Термоанемометричний спосіб визначення швидкості і напрямку потоку рідини або газу та пристрій для його здійснення

Реферат: Винахід належить до термоанемометричних засобів вимірювання швидкості та напряму потоку рідини або газу і може бути застосований при дослідженні різних середовищ, у тому числі агресивних, в будь-яких водоймах і в атмосфері. Технічний результат кожного з винаходів, які входять в заявлену групу - підвищення чутливості. При цьому забезпечується значне зниження енерговитрат на виміри. Суть винаходу-способу: використовують розташовані в робочій зоні вимірювача у двох ортогональних площинах дві пари датчиків температури, які підігріваються, і обчислюють різницю значень температур датчиків в кожній парі, вимірюють температуру потоку розташованим в робочій зоні датчиком, який не підігрівається, визначають швидкість потоку по різниці середньоарифметичного значення температур чотирьох датчиків температури, які підігріваються, і значення температури датчика, який не підігрівається, і визначають напрям потоку  в вибраній щодо площин розташування пар датчиків системі координат за виразом. Суть винаходу-пристрою: термоанемометричний вимірювач швидкості і напряму потоку рідини або газу містить закріплений в приладі (2) корпус (1), який має контакт з потоком, виконаний у вигляді тонкостінного полого циліндра з теплопровідного матеріалу, наповнений заповнювачем UA 102118 C2 (12) UA 102118 C2 (3) у вигляді теплоізоляційного матеріалу або повітря і закритий кришкою (10), яка виконана куполоподібною з теплоізоляційного матеріалу. Розташовані в робочій зоні вимірювача в поперечній площині корпусу (1) у двох ортогональних площинах дві пари датчиків температури, які підігріваються (4, 6 і 5, 7), які мають безпосередній тепловий контакт з внутрішньою стінкою корпусу (1), і виводи яких підключені до вимірювального блока приладу. Нагрівач (8), який має безпосередній тепловий контакт з корпусом (1). Закріплений на осі кришки (9) розташований в робочій зоні датчик температури, який не підігрівається (10), має безпосередній контакт з потоком, і вивід якого підключений до вимірювального блока приладу. UA 102118 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до термоанемометричних засобів вимірювання швидкості і напряму потоку рідини або газу і може бути застосований при дослідженні різних середовищ, у тому числі агресивних, в будь-яких водоймах і в атмосфері. Відомий апарат для вимірювання швидкості і напряму текучих середовищ [Fluid speed or direction measuring apparatus. Inventors: Honda; Hideyuki (Kyoto, JP), Kawasaki; Koichi (Tokyo, JP), Sato; Hiroshi (Machida, JP). Assignee: Honda Engineering Co., Ltd. (Osaka, JP). Tokyo Denshi Yakin Co., Ltd. (Kanagawa, JP). Appl. No.: 07/039, 198. Filed: April 16, 1987], в якому як термочутливий елемент використаний монокристал германію. Цей датчик має недостатню чутливість через наявність обертової системи, без якої неможливо виявити площину, в якій лежить вектор швидкості та осі датчика. Крім того, цьому аналогу властива недостатня інформативність через наявність «затіненої ділянки», що обмежує визначення напрямку потоку від 180 до 360°, тобто, апарат дозволяє визначати напрям і швидкість середовища тільки в півсфері значень. Відомий тепловий датчик для вимірювання напряму океанічного потоку [Патент USA № 3995480, кл. G 01 Р 5/10, опубл. 07.12.1976], що характеризується наступними ознаками. Він містить тонкостінний порожнистий корпус круглого перетину, який виконаний з некородуючого протиобростаючого матеріалу і має хорошу передачу тепла. Датчик має безліч близькорозташованих тонкоплівкових чутливих термоелементів, сформованих і вирівняних на внутрішній стінці корпусу, при цьому елементи розміщені по всій висоті та по всьому діаметру корпусу. Термоелементи (датчики температури) утворюють пари, які на 180° протилежні один одному і підключені до скануючого пристрою і компаратору вимірювального блока. У центрі корпусу встановлений дротяний нагрівач для рівномірної передачі тепла по всьому корпусу. Простір між нагрівачем і термоелементами повністю заповнено теплопровідним матеріалом срібною пастою. Наповнений заповнювачем корпус закритий кришкою і закріплений у вимірювальному приладі. Цей аналог за сукупністю ознак найближче підходить до заявленого технічного вирішення і тому вибраний як прототип для кожного з