ПЛЕНОЧНЫЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, точнее к устройствам для измерения скорости движущейся среды, преимущественно с высокой температурой и запыленностью.
Общеизвестны конструкции, в которых применяется термоанемометрический способ измерения скорости потока жидкости или газа. В них используется зависимость между потерей тепла (т.е. изменением температуры) нагреваемого электрическим током резистивного термочувствительного элемента, выполненного в виде тонкой проволоки или пленки, и скоростью жидкости или газа, в котором этот термочувствительный элемент находится. Унос тепловой мощности при обтекании элемента потоком жидкости или газа, связан со скоростью этого потока. Скорость охлаждения потоком может быть измерена по изменению температуры элемента, соответствующая величина расхода потока может быть вычислена по величине охлаждения потоком-
При практической реализации этого метода измерения проявляются его определенные недостатки. К ним относятся начальный разброс и изменение характеристик чувствительного элемента во времени, неконтролируемые потери тепла, возникающие при больших температурах, что приводит к снижению точности и сужению диапазона измерений, влияние на результаты измерений температуры среды и конструкции крепления элемента.
Известны различные конструкции термоанемометров, использующих этот принцип измерения скорости, в той или иной мере нейтрализующие указанные недостатки метода.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является пленочный термоанемометр [А.С. №959525, G 01 P 5/12, опубл.07.06.86], где на слой диэлектрика нанесены 4 терморезистивные пленки. Две терморезистивные пленки используются для измерения температуры, две пленки используются для нагрева. Терморезистивные пленки закреплены в плоскости заподлицо с поверхностью. Сопротивления пленок входят составными частями в два электрических моста двух следящих систем. При работе две пленки являются нагреваемыми элементами, и в процессе работы изменение мощности нагрева одной из пленок является основной, информативной величиной, связанной со скоростью потока, а нагрев другой пленки идет на поддержание необходимого для компенсации тепловых потерь через крепление пленок для повышения точности измерений.
К недостаткам данного датчика можно отнести необходимость определенной ориентации элементов системы по потоку по двум осям, и значительную потребляемую устройством дополнительная мощность, расходуемую на поддержание необходимого теплового баланса датчика. Ошибка поддержания точного перегрева 2-х пленок в широком диапазоне температур, из-за конструктивного разнесения их в пространстве, приведет к смещению характеристик датчика при высоких температурах, то есть снижению точности измерений. Отсутствие мер по защите пленок термоанемометра от абразивного воздействия пылевого загрязнения потока уменьшает срок службы прибора.
Техническим результатом, получаемым при использовании предлагаемой полезной модели, является устранение указанных недостатков, а именно одновременное снижение потребляемой при работе мощности, уменьшение дрейфа нуля датчика в широком интервале температур, наличие необходимости точной ориентации по потоку только по одной оси, увеличение времени работы датчика при работе в сильнозапыленных потоках
Сущность модели заключается в том, что пленочный термоанемометр включает в себя нагреваемую и две измерительные терморезистивные пленки, подключенные к системе управления, имеет сквозные круговых каналы, образованные соосно скрепленными между собой несущими стержнями верхним и нижним формирователями потока в виде элипсообразных тел вращения и размещенным между ними срединным формирователем потока в виде тела вращения торообразной формы, а терморезистивные пленки размещены на цилиндрической диэлектрической основе, которая одним концом вертикально жестко закреплена в центре нижнего формирователя потока, причем одна терморезистивная пленка расположена в закрепленном конце основы в корпусе формирователя потока, а нагреваемая пленка и нанесенная на нее другая измерительная пленка размещены на другом, свободно расположенном между формирователями потоков конце основы, при этом на поверхности нижнего формирователя размещены два диаметрально расположенных относительно цилиндрической основы датчика температуры, и все терморезистивные пленки и датчики температуры связаны с системой управления.
Достижение технического результата обеспечивается тем, что терморезистивная пленка располагается в нижнем конце диэлектрической цилиндрической основы, в заделке основы в нижний формирователь потока, что позволяет контролировать паразитные тепловые потоки через элементы крепления основы. Диаметрально расположенные датчики температуры позволяют точно контролировать температуру потока, исключить влияние нагрева потока нагреваемой терморезистивной пленкой. Применение формирователей потока позволяет снизить интенсивность прямого
попадание пыли, уменьшить вредное абразивное воздействие на чувствительные элементы, снижает дрейф характеристик термоанемометра, продлевает его срок службы. Исполнение формирователей потока в виде тел вращения с образованными сквозными круговыми каналами для прохода потока к терморезистивным пленкам и датчикам температуры позволяет снизить требования к ориентации датчика в потоке, ориентировать его в потоке только по одной оси, работать при любом направлении потока, лежащего в плоскости нормально ориентированной к оси цилиндрической основы датчика.
Все это увеличивает точность измерения в широком температурном интервале и при наличии запыленности анализируемых потоков.
От прототипа предлагаемая модель отличается наличием новых элементов и связей. Новыми элементами являются элементы формирователей потока.
