Способ определения профиля поля скоростей текучей среды и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01P5/12 

Известен способ определения локальных скоростей текучей среды, основанный на измерении температуры нагретых термодатчиков, установленных в ряде точек движущегося потока. При помещении в движущуюся жидкую или газовую среду нагреваемых электрическим током термодатчиков конвективный снос тепла потоком является основным фактором, определяющим температуру их нагрева, по которым судят о локальных скоростях движущейся среды.

Недостатком способа определения локальных скоростей по температурам нагрева термодатч иков является низкая точность непостоянства электрической мощности, рассеиваемой каждым датчиком в-движущуюся среду и локальных изменений физико-химических параметров среды в точках контроля при значительных перегревах датчиков.

- Известен способ определения локальных скоростей текучей среды, основанный на измерении электрических сопротивлений термодатчиков, работающих в режиме заданной температуры. Благодаря уравновешивающему преобразованию каждого датчика локальные скорости определяются по значениям.электрических токов, которые питают самобалансирующиеся мосты с термодатчиком в одном из его плеч. При этом температуры нагрева датчиков остаются практически постоянными, а профиль поля скоростей определяется по разности нагревающих электрических токов.

Однако и этот способ не обеспечивает высокой.точности определения локальных скоростей в месте установки полупроводниковых датчиков из-за нестабильности их параметров во времени и нелинейной зависимости от протекающего тока.

Наряду с металлическими и полупроводниковыми термопреобразоватёлями в технике измерения скоростей стали применять также транзисторные термодатчики, в которых температурная зависимость напряжения смещения на базе Уб транзистора при низком уровне инжекций имеет линейный характер. Избыточная температура At, равная разности между температурой нагретого датчика и среды, является функцией скорости движения среды V, т. е..

;.

где F - площадь поверхности термодатчика, участвующая в теплообмене.

Величину A t определяют по величине Us при стабилизации тока коллектора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ определения локальных скоростей текучей среды (см. Зайцев Ю.В. и др. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи.- М.: Радиосвязь, 1985, с. 107-110), основанный на

том, что бескорпусные транзисторы располагают в заданных точках исследуемой среды, пропускают через открытые p-n-переходы транзисторов токи, которыми нагревают транзисторы до значения температуры выше температуры исследуемой среды, измеряют падения напряжений на открытых переходах транзисторов, а также температуру исследуемой текучей среды, определяют коэффициенты теплоотдачи

транзисторов, по значениям которых судят о локальных скоростях в точках расположения транзисторов.

Коэффициенты теплоотдачи транзисторов, зависящие от локальных скоростей среды в точках их расположения, определяют по формуле:

5

0

5

0

5

где ап - коэффициент теплоотдачи в п-й точке,

Un падения, напряжения на n-м открытом р-п-переходе,

In - ток, протекающий через р-п-пере- ход,.

А Тп - перегрев, транзистора относительно среды в n-й точке,

F - поверхность теплообмена транзистора.

Зависимость коэффициента теплоотдачи а от скорости текучей среды определяют в процессе калибровки для конкретных теп- лофизических параметров исследуемого потока жидкости или газа.

Устройство для измерения профиля поля скоростей текучей среды, выбранной в качестве прототипа, содержит источник постоянного напряжения , к выходу которого через калиброванный нагрузочный резистор подключен инвертирующим входом операционный усилитель, в цепь обратной связи которого включен транзисторный термодатчик, а к выходу операционного усилителя подключен отсчётно-регистрирующий прибор.;

Недостатком известного способа и устройства является невысокая точность изме рения скорости в ряде точек из-зп

еидентичности параметров датчиков транисторов, обусловленных технологическим азбросом. Предварительная калибровка аждого транзисторного датчика не гаранирует высокой точности в определении профиля поля скоростей текучей среды из- за временной и температурной нестабильности параметров транзисторов, вызываемой физико-химическими процессами износа и старения переходов полупроводниковой структуры, особенно при использовании датчиков в агрессивных средах.. .-.,:.