винаходів, які входять в заявлену групу. Заявлений спосіб має наступні спільні з прототипом ознаки: використовують розташовані в робочій зоні в заданих площинах пари датчиків температури, які підігріваються, і обчислюють різницю значень температур датчиків в кожній парі. Заявлений пристрій характеризується такими загальними з прототипом ознаками: закріплений в приладі корпус, який має контакт з потоком, виконаний у вигляді тонкостінного полого циліндра з теплопровідного матеріалу, наповнений заповнювачем і закритий кришкою, розташовані в робочій зоні пари датчиків температури, які підігріваються, і які мають безпосередній теплової контакт з внутрішньою стінкою корпусу, і виводи яких підключені до вимірювального блока приладу, і нагрівач. В основі роботи прототипу лежить вимірювання температури кожного з чутливих елементів і порівняння змін температури, щоб таким чином виявити дві критичні точки в шарі, що межує з рідиною, оточуючої сферичний корпус. Критичні точки завжди прив'язані до напрямку течії рідини. Безліч близькорозташованих термоелементів служать для виявлення градієнта температури навколо корпусу, викликаного переходом ламінарного в турбулентний потік і градієнтом швидкості рідини, що протікає поблизу. Так визначається напрям і швидкість течії. Закладений у прототипі принцип визначення напряму і швидкості течії на основі виявлення двох критичних точок в обтічному шарі обумовлює недостатню чутливість прототипу, не вище 1°, оскільки залежить від кількості встановлених датчиків - в даному випадку 360 штук. При зазначених мінімальних розмірах циліндра 0,5 дюйма, щільність розташування датчиків складе, приблизно, 10 штук на 1 мм, що є складною технологічною задачею. Подальше збільшення кількості термодатчиків призведе до суттєвого збільшення габаритів датчика, ускладнення пристрою і зниження його надійності. Крім того, теплопровідній пасті практично завжди властива деяка неоднорідність, яка може призвести до аномальних перегрівів поверхні циліндра і, відповідно, до збільшення похибки вимірювання напряму потоку. В основу винаходу поставлено задачу створення термоанемометричного способу визначення швидкості і напряму потоку рідини або газу та пристрою для його здійснення, у яких сукупності їх відмітних ознак обумовлюють досягнення єдиного технічного результату підвищення чутливості вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що у винаході-способі термоанемометричного визначення швидкості і напряму потоку рідини або газу, який полягає в тому, що використовують розташовані в робочій зоні в заданих площинах пари датчиків температури, які підігріваються, і обчислюють різницю значень температур датчиків в кожній парі, новим є те, що використовують дві пари датчиків, які підігріваються, і додатково вимірюють температуру потоку розташованим в робочій зоні датчиком температури, який не підігрівається, визначають швидкість потоку по різниці середньоарифметичного значення температури чотирьох датчиків, 1 UA 102118 C2 які підігріваються, і значення температури датчика, який не підігрівається, і визначають напрям потоку  в вибраній щодо плоскостей розташування пар датчиків системі координат за виразом  T1   arccos  2 2  T1  T 2     ; (1) при T2  0,   0  180 ; 5 при T2  0,   180  360 ; де T1  T1  T2 ; T2  T3  T4 ; T1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 , T2 та T3 , T4 - значення температур датчиків, які підігріваються, відповідно в першій і другій парах. Задача винаходу вирішується також тим, що у винаході-вимірнику швидкості та напряму потоку рідини або газу, що містить закріплений в приладі корпус, який має контакт з потоком, виконаний у вигляді тонкостінного полого циліндра з теплопровідного матеріалу, наповнений заповнювачем і закритий кришкою, розташовані в робочій зоні пари датчиків температури, які підігріваються, і які мають безпосередній теплової контакт з внутрішньою стінкою корпусу, і виводи яких підключені до вимірювального блока приладу, і нагрівач, новим є те, що вимірювач містить дві пари датчиків температури, які підігріваються, розташованих в поперечній площині корпусу в двох ортогональних площинах, і розташований в робочій зоні датчик температури, який не підігрівається, і який має безпосередній контакт з потоком, вивід якого підключений до вимірювального блока приладу, і який закріплений на осі кришки, яка виконана