Термоанемометрический датчик Советский патент 1985 года по МПК G01P5/12 

СО

фаг.1

СХ) 00 Изобретение относится к технике измерений параметров потоков и, в частности, предназначено для измерений турбулентных характеристик в из метрических и неизометрических пото ках, в том числе в потоках, содержащих крупные частицы твердой фазы например в пьтеугольном факеле, в рабочем объеме пьшеугольных топок и др. Цель изобретения - повьппение надежности измерений в двухфазных потоках и увеличение срока службы датчика. На фиг.1 представлен рабочий уча ток, общий вид; на фиг,2 - датчика общий вид; на фиг.. 3 - электроизмери тельная схема датчика основанная н использовании охлалсдаемого капиллярного датчика, работающего в режиме постоянного эффективного значения переменного тока высокой частоты; на фиг о 4 - другой вариант схемы датчик работающего в режиме постоянного сопротивления, Датчик содержит термочувствитель ный элемент, выполненный в виде тру ки I 5 охлаждаемой по капиллярному каналу, выполненной из электропроводящего материала;, KOHLS S 2 которой подпаяны к польм трубчатым ножкам 3 из электропроводящего материала электропроводность которого в предпочтительном варианте не зависит от температуры. С помощью трубчатых ножек 3 через внутреннюю полость 4 проводится охлаждающая его жидкость а к трубчатому элементу 1 подводится переменный электрический ток высокой частоты. Расход жидкости через трубчатый элемент 1 поддерживается постоянньиу, достаточным для эффективного охлаждения датчика, обеспечивающего его термическую устойчивость в потоках, имеющих 3 например, высокую температуру. Переменный электрический ток также имеет величинуа достаточную для обеспечения требуемого рабочего режима и чувствительности датчика к турбулентным пульсациям скорости и температуры в потоке. Из-за наличия скин- эффекта, характерного для тока.высокой частоты, последний распространяется по тонкому внешнему слою 5 трубки 1 . Этот тонкий проводящий слой 5 толщиной cf является чувствительным элементом датчика, реагирующим на 302 воздействия со стороны окружающей среды. Остальная часть поперечного сечения 6 трубки 1 ограниченная внешним слоем 5, является неэлектропроводящей для токов высокой частоты и служит для обеспечения достаточной механической прочности трубки Is а также для постоянного восполнения чувствительного слоя 5 при его абразивном износе, вызванном продолжительной работой в среде с высокими абразивными свойствами. При этом толщина чувствительного слоя остается практически постоянной, поскольку она определяется выбранными значениями частоты переменного тока а также свойствами материала, из которого изготовлен капилляр, , что обеспечивает надёжность и долговечность датчика. Трубка 1 включена последовательно в электрическую и гидравлическую схемы питания датчика. Трубчатые ножки 3, отделенные друг от друга изолятором 7, закрыты сверху защитным металлическим чехлом 8, а их свободные концы подключены к штуцерам 9, предназначенным для подведения к- капилляру охлаждающей жидкости,, а также к клеммам 10 - для подключения к источнику тока и к контрольно-измерительной аппаратуре, На фиг.З представлен один из возможных вариантов электроизмерительной схемы, включающей предлагаемый Датчик с предлагаемым чувствительным элементом. Схема состоит из моста lij питаемого от источника 12 переменного тока высокой частоты через регулируемое сопротивление 13, величина которого много больше общего сопротивления моста 1. Последовательно с сопротивлением-13 включен измеритель 14 эффективного значения тока. В плечи моста П включены два сопротивления 15 и 16, величины которых для заданной рабочей частоты могут быть либо одинаковыми (симметричный мост ); либо отличными друг от друга, причем в последнем случае для увеличения чувствительности моста сопротивление 15 должно превосходить по величине сопротивление 16, Последовательно каждому из сопротивлений 15 и 16 включены соответственно сопротивление 17 и сопротивление 18 (сопротивление термочувствительного элемента ), Сопротивление 17 яв3

ляется активным регулируемым сопротивлением (в качестве данного сопротивления может быть, например, использован магазин сопротивлений, пригодный для работы в области выбранных рабочих частот переменного тока, питающего мост 11 ). Последовательно с активным сопротивлением 17 включены регулируемые реактивные сопротивления 19 и 20, например, в виде регулируемых индуктивности и емкости, предназначенные для компенсации соответствующих реактивных составляющих сопротивления 18 чувствительного элемента предлагаемого датчика и сопротивления подводящих проводов (показаны пунктиром), В диагональ моста 11 к точкам 21 и 22 подключены индикатор 23 нуля для индикации баланса моста И. К этим же точкам подключен усилитель 24 (в предпочтительном варианте узкополосной селективный усилитель, настроенный на частоту переменного напряжения, генерируемого источником I2 ), к выходу которого подключенфильтр низких частот (ФНЧ ) 25, а выход последнего подключен к блоку компенсатора 27 тепловой инерции. К выходу компенсатора 27 тепловой инерции подключен регистратор 28 (в качестве которого может быть использован любой регистратор, используемый в обычной термоанемометрии для наблюдения, регистрации или измерения сигнала с термоанемометрических датчиков ) для регистрации пульсационного сигнала 29.

