Электротермоанемометр с температурной компенсацией Советский патент 1980 года по МПК G01P5/12 

(S) ЭЛЕКТРОТЕРМОАНЕМОМЕТР С ТЕМПЕРАТУРНОЙ Изобретение относится к.измерительной технике и предназначено для измерения и осциллографирования ско рости низкотемпературных газовых по токов при произвольных переходных процессах в газовой среде. Известны электротермоанёмометры с температурной компенсацией, имеющие датчик, состоящий из рабочей и компенсирующей нитей, расположенных в одном измерительном объеме и вклю ченных в два соседних параллельных плеча измерительного моста 1 . Недостатком этих устройств является низкая пространственная разреш щая способность датчика, необходимость перестройки установок при измерении в определенном диапазоне температур и скоростей потока и недостаточно высокая надежность. Наиболее близким по технической сущности является электротермоанемо метр, в котором датчик скорости выполнен в виде двух нитей из одного материала, расположенных параллельно друг другу в одном измерительном объеме и включенных в два сосед них параллельных плеча измерительно го моста, причем из условия равенст постоянных времени компенсирующая КОМПЕНСАЦИЕЙ нить имеет больший диаметр, чем рабочая нить, а из условий прохождения большей части тока моста через рабочую нить компенсирующая имеет значительно большую длину, чем рабочая, поэтому она намотана в виде нескольких витков на распорках и расположена в стороне от рабочей нитиС -Такое расположение компенсирующей нити приводит к тому, что условия ее обтекания исследуемым потоком и условия теплоотдачи в поток сильно отличаются от таковых для рабочей нити. В то же время чувствительного элемента значительно превышает объем, необходимый для ра15очей нити, что ухудшает пространственную разрешающую способность датчика. Кроме того, для измерения в различных диапазонах температуры и скорости потока и в различных газовых средах требуется перестройка уставок уточнения температурной компенсации. Цель изобретения - повышение точности измерения и надежности датчика скорости, расширение функциональных возможностей датчика. Это достигается тем, что датчик снабжен потенциометром, движок которого соединен с прёдусилителем, а . цепь температурной компенсации вьшол нена в виде двух параллельно соединенных компенсирующих нитей, включе ных последовательно с рабочей нитЬю расположенных на равных расстояниях от рабочей нити и параллельно ей, . причем все нити лежат в одной плоскости. Кроме того, плоскость расположения рабочей и компенсирующей нитей образует с осью датчика угол 45, причем рабочая нить пересекает указанную ось под углом 90. На фиг. 1 изображен датчик скорости; на фиг. 2 - принципиальная схема электротермоанемометра с тем.пературной компенсацией; на фиг.3 - схематический разрез рабочей.части датчика скорости с раздвоенными ножк.ами; на фиг. 4 - расположение и форма сплошных ножек датчика. Электротермоанемометр содержит да чик, имеющий рабочую нить 1, укрепленную на двух ножках 2 и 3, компен сирующую цепь, состоящую из двух нитей 4 и 5 большего диаметра, чем рабочая нить 1, укрепленных в одной плоскости с рабочей параллельно ей равных расстояниях от нее и симметри но по отношению к центру рабочей нити на двух раздвоенных ножках 6 и 7 охватывающих своими основаниями (чер изоляцию) ножки 2 и 3. Через полый стержень 8 проходит шесть проводников, причем два из них 9 и 10, отхо дящие от ножек 3 и 7, соединены с концами потенциометра уточнения температурной компенсации 11 с движ ком 12, расположенного у основания стержня 8 датчика в корпусе его штеп сельного разъема 13. Четыре провода 14-17, проходящие через стержень 8, отходят попарно от ножек 2 и 6. Через экранированный удлинительный, шланг 18 и разъем 19 осуществляется подключение к измерительной схеме, к торая включает в себя блок измерительного моста 20, содержащий резисторы 21 и 22 со ступенчатой настройкой, потенциометр 23 с плавной настройкой и постоянный резистор 24. Балансный предусилитель 25 с входными клеммами 26 и 27 служит для усиления сигнала диагонали измерительно го моста. Схема содержит регулятор 28 тока моста, измерительный усилитель 29, выходные приборы 30 и потен циометры компенсации 31 и 32 удлинительного шланга. Электротермоанемометр работает следующим образом. Рабочая и компенсирукицие нити датчика скорости помещаются в поток так, чтобы они не затянули друг друга и располагались каждая перпендикулярно обредненному направлению потока. При этом, если плоскость рабочей и компенсирующих нитей пер.пендикулярна оси стержня датчика, то оптимальным является расположение стержня навстречу потоку с отклонениями в стороны на ±75 при сохра- . нении перпендикулярного положения нитей по отношению к потоку. Если плоскость нитей образует угол.45 с осью стержня, то датчик может вводиться в п.оток как стержнем навстречу потоку, так и стержнем перпендикулярно потоку и в любом промежуточном положении с заходом в обе стороны от крайних положений на 30, но так, чтобы нити остались расположенными перпендикулярно потоку. Запуск схемы осуществляется, когда резистор 21 стоит в исходном положении (его сопротивление равно 0). Связь между предусилителем 25 и регулятором 29 тока моста разрывается, благодаря ручному воздействию на регулятор 28 через измерительный мост пропускается малый ток. В этом режиме производится настройка ступенчатого регулятора 22 и потенциометра 23 из условий получения баланса измерительного моста. Затем производится перестройка резистора 21, обеспечивающая заданный тепловой режим датчика при балансе моста. Коэффициент увеличения сопротивления нагретой рабочей нити по отношению к слабо йагретым компенсирующим нитям (кажущийся коэффициент увеличения :;опротивления датчика). ,R24lRzi Далее замыкается связь между предусилителем 25и регулятором 28, и также ручным воздействием на регулятор 28 выбирается такой ток моста, чтобы за счет нагрева нитей датчика восстановился баланс измерительного моста. После увеличения усиления до допустимого предела, ограниченного устойчивостью схемы, Электротермоанемометр бведен в автоматический режим и любые изменения скорости потока вызывают . автоматическое изменение выходного тока регулятбра 28 и напряжения на измерительном мосте 20. Увеличение скорости потока вызывает более интенсивное охлаждение сильно нагретой рабочей нити, чем слабо нагретых компенсирующих нитей, в результате баланс измерительного моста нарушается и на входных клеммах усилителя 26 и 27 появляется ЭДС разбаланса. 3ta ЭДС усиливается и в ,дополнение к установленному току регулятора 28 возникает добавочный ток, проходящий по измерительному мосту 20. Большая часть этого тока проходит по левой цепи моста и вызывает нагрев рабочей нити 1 и более слабый нагрев компенсирукицих нитей 4 и 5, которые имеют большее сечение, чем нить 1,

