Квазираспределенный термоанемометрический датчик для измерения распределения скорости потока газа
QUASI-DISTRIBUTED HOT-WIRE PROBE FOR MEASURING THE DISTRIBUTION OF GAS FLOW VELOCITY

Изобретение относится к области распределенных измерений физических величин, а именно к измерению распределения скорости потока газа.
Известны способы измерения скорости потока газа в поперечном сечении (авторское свидетельство СССР №1026059, МПК G01P 5/12, 30.06.1983; авторское свидетельство СССР №1659866, МПК G01P 5/12, 30.06.1991) с использованием одного чувствительного элемента, помещенного непосредственно в исследуемый поток. Измерение скорости потока могут быть проведены при постоянной величине тока нагрева или при постоянной величине температуры на чувствительном элементе. При поддержании постоянной величины тока нагрева, измеряется падение напряжения на чувствительном элементе, которая зависит от скорости потока, обтекающего данный чувствительный элемент. В случае способа с постоянной температурой на чувствительном элементе, схема управления обеспечивает поддержание температуры чувствительного элемента относительно температуры потока за счёт изменения тока нагрева. После электрический ток пересчитывается в скорость потока.
Недостатком данного способа является измерение скорости потока газа только в одной точке. Эта особенность не позволяет судить об изменении скорости потока газа в поперечном сечении. Также эта особенность не позволяет получить информацию об объемном расходе газа, так как скорость потока в различных точках в поперечном сечении может сильно отличатся.
Известен способ измерения массового расхода газа (патент США №6035726, G01F 1/68, 14.03.2000), в котором в качестве чувствительного элемента использован провод с малым диаметром и с известной зависимостью электрического сопротивления от температуры. Провод натянут на каркас и расположен перпендикулярно измеряемому потоку газа. В процессе измерений провод нагревается с помощью импульсов постоянного тока и измеряется скорость, с которой провод охлаждается между импульсами. По скорости охлаждения провода определяют скорость потока и рассчитывают объемный расход газа путем интегрирования показаний.
Недостатком данного способа является измерение средней скорости потока и вычисление объемного расхода газа только по показаниям одного чувствительного элемента. Измерения не позволяют оценить распределение скорости потока газа в поперечном сечении, что существенно снижает точность измерений при вихревом характере потока.
Известен способ измерения средней скорости потока воздуха за счёт использования интегрального термоанемометра (Цаканян О. С., Кошель С. В. Интегральный термоанемометр для измерения средней температуры и расхода воздуха в каналах, на выводах анемостатов и в вентиляционных решётках. Проблемы машиностроения. 2020 (декабрь), Т. 23 №4, С. 14-21 https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.014), который позволяет определять среднюю скорость потока, а также среднюю температуру воздушного потока в вентиляционных системах. Способ измерения основан на использовании термоанемометрического зонда, конструктивно выполненный в виде металлической обечайки с направляющими, на которые уложен чувствительный элемент. При этом чувствительный элемент является гибким и расположен таким образом, чтобы охватывать большую площадь поперечного сечения потока и имел низкое аэродинамическое сопротивление. Измерительный зонд может работать в двух режимах: 1) Активный режим обеспечивает измерение средней скорости воздушного потока или среднего расхода воздуха. В этом режиме ток через зонд имеет большое значение для обеспечения нагрева чувствительного элемента. 2) Пассивный режим обеспечивает измерение интегральной температуры воздушного потока. В этом режиме измерительный ток имеет малую величину и практически не оказывает влияния на результаты измерения температуры.
Недостатком данного способа является возможность измерения только усредненной величины скорости потока в поперечном сечении, а не распределения скорости по площади поперечного сечения. Также при измерении расхода воздуха необходимо использовать выпрямители потока, чтобы исключить завихрения потока, т.к. турбулентности в потоке воздуха существенно снижают точность измерений.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ измерения объемного расхода потока газа (патент РФ № 2 492 428, МПК G01F 1/68, 21.03.2012), в котором описано применение множества проволочных термоанемометров, расположенных перпендикулярно потоку газа. Проволочки расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль и поперек направления движения потока газа и повернутые под определенными углами относительно друг друга для обеспечения измерения скорости потока в поперечном сечении объекта. В процессе измерения через каждый термоанемометр пропускается постоянный ток определенной величины и измеряется падение напряжение на каждом чувствительном элементе. По величине падения напряжения на проволочном термоанемометре определяют скорость потока, в котором расположен данный термоанемометр. Зависимость скорости потока от падения напряжения на чувствительном элементе получается в процессе первичной калибровки термоанемометра. После получения распределения поля скорости потока, производится интегрирование поля скорости по площади поперечного сечения канала и вычисляется объемный расход газа.
