Устройство для измерения скорости и температуры неизотермических потоков Советский патент 1991 года по МПК G01P5/12 G01K13/02 

-v;,,:-; . - ; -, П , -- :-

() -. г;г-.г KB -;:-;i5r;or...;i.. - (22)ot9iJ5:/;.8S; заогместзуэ.,,.1; . - (46)3Щ,0§49Д)о&«Шр о1-в:) Ni-;GTr;ry Tocv. -.

(71)Донецкий государственный университет

(72)n.H.CaeOjGteH o .. с.. -; (53)533.6.08(688/8)

(56)Авторское самдетельсдт CQCRj. .......

MSg 88gOTcftfr Ш,;::;;1,:::., :

ОП Г. НАП - .-чТПППП: fiv r v i - --- АвтЬрсхбё свидетельство CJCCjp № 11400 4, кл. G 01 К 13/02. G 01 F 15712.

-зкэ емэхо ps;jboq-r :9ue ..(54j:vi f ef шаджщй E pf нЩ cko- 4Eem fibfd(cOesqTOҐ ; ;i ::;:41 ;,

v jvfi c r-O4b v TP-r i};-- sк - .

(57)Изобретение OTHOcni93J.ij;raj3;pq;iM гидро- динамическим исследоврния,м параметров и ха||| те|р ие™к ; срейЖёлШ йЙВ е ей й ля тсУ..ще. чЧНа вТОСП 61 S J Р.TtKj h- ;.. -x;V 4,s -./ 8омот г-н -;ййт:) тсо;1 . -..irt-чa TOi o JCHR Ог:;;:н5о f.l . :. J - - . д::гг ,9 -:; v;r--.;.- , V;. -:, Ч vi i ;--:- .oH o-iO-r-i-1-; ;::

ние точности измерений температуру w. ,. рости потоков и расширение функцио. ных возможностей системы.. Длящего с помощью программного устрчойстэЭ Ллект - ронная схема оптимально подстраивается , под .конкретные характеристики пар Hyejc-т- : вительных Элементов датчиков; ;температу- ; ры и скорости,, лПрактин ски , устраняется влияние рээбрроал харак:тери-;; стик датчиков на выхрдные,сигналы:измерит- ;; тельной системы. .,. Расш.ирение - функциональных возможностей: обеспени .: вается за счет дистанцианногоюткдюч ния . термоанемометра постоянной температур- , ры, защиты чувствительного эяемента атп ; чика от перегорания, приведения .шкалню, отсчета термометра к, оОщвпринят ЫМ .М 3

З.П.ф-ЛЫ. 1 ИЛ.. : ; г

И бретёнУе отнЬ ситс гидр о- дина йчёскйм йсследрЁанйям параметров и ха 1эайтер йЬг К 1 дйи уЦй ся турбулентных средЭД Й6 ) б ыть исНольз&ваНо для создания из р тёлънШ1 ц л Ь,иной техники ори4нгй рбвэнйбй, йчЭЬтноЬтК на дистанционные измерения в нйтурных и полевых условиях.:; ;v: : н - 5- -

Целью1 изобретения является повышение TOMHdcfM измерений температуры и ско- ростйТ rtuTcvktoB и ,повышение нэдеясн.рстй системы. - : , :; ..

НаH4ep fеже представлёна блpic-схема устрбйствй для йзмерейия скорости и температуры неизотермических потоков.

