УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Область применения
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники, и может быть использована при измерении скорости потока жидкости или газа.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент RU 2191371. Способ термоанемометрических измерений относится к измерительной технике. В способе термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации характеристик изменения энергетического состояния терморезистора при фиксированных температурах коммутации энергетического состояния терморезистора регистрируют значение угла наклона кривой изменения энергетического состояния терморезистора после каждого момента коммутации на интервале длительности импульса изменения энергетического состояния терморезистора. Техническим результатом изобретения является снижение инерционности при термоанемометрических измерениях.
Нагрев и остывание термистора в данном решении осуществляется до фиксированных температур. Недостатком такого подхода может являться ограничение рабочего температурного диапазона.
Также из уровня техники известен патент RU 2217765. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости движения газовой или жидкой среды, ее плотности, состава, а также состава и плотности твердых теплопроводных сред. Способ включает пропускание через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрев и охлаждение термочувствительного элемента между фиксированными температурными уровнями и регистрацию действующего значения импульсного тока. Техническим результатом является повышение точности измерений. Нагрев и остывание термистора в данном решении осуществляется до фиксированных температур. Недостатком такого подхода может являться ограничение рабочего температурного диапазона.
Из уровня техники известен патент US 4848147. В этом решении используются термопары вместо NTC термистора и используется в расчетах не время остывания до определенной температуры (как в заявленном устройстве), а наоборот, два раза измеряется температура по прошествии определенных интервалов времени и из разницы температур рассчитывается скорость потока. Недостатком данного решения можно считать более сложное воплощение.
Известен способ термоанемометрических измерений скорости потока жидкости или газа, при котором чувствительный элемент нагревают постоянным током, а скорость потока определяют исходя из температуры чувствительного элемента, определяемой из его сопротивления (термоанемометр постоянного тока) или до постоянной температуры, превышающей температуру потока (термоанемометр постоянной температуры). Эти способы описаны в патенте US 1156660. В этом случае скорость потока определяют исходя из количества энергии, расходуемой на поддержания температуры чувствительного элемента. Однако этот способ обладает существенным недостатком. В связи с тем, что результат в значительной степени, причем нелинейно зависит от температуры потока газа, получение точного результата в широком диапазоне температур трудно достижимо.
В качестве ближайшего аналога выбран способ разогрева терморезистора до характеристической температуры за счет тока разогрева, отключения тока разогрева и регистрации времени остывания терморезистора до температуры потока (SU 637676). Недостатком данного способа является сложность определения момента окончания переходного процесса остывания терморезистора, поскольку не предложено четких критериев, когда переходной процесс можно считать законченным.
Технический результат: использование предлагаемого устройства позволяет измерять скорость потока, показания которой не зависят от температуры потока в широком диапазоне. Также устройство повышает точность измерения.
Реализация полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения скорости потока жидкости или газа включающее: термистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент (NTC); средства для измерения начального сопротивления указанного термистора; средства для приложения к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; средства для измерения стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминания стартового времени указанного отключения, и вычисления величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; средства для сравнения сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; средства для запоминания времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; средства для вычисления временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; средства для определения скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала.
Кроме того, средства для измерения начального сопротивления указанного термистора выполнены с возможностью определять сопротивление термистора по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.
Осуществление полезной модели
Недостатки изложенных способов можно преодолеть с помощью предлагаемого устройства, если в качестве чувствительного элемента использовать термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), при этом для определения скорости потока использовать временной интервал между отключением тока разогрева и моментом времени, в котором в результате остывания сопротивление термистора достигает значения, определяемого как заранее предопределенная доля от разности между сопротивлением термистора до подачи импульса тока разогрева и сопротивлением термистора непосредственно после отключения тока разогрева.
Использование предлагаемого устройства позволяет вести измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. Наличие четких критериев при определении интервала времени, служащего для расчета скорости и отсутствие необходимости контролировать температуру окружающей среды или нагретого термистора, повышает точность измерения.
Для более понятного изложения предложен ряд чертежей.
На Фиг.1 показана блок схема алгоритма принципа работы устройства.
На Фиг.2 показан график изменения сопротивления термистора с отрицательным температурным коэффициентом при нагревании и остывании.
На Фиг.3 показана схема примера возможной реализации одного из вариантов устройства.
На Фиг.4 показана схема другого варианта устройства.
g)
g
Вначале приведем некоторые теоретические соображения. Известно, что процесс остывания нагретого элемента T(t,T в потоке с температурой T происходит по экспоненциальному закону:
где
max
T - температура элемента при отключении тока разогрева,
T
τ - постоянная времени охлаждения элемента.
