УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения температуры и скорости движения воздуха в подвальных помещениях, в которые не оборудованы силовым кабелем и устройствами для подключения прибора к сети.
Проблема состоит в том, что при исследованиях динамики поступления почвенного радона в подвальные помещения необходимо получить данные о температуре и скорости движения воздуха в исследуемых помещениях для определения кратности воздухообмена и расчета вариаций объемной активности радона в этих помещениях.
Известно устройство для измерения скорости воздушного потока в жилых и производственных помещениях (Термоанемометр ТТМ-2/4-5) [http://get-doc.com/grsi/440xx/44377-10.pdf]
Устройство содержит первичный измерительный преобразователь выполненный в виде зонда состоящего из металлической трубки, на одном конце которой расположены платиновые терморезисторы, а на другом - ручка для удобства работы оператора, и измерительный блок, включающий печатную плату с микропроцессором. На лицевой панели измерительного блока расположены элементы управления и индикации. На задней панели располагаются разъемы для подключения измерительных преобразователей, разъемы двух токовых выходов, разъемы интерфейсов RS-232, RS-485, USB, держатель предохранителя, разъем питания 220 В, 50 Гц. Первичный измерительный преобразователь и измерительный блок соединены между собой гибким кабелем.
Устройство работает следующим образом.
Электрический ток, проходит через первичный измерительный преобразователь, помещенный в воздушный поток и нагревает платиновый терморезистордо определенной температуры. Под действием воздушного потока часть тепла с терморезистора уносится в окружающее пространство и происходит охлаждение терморезистора, что вызывает изменение сопротивления терморезистора. Сигнал об изменении сопротивления терморезистора поступает в измерительный блок, где происходит считывание информации из измерительного преобразователя - температуру и скорость воздушного потока и индицирование их значений на индикаторах. Для поддержания постоянного значения сопротивления терморезистора микропроцессор выдает команду на увеличение тока подогрева терморезистора. Таким, образом, при увеличении скорости воздушного потока увеличивается ток подогрева терморезистора, величина которого пропорциональна скорости воздушного потока. Устройство работает в режиме непрерывного измерения с накоплением данных для передачи на компьютер. Обмен информацией с компьютером осуществляется по интерфейсу RS-232 или RS-485 на скорости 4800 бит/с.
Интервал опроса измерительного преобразователя составляет около одной секунды. При работе с компьютером прибор определяется как HID - устройство и с операционными системами Windows XP и Windows Vista не требует установки дополнительных драйверов.
Достоинством этого прибора является то, что он имеет высокую разрешающую способность по температуре от минус 40°С до плюс 60°С, диапазон измерений скорости воздушного потока 0,1-30 м/с, диапазон индикации скорости воздушного потока 0,01-0,1 м/с.
Недостатком устройства является то, что оно имеет ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено тем, что питание устройства осуществляется только от сети 220 В, 50 Гц, поэтому использовать его возможно только в помещениях оборудованных силовым кабелем и устройствами для подключения прибора к сети. В подвальных помещениях, не оборудованных силовым кабелем и устройствами для подключения прибора к сети, использовать данное устройство не представляется возможным.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является устройство для измерения средней подвижности и температуры воздушного потока (Термоанемоаетр ТА-11) [Термоанемометр ТА-11. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Всесоюзный научно исследовательский институт охраны труда. - Л., 1987]
Устройство содержит, измерительную штангу с первичным преобразователем, на конце которой расположена измерительная головка с терморезистором, измерительный блок, блок питания, состоящий из двух стабилизированных источников питания. На лицевой панели термоанемометра расположены переключатели «Сеть», «Выход», температуры и скорости воздушного потока. На задней панели расположены: разъем «Датчик», гнездо «Выход», сетевой шнур с вилкой, держатель предохранителя. Электрическая схема измерительного блока состоит из измерительной части подвижности воздушного потока, включающего: неравновесный мост, усилитель напряжения, усилитель тока, компенсатора нуля, компенсатора максимального значения, измерителя скорости и измерительной части температуры воздушного потока, состоящей из равновесного моста и усилителя напряжения. Первичный преобразователь и измерительный блок соединены между собой гибким кабелем через разъем «Датчик», а блок питания подключен к измерительному блоку.
