Способ измерения скорости текучей среды и устройство для его осуществления - RU2087870C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения расхода термических жидкостей.

Известен способ измерения скорости текучей среды, в котором излучают тепловой поток помещенными в поток текучей среды на расстоянии по потоку двумя рабочими термодатчиками, измеряют разность температур рабочих термодатчиков и вычисляют скорость потока по измеренному изменению разности температур и величине потребляемой термодатчиками мощности.

Известный способ реализован в устройстве [1] которое содержит два терморезистора, расположенных на расстоянии друг от друга по потоку. Питание подается на оба терморезистора, в результате температура первого по потоку терморезистора уменьшится, а второго увеличится. Разность температур является функцией скорости текучей среды.

Недостаток устройства этого типа состоит в том, что сопротивление между двумя датчиками стремится увеличиваться с увеличением расхода до тех пор, пока не достигается некоторая критическая величина расхода. После этого разность сопротивлений имеет тенденцию уменьшаться с увеличением расхода. Эта нелинейность составляет проблему, ограничивающую диапазон скоростей, в котором может работать устройство.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение эффективности и точности измерения.

Для его достижения в способе измерения скоростей текучей среды, включающем излучение теплового потока термодатчиком, помещенным в поток измеряемой среды, при пропускании через него электрического тока, измерение увеличения температуры термодатчика относительно температуры текучей среды и вычисление скорости потока по измеряемому увеличению температуры и величине потребляемой термодатчиком мощности, тепловой поток излучают в направлении, перпендикулярном направлению текучей среды, к теплоотводу, размещенному в потоке на расстоянии, обеспечивающем перенос к нему потока и его модуляцию текучей средой, причем пространство между теплоотводом и термодатчиком свободно от препятствий, а также тем, что тепловой поток дополнительно излучают в направлении к второму теплоотводу, причем первый и второй теплоотводы равноудалены от излучающих поверхностей термодатчика в разные стороны.

Кроме того, дополнительно излучают тепловой поток в направлении, перпендикулярном нагреванию потока, опорным термодатчиком, размещенным в потоке и подключенным к источнику электрического тока, мощность которого меньше мощности, подаваемой на рабочий термодатчик, причем тепловой поток излучают в направлении второго и третьего теплоотводов, измеряют температуру опорного термодатчика, а при вычислении скорости текучей среды учитывают разность температур рабочего и опорного термодатчиков, при этом второй теплоотвод располагают между рабочим и опорным термодатчиками, а третий теплоотвод располагают симметрично второму относительно опорного термодатчика.

Для достижения указанного технического результата устройство для измерения скорости текучей среды, содержащее рабочий термодатчик, установленный в потоке и связанный с источником электрического тока, измерители температуры и мощности, связанные с вычислительным устройством, снабжено опорным термодатчиком, установленным в потоке и связанным с соответствующим источником электрического тока, и тремя теплоотводами, один из них установлен между термодатчиками, а два других по разные стороны от них, а также измерителем температуры опорного термодатчика и измерителем разности температур рабочего и опорного термодатчиков, каждый теплоотвод расположен на равном расстоянии от соответствующего термодатчика в направлении, перпендикулярном направлению текучей среды, при этом измерители температуры рабочего и опорного термодатчиков, измеритель мощности рабочего термодатчика и измеритель разности температур связаны с вычислительным устройством через аналого-цифровой преобразователь, каждые датчик и теплоотвод имеют противолежащие поверхности, которые параллельны друг другу, кроме того, датчики содержат резистивный элемент, плоскость которого параллельна противолежащей поверхности теплоотвода, и подложку, покрытую металлическим слоем, который образует резистивный элемент.

Устройство, реализующее способ измерения, изображено на чертеже, где на фиг. 1 показан вариант устройства с одним термодатчиком и одним теплоотводом, на фиг. 2 вариант устройства с одним термодатчиком и двумя теплоотводами, на фиг. 3 вариант устройства с двумя термодатчиками и тремя теплоотводами, на фиг. 4 показана конструкция термодатчика.

Устройство содержит /фиг. 1/ рабочий термодатчик 1 в виде фольги, смонтированный в изоляторе 2, первый теплоотвод 3, источник питания /электрического тока/ 4, измерительную схему 5, второй теплоотвод 6 /фиг. 2/, расположенный симметрично первому относительно термодатчика 1, опорный термодатчик 7 /фиг. 3/, третий теплоотвод 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и вычислительное устройство 10. Рабочий и опорный термодатчики соединены с общим источником питания через различные сопротивления 11 и 12.

