Способ измерения скорости потока жидкости и термоанемометр для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК G01P5/10 G01F1/68 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе измерения скорости потока жидкости.

Известен термоанемометр, содержащий помещённый в поток нагреваемый элемент и средство для регистрации его температуры: о величине потока судят по теплоотводу от этого элемента (по установившейся температуре при постоянном теплоподводе или по величине теплоподвода, необходимого для поддержания постоянной температуры) [Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Энергоатомиздат. 1987. - 320 с.].

Недостатком данного изобретения является наличие среды с высокой теплопроводностью, что приводит к переносу тепла от нагревателя к корпусу датчика термоанемометра и увеличению погрешности измерения, уменьшению чувствительности анемометра и предела измерения, а также увеличению непроизводительного расхода энергии нагревателя.

Известен термоанемометр, содержащий мембрану со сформированными на ней нагревателем и термодатчиком, содержащий на стороне мембраны, противоположной той стороне, на которой сформированы нагреватель и термодатчик, полость, заполненную материалом, коэффициент теплопроводности которого составляет менее 0,1 от коэффициента теплопроводности материала мембраны или вакуумированная [Патент RU 2451295 С1 от 28.12.2010, МПК G01P 5/12, опубл. 20.05.2012, Бюл. №14].

Недостатком изобретения является невозможность применения термоанемометра в высокотемпературных и агрессивных средах.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является мембранный термоанемометр, содержащий, по крайней мере, один нагреватель и один термодатчик, газонаполненную герметичную полость, при этом газ в полости имеет диапазон значений теплопроводности не выше, чем одна десятая от теплопроводности материала мембраны, а нагреватель и термодатчик расположены внутри этой полости [Патент RU 2509995 С1, от 10.07.2012, МПК G01L 21/10, опубл. 20.03.2014, Бюл.№8].

Недостатком устройства является его сложность изготовления и невозможность его применения при высоких и низких температурах, а также наличие погрешности измерения от изменения температуры среды.

Известен способ определения скорости потока жидкости, заключающийся в том, что подводят от источника переменного тока к спаю измерительной термопары мощность, нагревают спай измерительной термопары, измеряют температуру спая термопары, при этом к спаю термопары мощность подводят импульсно, измеряют мощность и время импульса, измеряют температуру спая на нисходящем участке зависимости температуры спая от времени, определяют темп охлаждения спая на нисходящей ветви зависимости температуры спая от времени, определяют коэффициенты теплоотдачи на восходящей и нисходящей ветвях, определяют среднее значение коэффициента теплоотдачи, определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости скорости потока от среднего значения коэффициента теплоотдачи [Патент RU 2244310 С1, от 24.04.2003, МПК G01P 25/10, G01F 1/68, опубл. 10.01.2005, Бюл.№1].

Недостатком данного способа является то, что на результатах измерений сказывается нестабильность источника питания переменного тока и изменения теплофизических параметров среды.

Известен способ определения скорости жидкости, заключающийся в том, что измеряют температуру жидкости с помощью термопарного измерителя скорости, нагревают чувствительный элемент измерителя от источника переменного тока, измеряют температуру нагретого чувствительного элемента измерителя, определяют их разность, определяют скорость жидкости на основе предварительно полученной зависимости Т₂-Т₁=f(W), где Т₂ - температура чувствительного элемента измерителя, измеренная при включённом источнике переменного тока, Т₁ - температура жидкости, измеренная с помощью измерителя при отключённом источнике переменного тока, W - скорость жидкости, при этом включение источника нагрева переменного тока проводят в момент минимального значения напряжения источника переменного тока [Патент RU 2295730 С1, от 29.07.2005, МПК G01P 5/12, G01F 1/68, опубл. 20.03.2007, Бюл. №8]. Данное изобретение взято за прототип.

Недостатком данного способа является то, что на результатах измерений сказывается нестабильность источника питания переменного тока. Вследствие нестабильности источника питания в процессе измерений изменяется ток в цепи измерителя, а, следовательно, и подводимая к измерителю мощность, а также невозможность применения анемометра в высокотемпературных и агрессивных средах.

Задача изобретения заключается в обеспечении возможности измерения скорости потока агрессивных сред, расширение диапазона рабочих температур измерения, а также в упрощении способа измерения.

Достигается это способом измерения скорости потока жидкости и применением термоанемометра для его осуществления.