Целью предполагаемого изобретения является повышение точности определения локальных скоростей текучей среды за счет исключения погрешностей, возникающих из-за неидентичности и нестабильности параметров ряда используемых транзисторов. Поставленная цель достигается тем, что в способ определения профиля поля скоростей текучей среды, включающий размещение в заданных точках текучей среды бескорпусных транзисторов, нагрев транзисторов до температуру, превышающей температуру исследуемой среды путем пропускания через открытые р-п-перёходы транзисторов тока, регистрацию падений напряжений на открытых переходах транзисторов, -измерение температуры текучей среды и определение коэффициентов теплоотдачи транзисторов, по значениям кото- рых судят о локальных скоростях в точках расположения транзисторов, дбполнитель- но введены новые операций поочередного подключения транзисторов k одному источнику постоянного напряжения через калиброванный резистор с сопротивлением RI, регистрации падений напряжения Un на транзисторах после достижения установившегося нагрева, определения срёднеквад- ратического отклонения падения напряжения на одном из транзисторов, изменения калиброванного сопротивления нагрузки источника питания до значения R2, при котором установившиеся падения напряжений превышают ранее установленные значения на величину, равную 10-20 значениям среднеквадратического отклоне ния, регистрации падений напряжений Un на транзисторах, определения локальных скоростей газовой Vnr и жидкой 7Пж сред из соотношений:

пг

UjlUUn/R.+ U n/Rt) JlL ..pKi/b-uy

rq-(tJ .-(/„ T1

Uen(R./R2r °l

где v- кинематическая вязкость среды, Я- теплопроводность среды, d - диаметр бескорпусного транзисто0 ра, ....

с - коэффициент, зависящий от числа

Рейнольдса,

а - температуропроводность среды, m - коэффициент, зависящий от числа 5 Прандтля,

F - поверхность теплообмена бескор- пусного транзистора,

Uo -напряжение питания, смещающее р-п-переход транзисторов в прямом на- 0 правлении,

То - температура текучей среды, q - заряд электрона,. . К - постоянная Больцмана. Поставленная цель в предлагаемом уст- 5 ройстве достигается тем, что в устройство для определения профиля поля скоростей текучей среды, содержащее источник посто1- янного напряжения, калиброванный резистор и операционный усилитель, в Цепь 0 обратной связи которого включен транзи- йторный термодатчик, дополнительно введены новые блоки: аналого-цифровой преобразователь, второй калиброванный резистор, двухпозиционный переключа- 5 тель, два цифроуправляемых коммутаторов и микро-ЭВМ, а транзисторный термодатчик выполнен в виде полупроводниковой матрицы, узлы которой соединены через бескорпусные транзисторы в диодном 0 включении, при этом входы цифроуправля- емых коммутаторов соединены с ортогональными проводниками матрицы, выход первого цифроуправляемого коммутатора соединен с инвертирующим входом опера- 5 ционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с выходом второго цифроуправляемого коммутатора и входом ана- лого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с шиной данных микро- 0 ЭВМ, управляющие входы коммутаторов и управляющий вход двухпозиционного переключателя подключены через порты ввода- вывода данных к общей шине микро-ЭВМ, а выход источника постоянного напряжения 55 подключен через параллельно соединенные калиброванные резисторы и двухпозиционный переключатель к инвертирующему вхо-. ду операционного усилителя.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем,

Бескорпусные транзисторы располагаются в заданных точках текучей среды. Поочерёдно к электродам транзисторов подключают источник постоянного напряжения, смещающий p-n-переход в прямом направлении. Связь между током I через p-n-переход и падением напряжения U на нем определяется уравнением вольтампер- ной характеристики:

l loe-B/VU/KT-D,

(1)

где Uo - напряжение источника питания, смещающее p-n-переход транзистора в прямом направлении,

RI - сопротивление нагрузки в цепи питания транзистора.

При поочередном подключении транзисторов, расположенных в точках контроля локальных скоростей текучей среды, через нагрузочный резистор к источнику питания получаем:

(j J -KpJIo.K.b ,.

