Термоанемометр постоянного напряжения
DC HOT-WIRE ANEMOMETER

Изобретение относится к области измерительной техники и электроники и служит для измерения пульсации скорости, массового расхода и температуры воздушного потока в широком диапазоне частот, для определения особенностей турбулентного течения в нестационарной аэродинамике.
Известны схемотехнические построения термоанемометров, отличающиеся режимом функционирования датчика - терморезистора, один из электрических параметров которого поддерживается постоянным в процессе измерения: термоанемометр постоянного сопротивления (ТПС), термоанемометр постоянного тока (ТПТ), термоанемометр постоянного напряжения (ТПН) (см. Birgit Barbara Lenz, Experimental Investigation of Fluctuations in Super-conic Boundary Layers via Hot-Wire Anemometry; M.A. Kegerise, E.F. Spina, A comparative study of constant-voltage and constant-temperature hot-wire anemometers; Tropea C, Yarin A.L., Foss J.F., Springer Hand-book of Experimental Flud Mechanics // ISBN: 978-3-540-25141, 2007, p. 236).
Термоанемометр постоянного тока (ТПТ) преимущественно конструируется, как последовательно соединенный источник тока и датчик, напряжение на котором считывается и является первичным полезным сигналом. Существуют и мостовые схемы реализации. Для компенсации эффекта температурной инерции датчика, влияющего на выходной сигнал, как фильтр нижних частот, применяется цепь коррекции, выполненная в виде фильтра высоких частот, сигнал с которого является выходным. Основными преимуществами ТПТ являются: 1) простая электрическая схема, с простой регулировкой полосы частот и высоким соотношением сигнал-шум, 2) возможность определения собственного шума электрической схемы, исключая датчик. К недостаткам ТПТ относят: 1) невозможность установить фиксированное значение температурной нагрузки датчика, поэтому чувствительность плавает во времени, 2) ручная настройка приводит к затратам времени на настройку во время эксперимента, особенно при исследовании пограничного слоя.
Термоанемометр постоянного сопротивления (ТПС) построен на базе мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик. Диагональ моста подключается к операционному усилителю, выход которого замыкается обратной связью на вершину моста. В другом плече моста имеется подстроечный резистор, задающий ток нагрузки на датчик. В стационарных условиях датчик, нагреваясь, достигает заданного сопротивления, приводя мост в баланс. Под воздействием потока он охлаждается, что приводит к снижению его сопротивления и разбалансировке моста. Реагируя на это, операционный усилитель увеличивает питание мостовой схемы, повышая ток датчика и приводя диагональ моста в равновесие. Основными преимуществами ТПС являются: 1) сохранение постоянным нагрев датчика и, как следствие, чувствительность в рамках возможностей операционного усилителя, 2) быстрая настройка прибора для испытаний, не требует дополнительных настроек во время измерений. К недостаткам ТПС относят: 1) сложная электрическая схема и высокие требования к ее компонентам, 3) сильная зависимость полосы пропускания частот от нагрева датчика, что требует индивидуальной настройки мостовой схемы при каждом его значении, 4) Склонность к нестабильности схемы при неаккуратной настройке, что может повредить прибор и датчик.
Термоанемометр постоянного напряжения (ТПН) построен по схеме инвертирующего усилителя с Т-образным соединением резисторов в цепи обратной связи операционного усилителя. Датчик располагается в нижнем колене Т-образного соединения резисторов. Благодаря такой конфигурации в узловой точке Т-образного соединения поддерживается постоянным напряжение. Основными преимуществами ТПН являются: 1) Высокая чувствительность к флуктуациям потока, по сравнению с другими типами термоанемометров, 2) низкий уровень шума схемы, 3) широкая полоса пропускания и крайне низкое влияние на нее величины нагрева датчика и числа Рейнольдса, что обеспечивает стабильные условия работы и характеристик при различных настройках.
