Пленочный термоанемометр Советский патент 1985 года по МПК G01P5/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применемо для измерения скоростных характеристик турбулентности в потоках жидкости и- газа. Известны электротермоанемометры постоянной температуры для измерения мгновенной локальной скорости в потоках газа и жидкости с датчиком у которого чувствительным элементом служит тонкая металлическая проволока, нагреваемая электрическим током электротермоанемометра. Проволочные датчики электротермоанемометров очень сильно склонны к загрязнению (например, пьшью), что ведет к нестабильности показаний электротермоанемоментра, кроме того они обладают малой механической проч ностью при использовании их в потекак с большим динамическим напором. Из известных термоанемометрических устройств наиболее близким по технической сущности является устрой ство, состоящее из электротермоанемо метра постоянной температуры со следящей системой и подключенного к нем пленочного датчика, выполненного в ви де защищенной тонким слоем окиси кремния никелевой пленки, нанесенной на кварцевую подложку различной геометрической формы, Однако чувствительность известного устройства относительно невелика особенно при измерениях скорости или касательного напряжения в потоках газа, из-за того, что доля тепла от нагретой пленки, отводимого подложкой, много больше количества тепла, отводимого набегающим потоком Кроме того, сильная зависимость показаний электротермоанемометра постоянной температуры, работающего с пленочным датчиком от температуры подложки,термически связанной с кор пусом датчика, сильно сужает област применения устройства. Цель предложения - позьппение точности измерений. Цель достигается тем, что в известное устройство введена вторая электрическая следящая система и вторая пленка, нанесенная на 3aiitHTный слой первой пленки и подключенная к второй следящей системе. На чертеже приведена блок-схема пленочного термоанемометра. Пленочный термоанемометр содержит датчик 1, состоящий из защитного слоя 2 диэлектрика, терморезистивной рабочей пленки 3 (в потоках газа и жидкости не проводящих электрический ток химически инертных к материалу рабочей пленки 3, защитного слоя 2 может и не быть), слоя 4 диэлектрика, дополнительной терморезистивной пленки 5, диэлектрической подложки 6, электродов 7 и 8 и две следящие системы 9 и 10 электротермоанемометра . постоянной температуры, одна из которых через подводящие электрические провода 11 подключена к рабочей пленке 3, а другая к дополнительной пленке 5, Выход следящей системы 9 электротермоанемометра является основным выходом устройства, а выход следящей системы 10 электротермоанемометра - дополнительным выходом. Для измерения скорости датчик 1, диэлектрическая подложка которого вьлолнена в виде клина или конуса, размещают в потоке газа или жидкости, таким образом, чтобы защитный слой 2 (рабочая пленка 3) обтекалась нормально набегающим потоком. Для измерения касательных напряжений датчик термоанемометрического устройства заделывают заподлицо с поверхностью, обтекаемой потоком газа или жидкости, при этом поток обтекает защитньй слой 2 (рабочую пленку 3) тангенциально, С помощью электротермоанемометра следящей системы 9,работающего в режиме измерения электрического сопротивления, при котором измерительный ток настолько мал, что практически не нагревает пленку, измеряют электрическое сопротивление рабочей пленки, которое связано г ее температурой следующей формулой; I Po Rp2oD- 2o(t-20), (1) электрическое сопротивление рабочей пленки при температуре ( электрическое сопротивление рабочей пленки при температуре 20°С; температурный электрический коэффициент сопротивления материала рабочей пленки; - температура рабочей пленки в режиме измерения сопротивления. 3 С помощью электротермоанемометра cлeдяp eй системы 10, работающего в режиме измерения электрического сопротивления, измеряют электрическое сопротивление дополнительной пленки 5, которое связано с темпера турой дополнительной пленки аналогичным соотнотением: Р + А Ct,-20), (2) электрическое сопротивление дополнительной пленки при температуре; электрическое сопротивление дополнительной пленки при температуре пленки 20°С; температурный коэффициент электрического сопротивле ния дополнительный пленки для 20 С; температура дополнительной пленки в режиме измерения сопротивления. Используя полученное значение электрического сопротивления рабочей пленки, настраивают электротермоанемометр следящей системы 9 таким обра зом, чтобы электрическое сопротивление рабочей пленки за счет тепла, выделяемого электрическим током, под держивалось равным: tn,(3) где п l+o(Tp-tp )J - коэффициент перегрева рабочей пленки, выбирается таким же, как и при тарировочных опытах; Тр - температура перегретой рабочей пленки. Используя значение электрического сопротивления дополнительной пленки R,. настраивают электротермоанемоследящей системы 10 таким обра , чтобы электрическое сопротивление дополнительной пленки за счет тепла, выделяемого электрическим током нагрева от электротермоанемометра 9, поддерживалось равным: Rrt RrtoK. W где К - коэффидаент перегрева дополнительной пленки 5, определенный из условия равенства температур рабочей и дополни тельной пленок, находят из соотношения; ,,l+ rrm-1+cV oin(tp-20) , ( Если дополнительная пленка выполнена из того же материала, что и рабочая пленка, то есть -з а , то тогда коэффициент перегрева дополнительной пленки К находят из соотношения: Elli oiipi QW 1 + oi,;() При таком выборе коэффициента перегрева дополнительной пленки , температуры рабочей и дополнительной пленок- поддерживаются обеими следящими системами электротермоанемометров независимо одинаковыми с высокой степенью точности вне зависимости от условий теплообмена обеих пленок. Как известно, выходной сигнал электротермоанемометра постоянной температуры с подключенным нагретым пленочным датчиком, обтекаемым изотермическим потоком жидкости или газа, можно записать в виде: ,(7) где Е - напряжение на концах нагретой током электротермоанемометра пленки; Е - напряжение на концах пленки при скорости окружающего потока равной нулю; и - скорость потока жидкости или газа; А,п - константы, определяемые из таррфовочньк, опытов. Величина Е, характеризует отвод тепла от рабочей пленки за счет теплопроводности потока газа или жидкости и за счет теплопроводности подложки, а также за счет свободной конвекции. Второй член уравнения (7) характеризует отвод тепла от рабочей пленки за счет вынужденной конвекции. Из уравнения (7) легко получить уравнение, связьтающее относительное изменение напряжения на выходе электротермоанемометра постоянной температл)ы с относительным изменением скорости (при малых отклонениях скорости), которое можно записать в виде: д „ /SU --- j -- де й1 отклонение электрического напряжения на концах рабочей пленки от среднего значения; , ,ПЁ ,. , - коэффидщент чувствительности;

