Спосіб вимірювання параметрів потоків рідин і газів

Спосіб вимірювання параметрів потоків рідин і газів, що полягає в установці локально в потоку декількох ідентичних терморезисторних елементів з підігріванням - охолоджуванням керованими джерелами різної змінної потужності, що контролюються, вимірюванні опорів терморезисторних елементів у часі, який відрізняється тим, що використовують три терморезисторных елементи, визначають миттєві значення температури терморезисторних елементів і їх похідних, визначають миттєве значення параметра потоку, наприклад, швидкості за градуйованою характеристикою параметра t t S від інтегрального коефіцієн 2 3 76157 4 ни струмом опиту і охолоджування потоком ззовні розглянемо структурну схему пристрою. який його рівні. Це досить грубе наближення і приводить до реалізовує. На кресленні показаний приклад такої істотних погрішностей [3]. структурної схеми. Передбачається також, що конструктивні паПристрій містить три ідентичні термочутливі раметри датчика, його маса і теплоємність не зміелементи - резисторні датчики температури 11, 12, нюються в процесі експлуатації. Якщо ці парамет13 з нагрівально-охолоджувальними елементами ри будуть змінюватися через корозію та 21, 22, 23. Виходи датчиків подані на входи перетобростання датчиків, то з'явиться додаткова погворювачів опорів в цифру 31, 32, 33. Входи нагріварішність вимірювання. льно-охолоджувальних елементів сполучені з Швидкодіяння цього способу обмежене часом джерелами керованої потужності нагрівуперехідного процесу від початку нагріву до рівності охолоджування 41, 42, 43. Входи-виходи блоків 31, опорів половинок датчика. 32, 33 і 41, 42, 43 сполучені з процесором 5. Таким чином, відомий спосіб мас низьку точЯк терморезисторні датчики можуть бути виність і обмежене швидкодіяння. користані мідні, платинові та нікелеві термометри Спосіб, що пропонується, має загальне з проопору, термометри з непрямим підігріванням і інші тотипом те, що він передбачає використання декітермочутливі елементи, у яких температура змількох ідентичних датчиків (або ідентичних частин нює опір датчика по відомій функції перетворення, одного датчика) і різних режимів нагріву. а за градуючою характеристикою і виміряним митУ основу винаходу поставлене рішення задачі тєвим опором датчика визначити його середньовимірювання параметрів потоків рідини і газів, при об'ємну миттєву температуру. Це можуть треті якому за рахунок визначення миттєвих значень частини одного розподіленого ниткоподібного даткоефіцієнта теплообміну і. отже, параметра поточика або три окремі датчики. ку, що вимірюється, а також температури потоку і Як вбудовані нагрівальні елементи можуть виконструктивного параметра датчиків, забезпечукористовуватися резистори з сплавів з малим темється технічний результат винаходу - підвищення пературним коефіцієнтом (манганин, константан) точності вимірювання і підвищення швидкодіяння або високотемпературні (ніхром, вольфрам). Як способу. нагрівники-охолоджувачі можливе використання Поставлена задача вирішується тим, що в спаів термопар, що живляться різнополярним способі вимірювання параметрів потоків рідин і струмом для забезпечення режимів нагріву або газів, який включає уставлення локально в потоку охолоджування. декількох ідентичних терморезисторних елементів Для вимірювання опорів датчиків можливе заз підігріванням - охолоджуванням керованими стосування відомих схем включення перетворюджерелами