Спосіб вимірювання потоку газів та рідин

Спосіб вимірювання потоку газів та рідин, що включає створення електричним струмом періодичних коливань температури нагрівача в деякій зоні робочого потоку та визначення параметрів теплообміну через робочий потік між нагрівачем та тепловим сенсором на відстані від нагрівача і зони створення періодичних коливань температури, який відрізняється тим, що локально нагрівають робочий потік, збуджують нагрівачем теплову хвилю, реєструють температуру на відстані від зони C2 2 (19) 1 3 мом періодичних коливань температури нагрівача, що діє на газ чи рідину, та визначення зсуву фази коливань температури на відстані d від нагрівача відносно коливань температури нагрівача [Патент США № 4576050, кл. G01F 1/68, G01P 5/10]. В цьому способі через нагрівач у вигляді металевої стрічки пропускають струм від генератора електричних коливань та за допомогою термоелектричного сенсора фіксують фазу температурних коливань на деякій відстані від нагрівача. Фазовим детектором вимірюють зсув фази між коливаннями температури нагрівача та теплового сенсора, причому фазовий зсув залежить від величини потоку. Недоліком цього способу є нелінійна залежність зсуву фази коливань від величини потоку газу чи рідини, що призводить до того, що чутливість швидко падає зі зростанням величини потоку. Крім того, зсув фази коливань температури залежить від теплофізичних властивостей газу чи рідини, тому для різних середовищ необхідно підбирати оптимальну частоту коливань температури. В основу винаходу поставлено задачу підвищення точності та розширення діапазону вимірювання потоку газів та рідин шляхом створення та підтримання релаксаційних періодичних автоколивань температури нагрівача та теплового сенсора і вимірювання частоти цих автоколивань за рахунок створення лінійної характеристики перетворення в широкому діапазоні величин потоку. Поставлена задача вирішується тим, що у способі вимірювання потоку газів та рідин, який включає створення електричним струмом періодичних коливань температури нагрівача, що діє на газ чи рідину, визначення параметрів теплообміну через газове середовище між нагрівачем та тепловим сенсором на відстані від нагрівача, новим є те, що сигнал на тепловому сенсорі порівнюють з опорним сигналом, якщо сигнал сенсора менший опорного сигналу, нагрівач вмикають, коли сигнал теплового сенсора дорівнює або перевищує опорний сигнал, нагрівач вимикають, вимірюють частоту релаксаційних коливань, що виникають, а потік газу визначають за формулою: (1)   A(  0 ), де  - частота автоколивань температури нагрівача при потоці що вимірюється, 0 - константа, котра дорівнює частоті автоколивань температури нагрівача при нульовому потоці, A константа, котра визначається геометрією каналу та відстанню між нагрівачем та тепловим сенсором. Висока точність та зручність методу обумовлена тим, що потік визначають по формулі, в котрій вимірювана величина лінійно залежить від частоти коливань, до формули входять величини, що можуть бути виміряні з високою точністю (частоти  та 0 ), та константи, що визначаються геометрією (A, d). Слід зауважити, що коливання електричного струму мають не гармонійну форму типу синусоїди, а коливання типу меандр, що забезпечує більшу завадостійкість. Принцип вимірювання потоку газів чи рідин, що пропонується, оснований на залежності швид 96834 4 кості розповсюдження температурних хвиль в газі чи рідині (надалі в середовищі) від швидкості руху середовища відносно сенсора. Відомо, що час розповсюдження температурної хвилі в нерухомому середовищі (потік дорівнює нулю) від нагрівача до сенсора визначається відстанню d між ними та швидкістю протікання дифузії тепла С: t 0 =d/C. Цей проміжок часу визначає період релаксаційних коливань, що виникають за рахунок запізнення теплового зв'язку між нагрівачем та сенсором: та частоту коливань T0 =2 t 0 =2d/C, 0 =2/T=C/2d. Коли середовище рухається зі швидкістю V, час розповсюдження температурної хвилі зменшується: t p =d/(C+V) і період релаксаційних коливань також: Т=2d/(C+V), а частота коливань збільшується:  =2/Т=(С+V)/2d. При цьому зміна частоти визначається виразом: (2)   0  (C  V) / 2d  C / 2d  V / 2d. Тобто зміна частоти визначається швидкістю переміщення середовища відносно сенсора. Оскільки величина потоку визначається швидкістю потоку та площею поперечного перерізу S каналу: =VS, то між величиною потоку та зсувом частоти релаксаційних коливань існує лінійна залежність, що випливає з рівняння (2): (3)   2 S d (  0 )  A(  0 ), де А - константа, що визначається геометрією потоку. Оскільки середня швидкість потоку