СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01P5/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения скорости, а также температуры газового потока в различных отраслях техники, промышленности и научных исследованиях.

Для измерения скорости воздушного потока в настоящее время разработано большое количество приборов, например: крыльчатые, чашечные, маятниковые, электроискровые, акустические анемометры, кататермометры, термоанемометры и т.д. Из всех перечисленных приборов термоанемометры занимают особое место, благодаря своей малой инерционности, хорошей пространственной разрешающей способности, высокой чувствительности и возможности изготовления в виде зондов весьма малых размеров для изучения потоков в пограничном слое у твердой стенки. [1. С.А.Спектор. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 245 с.2. С.М.Горин, И.И.Слезингер. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. - М.: Наука, 1964. - 239 с.]. В схемах термоанемометров используются проволочные, термисторные и пленочные датчики. Термоанемометр может работать в трех основных режимах: постоянного тока, постоянной температуры и постоянного перегрева.

Предлагаемые способ и устройство для измерения скорости и температуры газа не имеет очевидного прототипа в силу различия физической основы и, следовательно, механизмов достижения технического результата по сравнению с известными источниками информации. По назначению (измерение скорости потока) наиболее близким к изобретению и имеющим некоторые общие элементы конструкции, что оправдывает его выбор в качестве прототипа, является термоанемометр [2, стр.242]. Данный термоанемометр работает от источника постоянного тока. В нем в качестве связанного с системой регистрации датчика, совмещающего функции тепловыделяющего и термочувствительного элемента, для измерения скорости потока (датчика с функцией сенсора скорости) обычно применяются нитяные (проволочные) терморезисторы, выполненные из чистого инертного металла (медь, никель, вольфрам, золото, платина). Принцип работы такого термоанемометра основан на зависимости теплоотдачи нагретой нити, помещенной в поток, от скорости его течения.

При использовании данной конструкции способ определения скорости потока [2, с.242] состоит в размещении в этом потоке датчика в виде функционально совмещенных тепловыделяющего и термочувствительного элементов, нагревании тепловыделяющего элемента, как составляющей датчика, путем пропускания тока от источника постоянного тока, регистрации изменения напряжения термочувствительного элемента, как составляющей датчика, при его охлаждении потоком и определении скорости потока по предварительно построенной калибровочной кривой с учетом измеренного напряжения.

Так как принцип работы термоанемометра связан с процессами теплообмена, для точных измерений необходимы неизменность тепловых характеристик как среды, так и термочувствительного элемента. Поэтому к недостаткам термоанемометра относится то, что его достоверная работа возможна только в потоках с неизменными теплофизическими характеристиками. Кроме того, на показания термоанемометра оказывает значительное влияние естественная конвекция, порождаемая нагреванием термочувствительного элемента постоянным током выше температуры измеряемого потока, что также влияет на точность измерения скорости потока и ограничивает возможности термоанемометра при определении температуры потоков выше 100°С.

Реализуемый при этом способ определения точной скорости потока оказывается сложным, зависимым от стабильности теплофизических параметров потока, тепловых характеристик термочувствительного элемента и требует проведения калибровочных измерений.

Таким образом, способ и устройство измерения скорости потоков по прототипу применимы только для стабильных по теплофизическим характеристикам потоков. Кроме того, для получения достоверных данных требуется проведение калибровочных измерений, что вносит дополнительный вклад в погрешность измерений. При этом также ограничены возможности измерения высокотемпературных потоков.

Задача заключается в разработке способа и устройства, позволяющих более точно определять скорость любого потока газа, независимо от состава, стабильности его теплофизических характеристик, в диапазоне скоростей, характерном для прототипа (до 10 м/с), и одновременно температуру газового потока в расширенном температурном диапазоне (до 400-500°С), в том числе, при необходимости, с возможностью контроля характеристик потока во времени в импульсном или частотно-импульсном режимах.

Техническим результатом для способа и устройства является повышение точности определения скорости любого потока газа (независимо от состава и стабильности его теплофизических характеристик), обусловленное упрощением измерений за счет исключения процедуры предварительной калибровки измерительного устройства, и обеспечение возможности одновременного измерения скорости и температуры потока газа в расширенном диапазоне температур. Кроме того, расширены возможности способа и устройства с точки зрения контроля характеристик потока в импульсном или частотно-импульсном режиме.

