СПОСОБ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01P5/12 G01F1/68 

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

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

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 [2]. 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.

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

Недостатком данного способа термоанемометрических измерений является наличие погрешности в результатах измерений от высокочастотных помех изменения температуры окружающей среды. Например, если на термочувствительный элемент действует, наряду с полезным контролируемым сигналом в виде скорости движения среды, высокочастотная помеха в виде изменения температуры контролируемой движущейся среды, то длительность t₀ импульса изменения температуры термочувствительного элемента (см. фиг. 1), зависящая от длительности t₁ разогрева термочувствительного элемента между уровнями температур Т₁ и Т₂ будет меняться как под воздействием скорости V движения газовой или жидкой среды (полезный сигнал), так и под влиянием изменения температуры Т_cр движущейся среды. Изменение длительности Δt₀, импульса изменения температуры термочувствительного элемента под воздействием температуры Т_cр является помехой и участвует в формировании погрешности термоанемометрических измерений.

Целью изобретения является повышение точности термоанемометрических измерений за счет устранении в результатах измерений составляющих, зависящих от изменения температуры контролируемого потока.

Данная цель достигается за счет того, что в способе термоанемометрических измерений путем пропускания через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрева и охлаждения термочувствительного элемента между фиксированными температурными уровнями и регистрации характеристик импульсных изменений, регистрируют характеристики импульсного тока, протекающего через термочувствительный элемент, в виде его действующего значения.

На фиг.2 приведена принципиальная схема устройства, реализующего предложенный способ термоанемометрических измерений, на фиг.3 - диаграмма изменения температуры термочувствительного элемента под действием импульсного тока.

Термочувствительный элемент 1 последовательно соединен через ключ 2 с источником питания 3. Вход ограничителя уровня 4 соединен с выходом термочувствительного элемента, а выход ограничителя уровня соединен с цепью управления ключа 2.

Работа устройства, реализующего предложенный способ термоанемометрических измерений, осуществляется следующим образом.

После подключения термочувствительного элемента 1 через ключ 2 к источнику питания 3 (см.фиг.2) через термочувствительный элемент протекает ток I_т, обеспечивающий разогрев термочувствительного элемента. При нагреве термочувствительного элемента до температуры Т₁ сигнал с ограничителя уровня 4 подается в цепь управления ключа 2, который размыкает электрическую цепь источника питания 3. Электрический ток через теромочувствительный элемент прерывается (см.фиг.3) и термочувствительный элемент 1 начинает остывать от температуры Т₁ до температуры Т₂. При достижении температуры Т₂ сигнал ограничителя уровня 4 с входа ключа 2 снимается. Ключ 2 замыкается и снова возобновляется протекание тока I_т через термочувствительный элемент с последующим его разогревом от температуры Т₂ до T₁.

Как уже отмечалось выше, длительность t₀ импульса изменения температуры однозначно связано с скоростью V движения контролируемой среды и ее температурой Т_ср. Причем быстроменяющаяся температура контролируемой среды является помехой, формирующей погрешность измерения скорости движения газового или жидкого потока.

Однако является очевидным, что импульсное воздействие тока обеспечивает поддержание постоянной средней температуры Т₀ нагрева термочувствительного элемента
Т₀=(Т₁+Т₂)/2
в условиях меняющегося его теплообмена при изменении скорости движения среды, за счет соответствующего изменения действующего значения тока. Уровень действующего значения электрического тока I_т ^д через термочувствительный элемент, требуемый для поддержания Т₀ - сonst, функционально связан с скоростью V обдува термочувствительного элемента и может быть взят в качестве регистрируемого параметра при термоанемометрических измерениях. Если учесть, что действующее значение I_т ^д электрического тока характеризуется общей величиной площади импульсов изменения тока (см.фиг.3), то являются очевидными возможности "фильтрации" помех при изменении температуры контролируемого потока, если выходной контролируемый параметр при термоанемометрических измерениях будет взят в виде действующего значения протекающего через термочувствительный элемент тока.

Действительно, например, под влиянием быстроменяющейся температуры контролируемого потока два соседних импульса изменения температуры Т термочувствительного элемента изменят свою длительность на Δt₀, но с разными знаками отклонения. Эти изменения Δt₀ являются погрешностями по температуре контролируемого потока, если о значении скорости движения среды судить по длительности t₀ импульса изменения температуры термочувствительного элемента. Однако, если о скорости движения контролируемой среды судить по действующему значению (площади импульсов) импульсного тока, протекающего через термочувствительный элемент, то общая площадь двух соседних импульсов при изменении их длительности на одну и ту же величину, но с разными знаками при изменении температуры контролируемого потока, не меняется, т.е. при регистрации общей площади (действующее значение) импульсов тока отсутствуют погрешности, связанные с изменением температуры контролируемого потока, что обеспечивает повышение точности термоанемометрических измерений.

Таким образом, организация термоанемометрического измерения, при котором контролируемым параметром при измерениях является действующее значение импульсного тока, протекающего через термочувствительных элемент, позволяет устранить влияние на результаты измерений помех в виде быстроменяющихся температур окружающей термочувствительный элемент среды и обеспечить повышение точности измерений.

Техническая реализация способа требует применение известных технических средств и технологий реализации отдельных операций.

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

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

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

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

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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости движения газовой или жидкой среды, ее плотности, состава, а также состава и плотности твердых теплопроводных сред. Способ включает пропускание через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрев и охлаждение термочувствительного элемента между фиксированными температурными уровнями и регистрацию действующего значения импульсного тока. Техническим результатом является повышение точности измерений. 3 ил.

Способ термоанемометрических измерений путем пропускания через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрева и охлаждения термочувствительного элемента до фиксированного температурного значения и регистрации характеристик импульсных изменений, отличающийся тем, что регистрируют действующее значение импульсного тока, протекающего через термочувствительный элемент.