Устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока Советский патент 1992 года по МПК G01P5/14 

Изобретение относится к измерительной технике (термоанемометрические способы и устройства) и может быть использовано для одновременного измерения температуры и скорости потока жидкости или газа.

Известное устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока по основному авт.св. № 1307345 содержит термометр сопротивления с вклю- ченным на его выходе блоком компенсации и термбзнемометр постоянной температуры, состоящий из дифференциального усилителя обратной связи, высокостабильного резистора, датчика термоанемометра и де- лителя сигналов.

Недостатком устройства является пониженная точность измерения скорости потока с пространственной температурной неравномерностью (неизотермичного пото- ка), с изменяющейся во времени температурой, вызванной неточностью коррекции (термокомпенсации) из-за того, что термо- компенсирующий датчик температуры и датчик термоанемометра разнесены между собой в пространстве, а температуры в местах их размещения отличаются.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости неизотер- мического потока путем уменьшения погрешности, вызываемой изменяющейся во времени температурой потока.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока, допол- нительно введены функциональный преобразователь в виде аналогового нелинейного усилителя и источник тока с переключателем, выход термометра сопротивления подключен ко входу блока компен- сации через функциональный преобразова- .тель, а выход усилителя обратной связи соединен с датчиком термометра через переключатель.

На чертеже приведена схема устройст- ва для одновременного измерения температуры и скорости потока.

Устройство состоит из термокомпенси- рующего датчика 1 температуры и датчика 2 термоанемометра, термометра 3 сопротив- ления, источник 4 тока, переключатель 5, функционального преобразователя б, блока 7 компенсации и термометра 8 постоянноу температуры, состоящего из усилителя 9 обратной связи, делителя 10 сигналов и вы- сокостабильного резистора 11. Термоком- пенсирующий датчик температуры 1 подключен к входу термометра 3 сопротивления, выход которого подключен к входу функционального преобразователя 6, выход

которого, в свою очередь, подключен к входу блока 7 компенсации. Выход блока 7 компенсации подключен к управляющему входу усилителя 9 обратной связи. Переключатель 5 одним входом подключен к источнику 4 тока, вторым входом - к выходу усилителя 9 обратной связи, а выходом - к датчику 2 термоанемометра. Датчик 2 термоанемометра через высокостабильный резистор 11 подключен к общей шине. Делитель 10 сигналов своим первым дифференциальным входом подключен к датчику 2 термоанемометра, а вторым дифференциальным входом - к высокостабильному резистору 11, а выходом - к управляемому входу усилителя 9 обратной связи. С выхода функционального преобразователя б снимается напряжение, зависящее от сопротивления неперегретого датчика термоанемометра и в конечном счете от температуры потока в месте его размещения, а с высокостабильного резистора 11 снимается напряжение, прямо пропорциональное току через перегретый относительно потока датчик термоанемометра и в конечном счете зависящее от скорости потока.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерения скорости исследуемого потока (режим определения значений напряжений, зависящих от сопротивлений неперегретого датчика термоанемометра и термокомпенсирующего датчика температуры и в конечном счете от температур потока в местах установки этих датчиков; далее: режим определения значений напряжений) термокомпенсиру- ющий датчик 1 температуры и датчик 2 термоанемометра, представляющие собой терморезисторы, устанавливаются в исследуемый поток, причем датчик 2 термоанемометра устанавливается в то место, где необходимо в дальнейшем измерять скорость, а термокомпенсирующий датчик 1 температуры - в одно из мест, где исключено взаимное влияние датчиков 1 и 2 на показания друг друга.

Датчики 1 и 2 подключены к измерительным блокам по четырехпроводным схемам для исключения влияний сопротивлений подводящих линий (в том числе и изменения этих сопротивлений).

Для обеспечения работы датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений напряжений выход переключателя 5 замыкается с его первым входом, соединенным с выходом источника тока 4, и тем самым датчик 2 термоанемометра подключается к выходу источника 4 тока (включение доказано на чертеже). Источник 4 тока выдает такой ток k, который не приводит к нагреву датчик:. 2 термоанемометра.

