ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК G01P5/12 

Предложенный термоанемометрический преобразователь обеспечивает преобразование параметров газодинамических характеристик газовых и жидких потоков с фильтрацией действующих при преобразовании помех.

Известен термоанемометрический преобразователь, содержащий электрическое сопротивление и регистратор изменения значения электрического сопротивления (Романченко А.Ф. Способ измерения параметров газовых и жидких сред. Авторское свидетельство №637676, МКИ G01Н 5/12, 1977). Недостатком данного преобразователя является зависимость результатов преобразования от температурных условий теплообмена электрического сопротивления с окружающей средой, что обуславливает большие погрешности при преобразовании входного сигнала.

Известен термоанемометрический преобразователь, содержащий терморезистор и элементы электрического воздействия на терморезистор (Шашков А.Г. Термисторы и их применение. М.: Энергия, 1967, с.150). Однако такие преобразователи сложны в технической реализации, что снижает надежность схемы преобразования сигнала.

Известен термоанемометрический преобразователь, содержащий терморезистор с чувствительным элементом в виде металлической нити, в которой присутствует внутреннее напряжение в процессе функционирования (Романченко А.Ф. Способ термоанемометрических измерений. Авторское свидетельство №678420, СССР, МКИ G01Р 5/12, 1978). Недостатком данного преобразователя является техническая невозможность непосредственного приложения внешних силовых воздействий к термочувствительному элементу в виде пленки, нанесенной на поверхность подложек.

В качестве прототипа предлагается термоанемометрический преобразователь, содержащий терморезистор, источник питания и коммутатор энергетического состояния (Романченко А.Ф. Термоанемометрический преобразователь. Авторское свидетельство №1204932, БИ №2, опубл. 15.01.86, МКИ G01D 5/12).

Недостатком данного преобразователя является значительное время преобразования контролируемого параметра газодинамической среды, которое определяется временем изменения выходного сигнала преобразователя между фиксированными уровнями. За время преобразования (время изменения выходного сигнала между фиксированными уровнями) значение контролируемого входного газодинамического воздействия на терморезистор может меняться, что внесет погрешность в конечные результаты преобразования. Кроме того, наряду с полезным сигналом на выходе преобразователя действует помеха, которая не позволяет точно зафиксировать момент коммутации полезного выходного сигнала, т.к. полезный сигнал «размыт» в момент коммутации.

Целью изобретения является повышение скорости преобразования контролируемых входных воздействий и снижение погрешности преобразования за счет фильтрации помех, действующих наряду с полезным выходным сигналом.

Данная цель достигается за счет того, что в термоанемометрическом преобразователе, содержащем терморезистор, источник питания и коммутатор энергетического состояния, введено звено преобразования скорости изменения сигнала, причем выходная цепь терморезистора соединена как с входом звена преобразования скорости изменения сигнала, так и с цепью управления звена преобразования скорости изменения сигнала. Для решения поставленной задачи звено преобразования скорости изменения сигнала выполнено в виде дифференцирующего звена.

На фиг.1 представлена принципиальная схема термоанемометрического преобразователя, на фиг.2 - диаграмма изменения выходного сигнала термоанемометрического преобразователя во времени.

Терморезистор 1 соединен последовательно с коммутатором 2 в электрической цепи, к клеммам которой подведено питание U_o. Выходная цепь терморезистора соединена как с входом, так и с цепью управления звена 3 преобразования скорости изменения сигнала, который может быть выполнен в виде дифференцирующего звена.

Работа термоанемометрического преобразователя осуществляется следующим образом. Через терморезистор 1 (см. фиг.1) при замыкании ключа 2 протекает постоянный ток I, который начинает разогревать терморезистор, изменяя его электрическое сопротивление R_t. Одновременно терморезистор 1 обдувается воздушным потоком со скоростью V (контролируемое входное воздействие «х»), определяющим условия теплообмена терморезистора 1 с окружающей средой, а следовательно, при I=const, и температуру разогрева (электрическое сопротивление R_t). По изменению падения напряжения I R_t=U_вых судят о скорости обдува V терморезистора воздушным потоком.

Результирующий выходной сигнал U_вых терморезистора содержит полезный сигнал Y=I R_t, а также сигнал помехи ε (см. фиг.2), действующей совместно с полезным сигналом. Таким сигналом помехи может быть тепловой шум терморезистора, который не может быть отфильтрован известными техническими средствами.

Скорость нагрева терморезистора 1 (скорость изменения результирующего выходного сигнала), при скачкообразном изменении протекающего через него тока I, определяется скоростью его обдува воздушным потоком V (условиями теплообмена с окружающей средой). При изменении результирующего выходного сигнала U_вых, стремящего к установившемуся своему значению U_вых ⁰, регистрируются моменты времени достижения уровней результирующего выходного сигнала значения U_вых ^' и U_вых ^”. Интервал времени t₁ между моментами достижения заданных уровней результирующего выходного сигнала, определяемый крутизной кривой переходного процесса изменения уровня полезного выходного сигнала, зависит только от полезной входной величины х=V.