В основу принципа измерения скорости воздушного потока положен метод постоянства температуры, основанный на зависимости конвективного теплообмена нагретого тела с окружающей средой от скорости воздушного потока. В результате изменения скорости потока изменяются условия конвективного теплообмена, что требует для поддержания постоянного значения сопротивления терморезистора, изменения величины электрического тока, протекающего через терморезистор. Значение этого тока является информативной величиной о скорости воздушного потока.
Устройство работает следующим образом.
При включении устройства в сеть электрический ток подается на блок питания с помощью которого осуществляется преобразование переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц в постоянное напряжение, которое подается на измерительный блок и первичный преобразователь измерительной штанги, помещенной в воздушный поток, и нагревает терморезистор, находящийся в головке измерительной штанги до определенной температуры.
Под действием воздушного потока часть тепла с терморезистора уносится в окружающее пространство и происходит охлаждение терморезистора, что вызывает изменение его температуры, а это приводит к изменению сопротивления. Сигнал об изменении сопротивления терморезистора поступает в измерительный блок и приводит к изменению напряжения в диагонали неравновесного моста, которая подключена на вход усилителя напряжения.
Изменяющееся напряжение на выходе усилителя напряжения, воздействует на вход усилитель тока так, что ток на выходе усилитель тока увеличивается и терморезистор принимает свою первоначальную температуру. Величина приращения тока на выходе усилителя тока, указанная на шкале индикатора будет пропорциональна скорости воздушного потока.
Если температура среды измерения неизменна, то приращение тока будет зависеть только от скорости воздушного потока.
При измерении температуры окружающей среды переключатель рода работы переключают в режим измерения температуры. Изменение температуры приводит к изменению сопротивления терморезистора, что ведет к разбалансу равновесного моста. Диагональ моста подключена на вход усилителя напряжения. На шкале прибора проградуированой в градусах Цельсия указывается приращение напряжения на выходе усилителя напряжения, и величина этого приращения будет прямо пропорционально изменению температуры воздушного потока.
Далее электрический сигнал с выхода усилителя напряжения поступает на вход компенсатора нуля, а с выхода компенсатора нуля на выход усилителя тока с противополжным знаком и компенсирует изменение показаний значения скорости воздушного потока от изменения температуры воздушного потока.
Достоинством этого прибора является высокая чувствительность и широкий диапазон измерений контролируемых параметров. Прибор измеряет подвижность воздушного потока в диапазоне 0,1-5 м/с, температуру воздушного потока в диапазоне 0°С-50°С.
Недостатком устройства является то, что оно имеет ограниченные функциональные возможности. Это обусловлено тем, что питание устройства осуществляется от сети 220 В, 50 Гц, поэтому использовать его возможно только в помещениях оборудованных силовым кабелем и устройствами для подключения прибора к сети. В подвальных помещениях, не оборудованных силовым кабелем и устройствами для подключения прибора к сети, использовать данное устройство не представляется возможным.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства для измерения скорости и температуры воздушного потока позволяющего расширить его функциональные возможности.
Для решения поставленной задачи устройство для измерения скорости и температуры воздушного потока, содержащее измерительную штангу с первичным преобразователем, на конце которой расположена измерительная головка с терморезистором, измерительный блок, соединенный с первичным преобразователем гибким кабелем, блока питания, состоящий из двух стабилизированных источников питания, и подключенный к измерительному блоку, дополнительно снабжено аккумуляторными батареями и инвертором, при этом аккумуляторные батареи подключены к входу инвертора, а выход инвертора параллельно подключен к блоку питания.
Признаками, отличающими предполагаемое устройство от прототипа, является установка аккумуляторных батарей, инвертора и новые взаимосвязи.
На фигуре приведена схема стационарного устройства для измерения скорости и температуры воздушного потока
Устройство для измерения скорости и температуры воздушного потока включает измерительную штангу с первичным преобразователем 1, на конце которой расположена измерительная головка с терморезистором, измерительный блок 2, блока питания 3 состоящий из двух стабилизированных источников питания, аккумуляторные батареи 4 и инвертор 5.