Основным недостатком ТПН является: отсутствие внутрисхемной автоматической компенсации температурной инерции датчика, что при изменении условий его обтекания требует подстройки цепи коррекции. Однако эта проблема может быть решена методом цифрового контроля.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, предлагаемого изобретения является термоанемометр постоянного напряжения - ТПН компании ТАО Systems (см. www.taosystem.com/products Constant Voltage Anemometer), имеющий патент №US5074147. Термоанемометр построен на основе измерительного усилителя с однокаскадным транзисторным усилителем мощности выходного напряжения, в цепь обратной связи которых включен Т-образный узел соединения резисторов с терморезисторным чувствительным элементом и звено частотной коррекции, обеспечивающее усиление высокочастотных составляющих исследуемого процесса, с целью компенсации температурной инерции датчика, приводящей к ослаблению высокочастотных пульсаций. Напряжение на датчике поддерживается постоянным, но может регулироваться для задания необходимой степени нагрева датчика, в зависимости от поставленной задачи. Выходное аналоговое напряжение термоанемометра зависит от напряжения на датчике, его сопротивления, которое зависит от параметров воздушного потока: скорости или массового расхода, температуры и других параметров.
Основные недостатки прототипа:
- относительно невысокая мощность нагрева датчика (ток до 200 мА и напряжение до 2 Вольт), ограничивающая диапазон измерения скорости/массового расхода воздушного потока, также приводящая к невозможности использования низкоомных датчиков до 2 Ом, применяемых при исследовании сверхзвуковых течений;
- оцифровка выходного напряжения от 0 до 20 Вольт одним АЦП приводит к малой разрешающей способности (мВольт/квант_ацп) для регистрации низкоамплитудных высокочастотных составляющих широкополосного сигнала;
- не предусмотрена возможность автоматического регулирования параметров термоанемометра в процессе изменяющихся условий эксперимента.
Проблемой, которую необходимо решить в настоящем изобретении, является устранение недостатков прототипа и осуществление возможности автономной работы термоанемометра постоянного напряжения (без участия оператора).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
- увеличение мощности нагрева датчика для расширения диапазона измерения параметров воздушного потока и возможности использования датчиков с сопротивлением менее 2 Ом;
- повышение чувствительности и точности измерения как высокочастотных пульсаций малой амплитуды параметров воздушного потока, так и их низкочастотных средних значений;
- цифровое автоматизированное регулирование параметров термоанемометра и его полосы частот под управлением цифрового программируемого устройства для адаптации к изменяющимся режимам потока в ходе эксперимента.
Технический результат достигается тем, что в термоанемометр постоянного напряжения, содержащем датчик, измерительный усилитель, последовательно соединенный с ним транзисторный усилитель мощности выходного напряжения измерительного усилителя, Т-образный узел соединения резисторов и датчика, RC-звено частотной коррекции температурной инерции датчика в цепи обратной связи измерительного усилителя и транзисторного усилителя мощности, вход которого соединен последовательно с Т-образным узлом соединения резисторов, а выход соединен с выходом транзисторного усилителя мощности, транзисторный усилитель мощности выполнен в виде широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности, повышающий максимальную мощность нагрева датчика, RC-звено частотной коррекции температурной инерции датчика выполнено программно управляемым, а также введены цифровой низкочастотный канал измерения средних значений параметров воздушного потока, соединенный последовательно с выходом широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности, содержащий последовательно соединенные делитель напряжения с интегрирующим фильтром нижних частот первого порядка, на вход которого поступает выходное напряжение широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности, активный фильтр нижних частот второго порядка с программным управлением частоты среза, аналого-цифровой преобразователь низкочастотного канала_измерения; цифровой высокочастотный канал измерения сигналов малой амплитуды пульсаций параметров воздушного потока, соединенный последовательно с выходом широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности и параллельно с цифровым низкочастотным каналом, содержащий последовательно соединенные фильтр высоких частот первого порядка с разделительным конденсатором на входе, на который поступает выходное напряжение широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности, измерительный усилитель пульсаций малой амплитуды высокочастотного канала измерения с программируемым коэффициентом усиления, активный фильтр высоких частот второго порядка с программным управлением частоты среза, аналого-цифровой преобразователь высокочастотного канала измерения; цифровое управляющее программируемое устройство, при этом инвертирующий вход измерительного усилителя соединен с цифроаналоговым преобразователем цифрового управляющего программируемого устройства, программно управляемое RC-звено частотной коррекции соединено с аналоговым коммутатором цифрового управляющего программируемого устройства, активный фильтр нижних частот второго порядка с программным управлением частоты среза соединен с первым выходом цифрового управляющего программируемого устройства, измерительный усилитель пульсаций малой амплитуды высокочастотного канала измерения с программируемым коэффициентом усиления соединен со вторым выходом цифрового управляющего программируемого устройства, активный фильтр высоких частот второго порядка с программным управлением частоты среза соединен с третьим выходом цифрового управляющего программируемого устройства.