Как видно из фиг.2, при наложении на полезный сигнал Y сигнала помехи ε крутизна кривой переходного процесса результирующего выходного сигнала ε+Y терморезистора соответствует (при условии неизменности уровня помехи ε в период преобразования сигнала) крутизне кривой изменения полезного выходного сигнала Y. При этом уровень помехи ε не оказывает влияния на интервалы времени t₁, t₂ преобразователя. Следовательно, углы наклона касательных к кривым изменения полезного выходного сигнала α₁ и изменения результирующего выходного сигнала (сумма полезного сигнала и помехи) а₂ также равны, т.е. α₁=α₂.

Звено 3 преобразования скорости изменения результирующего выходного сигнал выдает сигнал , пропорциональный скорости изменения полезного выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя (). Момент коммутации (достижение фиксированных значений выходного сигнала) фиксируется в цепи управления звена 3 преобразования скорости изменения результирующего выходного сигнала. В момент коммутации значение несет в себе информацию о значении входного воздействия на термоанемометрический преобразователь, т.к. значение пропорционально углу наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала. При этом нет необходимости ждать время изменения значения выходного сигнала между его фиксированными значениями сигнала, т.е. возрастает скорость регистрации входного сигнала, значит, и скорость преобразования сигнала.

При этом следует иметь в виду, что в момент коммутации энергетического состояния, например, при достижении результирующего выходного сигнала значения U_вых ^', угол наклона касательной к кривой изменения результирующего выходного сигнала равен углу наклона самой кривой изменения результирующего выходного сигнала (при малых перепадах U_вых ^'-U_вых ^'). Угол α₂ наклона кривой результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя (коммутация значения входного воздействия) несет в себе информацию о величине входного воздействия, т.к. α₁=α₂, и зависит только от уровня входного сигнала преобразователя и не зависит от уровня помехи ε.

Помеха ε отфильтровывается за счет организации преобразования сигнала с выделением информации о значении входного воздействия по крутизне α₂ кривой изменения результирующего выходного сигнала в момент коммутации энергетического состояния преобразователя.

После регистрации параметра α₂ нет необходимости в дальнейшем нарастании выходного сигнала преобразователя и при достижении результирующим выходным сигналом уровня U_вых” (см. фиг.2) подается сигнал в цепь управления ключа 2 (см. фиг.1) на размыкание электрической цепи. Электрическая цепь размыкается, ток через терморезистор прекращается, что приводит к остыванию терморезистора и изменению его электрического сопротивления R_t. Результирующий выходной сигнал ε+Y начинает уменьшаться с уменьшением уровня полезного выходного сигнала Y. Этот процесс происходит до тех пор, пока уровень результирующего выходного сигнал ε+Y снова не достигнет уровня U_вых ^', при котором происходит повторное замыкание электрической цепи с помощью ключа 2. Терморезистор 1 снова начинает разогреваться и повторяется вышеописанный процесс изменения выходного сигнала и регистрации угла α₂ наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала. Суммирование ε+Y может быть осуществлено по энергетическим характеристикам сигналов на выходе, например по их мощности.

Таким образом организация нестационарного энергетического процесса в преобразователе (в процессе преобразования входных воздействий) позволяет выделить в выходном сигнале характеристику а₂, определяющую динамику нестационарного энергетического процесса, не зависящую от уровня помехи и определяемую целиком уровнем полезного входного воздействия. Учитывая то обстоятельство, что скорость изменения полезного выходного сигнала (крутизна кривой переходного процесса) и скорость изменения результирующего выходного сигнала (крутизна кривой переходного процесса) преобразователя, включающего помеху, равны по значению, то регистрация угла наклона кривой изменения результирующего выходного сигнала позволяет получить информацию о входном воздействии без влияния помех. При этом возрастает скорость преобразования сигнала, т.к. информация о значении входного воздействия выделяется в момент коммутации энергетического состояния, без необходимости ждать время изменения выходного результирующего выходного сигнала между фиксированными уровнями.

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

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

Изобретение относится к области преобразовательной техники и предназначено для преобразования параметров газодинамических характеристик газовых и жидких потоков с фильтрацией действующих при преобразовании помех. Сущность: устройство содержит терморезистор, источник питания, коммутатор энергетического состояния, звено преобразования скорости изменения сигнала. Выходная сеть терморезистора соединена как с входом звена преобразования скорости изменения сигнала, так и с цепью управления звена преобразования скорости изменения сигнала. Технический результат: повышение скорости преобразования контролируемых входных воздействий и снижение погрешности преобразования за счет фильтрации помех, действующих наряду с полезным выходным сигналом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Термоанемометрический преобразователь, содержащий терморезистор, источник питания и коммутатор энергетического состояния, отличающийся тем, что введено звено преобразования скорости изменения сигнала, причем выходная цепь терморезистора соединена как с входом звена преобразования скорости изменения сигнала, так и с цепью управления звена преобразования скорости изменения сигнала.

2. Термоанемометрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что звено преобразования скорости изменения сигнала выполнено в виде дифференцирующего звена.