Способ определения скорости потока жидкости, включающий измерение температуры жидкости с помощью термодатчика, нагрев чувствительного элемента термодатчика от источника тока, измерение температуры нагретого чувствительного элемента термодатчика, определение их разности, определение скорости жидкости на основе предварительно полученной зависимости ΔТ_ч.э.=Т_н-Т_ж=f(W), где Т_н - температура чувствительного элемента термодатчика, измеренная при включенном источнике переменного тока, Т_ж - температура жидкости, измеренная с помощью термодатчика при отключенном источнике тока, W - скорость жидкости, согласно изобретению, нагрев чувствительного элемента термодатчика осуществляется от источника постоянного тока в импульсном режиме, при этом замеряют температуру перегрева чувствительного элемента термодатчика, полученную в результате прохождения одиночного импульса постоянного тока, а скорость потока жидкости определяют по графику зависимости скорости потока измеряемой среды и температуры перегрева термодатчика.

Термоанемометр для осуществления способа измерения скорости потока жидкости, содержащий нагреватель и термодатчик, установленные в полости, согласно изобретению, нагреватель и термодатчик, соединены между собой и закреплены при помощи сварки на внутренней сферической части корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости, который подключен к источнику питания через стабилизатор постоянного тока и исполнительное реле, и соединен с помощью микропроцессора и адаптера сети с персональным компьютером, при этом микропроцессор соединен с исполнительным реле, а полость, в которой установлены нагреватель и термодатчик, образована сферической частью корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости и шайбой, разделяющей корпус датчика на соединенные между собой сварным швом, сферическую и цилиндрическую части, при этом токопроводы термодатчика и один из токопроводов нагревателя проходят через шайбу и электрозолятор, установленные в цилиндрической теплоизолированной части корпуса, а второй из токопроводов нагревателя закреплен на наружной части корпуса.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности определения скорости потока жидкости, уменьшении погрешности измерений, обеспечивается за счет предварительной градуировки термоанемометра в измеряемой среде и стабилизации импульса постоянного тока.

Изобретение поясняется графически:

На фиг. 1 показан датчик термоанемометра, где: 1-4 - токопроводы, 5 - электроизолятор, 6 - корпус, 7 - теплоизолятор, 8 - шайба, 9 - полость, 10 - нагреватель, 11 - термопара, 12 - сферическая часть, 13 - сварной шов, 14 - цилиндрическая часть.

На фиг. 2 - функциональная электрическая схема термоанемометра, где: 15 - стабилизатор постоянного тока, 16 - исполнительное реле, 17 - датчик для измерения скорости потока жидкости, 18 - микропроцессор, 19 - адаптер сети, 20 - персональный компьютер.

На фиг. 3 - график переходного процесса температуры термодатчика относительно температуры среды после прохождения импульса стабилизированного постоянного тока по величине и времени через нагреватель датчика в неподвижной жидкости.

На фиг. 4 - график зависимости максимальных значений температуры перегрева термодатчика относительно температуры среды, после прохождения импульса постоянного тока, стабилизированного по величине и времени через нагреватель датчика, от скорости потока среды.

Термоанемометр (Фиг. 2) состоит из датчика для измерения скорости потока жидкости 17 и персонального компьютера 20, которые соединены между собой при помощи микропроцессора 18 и адаптера сети 19. Датчик термоанемометра 17 подключается к источнику питания через стабилизатор постоянного тока 15, соединенный с исполнительным реле 16, связанным с микропроцессором 18. Микропроцессором 18 задаётся импульс постоянного тока по времени и производится управление исполнительным реле 16. Стабилизатором постоянного тока 15 производится стабилизация и регулирование импульса постоянного тока по величине. Все это приводит к обеспечению постоянства теплового импульса, возникающего при прохождении электрического тока через нагреватель 10 датчика для измерения скорости потока жидкости 17, чем обеспечивается точность измерения скорости потока жидкости.

Датчик для измерения скорости потока жидкости 17 (Фиг. 1) состоит из корпуса 6 (нержавеющая сталь), разделенного при помощи шайбы 8 (нержавеющая сталь) на цилиндрическую часть 14 и сферическую часть 12. Сферическая часть 12 и шайба 8 образуют полость 9, заполненную газом (воздух) внутри которой установлен нагреватель 10 (нихром) с токопроводами 1 (нержавеющая сталь) и 3 (нихром), и термдатчику 11 (хромель-алюмель) с токопроводами 2 (хромель) и 4 (алюмель), соединенные между собой и закрепленные при помощи сварки на сферической поверхности 12. Сферическая часть 12 представляет собой поверхность теплообмена, цилиндрическая часть 14 - держатель поверхности теплообмена 12. Шайба 8, поверхность теплообмена 12 и цилиндрическая часть 14 корпуса 6 соединены между собой сварным швом 13. Токопровод 1 закреплен на наружной части корпуса 6 в верхней части держателя 14. Токопроводы 2, 3, 4 проходят через шайбу 8 (нержавеющая сталь) и электроизолятор 5 (алунд), установленный в цилиндрической части корпуса 6. Между корпусом 6 и электроизолятором 5 расположен теплоизолятор 7 (корундовая вата).

