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

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения температуры и скорости потока жидкости или газа.

Цель изобретения - повышение точности измерения изменяющейся скорости неизотермичного потока при постоянной и медленно изменяющейся его температуре.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из источника 1 тока, датчика 2 термоанемометра, высокостабильного резистора 3. делителя 4 сигналов (делителя сигнала с датчика термоанемометра 2 на сигнал с резистора 3), дифференциального усилителя 5 обратной связи, блока 6 компенсации, второй ключевой схемы 7, первой ключевой схемы 8, первого блока 9 памяти, второго блока 10 памяти, а

также схемы управления автоматической температурной самокомпенсацией, состоящей из термометра 11 сопротивления с датчиком 12 температуры, третьего блока 13 памяти, двойного переключателя 14, дифференциального усилителя 15, двойного компаратора 16, автоколебательного генератора 17 прямоугольных импульсов, третьей ключевой схемы 18, четвертой ключевой схемы 19 однотактного таймера 20, первого 21 и второго 22 одновибраторов и источника 23 опорного напряжения

С выхода первого блока 9 памяти снимается напряжение, зависящее от температуры потока, а с выхода второго блока 10 памяти снимается напряжение, прямо пропорциональное току через перегретый относительно потока датчик термоанемометра и

О

VJ ч со

4D О

в конечном счете зависящее от скорости потока.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерения температуры и скорости исследуемого потока, т.е. в режиме определения значений напряжений, зависящих от сопротивлений датчиков в течение всего времени изменения температур потока (далее: режим определения значений напряжений) датчик 2 термоанемометра и датчик 12 температуры, представляющие собой терморезисторы, устанавливаются в исследуемый поток, причем датчик 2 термоанемометра устанавливается в ту точку, где необходимо в дальнейшем измерять скорость, а датчик 12 температуры - в одну из тех точек, где исключено взаимное влияние датчиков 12 и 2 на показания друг друга.

При этом датчики 12 и 2 совсем не обязательно должны находиться вблизи друг друга.

Датчики 12 и 2 подключены к измерительным блокам по четырехпроводным схемам для исключения влияний сопротивлений ключевой схемы 7 и подводящих линий (в том числе и изменения этих сопротивлений) на измерения температур и скорости, что особенно важно при измерении потоков с изменяющейся во времени температурой, которая приводит к изменениям сопротивлений подводящих линий.

Для обеспечения работы датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений напряжений общий контакт второй группы контактов двойного переключателя 14 замыкается с вторым контактом этой же группы, на который от источника 23 опорного напряжения поступает опорное напряжение Eon. Это напряжение, закрывая вход второго блока 10 памяти и открывая вход первого блока 9 памяти, заставляет вторую ключевую схему 7 отключить датчик 2 термоанемометра от выхода дифференциального усилителя 5 обратной связи и одновременно подключить этот датчик к выходу источника 1 тока, первую ключевую схему 8 подключить к выходу делителя 4 сигналов, к открытому входу первого блока 9 памяти, на который начинает поступать напряжение с выхода делителя 4 сигналов. Источник 1 тока выдает такой ток 1и.т, который точно также, как и в термометрах сопротивления, не приводит к нагреву датчика 2 термоанемометра.

Температурная составляющая потока, воздействуя на датчик 2 термоанемометра,

вызывает изменение его электрического сопротивления по закону

Rg2l R02 ( 1 + a pi Д t2l ),

где Rg2i - сопротивление датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений сопротивлений в 1-й режим времени;

Ro2 - сопротивление датчика 2 термоанемометра при температуре 0°С (измерен- ное заранее);

ар2 - температурный коэффициент сопротивления датчика 2 термоанемометра;

Л tai - температура потока в месте установки датчика 2 термоанемометра в 1-й мо- мент времени (в 0°С).

Так как в этом режиме определения значений напряжений датчик 2 термоанемометра и последовательно соединенный с ним высокостабильный резистор 3 через вторую ключевую схему 7 подключены к выходу источника 1 тока, который выдает ток 1и.т, вход второго блока 10 памяти и входы делителя 4 сигналов высокоомные, то согласно закону Ома, на датчике 2 термоане- мометра в режиме определения значений напряжений образуются напряжения URQ2i. равные;

URg2| IU.T. Rg2i lu.т. R02(1 +0p2 At2i).

а на высокостабильном резисторе 3 в этом режиме образуется напряжение Урз, равное:

инз IU.T RS ,

где Ra- величина сопротивления высокостабильного резистора 3.