Изобретение поясняется фигурами:
На фигуре 1 показана принципиальная схема термоанемометра постоянного напряжения
На фигуре 2 показана калибровочная кривая выходного напряжения макета разрабатываемого ТПН по скорости потока в АДТ ЭМС-0,05/100 при использовании проволочного датчика 5 мкм и при различном постоянном напряжении на датчике.
На фигуре 3 приведено сравнение спектров мощности пульсаций скорости потока и степени турбулентности в ядре потока, полученные макетом разрабатываемого ТПН и ТПС 55Т30 фирмы Dantec, при использовании проволочного датчика 5 мкм.
На фигуре 4 приведено сравнение спектров мощности пульсаций и отношения пульсаций выходного напряжения к среднему значению выходного напряжения макета разрабатываемого ТПН и ТПС СТА-2016 (Новосибирск) в ядре сверхзвукового потока трубы Т-125 при числе Маха 2 при использовании проволочного датчика 5 мкм.
На фигуре 5 приведено сравнение спектров мощности пульсаций выходного напряжения ТПН в ядре сверхзвукового потока трубы Т-125 при числе Маха 2 при использовании пленочного датчика 55R47 Dantec, наклеенного на насадок.
На фигуре 6 приведено сравнение осциллограмм выходного напряжения ТПН с пленочным датчиком 55R47 Dantec, наклеенного на модель, при его коэффициентах перегрева 1.0, 1.1, 1.2, 1.3 в высокоэнтальпийном сверхзвуковом течении в ударной трубе Людвига УТ-1М. Обозначений: 1) приход ударной волны на датчик, 2) помеха от оптической системы измерения, 3) начало разрушения потока.
Предлагаемый термоанемометр постоянного напряжения для измерения средних значений и пульсаций параметров воздушного потока включает датчик 1, измерительный усилитель 2, широкополосный двухкаскадный транзисторный усилитель мощности 3 выходного напряжения измерительного усилителя 2, Т-образный узел соединения резисторов 4 и датчика 1, программно управляемое RC-звено 5 частотной коррекции температурной инерции датчика 1, цифровой низкочастотный канал измерения средних значений параметров воздушного потока 6, содержащий делитель напряжения с интегрирующим фильтром нижних частот первого порядка (ФНЧ1) 7, на вход которого поступает выходное напряжение широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности 3, активный фильтр нижних частот второго порядка с программным управлением частоты среза (ФНЧ2) 8, аналого-цифровой преобразователь низкочастотного канала измерения (АЦП/Н) 9; цифровой высокочастотный канал измерения 10 сигналов малой амплитуды пульсаций параметров воздушного потока, содержащий фильтр высоких частот первого порядка с разделительным конденсатором на входе (ФВЧ1) И, на который поступает выходное напряжение широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности 3, измерительный усилитель пульсаций малой амплитуды высокочастотного канала измерения с программируемым коэффициентом усиления 12, активный фильтр высоких частот второго порядка с программным управлением частотой среза (ФВЧ2) 13, аналого-цифровой преобразователь высокочастотного канала измерения (АЦП/В) 14; цифровое управляющее программируемое устройство (ЦУПУ) 15.
Работа предлагаемого ТПН осуществляется под управлением программы автоматизированного регулирования параметров термоанемометра и измерения параметров воздушного потока.