може дещо відрізнятися від швидкості біля сенсора (біля стінок каналу швидкість менша, а всередині потоку - більша), то реальна константа А може дещо відрізнятись від величини 2Sd. Тому для врахування реальних умов константу А визначають експериментальне шляхом градуювання відомого потоку. На рисунку зображено схему пристрою для реалізації способу, що пропонується. Спосіб здійснюється таким чином: Спочатку визначають константу 0 , якщо вона невідома з попередніх вимірювань. Для цього в нерухомому середовищі (з нульовим потоком) за допомогою нагрівача 1 збуджують теплову хвилю. Через проміжок часу t 0 теплова хвиля через середовище досягає теплового сенсора 2. Тепловим сенсором 2 перетворюють температуру середовища в електричний сигнал і подають на компаратор-інвертор 3, де сигнал сенсора порівнюють з опорним сигналом Uоп . Коли сигнал від сенсора зрівнюється або перевищує опорний сигнал Uоп , на виході інвертора формується низький рівень напруги, котрий подають на нагрівач 1, що приводить до вимкнення нагрівача і формування фази спаду температури в тепловій хвилі. Коли спад температурної хвилі досягне теплового сенсора 2 і його температура впаде нижче рівня, що відповідає сигналу Uоп , на виході інвертора сформується високий рівень напруги, котрий подають на нагрівач, що призводить до вмикання нагрівача і збудження нового фронту теплової хвилі, тобто цикл повторюється. В результаті виникають рела 5 ксаційні коливання. Вимірюють частоту автоколивань, котра визначає константу 0 . Потім визначають константу А. Для цього створюють відомий потік 1 і умови для автоколивань (як наведено вище) та вимірюють частоту автоколивань 1 , що відповідає цьому потоку. Константу А визначають за формулою: (3) A  1 /(  0 ). Якщо константи 0 та А відомі, то величину потоку  визначають таким чином: за допомогою нагрівача 1 збуджують теплову хвилю. Через проміжок часу t, що залежить від величини потоку, теплова хвиля досягає теплового сенсора 2. Тепловим сенсором 2 перетворюють температуру середовища в електричний сигнал і подають на компаратор-інвертор, де сигнал сенсора порівнюють з опорним сигналом. Коли сигнал від сенсора зрівнюється або перевищує опорний сигнал Uоп , на виході інвертора формується низький рівень напруги, котрий подають на нагрівач 1, що приводить до вимкнення нагрівача і формування фази спаду температури в тепловій хвилі. Коли спад температурної хвилі, прискорений потоком, досягне теплового сенсора 2 і його температура впаде нижче рівня, що відповідає сигналу Uоп , на виході інвертора сформується високий рівень напруги, котрий подають на нагрівач, що призводить до вмикання нагрівача і збудження нового фронту теплової хвилі, тобто цикл повторюється. В результаті виникають релаксаційні коливання, частота котрих залежить від величини потоку. Вимірюють частоту автоколивань  та визначають величину потоку за формулою (І):   A(  0 ), Комп’ютерна верстка М. Ломалова 96834 6 де  - частота автоколивань температури нагрівача при потоці що вимірюється, 0 - константа, котра дорівнює частоті автоколивань температури нагрівача при нульовому потоці, А константа, котра визначається геометрією. Приклад конкретного виконання винаходу: Беруть нагріваний елемент, виготовлений по мікроелектронній технології, наприклад за [Патент Росії №2085874 Способ изготовления терморезистивного преобразователя], у вигляді нікелевого плівкового резистора, товщиною 0,15 мкм та опором ~ 1000 Ом, розташованого на діелектричній мембрані із Si3N4 товщиною 0,35 мкм і нікель-мідну плівкову термопару, розташовану на тій же мембрані на відстані 200 мкм від нагріваного елемента. На нагрівач подають сигнал з виходу компаратора-фазоінвертора високого рівня 5В (електричний струм через нагрівач складає 5 мА). Сигнал з термопари, пропорційний зміні температури, підсилюють та подають на вхід компараторафазоінвертора. На інший вхід компараторафазоінвертора подають опорний сигнал, що відповідає середній температурі сенсора між максимальною (коли нагрівач ввімкнутий) та мінімальною (коли нагрівач вимкнутий) температурами. За рахунок зворотного зв'язку через теплову хвилю, що розповсюджується від нагрівача до сенсора, генеруються релаксаційні автоколивання. Після вимірювання частоти коливань, потік визначають по формулі (1). Для отримання максимальної точності в широкого діапазону вимірюваних потоків тепловий сенсор та нагрівач мають мати мінімальну теплоємність та геометричні розміри при максимальному відношенні площі до об'єму, щоб не вносити похибки за рахунок теплової інерційності. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601