Измерительный блок 2, соединен с первичным преобразователем 1 гибким кабелем, блок питания 3 подключен к измерительному блоку 2, аккумуляторные батареи 4 подключены к входу инвертора 5, а выход инвертора 5 параллельно подключен к блоку питания 3.
Электрическая схема измерительного блока состоит из двух частей: измерительной части подвижности воздушного потока, включающего неравновесный мост, усилитель напряжения, усилитель тока, компенсатора нуля, компенсатора максимального значения, измерителя скорости и измерительной части температуры воздушного потока, состоящей из равновесного моста и усилителя напряжения.
Устройство работает следующим образом.
В случае измерения скорости и температуры воздушного потока в помещениях оборудованных силовым кабелем и устройствами для подключения прибора к сети устройство подключается к сети, и электрический ток подается на блок питания 3. В блоке питания 3 осуществляется преобразование переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц в стабилизированное постоянное напряжение, которое подается на измерительный блок 2 и первичный из преобразователь измерительной штанги 1, помещенной в воздушный поток. Электрический ток, проходя через терморезистор, находящийся в головке измерительной штанги 1, нагревает его до определенной температуры. Под действием воздушного потока часть тепла с терморезистора уносится в окружающее пространство и происходит охлаждение терморезистора, что вызывает изменения его температуры, а это приводит к изменению сопротивления. Сигнал об изменении сопротивления терморезистора поступает в измерительный блок 2 и приводит к изменению напряжения в диагонали неравновесного моста, подключенного на вход усилителя напряжения. Изменяющееся напряжение на выходе усилителя напряжения, воздействует на вход усилитель тока так, что ток на выходе усилитель тока увеличивается и терморезистор принимает свою первоначальную температуру. Величина приращения тока на выходе усилителя тока, указанная на шкале индикатора будет пропорциональна скорости воздушного потока.
Если температура среды измерения неизменна, то приращение тока будет зависеть только от скорости воздушного потока.
При измерении температуры окружающей среды переключатель рода работы переключают в режим измерения температуры. Изменение температуры приводит к изменению сопротивления терморезистора, что ведет к разбалансу равновесного моста, диагональ которого подключена на вход усилителя напряжения. На шкале прибора проградуированной в градусах Цельсия указывается приращение напряжения на выходе усилителя напряжения, и величина этого приращения будет прямо пропорционально изменению температуры воздушного потока.
Далее электрический сигнал с выхода усилителя напряжения поступает на вход компенсатора нуля, а с выхода компенсатора нуля на выход усилителя тока с противоположным знаком и компенсирует изменение показаний значения скорости воздушного потока от изменения температуры воздушного потока.
В случае измерения скорости и температуры воздушного потока в помещениях не оборудованных силовым кабелем питание устройства осуществляется от аккумуляторной батареи 4 и инвертора 5, который вырабатывает напряжение 220 В частотой 50 Гц. Напряжение с инвертора 5 поступает на блок питания 3, где осуществляется преобразование переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц в постоянное стабилизированное напряжение, затем подается на блок измерения 2 и первичный преобразователь измерительной штанги 1, помещенной в воздушный поток. Электрический ток, проходя через терморезистор, находящийся в головке измерительной штанги 1, нагревает его. Под действием воздушного потока терморезистор изменит свою температуру и, следовательно, свое сопротивление. Изменение сопротивления терморезистора приводит к изменению напряжения в диагонали неравновесного моста. Изменяющееся напряжение воздействует на вход усилителя тока так, что ток на выходе усилитель тока увеличивается и терморезистор принимает свою первоначальную температуру.
Шкала стрелочного индикатора проградуирована в м/с и приращение тока на выходе усилителя тока будет пропорциональна изменению скорости воздушного потока.
При измерении температуры окружающей среды переключатель рода работы переключают в режим измерения температуры. Изменение температуры приводит к изменению сопротивления терморезистора, что ведет к разбалансу равновесного моста, диагональ которого подключена на вход усилителя напряжения. На шкале прибора проградуированной в градусах Цельсия указывается приращение напряжения на выходе усилителя напряжения, и величина этого приращения будет прямо пропорционально изменению температуры воздушного потока.