Спосіб вимірювання та датчик швидкості і витрати рідини або газу

1. Спосіб визначення швидкості та витрат рідини або газу, що полягає в тому, що пропускають електричний струм через розміщений усередині відрізку тр убопроводу термоелектричний датчик, вимірюють напругу на термоелектричному датчику і розраховують швидкість потоку та витрат рідини або газу по виміряному значенню напруги, який відрізняє ться тим, що всередині відрізку труби розміщують захищений від дії потоку допоміжний 40483 та витрат рідини або газу, в якому шляхом введення допоміжного термоелектричного датчика компенсувати температурні зміни параметрів термоелектричних датчиків та визначити оптимальний режим вимірювань, і за рахунок цього забезпечити підвищення точності та чутливості вимірювань в широкому інтервалі температур та об'ємів витрат рідини або газу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі за винаходом 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 виміряному значенню напруги, згідно з винаходом, всередині відрізку трубопроводу розміщують захищений від дії потоку допоміжний аналогічний термоелектричний датчик і вимірюють різницю напруги між основним та додатковим термоелектричними датчиками при однаковому значенні електричного струму, а оптимальне значення струму при даних зовнішніх умовах визначають по максимальному значенню різниці напруги. Поставлена задача вирішується також тим, що в датчику швидкості та витрат рідини або газу за винаходом, що містить вимірювальний відрізок трубопроводу з розміщеним усередині трубопроводу термоелектричним датчиком з поверхнею обтікання потоком рідини або газу, згідно з винаходом, всередині трубопроводу розміщено допоміжний аналогічний термоелектричний датчик, причому поверхня обтікання розміщена на одному з контактів основного датчика, а інший контакт основного термоелектричного датчика і обидва контакти допоміжного термоелектричного датчика розміщені на тепловідводі при температурі рухомого середовища. Саме наявність в вимірювальному відрізку тр убопроводу допоміжного термоелектричного датчика, що дає змогу компенсувати температурні зміни параметрів датчиків і визначити оптимальний режим вимірювань, дозволяє зробити висновок, що запропоновані у винаході спосіб вимірювань та датчик швидкості та витрат рідини або газу пов'язані між собою єдиним винахідницьким задумом. Технічний результат в способі вимірювання за винаходом досягається наступним чином: через два розміщені в вимірювальному відрізку трубопроводу термоелектричні напівпровідникові датчики пропускається однаковий постійний електричний струм і вимірюється різниця напруги між ними. При пропусканні постійного електричного струму через напівпровідниковий термоелектричний датчик один з контактів (спаїв) нагрівається, а інший охолоджується в результаті термоелектричного ефекту Пельтьє. В основному термоелектричному датчику один з контактів (наприклад, холодний спай) за рахунок інтенсивного тепловідводу підтримують при температурі оточуючого середовища, а температура іншого контакту (гарячого спаю) з поверхнею обтікання визначається умовами термодинамічної рівноваги між термоелектричним датчиком і вимірюваним середовищем. Падіння напруги на основному термоелектричному датчику визначається величиною струму, температурою вимірюваного середовища та зміною температури гарячого контакту під дією потоку рідини або газу. В допоміжному термоелектричному датчику обидва контакти (спаї) за рахунок інтенсивного тепловідводу підтримуються при температурі вимірюваного середовища. Падіння напруги на допоміжному термоелектричному датчику визначається лише величиною струму та температурою рухомого середовища і не залежить від швидкості потоку і витрат рідини або газу. Фіксація різниці напруги між основним і допоміжним термоелектричними датчиками дозволяє компенсувати температурні зміни параметрів датчиків при зміні температури рухомого середовища. Різниця падіння напруги між основним та додатковим термоелектричними датчиками пропорційна кількості тепла, що виноситься з поверхні обтікання гарячого контакту основного датчика, тобто визначається швидкістю потоку рідини або газу. Різниця падіння напруги між основним та допоміжним датчиками залежить від величини протікаючого струму і є максимальною при його оптимальному значенні, що відповідає режиму максимальної чутливості для використовуваного типу датчиків. Досягнення результату підтверджується наступними розрахунками. В умовах теплового балансу теплота, що надходить на поверхню обтікання гарячого контакту основного датчика в результаті термоелектричного ефекту - QП, та джоулевого розігріву QJ компенсується відбором теплоти за рахунок рухомого середовища Q0 та теплопровідності датчика Qχ: -QП+½QJ+Qχ+Q 0=0, де QП=α12IT 0; QJ=І2R; Q χ=χ(T-T0); Q0=α*S