Кроме того, в предлагаемом устройстве по-новому применены терморезистивные пленки, изменено их количество и размещение в пространстве.
За счет применения формирователей потока снижается абразивное воздействие пыли на дрейф характеристик датчика, контроль тепловых потерь уменьшает погрешность измерения при высоких температурах, то есть при использовании модели будет достигнут новый результат. Применение нагрева только одной терморезистивной пленки снижает потребляемую при работе термоанемометра мощность и позволяет создать малогабаритное устройство с автономным питанием, пригодное для работы в промышленных условиях.
Предлагаемое устройство может быть изготовлено из элементов и материалов, выпускаемых отечественной промышленностью. Улучшенные характеристики датчика при малых габаритах и энергопотреблении, простота конструкции позволяют использовать устройство в различных областях науки и техники, следовательно, предлагаемая полезная модель отвечает критерию промышленной применимости.
На фиг.1 показана схема выполнения варианта заявляемого устройства, при этом устройство, показанное на фиг.1, включает в себя нагреваемую 1 и две измерительные терморезистивные пленки 2 и 3, подключенные к системе управления 4, имеет сквозные круговые каналы, образованные соосно скрепленными между собой несущими стержнями 5 верхним 6 и нижним 7 формирователями потока в виде элипсообразных тел вращения и размещенным между ними срединным формирователем потока 8 в виде тела вращения горообразной формы, а терморезистивные пленки размещены на цилиндрической диэлектрической основе, которая одним концом вертикально жестко закреплена в центре нижнего формирователя потока 7, причем одна терморезистивная пленка 3 расположена в закрепленном конце основы в корпусе формирователя потока, а нагреваемая пленка 1 и
нанесенная на нее другая измерительная пленка 2 размещены на другом, свободно расположенном между формирователями потоков конце основы, при этом на поверхности нижнего формирователя размещены два диаметрально расположенных, относительно цилиндрической основы, датчика температуры 9, и все терморезистивные пленки и датчики температуры связаны с системой управления 4.
Формирователи потока выполнены в виде тел вращения элипсообразной формы 6 и 7 и торообразной формы 8, выполненными, например из металла. Конструкция собрана с круговыми каналами, по которому анализируемый поток с любого направления попадает внутрь датчика. Нижний формирователь служит основанием для всей конструкции, и может быть соединена, например, с несущей трубой, образуя таким образом, зонд. В основании крепления основы, в формирователе, размещена терморезистивная пленка 3.
На фиг.2 показан разрез элементов термоанемометра. Диэлектрическая основа с терморезистивными пленками расположена в центре нижнего формирователя потока, датчики температуры 9 расположены диаметрально. На фиг.3 показана диэлектрическая основа с терморезистивными пленками. Она выполнена в виде цилиндра из диэлектрика, например керамики, на поверхность которой нанесены нагреваемая терморезистивная пленка 1 и измерительные терморезистивные пленки 2 и 3.
Устройство работает следующим образом. Анализируемый поток обтекает формирователь потока 8, часть потока независимо от своего направления (в плоскости, нормальной к оси основы) через открытые каналы, образованные при помощи стержней 5 за счет формирователей 6 и 7, размеры и оптимальная форма которых рассчитываются применительно к физическим свойствам потока, попадает внутрь на основу с терморезистивными пленками 1 и 2. Частицы пыли в зависимости от своих инерциальных свойств обтекают датчик, не попадая на измерительные элементы. Датчики температуры 9, расположенные на нижнем формирователе, фиксируют температуру потока, информация о которой необходима для работы термоанемометра. Так как они расположены диаметрально, хотя бы один из них при любом направлении потока будет расположен спереди измерительного узла, содержащего нагреваемую пленку, и не будет подвержен ее тепловому воздействию через среду. Терморезистивная пленка 1 нагревается до температуры, определяемой алгоритмом работы термоанемометра, при этом ее температура контролируется терморезистивной пленкой 2. В зависимости от алгоритма определяется изменение тепловых характеристик, что позволяет определить скорость потока. Терморезистивная пленка 3, расположенная в формирователе потока 7, в основании крепления основы с терморезистивными пленками 1 и 2, позволяет определить температуру основания, и, в конечном итоге, тепловые потери
на нагрев основания. Эти данные позволяют корректировать показания термоанемометра в широком интервале температур анализируемого потока.
Сигналы с датчиков поступают на измерительно-управляющее устройство 4, с которого поступают сигналы обратной связи на нагреваемую пленку, и сигналы измерительной информации. Исполнение измерительно-управляющего устройства, алгоритм его работы выбирается разработчиком аппаратуры применительно к конкретным целям.
Нагревательный элемент и датчики температуры могут быть выполнены по одной технологии, например с использованием напыленной на керамику платины.
Вся совокупность признаков позволяет снизить потребляемую в процессе работы мощность, расширить диапазон запыленности и рабочих температур анализируемых потоков, снизить погрешность измерения и дрейф характеристик, создать малогабаритное устройство, пригодное для работы в промышленных условиях.
Полезная модель найдет применение для измерения скорости высокотемпературных запыленных потоков.