Указанный результат для заявляемого способа достигается за счет того, что в отличие от известного способа определения скорости потока газа, заключающегося в размещении в потоке газа тепловыделяющего и термочувствительного элемента, нагревании тепловыделяющего элемента, регистрации изменения напряжения с термочувствительного элемента, определении скорости потока с учетом этого изменения, в предлагаемом способе пространственно разносят по направлению потока тепловыделяющий и следующий за ним термочувствительный элемент, нагревают тепловыделяющий элемент в импульсном или частотно-импульсном режиме, в процессе прохождения потока газа последовательно регистрируют импульсы напряжения с нагретого тепловыделяющего элемента и с термочувствительного элемента, измеряют интервал времени, между фронтами зарегистрированных импульсов, определяют скорость потока с учетом измеренного интервала времени.

Указанный результат для заявляемого устройства достигается за счет того, что в отличие от известного устройства для определения скорости потока, содержащего тепловыделяющий элемент, подключенный к источнику тока, и термочувствительный элемент, соединенные с системой регистрации, в предлагаемом устройстве термочувствительный элемент, образующий с тепловыделяющим элементом датчик с функцией сенсора скорости, представляет собой, по крайней мере, один блок, состоящий из не менее двух последовательно соединенных термопар, при этом тепловыделяющий элемент подключен к импульсному или частотно-импульсному источнику тока.

Кроме того, устройство может быть дополнено термочувствительным элементом с функцией сенсора температуры потока, установленным перед тепловыделяющим элементом.

В данном устройстве рабочие спаи термопар датчика с функцией сенсора скорости размещены в потоке на одном уровне с тепловыделяющим элементом, а термочувствительный элемент с функцией сенсора температуры может быть выполнен идентичным термочувствительному элементу с функцией сенсора скорости.

Так как в основе способа лежит тепловой метод, основанный на сносе тепла движущимся потоком, разнесение вдоль потока тепловыделяющего (нагреваемого) элемента и термочувствительного элемента в сочетании с импульсным (частотно-импульсным) режимом нагрева тепловыделяющего элемента позволяют получить возможность регистрации процесса движения потока во временной развертке. При этом должна быть обеспечена регистрация импульсов напряжения, отражающих движение теплового импульса с нагреваемой нити, с термочувствительных элементов, которые образуют соответственно датчик с функцией сенсора скорости потока (при его расположении за нагреваемым элементом и использовании вместе с ним) и датчик температуры потока (при его расположении до нагреваемого элемента и использовании независимо от нагреваемого элемента). Это отражено на зарегистрированной зависимости напряжения от времени в виде последовательности импульсов напряжения. Определение времени прохождения теплового импульса от нагреваемой нити до блока последовательно соединенных термопар, выполняющих совместно с нитью функцию сенсора скорости, производят путем измерения временного интервала между фронтами импульсов напряжения по оси времени. Это позволяет определить скорость потока исходя из времени прохождения тепловым импульсом определенного расстояния между тепловыделяющим и термочувствительным элементом, принимающим тепловой импульс. Таким образом, предлагаемый способ позволяет оперативно определять скорость газового потока непосредственно в эксперименте без предварительной калибровки измерительного устройства для любого газового потока независимо от состава и стабильности его теплофизических характеристик, что повышает точность результатов.

По сравнению с термоанемометром, где тепловыделяющий и термочувствительный элементы функционально объединены и нитяной терморезистор нагревается постоянным током, в предлагаемом устройстве функции датчика разделены. Термочувствительный элемент, образующий с тепловыделяющим элементом датчик с функцией сенсора скорости потока, расположен за тепловыделяющим элементом, при этом тепловыделяющий элемент связан с источником импульсного (или частотно-импульсного) тока, что позволяет получить возможность работы устройства в различных газовых потоках, в том числе и с нестабильными теплофизическими характеристиками, без предварительной калибровки. Выбор в качестве термочувствительного элемента блока из не менее двух последовательно соединенных термопар, установленных на определенном расстоянии и, в оптимальном случае, с рабочими спаями на одном уровне по направлению потока за тепловыделяющим элементом, повышает точность регистрации теплового фронта импульса от нагреваемой нити. Термопары, благодаря своей чувствительности и широкому температурному диапазону измерений, обеспечивают надежное измерение этого теплового импульса. Использование последовательного соединения термопар позволяет еще больше увеличить чувствительность и измеряемый температурный интервал термочувствительного элемента, что дает возможность измерять более высокие скорости движения потока.