Делитель 4 сигналов в каждый 1-й момент времени делит эти два поступающие в каждый 1-й момент времени на входы напряжения друг на друга (первое на второе) и на своем выходе, а также на выходе первого блока 9 памяти, имеющего коэффициент передачи 1, образует напряжения, равные:

it -if Rg2i

ивых.4 - 1 вых91fi -

UR3

К4

IU.T. Rg2l и К4 .-, --,St- «4 75- Rq2l

IU.T. Ra Ra Й +af At2 )

где Кз - коэффициент пропорциональности делителя сигналов, имеющий размерность напряжения (следовательно, величина K/j/Яз имеет размерность тока).

Таким образом, на выходе первого бло- кэ 9 памяти образуются напряжения ивых 91, зависящие от сопротивлений Rg2i и в конечном счете от температур At2i.

В этом режиме блоки б и 5 не влияют на работу устройства, так как вторая ключевая схема 7 отключает выход блока 5 от остальной схемы. В это же время нз выходе термометра 11 сопротивления образуются напряженмя

ивыхш Кц In Roi2 (1 + арп

Atl2l) Kl1 111 Rg12| ,

где l/вых Hi - напряжение на выходе термо- метра 11 сопротивления в i-й момент времени;

«ц - коэффициент усиления по напряжению термометра 11 сопротивления;

1ц - ток термометра 11 сопротивления, протекающий через датчик 12 температуры;

Roi2 - электрическое сопротивление датчика 12 температуры при температуре 0°С (измеренное заранее);

арп температурный коэффициент сопротивления датчика 12 температуры;

д ti2i - температура потока в месте установки датчика 12 температуры в 1-й момент времени (в 0°С).

Таким образом, в режиме определения значений напряжений на выходе термометра 11 сопротивления и на первом выходе устройства (на выходе первого блока памяти 9) одновременно (так как времена прохождения сигналов от датчика 12 температуры до выхода термометра 11 сопротивления и отдатчика 2 термоанемометра до выхода первого блока памяти 9 пренебрежимо малы (образуются напряжения Увых Hi и Увых 91. зависящие от сопро- тивлений датчиков 12 и 2 и от температур потока в точках установки этих датчиков).

Эти напряжения одновременно записываются (запоминаются) контрольно-записывающей аппаратурой во всем диапазоне изменяющихся температур исследуемого потока, после чего строят зависимость напряжения Увых 1 л от напряжения UBWx 91, т.е. функцию Увых ni f(UBbix9i)H по ней заранее (из экспериментов или из расчетов) зная, на какую величину допускается изменение температуры потока в точке установки датчика термоанемометра, определяют наименьшую допустимую величину изменения напряжения Квых 11, т.е. величину дКвых 11 gon min. В

режиме определения значений напряжений, когда на общий контакт второй группы контактов двойного переключателя 14с второго коммутируемого контакта этой группы от источника 13 опорного напряжения поступает опорное напряжение Е0п, обеспечивающее работу датчика 2 термоанемометра в режиме измерения температуры, на общий контакт первой группы контактов этого двойного переключателя 14 с второго коммутируемого контакта этой же группы, подключенного к общей шине, поступает нулевое напряжение. Так как на первый вход дифференциального усилителя 15с выхода термометра 11 сопротивления поступает напряжение 11Вых 11, а на второй вход этого дифференциального усилителя 15 с общего контакта первой коммутируемой группы контактов двойного переключателя 14 поступает нулевое напряжение, то между входами дифференциального усилителя 15 образуется разность входных напряжений, равная

U8bix11i - OHJebixlH - Кп R012

( 1 + ари Ati2i) In .

Эта разность напряжений усиливается дифференциальным усилителем 15 и на его выходе образуется в i-й момент времени напряжение 1)8ых ш, равное

UBbix15i KIS ивых111 KIS Кп

Roi2 ( 1 +ари Ati2i) In ,

где KIS - коэффициент усиления дифференциального усилителя 15.

Это напряжение поступает на вход двойного компаратора 16. Величина входного порогового напряжения двойного компаратора 16 выбирается заведомо меньше величины напряжения, поступающего на его вход в режиме определения значений напряжений

Ki5 К11 R012 ( 1 + Я/912 ) 111

Вследствие этого двойной компаратор 16 срабатывает, и на его выходе образуется напряжение, достаточное для открывания третьей ключевой схемы 18.