епЬг)(т°+лт К

(6)

эгв/т

где - ток насыщения, зависящий от абсолютной температуры Т,

lo - ток насыщения при Т -.

В - коэффициент, имеющий размерность температуры и зависящий от ширины зоны перехода,

q - заряд электрона, - К - постоянная Больцмана. .

Учитывая, что при температуре Т 300 К значение KT/q 26 мВ, можно уравнение (1) представить в упрощенном виде:

loe-B/T.eqU/KT

(2)

Из уравнения (2) падение напряжения на открытом р п-переходе будет иметь вид:

,.l Tt:ln(l/lo)+KB .. : ,„,

и q

Учитывая, что ток насыщения 1о I, 35 падение напряжения представим выражением:. ..

u -f 1п(1оЛ)т,(4)

KB

q

из которого видно, что падение напряжения на открытом р-п-переходе линейно зависит от температуры Т и уменьшается с увеличением температуры.. ..

Силу тока через переход задают последовательно включенным резистором, сопротивление которого выбирают из условия нагрева транзистору относительно неподвижной среды на (5-7) К. В этом случае па- дение напряжения на переходе определится температурой исследуемой среды То и перегревом транзистора Д Т под

действием тока li Uo/Ri

... .KB К, АоНЛ /т- , Лт ,& ПЬ 0+АТ) ®

0

5

0

где Bi, 62,..., Впи loi, Io2,.... Ion- параметры транзисторов, характеризующие их индивидуальные свойства и зависящие от степени их технологического разброса.

Регистрируют после нагрева транзисторов падения напряжений Ui , U2 , .... Un и изменяют ток через транзисторы до значения 2 Uo /R2, при котором устанавливаются новые значения перегревов и соответствующие им падения напряжений:

loiRab,. A /А , + ЬТ,),

-яь

ur

г . toaRa . /А

еп-гт- (, тио

(7).

un-SLn JlgnE2n

Un n n В и

с j-,. Ue.°thTfl).

где R2 - втррЬе значение сопротивления резистора в цепи транзисторов.

Если мощность, рассеиваемую транзистором, выразить через произведение тока перехода и падения напряжения на нем, to для небольших перегребов (Л Т (8-10) К) имеем

ДТ1

Ui Uo а RI F

лт - из и° ДТ2 - RTFлт - 1УЦ

ЛТп - TRTF

а измененные перегревы соответственно

Ц,

«n R2 F

О)

А Т

где «1 , «2 , ... , «n коэффициенты теплоотдачи Транзисторов,

F - поверхность теплообмена выбранного типа транзисторов.

Различия между перегревами ДТ-/ и /ДТ/ и ДТ211 .-.-.., АТп и .Аи тем меньше, чем меньше различив между нагревающими токами h и 12.

Силу тока изменяют в минимальных пределах, .но -настолько., чтобы возникающее падение напряжения на переходе было достаточно различимо с предыдущим на фоне помех от флюктуации локальных скоростей и шумов транзистора. При нормальном распределении; случайных отклонений напряжения относительно среднего значения падения напряжения максимальная случайная погрешность измерения не может быть больше среднеквадратического отклонения при вероятности Р 0,997 более, чем в 3 раза. Поэтому разность падений напряжений, например, в первой точке должно удовлетворять условию

II ГIII - К|

Ui - Ui -ln

Vx RtJ .

x(ATi -AT1 )Ј

(10)

где к A U2 - среднеквадратическое отклонение регистрируемого напряжения,

Е- i коэффициент запаса.° При выборе коэффициента Ј 10-20 падения напряжения;lh, Lte, ..., Un можно зарегистрировать с малой систематической погрешностью, присущей цифровым милли- вольметрам или ЭВМ с аналого-цифровыми преобразователями.

Определяют из ряда измерений падений напряжений значение среднеквадратического отклонения, например, в первой точке, и выбирают значение сопротивления Ra, удовлетворяющее условию (10). При этом можно считать, что перегревы от токов Ни 2 одного перехода мало отличаются друг от друга, т.е. .;: , :.;:;.. ...