Рабочие спаи блока термопар могут быть расположены в потоке на одном уровне с тепловыделяющим элементом и по центру распространения теплового импульса. Такое расположение рабочих концов блока термопар является оптимальным и также способствует увеличению чувствительности термочувствительного элемента.

Введение в устройство дополнительно установленного в потоке до тепловыделяющего элемента термочувствительного элемента, образующего датчик с функцией сенсора температуры, в виде блока из, по крайней мере, двух последовательно соединенных термопар, в частности, идентичного термочувствительному элементу датчика с функцией сенсора скорости, дает возможность оптимизации измерений, а именно одновременного определения скорости потока газа и его температуры в одном цикле измерений. При этом может быть повышена чувствительность устройства и точность измерений благодаря возможному дифференциальному включению в систему регистрации идентичных термочувствительных элементов.

Возможность измерений при температурах газовых потоков до 400-500°С ограничена пределами работоспособности датчика, в частности старением и прочностью материала тепловыделяющего элемента.

Кроме того, способ и устройство позволяют проводить однократные (в импульсном режиме) или, в случае необходимости постоянного контроля или управления газового потока, непрерывные (в частотно-импульсном режиме), измерения скорости и температуры потока газа с частотой не ниже 5 Гц, которая обусловлена временем охлаждения нагревательной нити.

На чертеже схематично представлено устройство для измерения скорости и температуры газа, где:

1 - сенсор температуры, 2 - сенсор скорости потока, 3 - тепловыделяющий элемент, 4 - источник импульсов тока, 5 - единая система регистрации, представленная в виде отдельных блоков.

Термочувствительный элемент в виде блока (1) последовательно соединенных термопар находится по течению потока газа перед нагреваемой нитью (тепловыделяющим элементом) (3) и играет роль датчика с функцией сенсора температуры потока газа. Другой блок (2) последовательно соединенных термопар, который принимает однократный тепловой импульс или группу тепловых импульсов от нагреваемой нити, располагается по течению газа после нее на определенном расстоянии А и выполняет вместе с тепловыделяющим элементом роль датчика с функцией сенсора скорости. Состав каждого блока последовательно соединенных термопар, а именно: число термопар, их длина, тип, диаметр проводов, способ образования рабочих концов и пр., а также длина, диаметр и материал нагреваемой нити, температурный режим ее нагрева, как и расстояние между нитью и блоками термопар могут быть различными в зависимости от поставленной технической задачи. Блоки последовательно соединенных термопар (1) и (2) могут быть подключены дифференциальным способом к единой системе регистрации (5). Электрический импульс для нагрева нити (3) обеспечивается импульсным источником тока (4) в однократном (импульсном) или в непрерывном (частотно-импульсном режиме). Частота следования импульсов нагрева нити определяется временем ее охлаждения и составляет не менее 5 Гц.

Способ реализует работу устройства следующим образом.

Тепловыделяющий (3) и термочувствительные (1, 2) элементы разнесены по направлению газового потока, как показано на чертеже. Импульс или импульсы тока от импульсного источника тока (4) подаются на нагреваемую нить (3). Нагретая импульсом тока нить (3) охлаждается движущимся потоком газа.

Блок последовательно соединенных термопар (2) через промежуток времени, определяемый скоростью потока газа, принимает тепловой импульс от нагреваемой нити.

Сигналы с блока термопар (1), определяющих температуру набегающего невозмущенного газового потока, с нагреваемой нити (3) и блока термопар (2) последовательно в процессе движения потока газа поступают на систему регистрации (5). Интервал времени между фронтами зарегистрированных импульсов напряжения с нагреваемой нити (3) и блока термопар (2) используется при определении скорости потока газа.