Устройство содержит термометр ерпрот; тивления 1, срстоящий из источника„хтак&г (ИТ) 2, датчик температуры 3, ср.единенкр го последовательно с ИТ 2, дифференциал -, ного усилителя (ДУ) 4, оба входа которого, подключены к датчику 3, последовательно соединенные датчик скорости 5 и .резиртр перегрева (Rn) 6, защитный блрк 7,додояни тельный дифференциальнь й .,усил,и,твль (ДДУ) 8, один из входов кртрррщ через защитный блок 7 соединен с одним из входов датчика 5, а другой вход - с точкрр соединения датчика 5 и Rn 6, первый .сумматор 9, усилитель обратной связи (YOQ.IO, сост,0я- щий из последовательно включенных основного ДУ 11, порогового устройства (ПУ) 12,

О

1 ю

4 СЛ СО

(Г Д

ЮН

блока мощности 13, подключенного одновременно выходом к одному из входов датчика 5, второй сумматор 14, токовый выход которого соединен с другим входом дополнительного ДУ 8, первый потенциальный вход подключен к Rn 6, потенциальный выход - к одному из входов основного ДУ 11, к другому входу которого через первый сумматор 9 подсоединен выход дополнительного ДУ 8, последовательно соединенные перемножитель 15. один из входов которого подключен к второму потенциальному выходу второго сумматора 14, и управляемый источник тока (УНТ) 16, соединенный выходом с токовым входом второго сумматора 14, последовательно соединенные сустрактор 17, к входу которого подключен потенциальный выход второго сумматора 14, линеаризатор 18, масштабный усилитель (МУ) 19, регистратор 20, к одному из входов которого подключен выход МУ 19, последовательно включенные транспониатор 21, к входу которого подсоединен выход ДУ 4, и регулируемый усилитель (РУ) 22, выходом соединенный с другим входом регистратора 20, блок опорных напряжений (БОН) 23, первый выход которого соединен с транспонирующим входом транспониатора 21, второй выход с установочным входом сустрактора 17, а третий выход - с установочным входом первого сумматора 9, программатор 24, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого сумматора 9, сустрактора 17,РУ 22, УИТ 16, МУ 19, регистратора 20 и транспониато- ра21.

Устройство работает следующим образом.

Датчики температуры 3 и скорости 5 помещаются в поток с температурой вд и скоростью V. Для определенности будем рассматривать датчики 3 и 5 с микропроволочными чувствительными элементами (ЧЭ) с сопротивлениями соответственно R#n RV. например, из вольфрама диаметром d и длиной I такими, что и для ЧЭ датчика 3, и для ЧЭ датчика 5 l/d (3-4)10 с температурными коэффициентами сопротивления ЧЭ OQ и GVКонструктивно они располагаются в непосредственной близости друг от друга в одной плоскости нормально набегающему потоку и параллельны, а физические и электрические характеристики обоих датчиков близки к идентичным, что необходимо для достаточно хорошей термокомпенсации в динамике. Размеры такого комбинированного R$ + Rv датчика определяются требо5

0

ванием пространственного (частотного) разрешения по пульсациям скорости V и

температуры $1 , что в свою очередь зависит от диапазона средних скоростей V6 /мин : Умакс и частотных диапазонов

На практике каждой паре ЧЭ датчиков 3 и 5 комбинированного датчика соответству0 ют свои значения Од , «V и R0e/#g 0°C

R ov /вд 0°С т.е. датчики изготавливаются с разбросами характеристик. В связи с этим с помощью программатора 24 задается как временной цикл измерений вд , V и скорость записи-воспроизведения для регистратора 20, так и для каждой данной пары ЧЭ с R#,-, R vi , I 1 . N , N , - число комбинированных датчиков в системе, произодит- ся фиксированная настройка УИТ 16, транспониатора 21, сустрактора 17, МУ 19, РУ 22 в соответствии с конкретными значениями

R oЈi /вд 0°С , R ovi /вд 0°С

5

(при этом ЧЭ V не перегрет, т.е. включается в схему термометра сопротивления по существу), а$ и a vi,

Следовательно, электронная схема сис0 темы оптимально подстраивается под конкретные характеристики пар ЧЭ датчиков 3 и 5, чем практически устраняется влияние разброса характеристик датчиков на выходные сигналы системы.