Электроизмерительная схема представленная на фиг.4, состоит из электрического моста 11, к точкам 21 и 22 которого помимо индикатора 23 баланса подключен усилитель 24, выход которого Нагружен на ФНЧ.25, а к выходу последнего подключен регистратор 28. Параллельно регистратору 28 к выходу ФНЧ подключен управляемый источник 30 переменного тока высокой частоты. Выход последнего посредством контура 31 обратной связи I подключен к вершине моста I1, на который подается напряжение 32 питания высокой частоты, в общем случае модулированное по амплитуде низкочастотными управляющим сигналом 25 на выходе источника 30. К вькоду источника 30 параллельно мосту 1 1 подключен измеритель 33 среднеквал,918304

ратичного (эффективного ) значения, подаваемого на мост 11 напряжения высокой частоты.

Работа предлагаемого охлаждаемо5 го капиллярного датчика состоит в следующем.

При перемещении термоанемометрического датчика в турбулентный по-ток под воздействием турбулентных О пульсаций скорости и температуры в потоке происходит изменение интенсивности теплообмена датчика с окружающей средой, а мерой пульсационных характеристик потока будут пульсации напряжения на клеммах 10 датчика, регистрируемые с помощью подходящей для данной цели контрольно-измерительной аппаратуры. В случае, когда чувствительный слой 5 запитан 20 током высокой частоты, имеющим постоянное эффективное значение, пульсации напряжения на чувствительном слое 5 датчика определяются произведением пульсаций сопротивления чувст-

25 витального элемента 5 на постоянное эффективное значение тока ( режим постоянного эффективного значения тока ). Напротив, в случае, когда температура, а следовательно, и соп-

0 ротивление чувствительного элемента имеют постоянное значение (что может быть обеспечено соответствующим автоматическим изменением величины тока, протекающего по чувствительному слою 5, например, при работе такого датчика в цепи термоанемометра постоянной температуры ), пульсации напряжения соответствуют произведению постоянного сопротивления чувствительного слоя 5 на пульсации тока, компенсирующие тепловые потери чувствительного слоя 5 (режим постоянной температуры или иначе режим постоянного сопротивления J.

5 В первом случае, когда термочувствительный элемент включен в электроизмерительную цепь в режиме постоянного эффективного значения тока, баланс датчика с окружающей средой

0 определяется балансом тепла, подводимого к термочувствительному элементу, и изменениями теплосодержания за счет изменения температуры чувствительного слоя, с одной стороны, и

