Термоанемометр Советский патент 1993 года по МПК G01P5/12 

со

с

Использоваййе: в измерительной технике для измерения скорости воздушного потока. Сущность изобретения: тёрмоане- мо(иетр содержит один термсМувствй-гель- ный элемент 1. одну термочувствительную схему 2, две ключевые схемы 3, 11. один импульсный источник тока 4. одно устройство сравнения 5, один демодулятор 6, одно запоминающее устройство 7, один широт- но-импульсный модулятор 8. один генератор импульсной частоты 9, один фильтр нижних частот 10. 2 ил.

:€lj.-H

8

3

Ю

SS

11 & 15

VI 00 Ю

о

CJ

ся

Фг/г./

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости воздушного потока.

Известен термоанемометр, содержащий две термочувствительные цепи, включенные дифференциально к замкнутой по цепи питания одной из них системе следящего уравновешивания. Выходом термоанемометра является сигнал, пропорциональный напряжению питания термоцепи, в которую включен разогреваемый тер- морезистЬр Этот /тер мЪа н емШётр имеет недостаток . ЙвШан Hii и je влиянием изменений TeKfrtepafуры воздуха на его показания.

Наиболее близким по совокупности общих признаков предлагаемому изобретению является термоанемометр, содержащий последовательно соединенные в замкнутый контур чувствительный элемент, ключевую схему, устройство сравнения, запоминающее устройство и регулируемый импульсный источник тока. Коммутатор подключён к тактовым входам импульсного источника тока, ключевой схемы и запоминающего устройства. Недостатком известного термоанёмометра является низкая точность изменения скорости воздушного потока при изменений его температуры в широком диапазойё Ш-заi невозможности полной компенсации изменения температуры воздуха за счет линейной обратной сея, зи, примененной в устройстве. Кроме того, известный термоанемометр обладает низким быстродействием, определяемым процессами циклического изменения температуры термочувствительного элемента..,.-..- . .:

Цель изобретения - повышение точно- сти измерения массовой скорости тазового потока и быстродействия устройства.

П оста в л е н н а я це л ь д ости га ётс я те м, что в термоанемометр, содержащий термочувствительный элемент, подключённый первым выводом к выходу импульсного регулируемого источника тока и к первому выводу ключевой схемы, соединенной выходом со вхоДбМ Устройства сравнения, а также запоминающее устройство, дополнительно введены последовательно соединён ные второй термочувствительный элемент и первый резистор, образующие с первым термочувствительным элементом смежные плечи мостовой схемы, в противоположные плечи которой включены введенные §тор1)й и, соответственно, третий резисторы, генератор тока, подключенный к питающей диагонали мостовой схемы, а также генератор тактовой частоты, демодулятор, широтно- импульсный модулятор, ключ и фильтр нижних частот. Демодулятор включен между

выходом устройства сравнения и входом запоминающего устройства. Широтно-им- пульсный модулятор включен сигнальным входом к выходу запоминающего устройства, а выходом - ко входам управления импульсного источника тока и ключа. Генератор тактовой частоты своим выходом подключен ко входам управления ключевой схемы, демодулятора и широтно-импульского модулятора. Фильтр низких частот своим входом через ключ подключен к выходу импульсного источника тока, а запоминающее устройство выполнено в виде интегратора; : ,:V: -ч л-Т-; --. . . На фиг. 1 показана функциональная схе- ма предлагаемого термоанемометра; на фиг. 2 - временная диаграмма работы тер- моанёмомётра.; Предлагаемый термоанемометр содер- жит соединенные последовательно по пита- нию первый термочувствительный элемент

1 (R4), второй термочувствительный элемент

2 (Rs), и первый (Ri) 3, а также второй резистор (R2) 4, третий резистор (Рз).6, сОставляющие мосто&ую схему, диагональ питания

которой подключена к гемерат эру тока 6, а

измерите ь а аУдналь ;;; ключевой

схеме 7. К в Яодук люче вой схемы 7 подключены послёдОбатёйьйО соединенные устройстео сравнения 8, дёмоДу ля тор 9,

запоминающее устройство 10, Шйротно-имульсный модулятор (ШИМ) 11, регулйруемый иМпульЬНйй Жтрчййк-тока 12. Выход

источника тока 12 подключён к тёрмочувствительному элементу 1 и входу ключа 13, вход управления которого подключён к выходу ШИМ 11, а - ко входу фильтра низких частот (ФЙЧ) 14, выход которого является выходом тёрМОсгнёмомётра. Входы

управления ключевой схемы 7, демодулятора 9 и ШИМ 11 подключены к выходу генератора тактовой частоты (ГТЧ) 15. , Работает термоанемометр следующим обрШомТ : у

В исходном положении при выключенном источнике тока,12 и мостовая схема сбалансирована, а термочувствительные элементы 1 и 2, вы полненные из резисторов

с одинаковыми термическими коэффициен- тамисопротивления, расположены в потоке газа рядом. Ток питания мостовой схемы не созда етих подогрева. ....

Генератор тактовой частоты 15 вырабатывает прямоугольные импульсы, период повторения которых пренебрежимо мал по отношению к величине постоянной времени t термочувствительных элементов 1 и 2, которая, наприм ер, при выполнении их в виде тонкой проволоки, может быть определена при помощи формулы

7 4a.

