ТЕРМОАНЕМОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА
THERMOANEMOMETER FOR MEASURING LIQUID OR GAS FLOW RATE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости потока однородных или гомогенных жидкостей или газов.
Известен термоанемометр, содержащий термочувствительный и нагревательный стабилитроны, включенные в смежные плечи мостовой схемы (патент Австралии №576361, кл. G02R 5/08, 1988 г.).
Недостатком известного термоанемометра является невысокая точность измерения скорости потока, связанная с различием в температурных коэффициентах напряжения стабилитронов.
Наиболее близким к предлагаемому является термоанемометр скорости газового потока, содержащий установленные в потоке термочувствительный и нагревательный стабилитроны, стабилизатор тока, источник опорного напряжения и усилитель (авторское свидетельство СССР №1195252, кл. G01P 5/12, 1985 г.).
Недостатком технического решения, выбранного в качестве прототипа, является недостаточная точность измерения, поскольку оно позволяет лишь уменьшить, а не устранить зависимость от температуры измеряемой среды.
Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона использования и повышение точности измерения скорости в условиях неизотермического потока.
1
2
1
3
1
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом термоанемометре, содержащем установленные в потоке термочувствительный и нагревательный стабилитроны, стабилизатор тока, источник опорного напряжения и усилитель, в отличие от прототипа в него введены второй стабилизатор тока, генератор прямоугольных импульсов, мультиплексор, устройство выборки-хранения, формирователь длительности импульса выборки, при этом термочувствительный и нагревательный стабилитроны установлены на одной линии по направлению потока, теплоизолированы друг от друга, а термочувствительный стабилитрон расположен перед нагревательным относительно набегающего потока, термочувствительный стабилитрон подключен к первому стабилизатору тока, нагревательный стабилитрон подключен к второму стабилизатору тока, длительность импульсов тока которого при нагреве и измерении устанавливается генератором прямоугольных импульсов, а величина тока нагрева и измерения задается источником опорного напряжения, длительность импульса тока измерения через нагревательный стабилитрон составляет не более 0,001 постоянной времени нагревательного стабилитрона T≤0,001τ, длительности импульсов тока нагрева и тока измерения через нагревательный стабилитрон связаны соотношением T=(95…100)T, а длительность импульса на входе управления устройства выборки-хранения составляет T=(0,5…0,8)T, где
1
T - длительность импульса тока измерения через нагревательный стабилитрон;
2
T - длительность импульса тока нагрева через нагревательный стабилитрон;
3
T - длительность импульса на входе управления устройства выборки-хранения;
τ - постоянная времени нагревательного стабилитрона.
На фиг.1 изображена структурная схема термоанемометра.
На фиг.2 показана временная диаграмма импульсов управления.
На фиг.3 показана временная диаграмма импульсов токов измерения и нагрева.
На фиг.4 показана временная диаграмма напряжений на термочувствительном и нагревательном стабилитронах.
На фиг.5 представлен перегрев термоанемометров прямого и косвенного подогрева в зависимости от скорости потока воды при различной мощности тепловыделения
На фиг.6 представлены результаты измерения локальной скорости флюида в трубе с внутренним диаметром 150 мм в условиях неизотермического потока.
Термоанемометр для измерения скорости потока жидкости или газа (фиг.1) содержит термочувствительный 1 и нагревательный 2 стабилитроны, стабилизаторы тока 3 и 4, усилитель 5, мультиплексор 6, устройство выборки-хранения 7, формирователь длительности импульса выборки 8, источник опорного напряжения 9 и генератор прямоугольных импульсов 10.
Термочувствительный 1 и нагревательный 2 стабилитроны установлены на одной линии по направлению потока, теплоизолированы друг от друга, при этом термочувствительный стабилитрон расположен перед нагревательным относительно набегающего потока (не показано). Этим достигаются, во-первых, одинаковые условия воздействия температуры измеряемого потока на оба стабилитрона, а, во-вторых, исключается передача тепла от нагревательного стабилитрона к термочувствительному.
Термочувствительный стабилитрон 1 подключен к стабилизатору тока 3, а нагревательный стабилитрон 2 подключен к стабилизатору тока 4. Усилитель 5 соединен с термочувствительным 1 и нагревательным 2 стабилитронами, а его выход соединен с аналоговым входом устройства выборки-хранения 7. Выход генератора 10 соединен с входом управления мультиплексора 6 и входом формирователя 8, а выход последнего соединен с входом управления устройства выборки-хранения 7. Первый выход источника опорного напряжения 9, задающий ток нагрева стабилитрона 2, подключен к первому ключу (входу) мультиплексора 6, второй выход источника опорного напряжения, задающий ток измерения, через стабилитрон 2 и стабилитрон 1 подключен к второму ключу (входу) мультиплексора, а выход мультиплексора соединен с входом стабилизатора тока 4.
