Спосіб вимірювання швидкості та витрат потоку рідини або газу

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для створення лічильників об'ємних витрат рідини або газу. Відомий спосіб визначення витрат рідини або газу [Пат. США, №4691566, Пат. України, №25921], що полягає в тому, що випромінюють джерелом тепла тепловий потік через рухоме середовище рідини або газу на розміщений усередині вимірювального відрізку тр убопроводу термодатчик, вимірюють температуру термодатчика і розраховують витрати рідини або газу по обмірюваному значенню зростання температури термодатчика відносно температури рухомого середовища. Недоліком способу є суттєвий вплив температури та властивостей рухомого середовища на умови проходження теплового потоку від джерела тепла до термодатчика, що вносить додаткову похибку в результати вимірювань. Відомі датчики витрат рідини або газу (А.с. СРСР, №114798314, А.с. СРСР, №1352214, Пат. України, №19137), що включають вимірювальний відрізок трубопроводу з нагрівачем на вході і двома термодатчиками для фіксації температури рухомого середовища на вході і виході вимірювального відрізку. Недоліком таких датчиків є наявність джерела нагріву, що при визначенні витрат рідини або газу по різниці температур на вході і ви ході вимірювального відрізку вносить додаткову похибку, обумовлену зміною умов переносу тепла в залежності від температури та властивостей потоку рідини або газу. Відомий спосіб визначення витрат рідини або газу (Пат. України, №12642), що полягає в тому, що пропускають електричний струм через розміщений усередині вимірювального відрізку трубопроводу термоелектричний датчик з контактними поверхнями різних розмірів, які обтікає потік, вимірюють напругу на термоелектричному датчику і розраховують витрати рідини або газу по обмірюваному значенню напруги. Недоліком такого способу є наявність похибки обумовленої тим, що вимірювана напруга визначається сумою вкладів термоелектрорушійної сили і омічного опору напівпровідникового матеріалу, і температурні зміни кожної з цих складових по окремості не враховуються. Визначення оптимального режиму максимальної чутливості датчика при зміні температури і властивостей р ухомого середовища потребує спеціального градуювання і додаткових вимірів. При виготовленні обтічних контактних поверхонь спеціальної форми важко забезпечити однакові умови переносу тепла при зміні зовнішніх умов і від зразка до зразка. Найбільш близьким по суті є спосіб визначення швидкості та витрат рідини або газу (Пат. України, №40483), при якому через розміщений усередині відрізку трубопроводу термоелектричний датчик та захищений від дії потоку допоміжний аналогічний датчик пропускають електричний струм, вимірюють різницю напруги між основним та допоміжним термоелектричними датчиками при однаковому значенні електричного струму і розраховують швидкість потоку та витрат рідини або газу по визначенному значенню різниці напруги. До недоліків прототипу слід віднести використання допоміжного термоелектричного датчика при визначенні корисного сигналу в схемі порівняння, що обумовлює появу похибки вимірювань із-за різниці параметрів датчиків. Для визначення температурних змін параметрів термоелектричних датчиків і кількості перенесенного потоком рідини або газу тепла необхідно використовувати спеціальний датчик для контролю температури рухомого середовища. В основу винаходу поставлено завдання створення способу вимірювання швидкості та температури потоку рідини або газу, в якому шля хом застосування імпульсного режиму вимірювання напруги на термоелектричному датчику розділити складові термоелектрорушійної сили і омічного опору напівпровідникового матеріалу, і за рахунок цього забезпечити визначення швидкості і об’ємних витрат потоку рідини або газу, а також контроль температури рухомого середовища з використанням лише одного термоелектричного датчика. Поставлена задача вирішується тим, що в заявленому способі вимірювання швидкості та витрат рідини або газу, який полягає в тому, що пропускають електричний струм через розміщений усередині відрізку трубопроводу термоелектричний датчик, вимірюють напругу на термоелектричному датчику і розраховують швидкість потоку та витрат рідини або газу по обмірюваному значенню напруги, згідно винаходу джерело живлення термоелектричного датчика періодично короткочасно відключають і вимірюють