Если использовать в качестве чувствительных элементов терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом, сопротивление которых от температуры меняется следующим образом:
где
g
R - сопротивление термистора при нормальных условиях, обычно при 25°С;
B - коэффициент, зависящий от конструкции NTC термистора,
то при подстановке (1) в (2) получим следующую зависимость сопротивления от времени при остывании:
min
max
g
g
Учитывая, что для NTC резисторов R соответствует T, a R соответствует T, выражение (4) преобразуется в следующее:
где ;
n
n
g
Параметры импульсного нагрева NTC термистора выбираются таким образом, чтобы в зоне рабочих температур анемометра значение Т находилось в интервале от 0,2 до 0,3 и не превышало 0,4 при максимально допустимых температурах. Учитывая, что значение температурного коэффициента В для современных NTC термисторов характеристикой находится в интервале 2000-4000 (например в часто применяемых в термоанемометрах термисторах 111-202CAK-H01 производства Honeywell B равно 3068), то величина произведения B∗T/T, входящая в (4) находится в пределах 2,5-6,0 единиц.
При таких условиях можно считать, что изменение сопротивления NTC термистора при его остывании также подчиняется экспоненциальному закону:
R
T
а постоянная времени изменения сопротивления NTC термистора при его охлаждении - τ функционально связана с высоким коэффициентом корреляции с постоянной времени изменения его температуры -τ.
g
g
min
mах
min
min
g
min
t
На Фиг.1 показана блок-схема алгоритма принципа работы устройства. В блоке 1 происходит измерение сопротивления NTC термистора R до разогрева при температуре T равной температуре потока. При включении тока разогрева в блоке 2 сопротивление термистора начинает уменьшаться в соответствии с увеличением его температуры до минимального значения R, соответствующего Т. В момент времени t в блоке 3 происходит отключение тока разогрева, а затем в блоке 4 - измерение значения R. Основываясь на значениях R и R вычисляется сопротивление отсечки R
t
g
min
R=k×(R-R),
где k - коэффициент, выбираемый близко к 0.63.
NTC
t
t
В процессе остывания сопротивление термистора увеличивается по экспоненциальному закону. В блоке 5 происходит проверка, достигло ли сопротивление терморезистора R величины R. По достижении в блоке 6 происходит засечка момента времени t и определение
R
t
min
τ=t-t,
из которой вычисляется скорость потока в блоке 7. Вычисление скорости производится по формуле:
R
0
где: τ - постоянная времени при скорости потока V; τ - постоянная времени при V=0, т.е. при нулевой скорости потока; ρ - плотность газового потока; К' и n - калибровочные (градуировочные) константы.
R
Таким образом, измеряя постоянную времени - τ процесса изменения сопротивления ЧЭ, не контролируя при этом ни температуры окружающей среды, ни температуры нагретой нити, мы можем измерять скорость потока, повысив точность измерения, за счет сокращения количества контролируемых параметров и сохранив независимость измеряемой скорости от изменения температуры контролируемого потока, что и предопределяет достижение технического результата.
На Фиг.2 представлен график изменения сопротивления терморезистора при нагреве и охлаждении в соответствии с предлагаемым методом.
n
На Фиг.3 представлена схема одного из возможных вариантов устройства. NTC Термистор 8 соединен с управляемым от микроконтроллера (МК) 9 ключом 10, который в режиме разогрева подключает его к источнику тока разогрева 11, а в режиме измерения - к источнику тока измерения 12. Сила тока разогрева и время его действия выбирается исходя из ранее изложенного критерия для T, а сила тока измерения выбирается в результате компромисса между чувствительностью измерительных цепей прибора и влиянием погрешности от нежелательного подогрева термистора в режиме измерения. Сигнал с терморезистора поступает на аналогово-цифровой преобразователь 13 (далее АЦП). Результаты преобразования поступают в микроконтроллер 9 для обработки. Микроконтроллер 9 оснащен таймером 14 для определения интервалов времени и осуществляет функции управления устройством и вычислений.
g
min
t
t
t
t
На Фиг.4 представлена схема другого возможного варианта устройства. Он отличается от первого тем, что дополнительно содержит компаратор 15 и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 16. В этом варианте после измерения R и R и вычисления R, значение напряжения, соответствующего R записывается в ЦАП 28. При достижении термистором сопротивления R, компаратор 27 меняет свое состояние, что регистрируется микроконтроллером как момент времени t.
Следует отметить, что возможные варианты выполнения устройств не ограничиваются вышеперечисленными вариантами.