ATi -ATi.; - .....; . (11)/ :

В соответствии с соотношением (.11) перегревы ATi , АТ2Г,..., ДТп в выражении(6) и перегревы |

ATi , ДТз ,... ДТ0 в выражении (7) можно заменить средними перегревами;

(12)

10

Тогда с учетом средних перегревов из (12) выражение (6) представим в виде:

15

: . i KV К lonRV. .

-.(Тв+лт Ь-,

а выражение (7) соответственно

:,-i,(,v

),

Ф. V ° (ц S(Tr)(VATn).,l:

., Кв„ к

. ТТ

Определяют разности падений напря- жений на каждом транзисторе при двух эна- чениях сопротивления в нагрузке источника питания

0

,, ,/ к(,п R,

|VrU. -5--БпТ ; Vкя

п«:;,1,.ммЈа

л

UJ-U,

R,

6(Т1

(15)

45

„« ,,«: к( /«л.

-и -Т1--виЫг

Из соотношения (15) с учетом (12) Находят средние перегревы транзисторов:

ЛТ № И A- Mlltiill Т

+ -flj2.,(iMRtV

ЛТ-Ш, iMlUtl т V

(R,/Ri ° (16)

xr .. (i-Unl T n VR, |2ein.F. ke«(R,/RO

открытого р--п-перехода транзистора, входное напряжение усилителя близко к нулю, а его выходное напряжение не зависит от его коэффициента усиления и пропорционально напряжению источника питания Uo (UBux (R3/Ro)Uo). Выходное напряжение усилителя 5 преобразуется с помощью АЦП 13 в цифровой код, который вводится в память микро-ЭВМ 14. Затем по команде микро- ЭВМ 14 коммутаторы 6 и 7 включают в цепь обратной связи усилителя 5 транзистор 8, расположенный в n-й точке контролируемой среды. Из-за глубокой обратной связи через р-п-переход транзистора 8 входное напряжение усилителя 5 также устанавливается близким к нулю и разогревающий ток задается напряжением источника питания 1 и калиброванным резистором 2 (h Uo/Ri). Выходное напряжение операционного усилителя 5 равно падению напряжения на р- n-переходе транзистора 8 с обратным знаком и также не зависит от коэффициента усиления самого усилителя (ивых -Un )

Поскольку значение тока через р-п-пе- реход транзистора задается калиброванным резистором 2 и стабильным источником питания 1, то выходное напряжение усилителя 5 является функцией температуры нагрева перехода, которая в свою очередь определяемся локальной скоростью среды в контролируемой точке. Соответствующее значение кода вводится в память микро-ЭВМ 14. В последующих положениях коммутатора регистрируются и запоминаются коды падение напряжений на транзисторах 9... 10, расположенных в других точках исследуемой среды, соответствующих узлам матрицы 11.

- Использование транзисторов 8, 9..., 10 в других узлах матрицы 11, включенных по схеме общей базы (диодное включение), позволяет исключить влияние базового сопротивления транзистора на вид его вольтамперной характеристики р-п-перехо- да, а, следовательно, уменьшить различие вольт-амперных характеристик используемых транзисторов по динамическому сопротивлению.

Далее по команде от микро-ЭВМ 14 переключатель 4 подключает ко входу операционного усилителя 5 калиброванный резистор 3 с сопротивлением R2, которое выбирают из соотношения (10). Разогревающий ток через переходы транзисторов изменяется и становится равным 2 Uo/R2. Коды- падений напряжений на транзисторах, включаемых коммутаторами 6 и 7, поо5 0

5

вводятся в память микро-ЭВМ 14 (U-i , U2,..., U). где фиксируются. По результатам двух измерений падений напряжений. на переходах каждого транзистора (On иУп).