напругу на термоелектричному датчику в виключеному стані, а по обмірюваним значенням напруги на термоелектричному датчику в стані включення і виключення розраховують швидкість потоку та витрат рідини або газу рухомого середовища. Саме проведення вимірювань при періодично включеному і виключеному джерелі живлення постійним струмом дає змогу розділити обумовлені термоелектрорушійною силою і омічним опором напівпровідникового матеріалу складові падіння напруги на датчику і за рахунок цього забезпечити одночасне визначення швидкості і температури потоку рідини або газу з використанням лише одного термоелектричного датчика, що дозволяє зробити висновок про об'єднання єдиним винахідницьким задумом запропонованого у винаході способу вимірювань швидкості та витрат рідини або газу. Технічний результат в заявленому способі вимірювання досягається наступним чином: через розміщений в вимірювальному відрізку трубопроводу термоелектричний напівпровідниковий датчик пропускається постійний електричний струм і вимірюється падіння напруги на ньому. При проходженні постійного електричного струму через термоелектричний датчик один з контактів (спаїв) нагрівається, а інший охолоджується в результаті термоелектричного ефекту Пельтьє. Один з контактів (наприклад, холодний спай) термоелектричного датчика за рахунок інтенсивного тепловідводу підтримується при температурі рухомого середовища, а температура іншого контакту (гарячого спаю) з поверхнею обтікання визначається умовами термодинамічної рівноваги між термоелектричним датчиком і рухомим середовищем. Падіння напруги на термоелектричному датчику визначається величиною струму, температурою оточуючого середовища та зміною температури робочого гарячого контакту під дією потоку рідини або газу. Фіксація різниці напруги на термоелектричному датчику в стані включеного і виключеного джерела струму дозволяє безпосередньо в процесі вимірювань компенсувати температурні зміни параметрів датчиків при зміні температури рухомого середовища. Падіння напруги на термоелектричному датчику при виключеному джерелі струму пропорційно кількості тепла, що виноситься з поверхні обтікання гарячого контакту датчика, тобто, визначається швидкістю потоку рідини або газу. Різниця падіння напруги на термоелектричному датчику при включеному і виключеному джерелі живлення визначається величиною омічного опору напівпровідникового матеріалу, який безпосередньо залежить від температури оточуючого середовища. Досягнення результату підтверджується наступними розрахунками. В умовах теплового балансу теплота, що надходить на поверхню обтікання робочого гарячого контакту датчика в результаті термоелектричного ефекту QП та джоулевого розігріву QJ компенсується відбором теплоти за рахунок рухомого середовища Q0 та теплопровідності датчика Q c . - QП + 1 QJ + Qc + Q 0 = 0 (1) 2 де QП = a12IT0 ; Q J = I2R ; Q c = c( T - T0 ) ; Q 0 = a * Sk( T - T0 ) ; І - струм через датчик; a 12 - термоелектрорушійна сила датчика; c - теплопровідність датчика; R- електричний опір датчика; Τтемпература робочого контакту, Т 0- температура рухомого середовища. В ламінарному режимі: a * v 0 cp r , a коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Ср- питома теплоємність рухомого середовища, ν0- швидкість руху потоку рідини або газу, r - густина рідини або газу, Sk- площа поверхні знімання тепла. При включеному джерелі струму падіння напруги U на термоелектричному датчику визначається опором напівпровідникового матеріалу і протидією виникаючої термоелектрорушійної сили: U=UR+UT, де UR=IR; UT = a 12 (T - T0 ) , (2) де UR=IR - падіння напруги на омічному опорі напівпровідникового матеріалу, UT = a 12 (T - T0 ) - падіння напруги, обумовлене дією термоелектрорушійної сили. При виключенні джерела струму UR=0 і падіння напруги на термоелектричному датчику визначається лише сигналом термоелектрорушійної сили U=UT, що безпосередньо залежить від швидкості і температури обмірюваного потоку рідини або газу. За рахунок теплопровідності термоелектричного датчика температури гарячого і холодного спаїв з часом зближуються T ® T0 , що обумовлює t падіння напруги U ® U0 . Інерційність процесу зменшення напруги U ~ U(0 ) exp(- ) визначається постійною часу t t , яка для типових термоелектричних датчиків на основі Bі2Те3 розмірами 1-2мм характеризується значеннями t > 1 сек. Виконання умови t