Термоанемометр работает следующим образом. Предварительно проводят градуировку термочувствительного 1 и нагревательного 2 стабилитронов на токе измерения в рабочем диапазоне температур работы термоанемометра и определяют аппроксимирующую функцию зависимости их напряжений от температуры. Ток измерения через стабилитроны задается одинаковым по величине и таким, чтобы исключить нагрев полупроводникового кристалла стабилитронов. Затем проводят градуировку нагревательного стабилитрона 2 на фиксированном токе нагрева при различных скоростях потока и определяют аппроксимирующую функцию зависимости его напряжения от скорости потока. Ток нагрева стабилитрона 2 выбирается на участке «насыщения» вольт-амперной характеристики стабилитрона и, как правило, не меньше максимально допустимого значения тока стабилизации стабилитрона на воздухе без использования радиатора (теплоотвода).
1
2
1
3
Генератор 10 вырабатывает прямоугольные импульсы длительностью T с паузой между ними T. Одновременно импульсы длительностью T поступают на вход формирователя 8, где происходит уменьшение длительности по переднему и заднему фронтам, в результате чего с выхода формирователя на вход управления устройства выборки-хранения 7 поступают импульсы длительностью T (фиг.2).
1
1
1
1
При поступлении на вход управления мультиплексора 6 импульса длительностью T первый ключ размыкается, а второй ключ замыкается, опорное напряжение со второго выхода источника 9 поступает на вход стабилизатора тока 4 и через нагревательный стабилитрон 2 протекает ток измерения I. Это же опорное напряжение от источника 9, минуя мультиплексор 6, поступает на вход стабилизатора тока 3 и через термочувствительный стабилитрон 1 протекает точно такой же ток измерения I (фиг.3). Напряжение на термочувствительном стабилитроне U зависит от температуры измеряемой среды и не зависит от скорости потока.
2
2
Во время паузы длительностью T первый ключ мультиплексора 6 замкнут, а второй ключ разомкнут, опорное напряжение с первого выхода источника 9 поступает на вход стабилизатора тока 4, стабилитрон 2 нагревается протекающим через него током нагрева I, его напряжение изменяется, а температура его полупроводникового кристалла увеличивается.
2
Напряжение на нагревательном стабилитроне U можно представить в виде двух составляющих. Первая составляющая характеризуется зависимостью напряжения от температуры измеряемой среды. Вторая составляющая, характеризуемая изменением напряжения вследствие перегрева полупроводникового кристалла, зависит от скорости потока и не зависит от температуры измеряемой среды.
2
ст
T
cp
пер
пер
пер
Разность потенциалов на нагревательном стабилитроне U зависит от следующих факторов: нормируемого изготовителем напряжения стабилизации U (например, при 0°C) и температурной добавки U, зависящей от температуры кристалла стабилитрона. В свою очередь, температурная составляющая зависит от температуры среды T и перегрева корпуса стабилитрона за счет внутреннего тепловыделения ΔT. В режиме термоанемометра информационным параметром при измерении скорости потока является ΔT и соответствующая ему добавка U.
1
1
Температура среды может быть измерена независимым датчиком температуры (термочувствительным стабилитроном), а для измерения истинной температуры кристалла нагревательного стабилитрона необходимо на время измерения обеспечить питание элемента стабильным измерительным током, исключающим его перегрев. Причем время измерения должно быть минимальным, для исключения остывания кристалла за счет теплообмена с окружающей средой. Такое условие выполняется, если длительность импульса измерения T выбирают из соотношения T≤0,001τ, где τ - постоянная времени или тепловая инерционность нагревательного стабилитрона. Инерционность τ является функцией скорости потока, физических свойств измеряемой среды (теплопроводности, теплоемкости и плотности), физических свойств материала корпуса, в который заделан стабилитрон, конструктивного исполнения корпуса и определяется экспериментальным путем.
Напряжение с термочувствительного и нагревательного стабилитронов поступает на усилитель 5 (фиг.4). Усилитель осуществляет устранение температурной зависимости напряжения нагревательного стабилитрона от температуры измеряемой среды и с его выхода напряжение, пропорциональное скорости потока измеряемой среды, поступает на аналоговый вход устройства выборки-хранения 7.
2
1
3
3
1
Чтобы исключить влияние переходных процессов при коммутации токов нагрева и измерения на точность измерения истинного значения температуры перегретого полупроводникового кристалла, устройством выборки-хранения 7 по входу управления осуществляется выборка напряжения нагревательного стабилитрона U в момент прохождения импульса T, при этом длительность импульса выборки T составляет T=(0,5…0,8)T.
Таким образом, на выходе устройства выборки-хранения будет присутствовать аналоговое напряжение, пропорциональное скорости потока измеряемой среды и не зависящее от ее температуры.
Пример практической реализации устройства в сравнении с промышленно изготавливаемым термоанемометром косвенного подогрева, используемым в скважинной аппаратуре, показал более высокую чувствительность нового устройства, расширение диапазона измерения скорости потока, снижение энергопотребления и независимость выходного параметра от температуры среды.
Перегрев датчика термоанемометра, выполненного на базе стабилитрона Д814А в сопоставлении со стандартным термоанемометром косвенного подогрева при различных скоростях в водном потоке, приведен на фиг.5.
Результаты измерения скорости потока воды в условиях неизотермического течения в горизонтальной трубе (температура потока по диаметру трубы отличается на 2 K), выполненные промышленным и новым термоанемометром, приведен на фиг.6. При скоростях потока более 1,5 см/с промышленный термоанемометр входит в насыщение, а игнорирование градиента температуры по вертикали искажает конфигурацию распределения скорости потока.