где d - диаметр проволоки;

/эй с - соответственно плотность и теплоемкость материала проволоки;

а- коэффициент конвективной теплоотдачи, зависящий от массовой скорости воздушного потока.

При О, а также при наличии тактового импульса на выходе ГТЧ 15, ключевая схема 7 подключает измерительную диагональ мостовой схемы к устройству сравнения 8. Сигнал разбаланса мостовой схемы, выделенный и усиленный устройством сравнения 8, в виде импульса напряжения, величина и полярность которого определяется величиной и знаком напряжения разбаланса моста, поступает с выхода демодулятора 9 на вход запоминающего устройства 10, где происходит его интегрирование. При наличии тактового импульса на выходе ГТЧ 15 ШИМ 11 блокируется, и на его выходе отсутствует импульс включения источника тока 12 и ключа 13. Источник тока 12 в выключенном состоянии не оказывает влияния на балансировку моста. При отсутствии тактового импульса ключевая схема 7 отключает измерительную диагональ моста от входа устройства сравнения 8. При этом на выходе демодулятора 9 сигнал отсутствует, а выходное напряжение запоминающего устройства (интегратора) 10 остается неизменным. ШИМ 11 вырабатывает импульс напряжения, длительность которого определяется величиной выходного напряжения запоминающего устройства 10. Максимальная длительность широтно-модулированно- гр импульса ограничена временным интервалом между окончанием и началом тактового импульса. Импульсный источник тока 12 вырабатывает стабильный, независимый от длительности входного шйротно- модулированного импульса и величины нагрузки, ток разогрева первого термочувствительного элемента 1. При условии Ra+ + Рз RI + R4+ RS мощность N, выделяемая на термочувствительном элементе 1, равна

N UiJHA,

где Ui - падение напряжения на элементе 1 при протекании тока разогрева JH;

А- коэффициент заполнения щиротно- модулированных импульсов.

ФНЧ14, подключаемый ключом 13 к

термочувствительному элементу 1 одновременно с импульсами разофёвй. осреднйет

импульсное напряжение У1, что при условии

JH const даёт.. -

.,; ;:.: , Т :,,

где Увых - напряжение на выходе ФНЧ14;

k - коэффициент передачи,. :

В результате разогрева термочувствительного элемента 1 происходит увеличение его сопротивления, что приводит к уменьшению разбаланса моста. В установившем.ся режиме благодаря выполнению запоминающегося устройства в виде интегратора отсутствует разбаланс моста,При этом величина перегрева ДТ термочувствительного элемента 1 относительно температуры потока газа, а значит, и температуры второго термочувствительного элемента 2 определяется формулой

т- Rl .5/Г

где Ros - величина сопротивления второго термочувствительного элемента 2 при его температуре, равной 0°С;

ft - термический коэффициент сопротивления термочувствительных элементов 1

и 2.. ... . , ..,; .

В установившемся режиме имеет место баланс рассеиваемой термочувствительным элементом 1 в потоке газа и подведеннбй к нему мощностей:

- . ,.. :,,.

N SaAT,,

где S-площадь термочувствительного элемента 1, омываемая потоком газа.

Так как в предлагаемом устройстве

обеспечивается условие A T const, то выходное напряжение ФНЧ14 пропорционально коэффициенту конвективной теплоотдачи а, который слабо зависит от изменения Температуры газ;а (воздуха) и

практически однозначно определяется массовой скоростью потока газа. Исключение необходимости периодического разогрева и остывания TepM04yBctBkMfeflbHoro элемента 1, позволившее повысить тактовую частоту

дало возможность увеличения быстродействия предлагаемого термоанемометра.

ФорМул а изо брётени я

Терм6ан1мЬмётрГ Держащий термочувствительный элемент, подключенный пёрвЫ гШ&о)Шй й 1атУхбду MWlrtyrtieHoro peF гутгйруёМогО источникетокиin knejfJBOWy воду ключевой схемы, соединенной выходом с входом устройства сравнения, а также запоминающее устройство, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, чҐ0, с целью повышения точности измерения и быстродействия, в неги дополнительно введены последовательно соединенные второй термочувствительный элемент и первый(резистор, образующие с первым тёрмочувствитель- ным лёйёнтОМ плечи мостовой схемы, в протйвопояЬж ныё Нле чи которой вкЩчены введенные второй и соответственно третий резисторы, а также гёнёрат6р А

тока, подключенный к питающей диагонали

мостовой схемы, демодулятор, включенный

между выходом устройства Сравнения и вхоя дом 3апоминающего устройства, широтно5 импульсный модулятор, включенный между выходом запоминающего устройства и уп- рййлййщйм входом импульсного регулируемого источника тока, последовательно соединенные ключ и фильтр низких частот и

0 генератор тактовой частоты, подключенный выходом к управляющим входам широтно- импуяьсного модулятора, демодулятора и ключевой схемы, подключенной входом к измерительной диагонали мостовой схемы.

5 выход и управляющий вход импульсного регулируемого источника тока соединены, соответственно с входом и управляющим вхЬдом кл10ча, а запоминающее устройство виполнёнб в виде интегратора. f