куполоподібної з теплоізоляційного матеріалу, при цьому нагрівач має безпосередній тепловий контакт з корпусом, а заповнювачем є теплоізоляційний матеріал або повітря. Суть винаходу пояснюється за допомогою креслень, на яких зображено: фіг. 1 - загальний вигляд заявленого вимірювача з підведеною кришкою; фіг. 2 - діаграми спрямованості чотирьох датчиків температури, які підігріваються, та відповідні їм значення температур в залежності від напряму потоку V (креслень а, б, в, г); фіг. 3 - залежність напряму потоку  від різниці температур датчиків в першій і другій парах; фіг. 4 - залежність різниці температур датчиків в першій і другій парах від напряму потоку  . Заявлений термоанемометричний датчик швидкості і напряму потоку (фіг. 1) містить виконаний, наприклад, з алюмінію або міді тонкостінний корпус 1 у вигляді циліндра, який контактує з досліджуваним потоком, посадочне місце якого встановлено в корпус 2 вимірювального приладу. Порожнина корпусу 1 наповнена теплоізоляційним заповнювачем 3, в якості якого в даному випадку використаний жорсткий пінопласт для створення жорсткості корпусу. У заданої поперечної площині корпусу 1, тобто в робочій зоні вимірника, в двох ортогональних площинах розташовані дві пари датчиків температури 4-7, які мають безпосередній тепловий контакт з внутрішньою стінкою корпусу 1. Виводи датчиків 4-7 підключені до вимірювального блока приладу. У даному випадку датчики температури 4-7 закріплені в заповнювачі 3 та їх контактні поверхні технологічно доопрацьовані під поверхню внутрішньої стінки циліндра 1. Вимірювач містить нагрівач 8, який безпосередньо встановлений на корпусі 1 в його частині, встановленої в прилад. У даному випадку нагрівач 8 виконаний у вигляді дротяного намотування. Циліндр 1 закритий кришкою 9, яка виконана куполоподібною для ослаблення паразитної траєкторії через кришку, що призводить до збільшення різниці температур в парах підігрівних датчиків 4, 6 та 5, 7, а, отже, до збільшення чутливості. З цією ж метою та для виключення температурного шунтування датчиків 4-7 кришка 9 виготовлена з теплоізоляційного матеріалу, наприклад, з пластмаси або оргскла. У центрі кришки 9 встановлений датчик 10 температури, який контактує з досліджуваним потоком і, вивід якого підключений до вимірювального блока приладу. Для зменшення просторової помилки датчик 10 розташований в безпосередній близькості від датчиків 4-7 і, крім того, він додатково послаблює паразитний потік через кришку 9. Пристрій працює наступним чином. Нагрітий нагрівачем 8 корпус 1 при обтіканні його потоком, наприклад, рідини, охолоджується, при цьому фронтальна поверхня корпусу охолоджується інтенсивніше в порівнянні з його екраніруемой тильною частиною. Нерівномірність охолодження робочої зони корпусу 1, що залежить від швидкості та напряму потоку, фіксується парами протилежних датчиків температури 4, 6 і 5, 7 - позначимо значення температур датчиків в цих парах відповідно Т1, Т2 і Т3, Т4 (фіг. 2). Температура навколишнього середовища фіксується датчиком температури 10 - позначимо значення температур цього датчика як Т5 (на кресленнях не показаний). Заявлений спосіб здійснюють наступним чином. 2 UA 102118 C2 5 Для визначення швидкості потоку фіксують значення Т 1, Т2, Т3, Т4 (фіг. 2) температури корпусу 1 відповідно датчиками 4, 6, 5, 7 і значення Т 5 температури середовища, що оточує корпус 1, датчиком 10, який не підігрівається. Різниця між середньоарифметичним значенням температур Т1, Т2, Т3, Т4 і температурою Т5 є інформативним параметром, необхідним для обчислення швидкості V оточуючого потоку, причому, чим вище швидкість обтікання, тим менше ця різниця  T  T  T3  T4  V  f 1 2  T5    4   . (2) 10 15 20 25 30 35 Принцип визначення напрямку потоку заснований на різниці температур корпусу 1, виміряної парами протилежних датчиків: 4, 6 і 5, 7. Позначимо різницю температур датчиків 4 і 6 першої пари як T1, а різницю температур датчиків 5 і 7 другої пари як Т2, тобто, T1=Т1-Т2; Т2=Т3-Т4. Для завдання різних кутів обтікання вимірювач поміщають в потік рідини, що задаються, наприклад, гідролотком. Вибирають напрям, що проходить через одну з пар підігрівних датчиків, наприклад, через пару датчиків 4 і 6, в якості нульового і, обертаючи вимірювач навколо власної осі, задають кут обтікання вимірювача. Для вимірювання напрямку потоку  в абсолютних географічних