиком определяется условиями теплообмена терморезистора с окружающей средой (контролируемыми характеристиками среды). При фиксированных значениях Т₂ и T₁ время t₁ целиком определяется углом α₁ наклона кривой нарастания температуры. Так при малом перепаде T₁ - Т₂ кривые изменения температуры терморезистора можно апроксимировать прямыми и записать

В этом случае для измерения значения скорости движения окружающей терморезистор среды нет необходимости ждать время t₁, a необходимо в момент коммутации измерить угол α₁ наклона кривой нарастания температуры разогрева и по вышеприведенному соотношению (T₁ - Т₂ - const) вычислить t₁.

Крутизна кривой изменения температуры (скорость изменения температуры) определяется (регистрируется) путем дифференцирования сигнала U₁ с терморезистора в момент коммутации с помощью дифференцирующего звена 4, на выходе которого будет сигнал Ú₁, пропорциональный углу наклона кривой изменения энергетического состояния терморезистора (скорости изменения энергетического состояния).

Совершенно аналогично значение t₂ (см. фиг.2) может быть определено в момент коммутации на уровне T₁ по углу наклона α₂ кривой остывания терморезистора, т. к. время остывания t₂ также определяется условиями теплообмена терморезистора с окружающей средой и функционально связано с контролируемыми характеристиками окружающей терморезистор среды. Таким образом, на интервале времени t₁+t₂ длительности импульса изменения температуры терморезистора при предложенном способе измерения обеспечивается измерение двух значений характеристик окружающей терморезистор среды (вместо одного измерения при известном способе термоанемометрических измерений), что обеспечивает снижение инерционности измерений (повышение динамических свойств устройств, реализующих предложенный способ измерений), а следовательно, снижение динамических погрешностей при измерении быстроменяющихся характеристик контролируемых потоков.

Переход от регистрации контролируемых характеристик внешней среды по параметрам времени изменения температуры между фиксированными уровнями температур нагрева к регистрации скорости изменения температур в моменты коммутации тока разогрева позволяет снизить инерционность измерения в 2 раза, т.к. на интервале длительности одного импульса осуществляется измерение двух значений параметров, например скорости движения окружающей терморезистор среды.

Техническая реализация способа термоанемометрических измерений требует применения известных технических решений и технологий реализации отдельных операций.

Ориентировочные сроки внедрения способа термоанемометрических измерения в производство 2-3 месяца.

Имеются аналитические и экспериментальные результаты, позволяющие обоснованно выбирать параметры и режимы работы технических устройств, реализующих предложенный способ измерений.

Источники информации
1. Попов B. C. Металлические подогревные сопротивления в электроизмерительной технике и автоматике. М.-Л., Наука, 1964, с. 13.

2. Авторское свидетельство 637676, СССР, МКИ G 01 Р 5/12, БИ 46, 1978.

3. Авторское свидетельство 817567, СССР, МКИ G 01 N 25/72, БИ 12, 1981 - прототип.

Способ термоанемометрических измерений относится к измерительной технике. В способе термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации характеристик изменения энергетического состояния терморезистора при фиксированных температурах коммутации энергетического состояния терморезистора регистрируют значение угла наклона кривой изменения энергетического состояния терморезистора после каждого момента коммутации на интервале длительности импульса изменения энергетического состояния терморезистора. Техническим результатом изобретения является снижение инерционности при термоанемометрических измерениях. 2 ил.

Способ термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации характеристик изменения энергетического состояния терморезистора, отличающийся тем, что при фиксированных температурах коммутации энергетического состояния терморезистора регистрируют значение угла наклона кривой изменения энергетического состояния терморезистора в моменты коммутации на интервале длительности импульса изменения энергетического состояния терморезистора.