5 Напряжения URV и U щ, падающие непосредственно на ЧЭ датчиков скорости 5 и температуры 3 в результате протекания через них соответственно токов Iv и Q ( Iv Q ) , If обычно выбирают вели0 чиной порядка единиц миллиампер, подаются на высокоомные входы ДУ 8 (один провод через защитный блок 7) и ДУ 4 через пары потенциальных проводов 1 и 11. Очевидно, что при таком подключении датчиков

5 скорости 5 и температуры 3 к измерительным схемам исключается влияние токовых проводов, через которые происходит электропитание их ЧЭ, определяемое температурной зависимостью их сопротивлений.

0Напряжение URV f (V) с выхода ДДУ 8

через первый сумматор 9 подается на вход основного ДУ 11 (УОС 10), на другой вход которого через второй сумматор 14 поступает напряжение Uv с резистора перегрева 6,

5 которое определяет рабочую температуру А/ 4Э датчика скорости 5 (Оу вд , вд - температура потока), или как принято говорить, перегрев его относительно равновесного значения, т.е. Rn Rv/#g Сигнал,

пропорциональный по какому-либо закону скорости потока V (на чертеже это и есть сигнал Uv), снимается с основного входа основного ДУ 11, что, как показывает эксперимент, обеспечивает более устойчивую работу термоанемометрической части предлагаемой системы. Через цепь обратной отрицательной связи (ООС), образуемой основным ДУ 11,.ПУ 12, блоком мощности 13, величина тока Iv подогревающего ЧЭ датчика 5, изменяется так: Iv растет, если () 0, где UB напряжение на выходе ДДУ 8, и уменьшается, если (Us - Uv) 0 до тех пор, пока не стабилизируется относительно номинального для данной скорости V занчение тока IVH, что соответствует факту Us Uv и определяет для ЧЭ датчика 5 режим работы термоанемометра постоянной температуры (ТАПТ). На чертеже ТАПТ - это датчик 5, 6, ДДУ 8 с защитным блоком 7, УОС 10, первый 9 и второй 14 сумматоры. Инвариантность выходного сигнала ТАПТ к температуре вд определяется цепью термокомпенсации из перемножителя 15 и УИТ16.

Первый сумматор 9 обеспечивает требуемый уровень напряжения смещения основного ДУ 11 и, следовательно, устойчивость и частотный диапазон ТАПТ при помощи БОН 23. Кроме того, с помощью сумматора 9 по команде от программатора 24 (это в принципе может быть подача необходимой величины управляющего напряжения) происходит переключение основного ДУ 11 в противоположную полярность по выходу (так как V 0, то на выходе ДУ 11 всегда однополярное напряжение в рабочем режиме), что вызывает срабатывание ПУ 12 и отключение блока мощности 13 от датчика скорости 5. Таким образом, повышает- ся надежность системы, так как обеспечивается дистанцирнность управления отключением ТАПТ, что удлиняет срок службы датчика скорости, Такую возможность необходимо предусматривать, осо- бенно если проводятся только температурные измерения или просто требуется перерыв в работе, например, для смены датчика.

Защитный блок 7 предохраняет от воз- можного перегорания ЧЭ датчика скорости 5, что бывает из-за неодновременного подключения всех цепей в схеме ТАПТ при смене датчика, если почему-либо не включено ПУ 12, или при обрыве токового или потен- циального проводов, идущих от верхнего (см. чертеж) зажима датчика 5. Защитный блок 7 рассчитывается так, чтобы сработать от того уровня напряжения, которое прилагается к нему при отсутствии (обрыве) ЧЭ датчика 5, и образовать замыкание ООС прямо на вход ДДУ 8, т.е. небольщим уровнем выходного тока (напряжения).