координатах вимірювач необхідно додатково забезпечити компасом для поточного вимірювання орієнтації осі вимірювача в просторі =360°--, (3) де  - кут обтікання вимірювача;  - кут між нульовою віссю вимірювача і напрямом на північ. На фіг. 2 представлені діаграми спрямованості датчиків температури 4, 5, 6, 7, які підігріваються. Відповідні вектори a , b , c , d чисельно рівні значень температур цих датчиків і залежать від напрямку потоку V (креслення а, б, в, г). Стрілки вказують напрямок потоку. На цих кресленнях видно, що певним напрямом потоку V відповідають певні значення Т1, Т2, Т3, T4 температур датчиків 4, 6, 5, 7 відповідно до їх діаграмам спрямованості. Для визначення напряму потоку як інформативний параметр використовують різницю температур, виміряних протилежними датчиками, тобто, парою датчиків 4, 6 і парою датчиків 5, 7. За нульовий напрям потоку візьмемо, наприклад, вісь, що проходить через першу пару датчиків 4 і 6, яким відповідає різниця температур T1=Т1-Т2. На фіг. 3 представлена залежність напряму потоку  від різниці T1 температур першої пари датчиків і від різниці Т2 температур другий пар датчиків. Відрізок ОА чисельно дорівнює різниці T1 температур, виміряних термодатчиками 4 і 6 першої пари, відрізок ОВ чисельно дорівнює різниці Т2 температур, виміряних термодатчиками 5 і 7 другої пари, звідки напрям а потоку буде описуватися виразом (1):  T1   arccos  2 2  T1  T 2     ; (1) при T2  0,   0  180 ; при T2  0,   180  360 ; 40 45 Діаграми спрямованості першої та другої пар датчиків носять косінусний характер і представлені на фіг. 4: відрізку ОА відповідає T1=Т1-Т2, а відрізку ОВ відповідає Т2=Т3-Т4. Заявником був виготовлений макетний зразок вимірювача з наступними лінійними розмірами корпусу 1: діаметр - 16 мм, довжина - 12 мм; довжина частини, що знаходиться в контакті з досліджуваним потоком, становить 3,5 мм. Як датчики 4-7 використані терморезистивні датчики HEL 700, опором 1000 Ом (при 0 °С). Потужність нагрівача 8 становить 0,7 Вт. Заявлена група винаходів забезпечує підвищення чутливості вимірювань, а також значне зниження енерговитрат завдяки безпосередньому тепловому контакту нагрівача і корпусу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 1. Термоанемометричний спосіб визначення швидкості і напряму потоку рідини або газу, який полягає в тому, що використовують розташовані в робочій зоні в заданих площинах пари датчиків температури, які підігріваються, і обчислюють різницю значень температур датчиків в кожній парі, який відрізняється тим, що використовують дві пари датчиків, які підігріваються, і 3 UA 102118 C2 5 додатково вимірюють температуру потоку розташованим в робочій зоні датчиком, який не підігрівається, визначають швидкість потоку по різниці середньоарифметичного значення температури чотирьох датчиків, які підігріваються, і значення температури датчика, який не підігрівається, і визначають напрям потоку  в вибраній щодо плоскостей розташування пар датчиків системі координат за виразом  T1   arccos  2 2  T1  T 2  ;   при T2  0,   0  180 ; при T2  0,   180  360 ; 10 15 20 де T1  T1  T2 ; T2  T3  T4 ; T1 , T2 та T3 , T4 - значення температур датчиків, які підігріваються, відповідно в першій і другій парах. 2. Термоанемометричний вимірювач швидкості і напряму потоку рідини або газу, що містить закріплений в приладі корпус, який має контакт з потоком, виконаний у вигляді тонкостінного полого циліндра з теплопровідного матеріалу, наповнений заповнювачем і закритий кришкою, розташовані в робочій зоні пари датчиків температури, які підігріваються, і які мають безпосередній тепловий контакт з внутрішньою стінкою корпусу, і виводи яких підключені до вимірювального блока приладу, і нагрівач, який відрізняється тим, що містить дві пари датчиків температури, які підігріваються, розташованих в поперечній площині корпусу в двох ортогональних площинах, і розташований в робочій зоні датчик температури, який не підігрівається, і який має безпосередній контакт з потоком, вивід якого підключений до вимірювального блока приладу, і який закріплений на осі кришки, яка виконана куполоподібною з теплоізоляційного матеріалу, при цьому нагрівач має безпосередній тепловий контакт з корпусом, а заповнювачем є теплоізоляційний матеріал або повітря. 4 UA 102118 C2 5 UA 102118 C2 6 UA 102118 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 7