Устройство для измерения температуры и скорости потоков Советский патент 1987 года по МПК G01K13/02 G01P5/12 

3

Jf

ft

/2

1/

Изобретение относится к измери- .тельной технике и может быть использовано для измерения быстроменяющихся в больших динамических диапазонах температур и скоростей потоков в системах автоматического контроля и управления теплотехническими процессами ,

Целью изобретения является повы-- шение точности измерения за счет улучшения частотной коррекции термодатчика измерительного преобразователя температуры.

На чертеже приведена блок-схема устройства,

Устройство содержит измерительный преобразователь 1 температуры с резистивным термодатчиком 2 термоанемометр 3 постоянной температуры с резистивным термодатчиком 4, кор- ректирзпощий усилитель 5, инвертор 6, З множитель 7, интегратор 8, резисторы 9 и 10, сустрактор 11 и квадратор 12.

Устройство работает следующим об- разом.

В исследуемый поток помещаются термодатчики 2 и 4, Изменения сопротивления термодатчика 2, пропорциональные изменению температуры & по- тока, преобразуются в соответствующие изменения напряжения на выходе измерительного преобразователя 1, а изменения величины теплосноса потоком с нагретого термодатчика термо- анемометра 3 - в изменения напряже- ния на его выходе, пропорциональные скорости V потока, С выхода измерительного преобразователя -1 темпера турный сигнал, имеющий динамическую погрешность, обусловленную термичес- кой инерционностью микропроволочного термодатчика 2, поступает на тер- мокомпенсирзтощий вход термоанемомет- ра постоянной температуры (ТАПТ) 3 и одновременно на один из входов корректирующего усилителя 5, который по другому входу охвачен цепочкой обратной связи, состоящей из интегратора 8 и умножителя 7, один вход ко- торого подключен через резистор 10 к выходу усилителя 5, а другой вход (управляющий) - к последовательно соединенным термоанемометру 3, сус- трактору 11 и квадратору 12. Сустрак тор 11 обеспечивает компенсацию начального (нулевого) уровня (при скорости потока ) термоанемометра 3, а квадратор 42 приводит в соответствие управляющий сигнал умножителя 7 закону изменения постоянной времен1| Т термодатчика 2 в зависимости от скорости потока v.

Значение выходного сигнала , термоанемометра 3 при , которое необходимо компенсировать, определяется по градуировочным зависимостям E.f(v). Выходной сигнал сустрак- тора 11 зависит от скорости v.согласно выражению

1

Е,,„,(В.Ь.У)2,

(1)

b где В - постоянный коэффициенту значение которого зависит от свойств потока и определяется расчетным или эмпирическим путем;

коэффициент, зависящий от значений резисторов моста Уитстона (не показан),в плечо которого включен термодатчик 4 термоанемометра 3; эмпирическая константа, причем m является функцией v. Постоянная времени Тд простых микропроволочных термодатчиков,у которых во избежание концевых эффектов отношение диаметра d к длине 1 чувствительного элемента мало, определяется выражением

m Т - С

е ots

(2)

где С и S - соответственно полная теплоемкость и поверхность теплообмена чувствительного элемента; of - коэффициент теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи с зависит от скорости потока при условиях, не очень отличающихся от нормальных,и определяет частоту среза „ чувствительного элемента термодатчика по уровню 3 дБ следующим образом:

fo

1 oiS пЛS c V.m 27ГТд 2ТГС ITfCd l

(3)

где d диаметр чз вствительного элемента;

о,Л и |U. - соответственно плотность,

теплопроводность и динамическая вязкость газа;.

п и га - эмпирические числа, зависящие от критерия Рейнольдса (Re),,

Для используемых термодатчиков с диаметром нити порядка единиц микрометров Re равняется 0,81.

Из (1)-(3) видно, что f.

ср

и Е,

2

ТАЛТ

при условии идентичной конструкции термодатчиков 2 и 4 одинаково зависят от V, что и обусловливает данную структуру цепи управляющего сигнала умножителя 7.