Сигнал Uv, как правило, описывается нелинейной зависимостью типа закона Кинга

4- Bv , п 1 , U vo Uv/V 0

что затрудняет интерпретацию данных, получаемых с помощью ТАПТ в устройстве-прототипе, особенно при значительных уровнях турбулентности потока. Для устранения этого недостатка Uv попадает на вход сустрэк- тора 17, который (для данного RVI) приводит Uv к нулю при V - 0 с помощью БОН 23 и программатора 24, корректирующего уход нуля при переходе а системе к датчику 5 с другим значением сопротивления

ЧЭ Rvj , I j, j 1N. После сустрактора

17 включен линеаризатор 18, на выходе которого сигнал пропорционален скорости, т.е. U is V, МУ 19 по командам от программатора 24 устанавливает в соответствии с коренным значением ам заданный масштаб шкалы отсчета скорости, так что на реги- стор 20 поступает сигнал, соответствующий V в физических единицах.

Сигнал, пропорциональный температуре вд , с выхода ДУ 4 поступает в транспо- ниатор21, который устанавливаете помощью напряжения БОН 23 соответствие заданной шкале отсчета, например Цельсия. Корректировка этой установки для каждого датчика 3 производится программатором 24: С выхода транспониатора 21 сигнал проходит РУ 22, задающий требуемый уровень усиления и привязку к физическим единицам измеряемой $д , которая затем регистрируется в регистраторе 20. Разброс а$ от i-ro датчика 3 к j-му датчику 3 устраняется в РУ 22 с помощью программатора 24. Кроме того, температурный сигнал с выхода РУ 22 поступает в цепь термокомпексации на один из входов перемножителя 15, на другой вход которого подается сигнал Uv.

Сигнал термокомпенсации в виде тока тк через второй сумматор 14 подается непосредственно на резистор перегрева б, на котором создается падение напряжения, компенсирующее влияние на Uv девиации, измеряемой в потоке температуры Д$д вд -Одг потока по отношению к той температуре, при которой производилась градуировка ТАПТ совместно с датчиком скорости 5.

Формула изобретения

содержэщве последовательно включенные резистор перегрева и датчик скорости усилитель обратной связи, соединенный выходом с одним из входов датчика скорости, термометр сопротивления с датчиком температуры, последовательно соединенные управляемый источник тока и перемножитель, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и скорости потоков и повышения надежности, в него введены последовательно соединенные транспониатор и регулируемый усилитель, дополнительный дифференциальный усилитель, защитный блок, первый и второй сумматоры, последовательно соединенные сустрактор, линеари- затор и масштабный усилитель, блак опорных напряжений, программатор и регистратор, при этом один из входов дополнительного дифференциального усилителя подключен одновременно к другому входу датчика скорости и резистору перегрева, а другой вход дополнительного дифференциального усилителя через защитный блок соединен с выходом усилителя обратной связи, к одному из входов которого подключен через первый сумматор выход дополнительного дифференциального усилителя, 9 другой вход соединен одновременно с потенциальным выходом второго сумматора, у которого токовый выход, первый и второй потенциальные входы подключены соотве гственно k тб чкё соёгй н)ё1нцярезидтора г/Ј$е- грееа и датчика , к аходу резистора перегреве и1 к викой/Управляемого источника тока, и переем вводами перемнс жителя и сустра ктор, который че,рез последовательно соединенные линеариза- тор и масштабный усилитель подключен к первому входу регистратора, в/тррой вход которого соединен с вторым входом1 перемножителя и выхбдо м регулируемого усилителя, подключенного к выхрду термометра сопротивленияЧерёй т рансНониатор. транспонирующий вход kofoBo}6icoeЈHHeH с первым выходом блока с п брйых напряжений

чей второй и третий выходы подключены соответственно к установочным входам сус- трактора f первбго сумматора, управляющий вход которого Соединен с первый выходом программатора, а второй вход сустрактора соединен с вторым выходом программатора, у которого третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы подключе,- ны соответственно к управляющим входам регулируемого усилителя, управляемого источника тока, масштабного усилителя, регистратора и транспониатора.

2 Vcfройст во потт1,отличающее- с я тем, что, с мелью обеспечения надежности Дистанционного управления отключенмем термоанемометра, в его усилитель обратной связи перед выходным блоком мощности введено пороговое устройство.