Температурная составляющая потока, воздействуя на датчик 2 термоанемометра, вызывает изменения его электрического со- противления по закону

Rg2l (1 + a/92 At2l),

где Rg2i - сопротивление датчика 2 термо- анемометра в режиме определения значений сопротивлений в i-тый момент времени;

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

арг - температурный коэффициент сопротивления датчика термоанемометра 2;

At2i - температура потока в месте размещения датчика термоанемометра 2 в 1-ый момент времени (в °С).

Так как в этом режиме определения значений напряжений датчик 2 термоанемометра и последовательно соединенный с ним высокостабильный резистор 11 через переключатель 5 подключены к выходу ис- точника 4 тока, который выдает ток М, а входы делителя 10 сигналов высокоомные, то согласно закону Ома на датчике 2 термоанемометра 2 в режиме определения значений напряжений образуются напряжения URg2i, равные

URg2l M Rg2i U-Ro2 (1 + a/PZ A t2i),

а на высокостабильном резисторе 11 в этом же режиме образуется напряжение URH, равное:

URII Ц-Rn,

где Rn - величина сопротивления высокостабильного резистора 11.

Делитель 10 сигналов (делитель напряжения на напряжение) в каждый I-тый момент времени делит эти два поступающие ему на входы напряжения друг на друга (первое на второе) и на своем выходе обра- зует напряжения, равные

ивых.Ю

URg2 UR11

Кю.о . Кю.

l4 Rn

Rg2i - -Ro2- (1+a/ -At2i),

где Кю- коэффициент пропорциональности делителя сигналов, имеющий размерность напряжения (следовательно, величина КЮ/RH имеет размерность тока).

Следует отметить, что в этом режиме блоки 6, 7 и 8 не влияют на работу устройства, так как переключатель 5 отключает вы5

0

5

0

5 0

5

0

5

0

ход блока 9 от остальной схемы. В это время на выходе термометра сопротивления 3 образуются напряжения

ивых.31 Кз-13-Roi-O + ар -Atu)

K3l3-Rg1l,

где УвыхЗ напряжение на выходе термометра сопротивления 3 в i-тый момент времени;

Кз коэффициент усиления по напряжению термометра 3 сопротивления;

з - ток термометра 3 сопротивления, протекающий через термокомпенсирую- щий датчик температуры;

ROI - электрическое сопротивление датчика 1 температуры при температуре 0°С (измеренное заранее);

ар - температурный коэффициент сопротивления датчика 1 температуры;

Atii - температура потока в месте установки датчика 1 температуры в I-тый момент времени (°С).

Таким образом, в режиме определения значений напряжений на выходе термометра 3 сопротивления и на выходе делителя 10 сигналов одновременно (так как время прохождения сигналов от датчика 1 температуры до выхода термометра сопротивления 3 и время прохождения сигналов от датчика 2 термоанемометра до выхода делителя 10 сигналов пренебрежимо малы) образуются напряжения 11вых31 и ивых.юь зависящие от сопротивлений датчиков 1 и 2, в конечном счете от температур потока в местах размещения этих датчиков.

Эти напряжения одновременно записываются контрольно-записывающей аппаратурой во всем диапазоне изменяющихся температур исследуемого потока, после чего, беря в качестве точек для построения точки с координатами х ивых.31, у UBMX.IOI, строят зависимость напряжения Увых.Юот напряжения Квых.з, т.е. функцию Увых.ю f(UBbix.3), причем в потоках с однозначной зависимостью между изменяющимися температурами A. t2 и A ti, в местах размещения датчиков 2 и 1 зависимость между напряжениями ивых.ю и Увых.з будет также однозначной.

Полученная зависимость 1)вых,ю от 1)вых.з запоминается путем введения в функциональный преобразователь б, который представляет собой аналоговый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению Кб равным отношению напряжений Овых.ю и Квых.з, т.е.

Кб ивыХ 1о - КЮ/RH -Rp2-Q +ap2-At2) ивых.з Кз- з-Рог(1+а/эгАп)

Причем если это отношение ивых.ю/ивых.з постоянно, то усилитель линейный (т.е. его коэффициент усиления постоянный), а если не постоянно, то усилитель нелинейный (нелинейный усилитель создается на базе ли- нейного усилителя с помощью кусочно- линейной аппроксимации).

