Устройство для измерения скорости и температуры потока Советский патент 1992 года по МПК G01P5/12 

.Вход

ЫЗ

ы к

ел

CN

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точнрсть измерения температуры и скорости потока. В первом цикле работы устройства конденсаторы 16 и 17 заряжаются до напряжения, равного по величине напряжению на первом и втором входах блока преобразования (БП), а конденсатор 18 подключается к выходу Б П. Во втором цикле работы конденсатора 16 и 17 включены встречно-последовательно и разность напряжений на них подается на выход БП, В этом цикле через открытый ключ и, преобразователь скорости и температуры потока протекает ток подогрева. В третьем и четвертом циклах работа устройства протекает аналогично первому и второму циклам соответственно. Выходные сигналы БП подаются на демодуляторы, выходные напряжения которых пропорциональны соответственно температуре скорости потока. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Вход

Фиг. Z

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и температуры воздушных и жидких потоков.

Известно устройство для измерения температуры, содержащее последовательно соединенные и подключенные к стабилизатору тока термопреобразователь сопротивления и компенсационный резистор, блоки преобразования,усилитель переменного тока, фазочувствительный выпрямитель, резистор, функциональный преобразователь и генератор прямоугольных импульсов 1.

Недостаток устройства - невозможность измерения скорости потока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения скорости и температуры газового потока, содержащее генератор опорной частоты, преобразователь скорости, преобразователь температуры, два дифференциальных усилителя, первый полосовой фильтр, подключенный к выходу первого дифференциального усилителя, выеокоста- биль 1ЫЙ постоянный резистор, второй по-, лосовый фильтр, два демодулятора и два регистратора, при этом к выходу генератора опорной частоты подключены своими выводами преобразователь скорости, преобразователь температуры и высокостабильный постоянный резистор, второй вывод преобразователя скорости соединен с первым входом первого дифференциального усилителя, второй вывод преобразователя температуры соединен с вторым входом первого и первым входом второго дифференциальных усилителей, а второй вывод высокостабильного резистора соединен с вторым входом второго дифференциального усилителя, выход первого дифференциального усилителя через первый полосовой фильтр и первый демодулятор подключен к первому регистратору, а выход второго диффе- ренциального усилителя через второй полосовой фильтр и второй демодулятор - к второму регистратору 2.

Недостатками известного устройства являются относительно невысокая точность измерения температуры из-за разомкнутой структуры канала измерения температуры и невозможность измерения скорости и температуры потоков жидкостей из-за непрямого подогрева преобразователя скорости и, как следствие, большой требуемой мощности нагревателя.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры и расширение функциональных возможностей за счет измерения температуры и скорости жидких потоков.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения скорости и температуры газового потока, содержащее генератор опорной частоты, преобразователь скорости и температуры потока, соединенный с высокостабильным постоянным резистором, первый и второй демодуляторы,

0 дополнительно введены источник напряжения, первый и второй усилители переменного тока, блок преобразования, цепочка из последовательно соединенных первого и второго резисторов обратной связи, дели5 тельнадва, первая и вторая схемы И и ключ, соединенный входом и выходом соответственное первым и вторым выводами высокостабильного постоянного резистора, включенного между источником напряже0 ния и преобразователем скорости и температуры потока, подключенного вторым выводом к общей шине устройства, потенциальные выводы высокостабильного постоянного резистора, преобразователя

5 скорости и температуры потока и второго резистора обратной связи подключены со- ответственно, к первому, второму и третьему входам блока .тфеобразования, подключенного выходом через первый и

0 второй усилители переменного тока соответственно к входам первого и второго демодуляторов, выходы которых являются соответственно выходами сигнала температуры и скорости потока, цепочка из резисто5 ров обратной связи включена между выходом первого демодулятора и общей шиной устройства, первый и второй выходы генератора опорной частоты подключены соответственно к четвертому входу блока

0 преобразования и входу делителя на два, пятому входу блока преобразования и первым входам первой и второй схем И, подключенных выходами соответственно к управляющему входу ключа и шестому вхо5 ду блока преобразования/первый и второй выходы делителя на два подключены соответственно к второму входу второй схемы И и входу управления второго демодулятора и к второму входу первой схемы И и входу

0 управления первого демодулятора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема блока преобразования; на фиг. З - диаграммы работы устройства.