и включены параллельно друг другу. В результате при большей скорости потока равновесие восстанавливается при большем токе измерительного моста, причем в диагонали моста остается лишь незначительное напряжение, необходимое для поддержания дополнительного тока .на выходе регулятора 28 тока моста. При уменьшении потока по сравнению с условиями первоначальной настройки имеет место обратное явление: в диагонали моста появляется напряжение обратного знака, приводящее к снижению тока регулятора 28 до значения меньшего, чем установленное ручным воздействием.

Низкоомные плечи моста, содержащие рабочую и компенсирующие нити датчика, не имеют ни длинных проводов ни разъемных соединений, начинаясь у основания ножки 2, проходя через нить 1, ножку 3, провод 9, потенциометр 11, провод 10, раздвоенную ножку 7, соединенные параллельно нити 4 и 5 и кончаясь у основания ножки б, тогда как переходный контакт движка 12 и идущий от движка проводник, проходящий через разъем 13, шланг 18 и разъем 19, находятся в измерительной диагонали моста и их сопротивление не влияет на условия баланса моста.

Сопротивление проводников 16 и 17 с двумя разъемами и шлангом оказывается включенным в высокоомную цепь измерительного моста и влияние его на условия баланса ослабляется пропорционально отношению сопротивления цепи настраивающихся плеч 16, 22, 23, 24, 21 и 17 моста и сопротивлению низкоомной цепи, образованной нитями и реохордом 6, 4, 5, 7, 10, 11, 9, 3, 1, 2.