Следует отметить, что как в линейных, так и в нелинейных усилителях каждой величине вхсдного сигнала соответствует только одна, строго определенная величина выходного сигнала. Применительно к заявляемому техническому решению это значит, что в функциональном преобразователе 6 каждой величине входного напряжения Uex.e равного 11вых.б сое зетствуеттолько одна, строго определенная величина выходного напряжения ивых.б, равного Уеых.ю (следовательно, равного Кю/Rn Roa(1 + ap2 A t2). На этом оканчивается режим определения значений напряжений.

В режиме измерения скорости (т.е. в рабочем режиме) датчики 1 и 2 остаются на тех же местах в потоке, что обеспечивает сохранение в режиме измерения скорости зависимости, полученной в режиме определения значений напряжений.

Для обеспечения работы датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости выход переключателя 5 замыкается с его вторым входом, соединенным с выходом усилителя 9 обратной связи и тем самым датчик 2 термоанемометра подключается к выходу усилителя 9 обратной связи, т.е. датчик 2 термоанемометра для измерения ско- рости подключается к термометру 8 постоянной температуры через переключатель 5.

При этом термокомпенсирук щий датчик 1 температуры по-прежнему измеряет изменяющуюся температуру потока в месте своего размещения и на выходе термометра 3 сопротивления образуется напряжение

ивых.з Ks-is-Roi-O + а/эгДм).

Это напряжение, поступая на вход функционального преобразователя 6, умножается на его коэффициент усиления Кб и на выходе функционального преобразователя 50 6 образуется напряжение

ивых.б иВых.з-Кб Кз-13-Roi-O + api -Afi) x

Kio/RirRo2-(1+«p2-At2)55

K3-l3-Ror(1+a/02-Ati)

- -R02-(1+«/32-At2).

5

10 15 0

5

0 5

0

5

0

5

Так как в функциональном преобразователе 6 каждой величине входного напряжения UBx.6, равного ивых.з, соответствует только одна, строго определенная величина выходного напряжения 1)Вых.б, равного Kio/Rn« Ro2(1 + ccpz At2), то это значит, что в отличие от прототипа на входе блока 7 компенсации соединенном с выходом функционального преобразователя б, образуется напряжение, зависящее от изменяющейся температуры потока не в месте размещения термокомпенсирующего датчика 1 температуры 1, а в месте размещения датчика 2 термоанемометра, т.е. не измеряя напряжение, зависящее в конечном счете от изменяющейся температуры потока в месте размещения датчика 2 термоанемометра во время измерения им скорости, мы тем не менее получаем напряжение, зависящее в конечном счете от изменяющейся температуры потока именно в этом месте, а это дает возможность в одних случаях практически исключить, а в других - значительно уменьшить ошибку измерения изменяющейся скорости потока, вызванную его изменяющейся неизотермичностью. При этом следует отметить, что это изменяющееся напряжение ивых.б практически не имеет задержки относительно изменяющегося напряжения Uex.6 UBHX.S, так как функциональный преобразователь (линейный или нелинейный аналоговый усилитель) содержит практически безинерционные элементы, которые практически не создают задержку во времени,

В дальнейшем устройство работает аналогично устройству по основному авт.св. № 1307345, т.е. напряжение ивых.б поступает на вход блока 7 компенсации, который представляет собой аналоговый усилитель с коэффициентом усиления по напряжению К, равным Кпер, где Кпер - коэффициент перегрева датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости (коэффициент пе- регрева, при котором производится предварительная градуировка по скорости датчика 2 температур).

Таким образом, на выходе блока 7 компенсации образуется напряжение Квых, равное

ивых.7 Kio/Rn-Ro2(1 + #pz At2) Knep.

Кю/Rn Rg2-Knep. KlO/Rl1-Rw2Tpe6.,

где Rw2rpe6. Rg2 Кпер - требуемое изменяющееся сопротивление, которое должен иметь датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости потока с изменяющейся температурой.

Напряжение Jubix.7 по той же причине, что и напр йже.ьла ивых.б, практически не имеет задержки во времени относительно напряжения Увых.з.