5 На блок-схеме обозначены источник 1 напряжения, высокостабильный постоянный резистор 2, преобразователь 3 скорости-температуры, ключ 4, блок 5 преобразования, первый 6 и второй 8 усилители переменного тока, первый 7 и второй 9 демодуляторы, первый 10 и второй 11 резисторы обратной связи, генератор 12 опорной частоты, делитель 13 на два, первая 14 и вторая 15 схемы И.

Блок 5 преобразования (фиг. 2) содержит первый 16, второй 17 и третий 18 запо минающие конденсаторы, ключи 19-30.

Преобразователь 3 скорости-температуры потока соединен с высокостабильным постоянным резистором 2, ключ 4 соединен входом и выходом соответственно с первым и вторым выводами высокостабильного постоянного резистора 2, включенного между источником 1 напряжения и преобразователем 3 скорости и температуры потока, подключенного вторым выводом к общей шине устройства, потенциальные выводы высокостабильного постоянного резистора 2, преобразователя 3 скорости и температуры потока и второго резистора 11 обратной связи подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока 5 преобразования, подключенного выходом через первый 6 и второй 8 усилители переменного тока соответственно к входам первого 7 и второго 9 демодуляторов, выходы которых являются соответственно выходами сигнала температуры и скорости потока, цепочка из резисторов 10 и 11 обратной связи включена между выходом первого демодулятора 7 и общей шиной устройства, первый и второй выходы генератора 12 опорной частоты подключены соответственно к четвертому входу блока 5 преобразования и входу делителя 13 на два и к пятому входу блока 5 преобразования и первым входам первой 14 и второй 15 схем И, подключенных выходами соответственно к управляющему входу ключа 4 и шестому входу блока 5 преобразования, первый и второй выходы делителя 13 на два подключены со ответственно к второму входу второй схемы И 15 и входу управления второго демодулятора 9 и к второму входу первой схемы И 14 и входу управления первого 7 демодулятора.

Блок 5 преобразования содержит первый 16, второй 17 и третий 18 запоминающие конденсаторы, первую 19, 21, вторую 23, 25 и третью 27, 29 пары ключей первой группы, первую 20, 22 и вторую 24, 26 пару ключей второй группы и пару 28, 30 ключей третьей группы, причем первый конденсатор 16 через первую пару ключей первой группы 19, 21 подключен к первому входу блока 5 преобразования, через первую пару ключей второй группы 20, 22 - к выходу блока 5 преобразования и второму ключу второй пары ключей второй группы 26, второй конденсатор 17 через вторую пару ключей первой группы 23, 25 подключен к второму входу блока 5 преобразования, через вторую пару ключей второй группы 24. 26 - соответственно к общему выводу блока 5 5 преобразования и второму ключу первой пары ключей. второй труппы. Третий конденсатор 18 через третью пару ключей первой группы 27, 29 подключен соответст: венно к выходу и общему выводу блока 5 0 преобразования, через пару ключей третьей группы 28, 30 - к третьему входу блока 5 преобразования, входы управления ключей 19, 21, 23, 25, 27, 29 первой, 20. 22. 24, 26 второй и 28, 30 третьей групп, соответствен5 но соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока 5 преобразования.

Устройство работает следующим образом.

На полу периоде 1 открыты ключи 19,21.