5 тепла, отводимого охлаждающей жидкостью - с другой. Во втором случае при включении термочувствительного элемента в режиме постоянной .ампераSIтуры его тепловой баланс определяется только тепловым потоком от окружающей среды Q(.p, джоулевым теплом, вьщеляющимся в чувствительном слое t(Q ) и теплом, отводимым водой Qд. Второй режим является более предпцчтительным для многих случаев практического применения такого датчика, поскольку не включает в себя член, характеризующий изменения теплосодер жания чувствительного элемента, обус ловленные пульсациями скорости и тем пературы в потоке. Это приводит к двум положительным факторам: во-первых, отпадает необходимость определения инерционности датчика и ее пос ледующей компенсации; во-вторых, теп ловой поток, отводимый водой, при таком режиме включения датчика имеет постоянное значение (Qg const). Датчик согласно фиг.3 работает следующим образом. Эффективное значение тока высокой частоты, питающего мост 11 от источника 12, устанавливается с помощью регулируемого сопротивления 13 на за данном постоянном уровне 12 (определяемым требуемым нагревом чувствительного элемента 5 } и измеряется соответствующим измерителем 14. Ток, питающий мост П, распределяется по двум плечам: по первому плечу, состоящему из последовательно включенных сопротивлений 15, 17, 19 и 20, и второму плечу, состоящему из сопро тивлений 16 и 18, а также сопротивле НИИ подводящий проводов (показаны пунктиром ). Поскольку величина сопро тивления 13 во много раз превосходит сопротивление моста 11, ток, протекающий по каждому из плеч моста, определяется величиной сопротивления 13 и практически не зависит от изме нения сопротивления в каждой из ветвей моста (режим постоянного эффективного значения тока). С помощью ре гулируемого сопротивления мост устанавливается в равновесие по индикатору 23 баланса. Для балансировки моста 11 по реак тивным составляющим сопротивлений ис пользуются регулируемые индуктивность 19 и емкость 20 на основе применения любой подходящей для данной цели методики, например той, что при меняется в термоанемометрии для решения аналогичной задачи. При балансе моста 11 значения переменного 306 напряжения в точках 21 и 22 оказывается уравновешенными. В первом плече все сопротивления после выполнения балансировки моста 1I сохраняют постоянное значение, а следовательно, и падение напряжения 21 в точке 2 будет постоянным независимо от турбулентных пульсаций скорости во внешней исследуемой среде. Во втором плече сопротивление 18 термочувствительного элемента, помещенного в турбулентный поток, изменяется в соответствии с изменениями теплового потока от окружающей среды к датчику, вызванньми турбулентными пульсациями. Балансировка моста 11 по-прежнему будет иметь место, однако не в каждый отдельный момент, а для достаточно больших периодов осреднения по времени, т.е. для среднеквадратичных значений напряжений на обоих плечах моста. В результате наличия пульсаций сопротивления 18 соответствующим образом изменяется и амплитуда высокочастотных колебаний напряжения 22 в точке 22 моста 11. Напряжение между точками 21 и 22 усиливается усилителем 24, который может быть усилителем низких частот (для усиления лишь огибающей пульсирующего высокочастотного сигнала ), обусловленных турбулентными пульсациями в потоке (в этом случае усиленный сигнал 24 может непосредственно поступать на компенсатор 27 тепловой инерции и затем на регистратор 28). Однако для Данного варианта предпочтительно в качестве усилителя 24 использовать узкополосный усилитель, работающий на частоте источника 12 питания моста II (для снижения влияния шумов и помех на полезный сигнал ). После высокочастотньй сигнал 24 , модулированный по амплитуде низкочастотной составляющей, обусловленной турбулентными пульсациями в потоке, поступает на ФНЧ 25, выполняющий роль детектора, выделяющего низкочастотн-ую составляющую 26 сигнала 24 , которая далее подается на компенсатор 27 тепловой инерции, с выхода которого скорректированньш сигнал 29 поступает на регистратор 28 для наблюдения или измерения среднеквадратичного значения данного сигнала. Путем деления измеренного среднеквад7ратичного значения сигнала 29 на коэффициент усиления всего тракта можно перейти к значениям среднеквадратичного сигнала с точек 21 и 22, который является среднеквадратич ным значением разностного сигнала (между сигналами 21 и 22 ) и исполь зуется вместе с измеренным измерителем 14 значением тока 12 для последующего расчета турбулентных характеристик в потоке. Датчик согласно фиг.4 работаетнесколько иначе. В отличие от рассмотренного выше датчика в данном варианте сопротивле ние 18 термочувствительного элемента датчика поддерживается постоянным соответствующим изменением тока в це пи 3 обратной связи таким образом, чтобы мост 11 оставался в состоянии равновесия. Например, пусть на датчик, находящийся в потокеj начинает поступать больший тепловой поток (положительная пульсация температуры или скорости ), Это вызовет изменение сопротивления 18 (в сторону его увеличения ). Возникший при этом разбаланс моста 11 в виде разностного сигнала поступает на вход усшти08теля 24( где усиливается и затем усиленный сигнал 24 поступает на ФНЧ 25, с выхода которого низкочастотная составляющая 25 сигнала 24 поступает на регистратор (например, осциллограф, вольтметр и др.), а также на вход управляемого источника 30 тока, н результате его напряжение на выходе управляемого источника 30 тока, подаваемое на мост 11 по цепи 3-1 обратной связи, изменяется таким образом ( в сторону уменьшения ), чтобы сопротивление 18 в цепи моста 11 сохранило свое прежнее значение. Это значение напряжения 32 в цепи 31 обратной связи одновременно выводится на измеритель 33 среднеквадратичного значения напряжения питания моста. Как и в первом варианте пересчет среднеквадратичного значения напряжения 25 (путем деления на коэффициент передачи тракта ) позволяет перейти к значению разностного среднеквадратичного сигнала на входе между точками 21 и 22j которое вместе со значением напряжения, подаваемьм на мост (измеренным измерителем 33, используется далее для расчета турбулентных характеристик в потоке.

ТЕРИОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий термочувствительный элемент в виде трубки с подключенным к источнику охлаждающей жидкости капиллярным каналом и токопроводящей внешней поверхностью, соединенной с блоком питания, отличаю щи йс я тем, что, с целью повышения надежности измерений в двухфазных потоках и увеличения срока службы датчика, трубка термочувствительного элемента выполнена из электропроводящего материала, а блок питания - в виде источника высокой частоты. I

-I fy

11 фигЗ

0. М ух/, /и

11 24. JM .. 5 УЧ /1Л