Итак, на выходе блока 7 компенсации образуется напряжение

ивых.7 KlO/Rl1-Rw2Tpe6 ,

пропорциональное изменяющемуся сопротивлению Rw2rpe6., которое должен иметь датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости, причем в отличие от прототипа, это напряжение пропорционально изменяющейся температуре не в месте установки термокомпенсирующего датчика 1 температуры, а в месте установки датчика 2 термоанемометра, несмотря на то, что датчик 2 термоанемометра измеряет в это время скорость, а не температуру. Иными словами, на выходе блока 7 компенсации образуется напряжение компенсирующего (корректирующегося сигнала ивых7, учитывающего отличие изменяющихся температур (то есть неизотермичность) в местах размещения датчиков 1 и 2, т.е. образуется напряжение, не зависящее от неизотермич- ности потока с однозначной зависимостью между изменяющимися температурами в местах размещения датчиков 1 и 2

Это напряжение подается на управляющий (неинвертирующий) вход дифференциального усилителя 9 обратной связи.

На управляемый (инвертирующий) вход дифференциального усилителя 9 обратной связи в этот же момент времени поступает с выхода делителя 10 сигналов напряжение Увых. 10 образовавшееся в результате деления напряжения, снимаемого с датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости, на напряжение, снимаемое в этом же режиме с высокостабильного резистора 11, т.е.

и

URW2HCT.., l9 Rw2

Uhn

Кю

ист

Ig-Rn

,м

Rn

x Kt1 БТГ КиЕист

где L)Rw2ncT - напряжение на датчике термоанемометра 2 в режиме измерения скорости; (

URH - напряжение, образовавшееся в этом же режиме на высокостабильном резисторе 11 ;

Rw2ficT - истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости;

Ig - ток, протекающий в режиме измерения скорости с выхода усилителя 9 обратной

связи через датчик 2 термоанемометра и через выеокостабильный резистор 11; RII и Кю величины, указанные ранее. Дифференциальный усилитель обратной связи 9 усиливает в большое число раз (в Kg раз, где Kg - коэффициент усиления по напряжению разности входных напряжений дифференциального усилителя обратной связи 9) разность этих, поступающих

емуна входы, двух напряжений и эту усиленную разность, образовавшуюся на его выли- де, подает в обратную связь, то есть через переключатель 5 непосредственно на датчик термоанемометра 2, перегревая его относительно потока и изменяя таким образом его сопротивление Rw2iicT до величины Rw2tpe6. Иными словами, дифференци- альный усилитель обратной связи, имеющий большой коэффициент усиления

сводит разность поступающих к нему на входы напряжений практически к нулю, т.е.

Кю.рКю.р

Kw2Tpe6 - Кубист

р- ( Rw2rpe6

Rw2ncr) - О

35

а это равенство возможно только в том случае, когда Rw2rpe6 - Rw2ucr 0, т.е. когда

30 Rw2rpe6 Rw2nci.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в режиме измерения скорости истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра при любых как скоростях, так и

изменяющихся температурах потока в месте размещения датчика 2 термоанемометра практически равно, в отличие от прототипа, требуемому именно в месте размещения датчика 2 термоанемометра 2 сопротивле40 нию датчика 2 термоанемометра, в то время как в прототипе в режиме измерения скорости истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра при любых скоростях и температурах практически равно требуемо45 му сопротивлению датчика 2 термоанемометра, но не в месте его размещения, а в месте размещения термокомпенсирующего датчика 1 температуры.

Предлагаемое устройство позволяет ис50 ключить ошибку, вызванную неизотермич- ностью потока с изменяющейся во времени температурой в тех случаях, когда существует однозначная зависимость между температурами потока в различных его местах.

оо

Формула изобретения Устройство для одновременного измерения температуры и скорости потока по

авт.св. Мг 1307345, отличающееся тем,нейного усилителя и источник тока с пере- что, с целью повышения точности измере-ключателем, выход термометра сопротивления скорости неизотермического потока пу-ния подключен к входу блока компенсации тем уменьшения погрешности, вызываемойчерез функциональный преобразователь, а изменяющейся во времени температурой5 выход усилителя обратной связи соединен с потока, в него введены функциональныйдатчиком термоанемометра через переклю- преобразователь в виде аналогового нели-чатель.