Недостатком данного способа является конструктивная особенность датчика, которая не позволяет расположить все чувствительные элементы в одном поперечном сечении, а требует объемной сетки проводников для исключения пересечения чувствительных элементов. Также недостатком данного метода является необходимость большого количества соединительных проводов для подключения чувствительных элементов к источнику зондирующего тока и к измерительной цепи.
Таким образом, известные из данной области техники способы измерения скорости потока газа с использованием термоанемометров, позволяют проводить точечные измерения или получить усредненные показания скорости в поперечном сечении. При этом не измеряется распределение скорости потока в поперечном сечении.
Для устранения указанных выше недостатков возникает задача разработки способа и устройства для измерения распределения скорости потоков газа без использования большого количества соединительных проводов для подключения чувствительных элементов к измерительной аппаратуре.
Известны методы, обеспечивающие измерение распределения скорости потока в объеме за счёт использования множества отдельных термоанемометров, расположенных перпендикулярно потоку, повернутых на определенные углы относительно друг друга и расположенных на некотором расстоянии друг от друга, для исключения пересечения термоанемометров. Данный способ позволяет получить профиль скорости потока газа, однако является конструктивно сложным и не обеспечивает возможность измерения скорости потока в поперечном сечении, так как не позволяет расположить все чувствительные элементы в одной плоскости, а требует объемной сетки проводников для исключения пересечения чувствительных элементов. При этом требуется множество соединительных проводников для подключения всех чувствительных элементов к измерительному устройству.
Задачей заявляемого изобретения является задача разработки способа и устройства измерения распределения скоростей газового потока на основе квазираспределенного термоанемометрического датчика с древовидной структурой.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является обеспечение возможности измерения распределения скоростей газового потока, а также повышение достоверности результатов измерения посредством уменьшения количестве соединительных проводов для подключения чувствительных элементов к измерительной аппаратуре, возмущающих измеряемый газовый поток.
Технический результат достигается путем использования множества отдельных чувствительных элементов (термоанемометров), соединенных в древовидную структуру, которые образуют квазираспределенный термоанемометрический датчик.
Предлагается способ измерения распределения скорости потока газа, заключающийся в использовании квазираспределенного термоанемометрического датчика, в котором отдельные чувствительные элементы (термоанемометры) соединены в древовидную структуру.
В результате контакта чувствительных элементов квазираспределенного термоанемометрического датчика с потоком газа, происходит охлаждение чувствительных элементов, нагреваемых постоянным зондирующим током. Температура на чувствительных элементах, при постоянной величине зондирующего тока, зависит от величины скорости потока, обтекающего эти элементы. Чувствительные элементы реализованы таким образом, что их электрическое сопротивление зависит от температуры.
Способ измерения распределения скорости потока газа включает в себя следующие этапы:
первый этап, на котором выбирается опрашиваемый чувствительный элемент;
второй этап, на котором через одну ветвь датчика, включающую в себя последовательно подключенные чувствительные элементы между двумя терминалами квазираспределенного термоанемометрического датчика, в том числе и опрашиваемый чувствительный элемент, пропускается зондирующий ток предварительно заданной величины, обеспечивающий нагрев опрашиваемого чувствительного элемента;
третий этап, на котором измеряют падение напряжения на опрашиваемом чувствительном элементе, путем подключения измерителя напряжения к двум другим терминалам квазираспределенного термоанемометрического датчика, так чтобы измерительный ток измерителя напряжения протекал через другую ветвь датчика, причем ветви датчика, используемые на этапах, пропускания зондирующего тока и измерения падения напряжения, имеют только один общий чувствительный элемент, который является опрашиваемым чувствительным элементом;
четвертый этап, на котором определяют величину сопротивления опрашиваемого чувствительного элемента на основе закона Ома путем деления измеренного падания напряжения на предварительно заданную величину зондирующего тока;
пятый этап, на котором измеряют температуру газа в потоке;
шестой этап, на котором определяют скорость части потока газа, обдувающий опрашиваемый чувствительный элемент;
седьмой этап, на котором выбирают новый опрашиваемый чувствительный элемент;
повторяют этапы со второго по седьмой до тех пор, пока не будут опрошены все чувствительные элементы;
восьмой этап, на котором проводят оценку распределения потока газа.
В качестве отдельного этапа, можно выделить процесс калибровки каждого чувствительного элемента, который проводится перед непосредственными измерениями скорости потока газа, и получение аппроксимирующей функции изменения сопротивления чувствительного элемента от величины скорости потока измеряемого газа.