В это время с генератора 17 импульсов на вход третьей ключевой схемы 18 непрерывно поступают импульсы напряжения (прямоугольной формы с малым периодом следования (на 3...4 порядка меньшим, чем время, необходимое для остывания в режиме измерения температуры ранее перегретого в режиме измерения скорости датчика 2 термоанемометра).. ,

Так как в это время третья ключевая схема 18 открыта, то импульсы напряжения прямоугольной формы беспрепятственно поступают на вход четвертой ключевой схемы 19, которая в это время также открыта (так как ключевая схема 19 закрывается только после окончания импульса, выдаваемого однотактным таймером 20), и далее - на вход однотактного таймера 20, работающего в режиме одновибратора. Однотакт- ный таймер 20 запускается и выдает на своем выходе импульс, амплитуда которого близка к опорному напряжению Е0п. Этот импульс поступает на входы одновибрато- ров21 и 22.

Длительность импульса, выдаваемого однотактным таймером 20, такова, что она может обеспечить измерение температуры датчиком 2 термоанемометра даже в том случае, если бы он был ранее перегрет в режиме измерения скорости, т.е. длительность импульса достаточна для остывания датчика 2 до температуры потока.

После окончания импульса, выдаваемого однотактным таймером 20, запускается первый одновибратор 21, который выдает на своем выходе импульс, который, поступая на управляющий вход четвертой ключевой схемы 19, закрывает ее вход. При этом на вход однотактного таймера 20 перестают поступать запускающие прямоугольные импульсы, что препятствует запуску однотактного таймера 20 до момента окончания импульса, выдаваемого первым одновибра- тором 21.

Длительность этого импульса такова, что она может обеспечить измерение одного значения скорости, т.е. длительность импульса может обеспечить нагревание датчика 2 термоанемометра до заданной величины перегрева.

Таким образом, импульс, выдаваемый первым одновибратором 21, исключает повторный запуск однотактного таймера 20 на время, которое может понадобиться для измерения одного значения скорости. После окончания этого импульса цикл повторяется, т.е. происходит новый запуск однотактного таймера 20, а затем новый запуск первого одновибратора 21 и т.д. Пока открыта ключевая схема 18, происходят цикличные попеременные запуски однотактного таймера 20 и первого одновибратора 21.

После окончания импульсов, выдаваемых на выходе однотактным таймером 20, запускается не только первый одновибратор 21, но и второй одновибратор 22, формирующий на своем выходе импульс, поступающий на управляющий вход третьего блока 13 памяти и открывающий вход

этого блока на время, достаточное для запоминания на выходе этого блока (имеющего, как и первый и второй блоки памяти, коэффициент передачи 1) напряжения, поступившего в момент закрытия j третьего блока 13 памяти на его вход с выхода термометра 11 сопротивления.

Следовательно, на выходе третьего блока 13 памяти запоминается напряжение

0 ивых 13, равное напряжению на выходе термометра сопротивления в момент J:

иВЫх13) UublXll) K11 |Ц Rg12J

In Roi2 (1 +ap Ati2j).

В результате наличия цикличных запусков однотактного таймера 20 происходят периодические запуски второго одновибра0 тора 22, следовательно, на выходе третьего блока 13 памяти все время происходит обновление (перезапоминание) напряжения UBBIX 13). Поскольку это напряжение, несущее информацию о температуре потока в

5 месте установки датчика 12 температуры в момент времени j, запоминается, то появляется возможность сравнивать с этой запомненной в момент | времени информацией о температуре потока информацию о темпе0 ратуре потока в последующие моменты времени и результат сравнения использовать для автоматического управления процессом температурной компенсации, т.е. после режима определения значений напряжений,

5 оканчивающихся определением величины дивыхПмин.доп.. появляется возможность осуществить режим измерения температуры и скорости с автоматическим управлением процессом температурной компенсации.

0 Это осуществляется, после того, как в двойном компараторе 16 выставляют такую величину входного порогового напряжения Unop. 16, при которой выполняется равенство

5

S ЛиВых11доп. Kl5 I I Unop.16 I

и после переключения двойного переключателя 14.