V отклонение скорости от среднего значения.

Видно, что коэффициент чувствительности G, в зависимости от величин соотношения Еа/Е, может меняться от до при соответственно; и Ejj/E 1. Аналогичное соотношение справедливо и для плоских пленочных датчиков, предназначенных для измерения касательных напряжений в потоках газа и жидкости. Только в этом случае, чаще всего, используют степенную функциональную зависимость (7) между квадратом напряжения на выходе электротермоанемометра и касательньм напряжением с показателем степени .

У пред11агаемого устройства, если пренебречь отводом тепла от рабочей пленки вдоль поверхности, что справедливо при выполнении конструктивного соотношения h/b«l,

где h - толщина слоя диэлектрика;

b - ширина дополнительной пленки,

при равенстве температур рабочей и дополнительной пленок оттока тепла от рабочей пленки внутрь подложки не будет и, соответственно, мощность, вьщеляемая электрическим током от

электротермоанемометра и необходимая для поддержания рабочего перегрева рабочей пленки (T--tp), резко снизится, что приведет к уменьшению отношения Е /Б и росту коэффициента чувствительности G.

С другой стороны показания на выходе электротермоанемометра не зависят от изменения температуры изолирукмцей подложки, так как все изменения температуры изолирующей подложки будут парированы изменением мощности нагрева дополнительной пленки.

ПЛЕНОЧНЬЙ TEPMOAHH-fOMETP, содержащий следящую электрическую систему и подключенный к ней датчик, выполненный в виде терморезистивной пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку и покрытой запретным слоем диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью поньшгения точности измерений, он снабжен второй электрической следящей системой и второй терморезистивной пленкой, нанесенной на защитный слой первой пленки и подключенной к второй следящей (Системе. (Л vj СО iitahi