Устройство, реализующее данный способ измерения, состоит из шести частей: квазираспределенного термоанемометрического датчика с древовидной структурой, выполненного с возможностью разделения путей протекания зондирующего и измерительного токов чувствительного элемента, помещенного в исследуемый поток газа, при этом разделение путей протекания зондирующего и измерительного токов обеспечивается посредством соединения чувствительных элементов в древовидную структуру таким образом, что чувствительные элементы соединяются по меньшей мере по три элемента в каждой точке соединения, образуя структуру без замкнутых контуров для протекания токов; цифровое вычислительное и управляющее устройство, выполненное с возможностью обеспечения выполнения этапов способа, описанного выше; формирователь зондирующего тока, выполненный с возможностью формирования зондирующего тока заданной величины; измеритель напряжения, выполненный с возможностью измерения падения напряжения на опрашиваемом чувствительном элементе; коммутирующий узел, выполненный с возможностью обеспечения подключения формирователя зондирующего тока и измерителя напряжения на необходимые терминалы квазираспределенного термоанемометрического датчика; датчик температуры с отдельным измерительным каналом, выполненный с возможностью измерения температуры исследуемого потока газа.
При этом, если рассматривать схему измерения, то можно заметить, что она схожа с четырехпроводной схемой измерения, в котором влияние измерительных проводов и других чувствительных элементов на результаты измерения падения напряжения сведено к минимуму.
Конструктивно квазираспределенный термоанемометрический датчик может быть расположен перпендикулярно потоку газа. В этом случае измеряется профиль скорости потока газа в поперечном сечении. В случае необходимости равномерного расположения чувствительных элементов в потоке, следует использовать два встречно направленных квазираспределенных термоанемометрических датчика.
Используя несколько квазираспределенных термоанемометрических датчика, расположенных вдоль потока газа на некотором расстоянии друг от друга, можно обеспечить измерение скорости потока по объему трубопровода, при этом каждый датчик расположен перпендикулярно потоку.
В качестве чувствительных элементов для предложенной конструкции квазираспределенного термоанемометрического датчика можно использовать платиновые терморезисторы.
На фиг. 1 представлена схема квазираспределенного термоанемометрического датчика с древовидной структурой состоящий из 7 термоанемометров.
На фиг. 2 представлен один из возможных способов расположения двух квазираспределенных термоанемометрических датчиков для обеспечения равномерного распределения чувствительных элементов в поперечном сечении потока газа.
На фиг. 3 представлена иллюстративная схема устройства для проведения измерений скорости потока газа с помощью предложенного квазираспределенного термоанемометрического датчика.
Способ измерения распределения скорости потока газа в поперечном сечении заключается в использовании квазираспределенного термоанемометрического датчика, в котором отдельные чувствительные элементы (термоанемометры) соединены в древовидную структуру для обеспечения разделения путей протекания зондирующего и измерительного токов и уменьшения количества соединительных проводов, по сравнению со способом отдельного подключения каждого чувствительного элемента к измерительной цепи. На фиг. 1 представлена схема квазираспределенного термоанемометрического датчика с древовидной структурой, состоящий из 7 чувствительных элементов. За счёт применения древовидной структуры обеспечивается возможность измерения величин электрических сопротивлений отдельных чувствительных элементов по методу «вольтметра-амперметра» с обеспечением различных путей протекания тока для зондирующего и измерительного сигналов. Принцип разделения путей протекания для зондирующего и измерительного токов схож с принципом, положенным в основу четырехпроводной схемы измерения сопротивлений.
Способ измерения распределения скорости потока газа включает в себя следующие этапы:
1) выбирается опрашиваемый чувствительный элемент, на котором будет определятся скорость обтекающего потока газа;
2) через одну ветвь датчика, включающую в себя последовательно подключенные чувствительные элементы между двумя терминалами квазираспределенного термоанемометрического датчика, в том числе и опрашиваемый чувствительный элемент, пропускается зондирующий ток предварительно заданной величины, обеспечивающий нагрев опрашиваемого чувствительного элемента;
3) измеряют падение напряжения на опрашиваемом чувствительном элементе, путем подключения измерителя напряжения к двум другим терминалам квазираспределенного термоанемометрического датчика, так чтобы измерительный ток измерителя напряжения протекал через другую ветвь датчика, причем ветви датчика, используемые на этапах, пропускания зондирующего тока и измерения падения напряжения, имеют только один общий чувствительный элемент, который является опрашиваемым чувствительным элементом, при этом схема получается аналогичной четырехпроводной схеме измерения, в котором влияние измерительных проводов и других чувствительных элементов на результаты измерения падения напряжения сведено к минимуму;
4) определяют величину сопротивления опрашиваемого чувствительного элемента на основе закона Ома путем деления измеренного падания напряжения на предварительно заданную величину зондирующего тока;
5) измеряют температуру исследуемого потока газа, которая необходима для вычисления скорости потока газа;
6) определяют скорость части потока газа, обдувающий опрашиваемый чувствительный элемент, на основе измеренной температуры потока и величины электрического сопротивления опрашиваемого чувствительного элемента;
7) выбирают новый опрашиваемый чувствительный элемент для определения скорости потока в другой, отличной от данной, точке и повторяют этапы со второго по седьмой до тех пор, пока не будут опрошены все чувствительные элементы;
8) проводят оценку распределения потока газа.