різної змінної потужності, що контровачів аналог-цифра, бажано з високим швидкоділюються, вимірювання опорів терморезисторних янням. елементів у часі, згідно з винаходом використовуДжерела керованої потужності нагрівують три терморезисторні елементи, визначають охолоджування виконуються як цифрово-апалогові миттєве значення температури терморезисторних перетворювачі коду в напругу або струм з одночаелементів і їх похідних, визначають миттєве знасним контролем (аналогово-цифровим перетвочення параметра потоку, наприклад, швидкості за ренням) струму або напруги на навантаженні (наградуючою характеристикою параметра грівнику-охолоджувачі). Точність і швидкодіяння всіх аналогово(t) [ (t )S] від інтегрального коефіцієнта тепцифрових і цифрово-аналогових перетворювачів в лообміну ( t )S терморезисторного елемента зі блоках 3і і 4і повинна бути узгоджена. На процесор середовищем і теплоємність терморезисторного 5 покладається задача реалізації алгоритму виміелемента, які обчислюють по формулах рювання. Блоки 3і і 4і і процесор можуть бути реа' ( t ) ' ( t )] [P ( t ) P ( t )] [' ( t ) ' ( t )] [P3 ( t ) P ( t )] [ 2 1 1 2 1 3 1 , лізовані на одному або декількох мікроконверто( t )S ' ' [ 3 ( t ) 1( t )] [ '2 ( t ) 1( t )] [ 2 ( t ) 1( t )] [ '3 ( t ) 1( t )] рах з обрамленням, наприклад, типу AduC824. Спосіб вимірювання параметрів потоку здійс[P3 ( t ) P ( t )] [ 2 ( t ) 1( t )] [P2 ( t ) P ( t )] [ 3 ( t ) 1( t )] , 1 1 mc нюють таким чином. У потоку локально розміщу' ( t ) ' ( t )] [ ( t ) ' ( t ) ' ( t )] [ 3 ( t ) 1( t )] [ 2 1 2 1( t )] [ 3 1 ють три ідентичні датчики температури 11, 12, 13 з де 1( t ), 2 ( t ) i 3 ( t ) - миттєві температури нагрівниками-охолоджувачами 21, 22, 23 і забезпечують різну змінну потужність нагрівупершого, другого і третього терморезисторних охолоджування, що контролюється елементів; P1( t ), P2 ( t ) i P3 ( t ) , вимірюють миттєві значення ' ' ' 1( t ) , 2 ( t ) i 3 ( t ) - миттєві похідні температур опорів R1( t ), R2 ( t ) i R3 ( t ) датчиків, визначають першого, другого і третього терморезисторних миттєві значення температур датчиків елементів; ( t ), 2 ( t ) i 3 ( t ) за відомими градуючими харакP1( t ), P2 ( t ) i P3 ( t ) - миттєві потужності нагріву 1 першого, другого і третього терморезисторних елементів, температуру потоку визначають по формулі ' 1 3 mc i ( t ) Pi ( t ) . C(t) i(t ) 3 ( t )S i 1 Для пояснення суті способу, що пропонується, теристиками i (Ri ) або за аналітичними залежностями, наприклад, для мідних датчиків з лінійною характеристикою по формулі Ri( t ) Ri0 , (1) i(t ) Ri0 де і -1, 2, 3; Ri0 - відомий опір і-го датчика при 5 76157 6 нульовій температурі, - температурний коефіціРішення них рівнянь відносно невідомих i ( t ) і єнт чутливості. mc мають вигляд Використовуємо рівняння теплового балансу ' ' [P3 ( t ) P1( t )] [ '2 ( t ) 1( t )] [P2 ( t ) P1( t )] [ '3 ( t ) 1( t )] , ( t )S для підігріваного (охолоджуваного) потужністю P(t) ' ( t ) ' ( t )] [ ( t ) ' ( t ) ' ( t )] (6) [ 3 ( t ) 1( t )] [ 2 1 2 1( t )] [ 3 1 і-го датчика, вміщеного в середовище з температурою c ( t ) [P3 ( t ) P1( t )] [ 2 ( t ) 1( t )] [P2 ( t ) P1( t )] [ 3 ( t ) 1( t )] , mc (7) ' ' ' (2) [ 3 ( t ) 1( t )] [ '2 ( t ) 1( t )] [ 2 ( t ) 1( t )] [ '3 ( t ) 1( t )] [ i( t ) c ( t )] i( t )S mc i( t ) Pi( t ) , де відомі величини i ( t ) , Pi ( t ) , що обчисля' ється з ряду відліків i ( t ) , величина i ( t ) , невідома