Работа осуществляется следующим образом:
Обеспечение необходимого нагрева датчика 1 осуществляется усилением выходного напряжения измерительного усилителя 2 с помощью широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности 3. В зависимости от заданных параметров воздушного потока и типа датчика 1 устанавливается исходная степень нагрева датчика 1, определяемая, как отношение текущего сопротивления нагретого датчика 1 к сопротивлению датчика 1, которым он будет обладать при температуре, равной температуре исследуемого потока. Текущее сопротивление датчика 1 определяется автоматически на основе результатов его калибровки по следующим параметрам: напряжение на датчике 1 и выходное напряжение термоанемометра постоянного напряжения. Установка исходного нагрева осуществляется с помощью напряжения цифроаналогового преобразователя (ЦАП) ЦУПУ 15. Напряжение подается на инвертируемый вход измерительного усилителя 2.
Для компенсации температурной инерции датчика 1 через коммутацию емкостей разных номиналов программно управляемого RC-звена частотной коррекции 5 с помощью аналогового коммутатора (K) ЦУПУ 15 устанавливаются параметры программно управляемого RC-звена частотной коррекции 5 температурной инерции датчика 1. Выбор необходимого номинала емкости для каждого режима исследуемого течения может проводиться как вручную, так и автоматически на основании анализа ЦУПУ либо частотных характеристик (ЛАЧХ), полученных в результате подачи гармонического сигнала от ЦАП ЦУПУ, либо на основании реакции выходного сигнала ТПН на ступенчатое воздействие, задаваемое от ЦАП ЦУПУ.
Выходной аналоговый сигнал широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности 3 содержит как сравнительно медленно меняющуюся составляющую сигнала высокого уровня, зависящую от заданного режима тока датчика 1, средней скорости течения и других параметров воздушного потока, так и высокочастотную составляющую сигнала малой амплитуды, пропорциональную пульсациям исследуемого параметра потока.
Выходное напряжение высокого уровня широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности 3, поступая на вход цифрового низкочастотного канал измерения 6, уменьшается с помощью делителя напряжения для возможности его регистрации АЦП и интегрируется фильтром нижних частот первого порядка (ФНЧ1) 7, ограничивается по частоте активным фильтром нижних частот второго порядка с программным управлением частоты среза (ФНЧ2) 8, в результате чего становится пропорциональным скользящему среднему, медленно меняющемуся значению измеряемого параметра потока, преобразуясь затем в кодовый эквивалент аналого-цифровым преобразователем низкочастотного канала измерения (АЦП/Н) 9. Установка частоты среза ФНЧ2 осуществляется с помощью первого выхода ЦУПУ (1G0, 1G1).
Одновременно выходное напряжение широкополосного двухкаскадного транзисторного усилителя мощности 3 поступает на цифровой высокочастотный канал измерения 10 термоанемометра с фильтром высоких частот первого порядка с разделительным конденсатором на входе (ФВЧ1) 11 для выделения высокочастотного сигнала малой амплитуды, усиливается измерительным усилителем пульсаций малой амплитуды высокочастотного канала измерения с программируемым коэффициентом усиления 12, регулируется по частоте активным фильтром высоких частот второго порядка с программным управлением частоты среза (ФВЧ2) 13 и преобразуется в кодовый эквивалент аналого-цифровым преобразователем высокочастотного канала измерения (АЦП/В) 14. Коэффициент усиления измерительного усилителя пульсаций малой амплитуды высокочастотного канала измерения с программируемым коэффициентом усиления 12 устанавливается с помощью второго выхода ЦУПУ (2G0, 2G1). Установка частоты среза ФВЧ2 осуществляется с помощью третьего выхода ЦУПУ (3G0, 3G1).
Определение средних значений и пульсаций параметров воздушного потока осуществляется пересчетом данных, поступающих в ЦУПУ 15 из цифрового низкочастотного канала измерения 6 и цифрового высокочастотного канала измерения 10 термоанемометра постоянного напряжения соответственно, по калибровочной зависимости выходного напряжения ТПН от исследуемого параметра течения.