0При этом общий контакт второй группы

контактов двойного переключателя 14 замыкается с первым контактом этой же группы, соединенным с выходом однотактного таймера 20, а общий контакт первой группы

5 контактов двойного переключателя 14 замыкается с первым контактом этой же группы, в результате чего выход третьего блока памяти оказывается соединенным с вторым входом дифференциального усилителя 15. Теперь на второй вход дифференциального

усилителя 15 поступает не напряжение с общей шины (т.е. нулевое напряжение), как это было в режиме определения значений напряжений, а напряжение с выхода третьего блока 13 памяти. Поскольку в первый момент времени после запоминания третьим блоком памяти напряжение Увых 13J, поступившее на второй вход дифференциального усилителя 15, равняется напряжению Оных 11J, поступающему на первый вход этого же дифференциального усилителя 15, то на выходе дифференциального усилителя 15, усиливающего разность этих двух напряжений в Kis раз, тоже образуется нулевое напряжение. Нулевое напряжение, поступая на вход двойного компаратора 16, не вызывает появления на его выходе напряжения. В результате вход третьей ключевой схемы 18 оказывается закрытым и на вход однотактного таймера 20 не поступают запускающие импульсы, и на его выходе после окончания импульса напряжения величиной, близкой к Еоп , устанавливается напряжение, обеспечивающее режим измерения скорости, представляющий собой одну из двух частей рабочего режима. Это происходит независимо от того, открыт или закрыт вход четвертой ключевой схемы, т.е. независимо от того, какое напряжение на своем выходе выдает первый одновибратор 21.

В последний момент перед началом режима измерения скорости на выходе первого блока 9 памяти запоминается напряжение Увых 9, зависящее от сопротивления Rga. Блок 6 компенсации, представляющий собой усилитель с коэффициентом передачи, равным коэффициенту перегрева Кпер, умножает поступающее на его вход напряжение на коэффициент перегрева Кпер. датчика 2 термоанемометра. Таким образом, на выходе блока 6 компенсации получается напряжение Увых 6, равное

Uabix.e 1)вых9 Клер K4/R3 R02

( 1 + а/2г Дт.2 ) Кпер K4/R3 у

Rg2 Кпер K4/R3 Rw2ipe6.

где Rwaipee. - то требуемое сопротивление датчика термоанемометра 2, которое он должен иметь при данной температуре потока At2 в точке установки датчика термоанемометра в режиме измерения скорости, т.е. будучи перегретым с коэффициентом Кпер. относительно потока.

На выходе блока 6 компенсации образуется напряжение Увых 6. пропорциональное тому сопротивлению Rw2rpe6 , которое должен иметь датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости. Это напряжение поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 5 обратной свя- 5 эй.

В режиме измерения скорости на управляющие входы блоков 7-10 поступает с выхода однотактного таймера 20 такое напряжение, при котором вторая ключевая

0 схема 7 отключает датчик 2 термоанемометра от выхода источника 1 тока и подключает датчик 2 термоанемометра к выходу дифференциального усилителя 5, первая ключевая схема 8 отключает выход делителя 4 сигна5 лов от первого блока 9 памяти и подключает выход делителя 4 сигналов к инвертирующему входу дифференциального усилителя 5, закрывается вход первого блока 9 памяти и открывается вход второго блока 10 памяти,

0 работающего противофазно с первым блоком 9 памяти. При этом на выходе первого блока 9 памяти сохраняется ранее запомненное в последний момент режима измерения температуры) напряжение 11Вых. 9,

5 которое хранится до подачи следующего открывающего его вход импульса напряжения. Следовательно, и на управляющий (неинвертирующий) вход дифференциального усилителя 5 обратной связи по-преж0 нему поступает с выхода блока 6 компенсации напряжение Квых 6 равное

Uebix 6 УВЫХ 9 Кпер К/1 КЗ Rw2Tpe6

5На инвертирующий вход дифференциального усилителя 5 обратной связи поступает в этот момент времени с выхода делителя 4 сигналов через первую ключевую схему 8 напряжение 11Вых 4, образовавшее0 ся в результате деления напряжения, снимаемого с датчика 2 термоанемометра, на напряжение, снимаемое с высокостабильного резистора 3 величиной RS, т.е.:

I , , Уруу2ист

UBb)X4 - UR;, М 5 Rw2ncr v К4

ID 4 - о

вых5

W2MCT

5

где UR w2ncT - напряжение, снимаемое с датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости (истинное напряжение на датчике 2 термоанемометра 2):

Rw2HCT истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости1

1вых 5 - выходной ток дифференциального усилителя 5 обратной связи, протекающий через датчик 2 термоанемометра и через высокостабильный резистор 3 в режиме измерения скорости.