Управляющий сигнал, пропорциональный. Е, изменяет коэффициент передачи умножителя 7 К по такому же закону, т.е. . Это, в свою оче- редь, вызьшает изменение частоты среза корректирующего усилителя 5, и цепь обратной связи, которой он охвачен, обеспечивает необходимый подъем частотной характеристикиi компен- сирующий соответствующий ее спад у системы термодатчик 2 - измерительный преобразователь 1, составляющий для микропроволочных датчиков 20 дБ/декада, (При этом достаточно обеспечить выполнение равенства постоянных времени Тр и корректирующего усилителя 5 TK, т.е. .

Передаточная функция системы тер- .модатчик 2 - измерительный преобразователь 1 - корректирующий усилитель 5 записывается следующим образом:

Ке

Wc(p)W,j(p)Wjp)

W(p) и W(p)

соответственно передаточные функции измерительного преобразова35

теля 1 с термодатчиком 2 и корректирующего усилителя 5;

оператор Лапласа; коэффициент пере- .Q дачи системы термодатчик 2 - измерительный преобразователь 1 .

Если сопротивления резисторов 9 i 10 цепи обратной связи усилителя 5 . по постоянному току равны, то W(p)

имеет вид

K f к

где К - коэффициент усиления разомкнутого усилителя 5;

Т - постоянная времени интегратора 8; - передаточная функция цепи

обратной связи усилителя 5 Из (4) и (5) видно, что подбирая

„, 2Ти 20Тк т.е. Т П LJv

где ,l Uy (Uy - напряжение н-а выходе квадратора), можно осуществить коррекцию инерционности датчика температуры вплоть до частот

W

Тц-Т0,

, --- .--- т Cv К„ Uv

5 0

5

0

5

.Q

45

0

55

1

40 йТ„

.,

а значит уменьшить Тд, так как Ку7 1.

Перестройка цепей коррекции при изменении параметров термодатчика или исследуемой среды осуществляется лишь изменением постоянной времени интегратора, что позволяет заранее легко программировать и затем переключать устройство в соответствии с исследуемой средой либо постоянной времени термодатчика.

Скорректированный температурный сигнал-проходит через инвертор 6, который устанавливает его правильную фазу по отношению к входу корректирующего усилителя 5.

Сигнал, пропорциональный измеряемой скорости потока, снимается с выхода сустрактора.

Формула изобретения

Устройство для измерения температуры и скорости потоков, содержащее два резистивных термодатчика, один из которых включен в термоанемометр постоянной температуры, а другой - в измерительный преобразователь температуры, выход которого подключен к входу термокомпенсации термоанемометра постоянной температуры, о т- личающееся тем, что, с целью повьпиенкя точности измерения за счет улучшения частотной коррекции термодатчика измерительного преобразователя температуры, в него введены сустрактор, квадратор, умножитель, интегратор, первый и второй резисторы, корректирующий усилитель и инвертор, к входу которого подключен выход корректирующего усилителя и бто- рой резистор, последовательно соединенный с первым резистором и первым входом умножителя, второй вход которого через последовательно соединенные сустрактор и квадратор подключе51315834 .6

ны к выходу тёрмоанемометра постоян- корректирующего усилителя, второй ной температуры, при этом выход умно- вход которого соединен с выходом из- жителя соединен через интегратор с мерительного преобразователя темпе- первым резистором и первым входом ратуры.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений ЗА счет улучшения частотной коррекции термодатчика. Устройство содержит преобразователь 1 температуры с резистивным термодатчиком 2, термоанемометр 3 постоянной температуры с резистивным термодатчиком 4,,. корректирующий усилитель 5, инвертор 6, умножитель 7, интегратор 8, резисторы 9 и 10, сус- трактор 11 и квадратор 12. Введение новых элементов и образование-новых связей между элементами устройства позволяют производить перестройку цепей коррекции при изменении параметров термодатчика 4 или исследуемой среды лишь изменением постоянной времени интегратора 8. Скорректиро- ванньм температурный сигнал проходит через инвертор 6, который устанавливает его правильную фазу по отношению к входу корректирующего усилителя 5. 1 ил. i (Л ff fo GO СП 00 со