0 23, 25, 27 и 29, а ключи 20, 22, 24. 26, 28 и 30 заперты. Конденсаторы 16 и 17 запоминают напряжения соответственно на первом и втором входах блока 5 преобразования, а с конденсатора 18 напряжение, запомненное

5 в предыдущем полупериоде, подключается к выходу блока 5. На полупериоде 2 ключи 19, 21,.23, 25, 27 и 29 заперты, а ключи 20. 22, 24 и 26 открыты. При этом конденсаторы 16 и 17 включены встречно-последователь0 но и разность напряжений на них подается на выход блока 5, конденсатор 18 сохраняет запомненное ранее напряжение. На этом полупериоде через открытый ключ 4 и преобразователь 3 скорости и температуры

5 потока протекает ток подогрева 1Под. На полупериоде 3 работа блока 5 аналогична работе на полупериоде 1, а на полупериоде 4- аналогична работе блока 5 на полупериоде 2, за исключением того, что ключи 28.30

0 открыты и конденсатор 18 запоминает напряжение на третьем входе блока 5 преобразования. В полупериодах 1, 3, 4 через последовательно соединенные высокостабильный постоянный резистор 2 и преобра5 зователь 3 скорости и температуры потока протекает рабочий ток 10, причем 1Под о. На выходе блока 5 преобразования появляются прямоугольные импульсы с амплитудами Un и Uie + Uia, где Die, U.i, Uie - напряже0 ния на конденсаторах 16, 17 и 18.

Выходное напряжение блока 5 преобразования равно

UB-bR3-ioR2-U7R %t1 ..(В

5 где R2, Ra, Rio. Rn - величины сопротивлений высокостабильного постоянного резистора 2. преобразователя 3 скорости и температуры потока, резисторов 10 и 11 соответственно;

U -выходное напряжение первого демодулятора 7,

Величина сопротивления преобразователя скорости и температуры потока равна (полупериод 1, фиг. 3):

R3 Ro(1 + a (T+ ДТ), (2) где А Т - температурный коэффициент сопротивления материала преобразователя 3 скорости и температуры потока.

Величина сопротивления Яз при измерении скорости потока равна (полупериод 3, фиг.З):

(1 + а Т). (3) где Т - температура перегрева преобразователя 3.

Температура перегрева зависит от амплитуды импульсного тока и скорости потока. Величина сопротивления резистора 2 выбиRii

рается R2eRo.Обозначив/ .Q.R не

учетом (1)-(3), имеем

UST loRo (1ч- а Т) - loRo - -. - loRo« T-U7/S ;(4)

Usv- loRo (1 + a (T + AT)) - f0Ro - -toRoa {T + ATJ-U.(5)

Выходной сигнал блока 5 UST поступает на электронную следящую систему, состоящую из последовательно соединенных усилителя б переменного тока и демодулятора 7 и поддерживающую с точностью до напряжения статизма нулевое выходное напряжение усилителя 6, т.е. UST 0. Тогда из (4) и (5) следует:

(6)

U -ту- Ro« Т - KiT;

Ug K2Usv a ATs Кз V, (7)

где Ug - выходное напряжение демодулятора 9;

V - скорость потока,

т.е. выходные напряжения демодуляторов 7 и 9 пропорциональны соответственно температуре и скорости потока.

При этом погрешность измерения температуры меньше, чем в известном устройстве, поскольку в канале измерения температуры введена отрицательная обратная связь (фиг. 1): выход блока 5 преобразования - усилитель 6 переменного тока - демодулятор 7 - резисторы 10 и 11 обратной связи - третий вход блока 5 преобразования. Пусть коэффициент передачи усилителя 6 и демодулятора 7 равен Кб и К, а делителя на резисторах 10, 11у, тогда, используя методику расчета погрешностей, запишем:

иВых КбК7(иВх-ивь.хУ)

- КбКЯЬх-КбКуу ивых(8)

где UBX - напряжение на выходе блока 5 (входное для усилителя 6);

йвых.- напряжение на третьем входе блока 5 (выходное для делителя Rio, Rn). Тогда из (8)

UBX

1 + Кб К у

КбК7тг ту-Ч 9

5

0

0 где К Кб К - общий коэффициент передачи усилителя 6 переменного тока и демодулятора.