Сущность способа измерения скорости потока жидкости при помощи предлагаемого термоанемометра заключается в следующем: импульс тепла, выделенный нагревателем 10, передают термодатчику 11 и перегревают его относительно температуры потока среды, чем больше скорость потока, тем больше тепла будет отведено им от поверхности теплообмена, которую обтекает поток, за единицу времени и тем меньшее количество тепла получит термодатчик. Следовательно, чем выше скорость потока, тем ниже максимальная температура перегрева термодатчика.

Способ осуществляется следующим образом:

Перед проведением измерений скорости потока жидкости производят градуировку датчика 17 на стенде. Для этого производят определение параметров импульса постоянного тока методом подбора, при этом датчик 17 опускают в измеряемую среду с нулевой скоростью потока и подают импульс тока на нагреватель 10 датчика 17, происходит перегрев термодатчика относительно измеряемой среды, на компьютере 20 отображается график переходного процесса температуры термодатчика во времени (Фиг. 3). По амплитудному значению температуры на графике находим температуру перегрева термодатчика 11 относительно температуры среды. Это значение будет соответствовать нулевому значению скорости потока. Далее увеличивают скорость потока жидкости с заданным шагом, производят измерения температуры перегрева термодатчика 11, тем самым получают следующие точки зависимости скорости потока жидкости и температуры перегрева термодатчика 11. По полученным данным с помощью компьютера 20 строят график зависимости скорости потока конкретной измеряемой среды и температуры перегрева термодатчика 11 (Фиг. 4).

Измерение скорости потока жидкой среды проводят следующим способом: датчик 17 термоанемометра помещают в исследуемый поток, прогревают его теплом потока. При этом на вход микропроцессора 18, через токопроводы 2 и 4 поступает ЭДС термодатчика 11, которая преобразуется в температуру, текущее значение которой высвечивается на дисплее микропроцессора 18 и передаётся через адаптер сети 19 в персональный компьютер 20, он запоминает температуру термопары во времени, заносит её в таблицу.

После измерения температуры потока среды, в цепь нагревателя 10 через токопроводы 1 и 3 и контакты реле 16 подают от стабилизатора 15 стабилизированный по величине и заданный по времени контроллером 18 импульс постоянного тока, после чего персональный компьютере 20 выстраивает график переходного процесса температуры термодатчика 11 (Фиг. 3) для исследуемой среды. По вершине амплитуды указанной на графике переходного процесса находят максимальное значение температуры перегрева датчика 17 и зная это значение по графику зависимости максимальных значений температуры перегрева термодатчика 11 относительно температуры среды (Фиг.4) находят скорость потока среды (на оси Х графика фиксируют это значение, а на оси Y определяют значение скорости потока среды).

О скорости потока среды судят по максимальному значению температуры перегрева термодатчика относительно температуры потока среды, после прохождения импульса постоянного тока, стабилизированного по величине и времени, то есть перегрев термодатчика, при постоянных значениях тока нагрева и времени нагрева является функцией скорости потока среды.

Установка измерительного датчика в герметичный корпус из материалов стойких к воздействию агрессивных сред дает возможность проводить измерения скорости потока разных сред, в том числе и агрессивных. Конструктивное исполнение датчика позволяет расширить температурный диапазон измерений. Графическая визуализация зависимости максимальных значений температуры перегрева термодатчика относительно температуры среды на персональном компьютере упрощает способ измерения скорости потока среды, без проведения дополнительных математических расчетов.