В качестве отдельного этапа, можно выделить процесс калибровки каждого чувствительного элемента, который проводится перед непосредственными измерениями скорости потока газа, и получение аппроксимирующей функции изменения сопротивления чувствительного элемента от величины скорости потока измеряемого газа.
В результате контакта чувствительных элементов квазираспределенного термоанемометрического датчика с потоком газа, происходит охлаждение чувствительных элементов, нагреваемых постоянным зондирующим током. Температура на чувствительных элементах, при постоянной величине зондирующего тока, зависит от величины скорости потока, обтекающего эти элементы. Чувствительные элементы должны быть реализованы таким образом, чтобы их электрическое сопротивление зависело от температуры.
В процессе измерения профиля скорости потока в поперечном сечении, квазираспределенный термоанемометрический датчик помещается в исследуемый поток. В случае необходимости равномерного расположения чувствительных элементов в потоке, следует использовать два встречно направленных квазираспределенных термоанемометрических датчика. Иллюстративный вариант такого расположения представлен на фиг. 2, где использованы 2 встречно направленных квазираспределенных термоанемометрических датчика с древовидной структурой, каждый из которых состоит из 7 чувствительных элементов.
Структурная схема устройства, реализующее данный способ измерения, представлена на фиг. 3 и состоит из следующих основных элементов:
1. цифровое вычислительное устройство;
2. формирователь зондирующего тока;
3. измеритель напряжения;
4. коммутирующий узел;
5. квазираспределенный термоанемометрический датчик с древовидной структурой;
6. измерительный канал для датчика температуры;
7. датчик температуры.
В процессе измерения цифровое вычислительное устройство 1 устанавливает значение требуемой силы тока для блока формирования зондирующего тока 2, которая необходима для нагрева опрашиваемого чувствительного элемента. Блок 2 обеспечивает поддержание требуемой величины тока нагрева. Для обеспечения протекания зондирующего тока через опрашиваемый чувствительный элемент используется коммутирующий узел 4, который подключает выходы блока формирования зондирующего тока 2 на соответствующую ветвь квазираспределенного термоанемометрического датчика. При этом коммутирующий узел 4 также подключает входы блока 3 на требуемый выводы квазираспределенного термоанемометрического датчика для обеспечения возможности измерения падения напряжения на опрашиваемом чувствительном элементе. Настройка коммутирующего узла 4 производится с помощью цифрового вычислительного устройства 1.
После коммутации зондирующего тока необходимо выждать определенное время до завершения переходных процессов в системе. Далее производится измерение падения напряжения на опрашиваемом чувствительном элементе с помощью блока 3. Данные с блока 3 в цифровом виде передаются на цифровое вычислительное устройство 1.
Далее цифровое вычислительное устройство определяет температуру исследуемого потока с помощью датчика температуры 7. Датчик температуры 7 подключен к цифровому вычислительному устройству через измерительный канал 6, который обеспечивает преобразование аналогового сигнала с датчика температуры в цифровой код.
Скорость потока газа, обтекающего опрашиваемый чувствительны элемент, определяется в блоке 1 на основе измеренной температуры потока и величины электрического сопротивления опрашиваемого чувствительного элемента.
Зависимость скорости потока газа от величины сопротивления чувствительного элемента может быть получена в процессе первичной калибровки каждого чувствительного элемента.
Для получения данных с каждого чувствительного элемента, цифровое вычислительное устройство 1 производит сканирование квазираспределенного термоанемометрического датчика путем изменения состояния блока 4, который обеспечивает подключение формирователя зондирующего тока 2 и измерителя напряжения 3 на опрашиваемый чувствительный элемент. При этом блок 2 также обеспечивает формирование заданной величины зондирующего тока, а блок 3 измерение падения напряжения на опрашиваемом чувствительном элементе.
В результате сканирования получается распределения скорости потока газа, в котором расположен данный квазираспределенный термоанемометрический датчик.
Конструктивно квазираспределенный термоанемометрический датчик может быть расположен перпендикулярно потоку газа. В этом случае измеряется профиль скорости потока газа в поперечном сечении.
Также можно использовать несколько квазираспределенных термоанемометрических датчика с древовидной структурой расположенных перпендикулярно потоку газа и на некотором расстоянии друг от друга для измерения распределения скорости потока газа по объему. Такое расположение датчиков позволит анализировать распределение турбулентностей по объему потока газа.
В качестве чувствительных элементов для квазираспределенного термоанемометрического датчика можно использовать проволочные терморезисторы. Например, платиновые термопреобразователи Pt100, Pt1000 и т.д.