При использовании данного устройства и способа, как показали эксперименты, фиксировалась скорость газовоздушного потока до 5 м/с и температура до 300°С, с относительной погрешностью измерений ±10%. При этом блоки (1) и (2) имели по 10 последовательно соединенных термопар типа хромель-алюмель в каждом блоке, а расстояние А между нагреваемой нитью (3) и блоком термопар (2) составляло 30 мм. Причем рабочие спаи термопар были размещены в потоке газа поперек его движения на одном уровне с нагреваемой нитью. В качестве материала для нагреваемой нити использовалась никелевая проволока толщиной 0.3 мм. Указанные измерения проводились в интервале температуры газового потока от 20°С до 300°С. Измерения были проведены оперативно без проведения калибровочных измерений, что существенно сократило количество источников погрешностей и увеличило точность определения скорости потока.

Таким образом, разделение датчика на функционально независимые составляющие - тепловыделяющий и термочувствительный элементы, последовательное разнесение их по направлению потока с подключением тепловыделяющего элемента к импульсному или частотно-импульсному источнику питания, выполнение термочувствительного элемента в виде, по крайней мере, одного блока из, по меньшей мере, двух последовательно соединенных термопар, что отражает усовершенствование конструкции измерительного устройства, позволяет реализовать способ, основанный на последовательной регистрации импульсов напряжения с рабочих элементов конструкции и определении скорости потока газа посредством измерения интервала времени между фронтами зарегистрированных импульсов. Эти изменения устройства и способа приводят к повышению точности за счет исключения процедуры калибровки измерительного устройства при определении теплофизических характеристик любого потока газа независимо от состава и стабильности его теплофизических характеристик, в том числе для высокотемпературных потоков.

Изобретение относится к области измерения скоростей текучих сред и может быть использовано для оперативного измерения скорости газового потока. Сущность: пространственно разносят по направлению потока газа тепловыделяющий и следующий за ним термочувствительный элементы. Нагревают тепловыделяющий элемент в импульсном или частотно-импульсном режиме. В процессе прохождения потока газа последовательно регистрируют импульсы напряжения с нагретого тепловыделяющего элемента и с термочувствительного элемента. Измеряют интервал времени между фронтами зарегистрированных импульсов и определяют скорость потока с учетом измеренного интервала. Устройство для определения скорости газового потока содержит тепловыделяющий элемент, подключенный к источнику тока, и термочувствительный элемент, соединенные с системой регистрации. Термочувствительный элемент, образующий с тепловыделяющим элементом датчик с функцией сенсора скорости, представляет собой, по крайней мере, один блок, состоящий из не менее двух последовательно соединенных термопар. При этом тепловыделяющий элемент подключен к импульсному или частотно-импульсному источнику тока. Технический результат: повышение точности определения скорости потока, расширение функциональных возможностей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения скорости потока газа, заключающийся в размещении в потоке газа тепловыделяющего и термочувствительного элементов, нагревании тепловыделяющего элемента, регистрации изменения напряжения с термочувствительного элемента, определении скорости потока газа с учетом этого изменения, отличающийся тем, что пространственно разносят по направлению потока тепловыделяющий и следующий за ним термочувствительный элементы, нагревают тепловыделяющий элемент в импульсном или частотно-импульсном режиме, в процессе прохождения потока газа последовательно регистрируют импульсы напряжения с нагретого тепловыделяющего элемента и с термочувствительного элемента, измеряют интервал времени между фронтами зарегистрированных импульсов, определяют скорость потока с учетом измеренного интервала.2. Устройство для определения скорости газового потока, содержащее тепловыделяющий элемент, подключенный к источнику тока, и термочувствительный элемент, соединенные с системой регистрации, отличающийся тем, что термочувствительный элемент, образующий с тепловыделяющим элементом датчик с функцией сенсора скорости, представляет собой, по крайней мере, один блок, состоящий из не менее двух последовательно соединенных термопар, при этом тепловыделяющий элемент подключен к импульсному или частотно-импульсному источнику тока.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно дополнено термочувствительным элементом, образующим датчик с функцией сенсора температуры потока, установленным перед тепловыделяющим элементом.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что рабочие спаи термопар датчика с функцией сенсора скорости размещены в потоке на одном уровне с тепловыделяющим элементом, а термочувствительный элемент, образующий датчик с функцией сенсора температуры, выполнен идентичным термочувствительному элементу, образующему с тепловыделяющим элементом датчик с функцией сенсора скорости.