Таким образом, на неинвертирующий вход дифференциального усилителя поступает напряжение, равное K4/R3 Rw2 треб , а на управляемый вход - напряжение, равное

K4/R3 Rw2ncr.

Дифференциальный усилитель 5 усиливает разность двух напряжений и эта величина подается в обратную связь, т.е. непосредственно через вторую ключевую схему 7 на датчик 2 термоанемометра, перегревая его относительно потока и изменяя его сопротивление Rw2 ист до величины

Rw2 треб.

На высокостабильном резисторе 3 при этом образуется напряжение URJ , прямо пропорциональное току через датчик 2 термоанемометра и зависящее от скорости потока. Это напряжение поступает на вход второго блока 10 памяти, имеющего, как и первый блок 9 памяти, коэффициент передачи, равный 1.

Так как в этот момент времени вход второго блока 10 памяти открыт, то на его выходе образуется напряжение Кеых ю -LJR3, также пропорциональное скорости потока и изменяющееся вместе с ней до того момента, пока с выхода однотактного таймера 20 не приходит импульс с амплитудой напряжения (близкого к Е0п), который опять переключает термоанемометрическую часть схемы блока, в режиме измерения температуры блоков 1-10, представляющем собой одну из двух частей рабочего режима, при котором коммутация блоков 1-10 такая же, как и в режиме определения значений напряжений. При этом этот импульс, помимо описанных в режиме определения значений напряжений коммутаций блоков 7, 8 и 9, закрывает вход второго блока 10 памяти, в результате чего на его выходе сохраняется до следующего открывающего импульса (т.е. такого импульса, при котором опять наступает режим измерения скорости). Формула изобретения Устройство для измерения температуры и скорости потока, содержащее последовательно соединенные датчик термоанемометра и подключенный к общей шине высокостабильный резистор, которые параллельно подключены к входам делителя сигналов, выход которого соединен с входом первой ключевой схемы, первый выход которой соединен с инвертирующим входом

дифференциального усилителя, а второй выход - с входом первого блока памяти, выход которого является первым выходом устройства и через блок компенсации с неинвертирующим входом дифференциального

0 усилителя обратной связи, общая точка соединения датчика термоанемометра и высокостабильного регистра соединена с входом второго блока памяти, выход которого является вторым выходом устройства, а управля5 ющий вход обьединен с управляющими входами первого блока памяти, первой ключевой схемы и второй ключевой схемы, первый вход которой соединен с выходом источника тока, второй вход - с выходом

0 дифференциального усилителя обратной связи, а выход - с датчиком термоанемометра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены однотактный таймер, два одновибра5 тора, двойной переключатель, генератор прямоугольных импульсов, третья и четвертая ключевые схемы, двойной компаратор, второй дифференциальный усилитель, третий блок памяти, источник опорного напря0 жения, /термометр сопротивления, выход которого соединен с информационным входом третьего блока памяти и первым входом дифференциального усилителя, выход которого соединен через двойной компаратор с

5 управляющим входом генератора прямоугольных импульсов, а выход - с информационным входом четвертой ключевой схемы, выход которой соединен с входом однотактного таймера, выход которого объ0 единен с входами первого и второго одно- вибраторов, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами четвертой ключевой схемы и третьего блока памяти, выход которого соединен с первым

5 входом двойного переключателя, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с общей шиной, источником опорного напряжения и выходом однотактного таймера, а первый и второй

0 выходы - с управляющими входом первого блока памяти и вторым входом второго дифференциального усилителя.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к термоанемомет- рическим устройствам, и предназначено для одновременного измерения температуры и скорости газовых потоков. С целью повышения точности измерения в потоке дополнительно размещают датчик температуры и подключают его в дополнительно введенную цепь регулирования, состоящую из однотактного таймера, двух одновибра- торов, двух ключевых схем, автоколебательного генератора прямоугольных импульсов, двойного компаратора, дифференциального усилителя, двойного переключателя, блока памяти, источника опорного напряжения. Наличие управления процессом автоматической температурой компенсации позволяет уменьшить ошибку измерения изменяющейся скорости потока, вызванную относительно малым временем измерения этой скорости в сравнении с суммарным временем измерения 1 ил сл с

Zt

Ю

т

.

-.

::Ǥ ,

..fll

а.У

c.... - J

W-J«

.

-.

1

5

/A

1

::Ǥ ,