Автоматизированное регулирование параметров ТПН осуществляется под управлением ЦУПУ 15. Для заданного режима течения устанавливается соответствующее напряжение на датчике 1, которое поддерживается постоянным. При изменении режима течения: изменение среднего значения скорости, плотности, температуры и т.д. - ЦУПУ 15 изменяет нагрев датчика 1 и номинал емкости в программно управляемом RC-звене частотной коррекции 5. В автономном режиме работы основным источником информации об изменении режима течения служат данные, поступающие в ЦУПУ 15 от цифрового низкочастотного канала измерения 6. Таким образом осуществляется адаптивность разрабатываемого термоанемометра к изменяющемуся режиму исследуемого течения.
Соединение данных цифрового низкочастотного канала измерения 6 и цифрового высокочастотного канала измерения 10 проводится на этапе обработки результатов эксперимента в компьютере с учетом значений параметров настраиваемых элементов ТПН.
Таким образом, изобретение соответствует критерию охраноспособности - промышленное применение.
Сконструирован и изготовлен макет цифрового адаптивного термоанемометра постоянного напряжения для измерения параметров воздушного потока. Макет термоанемометра постоянного напряжения исследован в лабораторных условиях и в аэродинамических установках.
Лабораторные испытания цепи коррекции температурной инерции датчика при помощи генератора гармонического сигнала показали, что:
- схема коррекции обеспечивает измерение частот исследуемого процесса в диапазоне от 0 до 300 кГц.
Испытания в аэродинамических установках проводились совместно с другими термоанемометрами типа постоянного сопротивления, имеющимися в лаборатории и зарекомендовавших себя, с последующим сравнительным анализом результатов. Сравнение с прототипом не представляется возможным в силу его отсутствия.
В малоскоростной эталонной аэродинамической трубе ЭМС-0,05/100 в диапазоне скорости потока от 0 до 50 м/с были проведены сравнительные испытания макета разрабатываемого термоанемометра постоянного напряжения ТПН и коммерческого ТПС 55Т30 фирмы Dantec (Дания) с использованием проволочного датчика. Исследования показали:
- чувствительность макета ТПН к скорости потока изменяется в диапазоне от 150 мВ/(м/с) при скорости 2 м/с до 10 мВ/(м/с) при скорости 50 м/с;
- имеется хорошее совпадение между результатами для спектра пульсаций скорости потока и степени турбулентности в ядре потока, полученные макетом ТПН и коммерческим ТПС 55Т30.
Результаты поясняются фигурами 2 и 3.
В сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-125 при числе Маха М=2 и давлении в форкамере 8 атм. были проведены сравнительные испытания макета разрабатываемого ТПН и коммерческого ТПС СТА-2016 (ИТПМ, Новосибирск) с использованием проволочного и пленочного датчика при различной степени его нагрева. Результаты показывают:
- имеется хорошее совпадение между спектрами пульсаций выходного напряжения макета ТПН и ТПС вплоть до частот 125 кГц при высокой степени нагрева проволочного датчика;
- при использовании пленочного датчика разрешаемый спектр выходного напряжения макета ТПН составил 40 кГц, что соответствует предельно-возможному для данного типа датчика.
Результаты поясняются фигурами 4 и 5.
В ударной гиперзвуковой трубе Людвига УТ-1М при числе Маха 6 проводились испытания макета разрабатываемого ТПН с использованием пленочного датчика на поверхности канонической модели стреловидного крыла.
Результаты показывают:
- макет ТПН ожидаемым образом реагирует на приходящую ударную волну, отражая особенности потока, сохраняя безопасный режим работы датчика.
Результат поясняется фигурой 6.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков, в совокупности с указанными в ограничительной части формулы, достигается следующий технический результат:
- расширение диапазона исследуемых скоростей, плотности, температуры воздушного потока;
- возможность использования низкоомных датчиков номиналом сопротивления от 1 до 2 Ом;
- повышение чувствительности и точности измерения низкочастотных сигналов параметров воздушного потока;
- повышение чувствительности и точности измерения высокочастотных сигналов малой амплитуды пульсаций параметров воздушного потока в широком диапазоне частот;
- автоматизация подстройки нагрева датчика и полосы частот термоанемометра под различные режимы течения благодаря цифровому регулированию этих параметров.