k(T-Т 0); I струм через датчик; α12 - термоелектрорушійна сила датчика; χ - теплопровідність датчика; R – електричний опір датчика; Т - температура робочого контакту, Т 0 - температура рухомого середовища. В ламінарному режимі: α*=ν0срρ; α* - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, ср - питома теплоємність рухомого середовища, ν0 - швидкість руху потоку рідини або газу, ρ - густина рідини або газу, Sk - площа поверхні знімання тепла. Падіння напруги V на основному термоелектричному датчику визначається опором напівпровідникового матеріалу і протидією термоелектрорушійної сили, а на допоміжному термоелектричному датчику V0 ли ше електричним опором: V=IR+α12(T-T0); V0=IR; (2) На фіг. 1 зображена залежність різниці напруги ΔV=V-V0 між основним та допоміжним термоелектричними датчиками від величини струму, що через них проходить. Розрахунок проведено для датчиків на основі Ві 2Те3 з параметрами: α12=0,00034 B/°C; χ=0,00338 Вт/°С; R=0,02 Ом. Максимальна різниця напруги ΔV і відповідно максимальна чутливість датчика досягається при оптимальному значенні струму І0, що не залежить від величини теплоти Q0 і відповідає режиму максимальної холодопродуктивності термоелектричного датчика: a I0 = 12 T0 (3) R В оптимальному режимі різниця напруги ΔV між основним та допоміжним датчиками зменшу 2 40483 ється пропорційно величині теплового потоку Q0, то відбирається рухомим середовищем: a æ cZ 2 ö DV = 12 ç T0 - Q 0 ÷ (4) c è 2 ø ні обтікання 3 робочого контакту основного термоелектричного датчика 2. Відбирання тепла призводить до зниження температури робочого гарячого контакту, обумовлюючи зміну термоелектрорушійної сили і відповідно падіння напруги на датчику 2. При цьому теплоізоляція 4 захищає робочий контакт від дії побічних теплових потоків, а тепловідвід 6 забезпечує температуру холодного контакту основного датчика 2 і допоміжного датчика рівною температурі рухомого середовища. Різниця падіння напруги між основним 2 та допоміжним 5 термоелектричними датчиками не залежить від температурних змін параметрів датчиків і є пропорційною величині підібраної рухомим середовищем теплоти і відповідно швидкості рідини або газу. Режим максимальної чутливості датчика швидкості та витрат рідини або газу визначається по максимуму в залежності різниці падіння напруги між основним 2 та допоміжним 5 термоелектричними датчиками від протікаючого струму. Настройка па тип рухомого середовища здійснюється зміною ефективної площі поверхні обтікання 3 або зміною кута її орієнтації відносно потоку рідини або газу. Згідно з винаходом був виготовлений експериментальний зразок заявленого датчика швидкості та витрат рідини або газу на основі термоелектричних елементів із Ві 2Те3 для вимірювань швидкості та витрат води. Запропоновані в даному винаході компенсація температурних змін параметрів термоелектричних елементів та вибір режиму максимальної чутливості забезпечували підвищення точності вимірювань до 0,2-0,5% в інтервалі швидкостей потоку води ν0=0,1-15 м/с та температур Т=0-100°С. Таким чином, спосіб вимірювань і датчик швидкості та витрат рідини або газу, згідно з винаходом, вирішують завдання підвищення точності та чутли вості вимірювань в широкому інтервалі температур та об'ємів витрат рідини або газу. a2 12 - термоелектрична ефективність маcR теріалу датчика. Температура Т0 рухомого середовища контролюють значенням оптимального струму І 0 (3) або оптимальної напруги V0= α12T 0 на допоміжному датчику. Величина теплового потоку Q0 пропорційна об'єму витрат та швидкості рухомого середовища, які згідно обумовлених режимом руху рідини або газу відомих величин гідродинамічних критеріїв подібності розраховують по експериментальним значенням коефіцієнту теплопередачі α*: 2 ö c æ zV0 ç a* = - 1÷ (5) ÷ Sk ç 2a 12 DV è ø Спосіб за винаходом реалізовано в датчику швидкості та витрат рідини або газу. На фіг. 2 зображено загальний вигляд датчика. Датчик швидкості та витрат рідини або газу включає вимірювальний відрізок трубопроводу 1. основний термоелектричний датчик 2 з поверхнею обтікання 3 робочого контакту і теплоізоляцією 4 робочого контакту, допоміжного термоелектричного датчика 5, тепловідводу 6 для забезпечення інтенсивного теплообміну тильного контакту датчика 2 та обох контактів датчика 5 з рухомим середовищем. Датчик швидкості та витрат рідини або газу працює наступним чином. Через основний 2 та допоміжний 5 термоелектричні датчики проходить однаковий струм, що обумовлює нагрів поверхні обтікання 3 робочого контакту основного датчика 2 вище температури рухомого середовища. Вимірюваний потік рідини чи газу проходить усередині вимірювального відрізку трубопроводу 1, відбираючи тепло пропорційно швидкості потоку з поверхде Z = 3 40483 Фіг. 1 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4