Пример измерения скорости потока электролита в электролизёре. Датчик термоанемометра помещают в неподвижную зону расплава электролита, прогревают его в этой зоне до температуры измеряемой среды, затем подбирают параметры импульса постоянного тока перегрева термодатчика такими, чтобы в неподвижной среде максимальная температура перегрева термодатчика была, такой же как при градуировке, например 10°С, таким образом, при температуре электролита (измеряемой среды) 950°С максимальное показание термодатчика после прохождения импульса постоянного тока должно быть равным 960°С. После этого датчик термоанемометра помещают в электролит, где необходимо измерить скорость потока электролита, вначале определяют температуру потока электролита, затем пропускают импульс постоянного тока и определяют максимальное значение температуры перегрева термодатчика, затем по градуировочному графику определяют скорость потока электролита. Например, при температуре потока электролита, равной 952°С, и максимальном значении температуры нагрева термодатчика после прохождения импульса стабилизированного постоянного тока, равной 959°С, температура перегрева будет равна 7°С, а скорость потока электролита, определённая по графику (Фиг. 4), равна 9 см/с.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе измерения скорости потока жидкости. Предложен способ определения скорости потока жидкости, включающий измерение температуры жидкости с помощью термодатчика, нагрев чувствительного элемента термодатчика от источника тока, измерение температуры нагретого чувствительного элемента термодатчика, определение их разности, определение скорости жидкости на основе предварительно полученной зависимости. Нагрев чувствительного элемента термодатчика осуществляется от источника постоянного тока в импульсном режиме, при этом замеряют температуру перегрева чувствительного элемента термодатчика, полученную в результате прохождения одиночного импульса постоянного тока. Скорость потока жидкости определяют по графику зависимости скорости потока измеряемой среды и температуры перегрева термодатчика. Также заявлен термоанемометр для осуществления способа измерения скорости потока жидкости, содержащий нагреватель и термодатчик, установленные в полости, соединенные между собой и закрепленные при помощи сварки на внутренней сферической части корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости. Датчик для измерения скорости потока жидкости подключен к источнику питания через стабилизатор постоянного тока и исполнительное реле и соединен с помощью микропроцессора и адаптера сети с персональным компьютером, при этом микропроцессор соединен с исполнительным реле. Полость, в которой установлены нагреватель и термодатчик, образована сферической частью корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости и шайбой, разделяющей корпус датчика на соединенные между собой сварным швом сферическую и цилиндрическую части. Токопроводы термодатчика и один из токопроводов нагревателя проходят через шайбу и электрозолятор, установленные в цилиндрической теплоизолированной части корпуса, а второй из токопроводов нагревателя закреплен на наружной части корпуса. Технический результат - повышение эффективности определения скорости потока жидкости, уменьшение погрешности измерений. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения скорости потока жидкости, включающий измерение температуры жидкости с помощью термодатчика, нагрев чувствительного элемента термодатчика, измерение температуры нагретого чувствительного элемента термодатчика, определение их разности, определение скорости потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости ΔТч.э.=Tн-Tж=f(W), где Tн - температура чувствительного элемента термодатчика, измеренная при включенном источнике тока, Тж - температура жидкости, измеренная с помощью термодатчика при отключенном источнике тока, W - скорость потока жидкости, отличающийся тем, что для определения скорости потока жидкости используют датчик для измерения скорости потока жидкости, в котором нагреватель и термодатчик соединены между собой и закреплены при помощи сварки на внутренней поверхности полости, в которой они установлены, образованной сферической частью корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости и шайбой, разделяющей корпус датчика на соединенные между собой сварным швом сферическую и цилиндрическую части, причем датчик для измерения скорости потока жидкости подключен через стабилизатор постоянного тока и исполнительное реле к источнику постоянного тока, осуществляющему нагрев чувствительного элемента термодатчика в импульсном режиме, при этом в качестве температуры чувствительного элемента термодатчика используют температуру его перегрева, полученную в результате прохождения одиночного импульса постоянного тока, а скорость потока жидкости определяют по графику зависимости скорости потока измеряемой среды и температуры перегрева термодатчика.

2. Датчик для измерения скорости потока жидкости для осуществления способа измерения скорости потока жидкости по п.1, содержащий нагреватель и термодатчик, установленные в полости, отличающийся тем, что нагреватель и термодатчик соединены между собой и закреплены при помощи сварки на внутренней сферической части корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости, который подключен через стабилизатор постоянного тока и исполнительное реле к источнику постоянного тока, осуществляющего нагрев чувствительного элемента термодатчика в импульсном режиме, и соединен с помощью микропроцессора и адаптера сети с персональным компьютером, при этом микропроцессор соединен с исполнительным реле, а полость, в которой установлены нагреватель и термодатчик, образована сферической частью корпуса датчика для измерения скорости потока жидкости и шайбой, разделяющей корпус датчика на соединенные между собой сварным швом сферическую и цилиндрическую части, при этом токопроводы термодатчика и один из токопроводов нагревателя проходят через шайбу и электроизолятор, установленные в цилиндрической теплоизолированной части корпуса, а второй из токопроводов нагревателя закреплен на наружной части корпуса, причем датчик для измерения скорости потока жидкости выполнен с возможностью определения температуры перегрева чувствительного элемента термодатчика, полученной в результате прохождения одиночного импульса постоянного тока, и определения скорости потока жидкости по графику зависимости скорости потока измеряемой среды и температуры перегрева термодатчика.