Температурные изменения сопротивлений проводов 16 и 17 датчика, а так же соответствующих жил удлинительного шланга, частично компенсируют друг друга, так как эти цепи находятся в соседних плечах измерительного моста; это способствует уменьшению влияния сопротивления удлиняющего шланга 18 на точность измерения скорости. Параллельно правой цепи измерительного моста на движки резисторов 21 и 22 через делители напряжения 31 и 32 включается симметричный вход измерительного усилителя 29 и через него выходные-приборы 30: электронный осциллограф, электронный вольтметр, магнитофон и т.д. Положение правых движков делителей 31 и 32 выбирается в зависимости от сопротивления жил удлинительного шланга.. Положение левых движков тех же делителей из условия равенства их потенциалов с потенциалами оснований ножек 2 и 6.

При равенстве сопротивлений нагретой рабочей нити 1 датчика вместе с примыкающей к ней частью потенциометра 11 и проводником 9 с одной стороны, и параллельно соединенных компенсирующих нитей 4 и 5 с примыкающей к ним частью потенциометра 11 и проводником 10 с другой.

R. RC

.r-i-r

R,o4i-)RM

где сХ - доля сопротивления потенциометра 11, примыкающая к рабочей нити, сопротивления верхних и нижних плеч моста при балансе окажутся равными друг друга и температурные изменения сопротивлений проводов 16 и 17 датчи5ка и соответствующих жил удлинительного шланга полностью уравновешивают друг друга и условия равновесия моста становятся независимыми от температуры удлинительного шланга.

0

Замена раздвоенных ножек 6 и 7 сплошными, уширенными и разнесенными между собой, так чтобы рабочая нить 1 и поддерживающие ее ножки 2 и 3 располагались в промежутке меясду уширен5ными ножками 33 и 34, позволяет повысить механическую прочность датчика. Компенсирующие нити 4 и 5 находятся на равных расстояниях от нити 1, расположены параллельно ей, симметрич0но по отношению к ее центру и перпендикулярно продольной оси стержня 8 датчика. При этом все три нити 1, 4 и 5 лежат в плоскости,образующей со стержнем датчика угол . Рабочая нить 1 своей серединой проходит через

5 ось стержня датчика, пересекаясь с ней под прямым углом.

Для удобства наварки нитей торцы ножек выполняются скошенными на 45° к продольной оси стержня 8, так чтс10бы все шесть мест прйварки нитей лежали в одной плоскости.

Электротермоанемометр расширяет функциональные возможности и точность измерение, в особенности в том

5 случае, когда датчик удален от остальной аппаратуры на десятки и сотни метров, например при измерении параметров газовых потоков в условиях повьаиенной радиации, при исследова0нии распространения взрывных волн,. при исследовании атмосферных процессов и т.д. Во всех этих случаях измерительная аппаратура находится на значительном расстоянии от датчика,

5 что, однако, не снижает точность и надежность измерения, поскольку условия равновесия моста 20 и напряжение на входе измерительного усилителя не зависят от температуры удлинитель0ного ишанга.

Функциональные возможности элект5отёрмЬанемометра, благодаря принятоViy способу включения и расположению дополнительного потенциометра, позв ляют менять уставку температурной компенсации, без разборки датчика и без его удаления из исследуемогб потока. Пространственное расположение рабочей и компенсир)пощих нитей позволяет вводить датчик в исследуемый поток как вдоль, так и поперек его оси.

Формула изобретения

1. Электротермоанемометр с температурной компенсацией, содержащий датчик, имеющий чувствительный элемент в виде рабочей нити И ЩпИ температурной компенсации, измерительИыЙ мост с резисторами, предусили ель, регулятор тока моста и изме- рительный усилитель, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы датчика и точности измерений, а также расширения его функциональных возможнос8

тей, датчик снабжен потенциометром, движок которого соединен с предусилителем, а цепь температурной компенсации выполнена в виде двух параллельно соединенных компенсирующих нитей, включенных последовательно с рабочей нитью расположенных на ра:вных расстояниях от рабочей нити и параллельно ей,причем вс нити лежат в одной плоскости.

2. Электротермоанемометр по п.1, отличающийся тем, что плоскость расположения рабочей и компенсирующих нитей образует с ось датчика угол , причем рабочая нить пересекает указанную ось под углом 90°. ;

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Dlacpn E.L. a.o.J.Sci. Instru 1957, 34, I i, p. 2k,

2.Авторское свидетельство СССР № 145785, кл. G 01 Р 5/12, I960 (прототип) , фиг 5 Фиг.