включаемых матрицей 11, и значениям калиброванных резисторов (Ri и R2, и RS) по

. алгоритму решения уравнения (22) или (23) определяются локальные скорости потоков

в контролируемых точках, результаты которых выводятся на дисплей 15 и цифропечать 17. В память микро-ЭВМ 14 с пульта 16 вводятся значения температуры текучей среды Т0 , ее теплопроводность А, кинематическая вязкость v , температуропровод- ность а для жидких сред, а также параметры, характеризующие геометрические размеры транзисторов (d, F) и физические константы (К, q). По введенным данным микро-ЭВМ 14 рассчитывает значения чисел Рейнольдса и Прандтля, по которым в оперативную память микро-ЭВМ 14 вводятся коэффициенты с и m по таблицам соответствия, записанным в ПЗУ микро-ЭВМ 14.

Формула изобретения

5

0

0 бескорпусных транзисторов, нагрев транзисторов до температуры, превышающей температуру исследуемой среды, гтутем пропускания через открытые р-п-переходы транзисторов тока, регистрацию падений напряжений на открытых переходах транзисторов, измерение температуры текучей среды и определение коэффициентовтепло- отдачи транзисторов, по значениям которых судят о локальных скоростях в точках расположения транзисторов, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности, транзисторы подключают поочередно к одному источнику постоянного напряжения через калиброванный резистор с сопротивлением Rd, регистрируют падения нэпряже5 ния и„ на транзисторах после достижения установившегося нагрева, определяют среднеквадратическое отклонение падения напряжения на одном из транзисторов, изменяют калиброванное сопротивление на0 грузки источника питания до значения R2, при котором установившиеся падения напряжений превышают ранее установленные значения на величину, равную 10-20 значениям среднеквадратического отклонес ния, регистрируют вторые значения падений напряжений и на транзисторах, а локальные скорости газовой Vnr и жидкой Упж сред определяют из соотнс шений

15

сЯЩД/ми Ж)

a fVlU -UV) 1

UlRjR j .

n.

m

А

а °-ЧУ0(

(51 Ы

;.

.uVuH T1 :c h-Uen(-RiiRd 41

где v-Кинематическая вязкость среды; А-теплопроводность среды; .. d - диаметр бескорпубногб транзисто-;

ра;:;: :/:; ..: ,;::.. :.;7ЬСл -:л-,- Х - : с - коэффициент, зависящий от числа

Рейнбйёдса; : .,-.. ;,.-/ :;;;-./ , а - температуропроводность ЪреДы;

. m - коэффициент, зависящий оттчйсла ПраШт ля; - -; .- .: /. ..-., -. . F - Поверхность теплообмена бёскбр-1 :Й Ш тр;а НЭйсторЦ. -; ;

Об- на прй кёййе питания, смещающее %-п:Пёр :ёХЬД транзисторов .в прямом .на- ; п| |гШёШи ; -;/л; :::/:,:.. (. -.... ; То--температура текучейсреды; ... q - за:ряд электрона;: ; ; :у- :.:. ;. К- постоянная брльцма на, ; . 2, Устройство для рпределения профиля п;рж йк 0 ростей текучей среды, содержащее ; постоянного напряжения, калиб- ро й§йШй резистор и операционный усили 5

;

- :

. 1

; ; ;

10

78644016

тель, в цепь обратной связи которого ,включен транзисторный термодатчик, о т - ,.., л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыше-.

н ия точности, в него введены аналбго-циф-i ровой преобразователь, втброй

калиброванный резистор, двухпозицион- ный переключатель, два цифроуправляемых

. коммутатора и микроЭВМ, а транзисторный термодатчик выполнен в виде проводниковой матрицы, узлы которой соединены через бескорпусные транзисторы в диодном . включении, при этом входы цифроуправляемых коммутаторов соединены с ортогональными проводниками матрицы, выход первого цйфроуправляемого коммутатора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, выход операционного ус;йя1йтеля соединен с выходом второго цйфроуправляемого коммутатора и входом ана- л ого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с шиной данных микро- ЭбМ, управляющие входы коммутаторов и управляющий вход двухпозиционного переключателя подключены через порты ввода- вывода данных к общей шине микроЭВМ, а выход источника постоянного напряжения подключен через параллельно соединенные калиброванные резисторы и двухпозицион ;ный переключатель к инвертирующему вхо-

. ду операционного усилителя. .

15

20

25

30