конструктивна величина, що повільно змінюється mc невідомі i ( t ) і i ( t ) ; ' i ( t ) і i ( t ) - миттєві температура датчика і її похідна; i ( t ) - миттєвий коефіцієнт теплообміну; mc - теплоємність датчика; m - маса датчика; c - питома теплоємність матеріалу датчика; S - площа поверхні теплообміну датчика зі середовищем; i 1,3 . Рівняння 2 справедливе для датчика, який може вважатися зосередженим в просторі і інерційною ланкою 1-го порядку у часі, працюючою в "регулярному режимі" для робочого діапазону частот мінливості температури середовища c ( t ) і коефіцієнта теплообміну i ( t ) при періодичній зміні Рі(t). Відомо [3], що коефіцієнт теплообміну складним образом залежить від швидкості потоку, теплопровідності, питомої теплоємності, щільності і кінематичної в'язкості середовища. Ця залежність встановлюється емпірично для конкретної рідини або газу із задовільною точністю. У цьому випадку для ідентичних датчиків в ідентичних умовах середовища і при різних потужностях нагріву охолоджування коефіцієнти теплообміну можна прийняти рівними, тобто (t) , (3) 1( t ) 2(t) 3(t) З рівняння 2 можемо записати для трьох датчиків ' [ 1( t ) c ( t )] ( t )S mc 1( t ) P ( t ) , 1 ' (t) P (t) , (4) [ 2 ( t ) c ( t )] ( t )S mc 2 2 [ 3 ( t ) c ( t )] ( t )S mc '3 ( t ) P3 ( t ) . Віднімаючи перше рівняння з другого і третього отримаємо рівняння без температури середовища c ( t ) [ 2(t ) [ 3(t) ' 1( t )] ( t )S mc [ 2 ( t ) ' 1( t )] ( t )S mc [ 3 ( t ) ' 1( t )] P2( t ) P1( t ) (5) ' 1( t )] P3 ( t ) P1( t ) , Значення ( t )S далі використовується для визначення мінливості якого-небудь з параметрів потоку, при постійності інших, з градуючої характеристики [ ( t )S] , наприклад, для швидкості потоку ( t ) . (8) (t ) [ ( t )S] const n ( t )S , Конструктивний параметр mc консервативний, але може змінюватися за рахунок корозії та обростання датчиків. У припущенні, що ці зміни у всіх датчиків однакові, його можна завжди визначити. Параметр mc може бути інформативним, якщо на датчиках буде що-небудь осідати зі середовища. Температуру середовища c ( t ) можна визначити по одному з трьох рівнянь (4) ' mc i ( t ) Pi ( t ) (9) , i 1 2,3 , , c (t) i( t ) ( t )S Доцільно визначати температуру потоку як середню по трьох каналах по формулі ' 1 3 mc i ( t ) Pi ( t ) , (t) (t) (10) c i 3 ( t )S i 1 Таким чином, запропонованим способом визначаються миттєві значення коефіцієнта теплообміну і, отже, параметра потоку, що вимірюється, а також температури потоку і конструктивного параметра датчиків. Швидкодіяння способу обмежене тільки розрижненням і швидкодіянням перетворювача опорів датчиків і потужності нагріву в цифру і процесора, що виконує алгоритм вимірювання. Обчислення параметрів потоку, що вимірюються, можливе як вбудованим процесором, якщо його продуктивності вистачить для обробки даних в реальному масштабі часу до кінцевого результату, так і зовнішнім процесором під час і після вимірювань. Джерела інформації: 1. Коротков П.А.. Лондон Г.Е. Динамічні контактні вимірювання теплових величин. Л.. "Машинобудування". Л.О., 1974. 224 с. 2. Авторське свідчення СРСР №1645903, кл. G01 Р5/12. Пріоритет 26,12.83. Опубл. Віол. №16,1991. прототип. 3. Яришев Н.А. Теоретичні основи вимірювання нестаціонарної температури. 2-е вид.. перероб. Л.: Енергоатоміздат. Ленінгр. від-я. 1990. 256с. 7 Комп’ютерна верстка М. Клюкін 76157 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601