Абсолютная погрешность Ли - dUBMX | - 1

Ливых П7-AK.-UB

ЭК

;вх

(1+Ку)2 а относительная

АЦВЫх А:К

,

б UBBIX

„ 1

U

вых

к

дк

(10)

1 + К у 1 + К у Для структуры измерительного канала температуры известного устройства

ивых К Uex,(11)

5 где К - общий коэффициент передачи канала измерения температуры устройства. Тогда после преобразований б ивых дК,(12)

т.е. в предлагаемом устройстве погреш- 0 ность измерения температуры в 1 + К раз меньше, чем в известном при одинаковой элементной базе.

Предлагаемое устройство позволяет измерять температуру и скорость потока п жидкости, причем вследствие прямого подогревания преобразователя 3 температуры и скорости потока и большой удельной теплоемкости жидкостей мощность подогревателя - источника 1 напряжения может Q быть значительно меньше, чем мощность источника тока, соединенного с нагревателем, подогревающим преобразователь скорости известного устройства.

Изобретение при высоком быстродей- 5 ствии, определяемом частотой генератора 12, используя преобразователь 3 скорости и температуры потока и высокостабильный постоянный резистор 2, позволяет измерить температуру и скорость газового или Q жидкого потока, при этом погрешность измерения температуры ±0,1 % и скорости потока ±0,5%.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения скорости и 5 температуры потока, содержащее генератор опорной частоты, преобразователь скорости и температуры потока, соединенный с высокостабильным постоянным резистором, первый и второй демодуляторы, о т л и- чающееся тем, что, с целью повышения

точности измерения температуры и расширения области применения, в него дополнительно введены источник напряжения, первый и второй усилители переменного тока, блок преобразования, цепочка из последовательно соединенных первого и второго резисторов обратной связи, делитель на два, первая и вторая схемы И и ключ, соединенный входом и выходом соответственно с первым и вторым выводами высокостабильного постоянного резистора, включенного между источником напряжения и преобразователем скорости и температуры потока, подключенного вторым выводом к общей шине устройства, потенциальные выводы высокостабильного постоянного резистора, преобразователя скорости и температуры потока и второго резистора обратной связи подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока преобразования, подключенного выходом через первый и второй усилители переменного тока соответственно к входам первого и второго демодуляторов, выходы которых являются соответственно выходами сигнала температуры и скорости потока, цепочка из резисторов обратной связи включена между выходом первого демодулятора и общей шиной устройства, первый и второй выходы генератора опорной частоты подключены соответственно к четвертому входу блока преобразования и входу делителя на два, пятомувходу блока преобразования и первым входам первой и второй схем И, подключенных выходами соответственно к

управляющему входу ключа и шестому входу блока преобразования, первый и второй выходы делителя на два подключены соответственно к второму входу первой схемы И,

входу управления первого демодулятора, и второму входу второй схемы И и входу управления второго демодулятора.

первый, второй и третий запоминающие конденсаторы, первую, вторую и третью пары ключей первой группы, первую и вторую пары ключей второй группы и пару ключей третьей группы, причем первый конденсатор через первую пару ключей первой группы подключен к первому входу блока преобразования, через первую пару ключей второй группы - к выходу блока преобразования и второму ключу второй пары ключей

второй группы, второй конденсатор через вторую пару ключей первой группы подключен к второму входу блока преобразования, через вторую пару -ключей второй группы соответственно - к общему выводу блока преобразования и второму ключу первой пары ключей второй группы, третий конденсатор через третью пару ключей первой группы подключен соответственно к выходу и общему выводу блока преобразования, через пару ключей третьей группы - к третьему входу блока преобразования, входы управления ключей первой, второй и третьей групп, соответственно соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока преобразования.

&

Ь

О

1,

ВхОд/

вход

Ј Фиг.-/

йшод1ц Выход 212

Выход //з ВыходМ

Выход 2$ Выхо#15

Выход скорости

юемоеротурь

#

ВхсдЗ

//

/ /