Каждый термодатчик имеет тонкий изоляционный слой-подложку 13, покрытую тонким слоем 14 проводящего металла. Слой металла протравлен и образует обмотку 15, являющуюся резистором. Обмотка 15 и подложка 13 представляют собой плоские поверхности. Согласно фиг. 1, обмотка 15 термодатчика соединена с источником электрического тока 4, который обеспечивает нагрев обмотки 15 термодатчика, в результате термодатчик излучает в измеряемый поток тепло. Измерительная схема 5 измеряет потребляемую термодатчиком мощность, получая информацию о температуре. Теплоотвод 2 выполнен из металла, который легко проводит тепло и тем самым оттягивает и поглощает генерируемое тепло от датчика 1, при этом направление потока жидкости перпендикулярно направлению теплового потока.

Для пояснения сущности изобретения в активном объеме между термодатчиком 1 и теплоотводом 2 выбирается инкрементный объем 16. При этом использованы следующие обозначения:
Z расстояние между датчиком 1 и инкрементным объемом 16,
dZ толщина инкрементного объема 16,
A площадь инкрементного объема 16,
T_o- температура датчика 1,
T_a окружающая температура теплоотвода 2 и жидкости, протекающей через расходомер,
T температура жидкости в инкрементном объеме 16,
Q тепло,
C теплоемкость или удельная теплоемкость жидкости,
D плотность жидкости,
K теплопроводность жидкости,
d дифференциальный оператор,
t время,
V средняя молекулярная скорость жидкости, протекающей за датчиком 1,
W мощность, подаваемая на жидкость датчика 11.

Профиль постоянной скорости жидкости предполагается через зазор между датчиком 1 и теплоотводом 3. Тепло Q1, содержащееся в инкрементном объеме 16, пропорционально теплоемкости С жидкости, массе жидкости (DAdZ) и ее температуре T следующим образом:
Q1 CDTAdZ
Скорость аккумулирования тепла в инкрементном объеме 16 составляет dQ1/Dt минус скорость, с которой тепло удаляется с элемента жидкостью, протекающей со скоростью V, следующим образом:
d•Q1/dt CDAdZ•(dT/dt) CDAdZ(T-T_a)V CDAdZ[d•T/dt-(T-T_a)V]
Скорость теплового потока или потока от датчика 1 в инкрементный объем 16 пропорциональна площади поверхности A, теплопроводности жидкости K и наружному нормальному градиенту температуры dT/dZ следующим образом:
d•Q2/dt=KAdT/dZ
Скорость теплового потока из инкрементного объема 16 определяется следующим образом:
dQ3/dt=dQ2/dt +d/dZ(dQ2/dt)dZ -KAdT/dZ-d/dZ(KAdT/dZ)dZ.

В результате сохранения тепла:
dQ2/dt-dQ3/dtdQ1/dt;
-KAdT/dZ +KAdT/dZ+d/dZ(KAdT/dZ)dZ CDAdZ[dT/dt-[T-T_aV] и
d²T/dZ²=CD/K•[dT/dt (T-T_a)V]
В стабильном состоянии dT/dt=0 и d²T/dZ²= CDV/K(-T+T_a).

Это дифференциальное уравнение вместе с нижеследующими граничными условиями описывает тепловое окружение /среду/ в активном объеме 16 между датчиком 1 и теплоотводом 3.

1. При Z 0 /датчик 1/
а) dT/dZ-(1-/KA) (мощность, подаваемая на датчик 1) -W/KA
б) T T₀
2. При Z=g (поверхность теплоотвода 3) T=T_A
Поэтому уравнение стабильного состояния, описывающее температуру T для любого местоположения Z в активном объеме 16, будет:
T=T_a+[(g-1)W/KA]exp[-(g-Z)SQRT(CDV/K)]
Уравнение стабильного состояния, описывающее температуру датчика при Z= 0, будет
T₀=T_a + [gW/KA]exp[-(g)SQRT(CDV/K)]
Поэтому повышение температуры TR=T₀-T_a датчика 1 выше окружающей может быть выражено как:
TR=(КОНСТАНТА1•g•W/A)• EXP (-g•SQRT•(КОНСТАНТА2•V), где КОНСТАНТА1 и КОНСТАНТА2 определяются только свойствами жидкости.

Это уравнение имеет замечательное свойство, которое заключается в том, что в целом изменение и чувствительность TR к повышению температуры датчика 1 по отношению к окружающей температуре текущей жидкости может диктоваться для любого типа требуемой жидкости или диапазона скоростей просто путем выбора размера зазора g.

Второй вариант реализации на фиг. 2 показывает, как свести до минимума паразитные потери тепла, связанные с изоляционной поверхностью 2 на фиг. 1. На фиг. 2 датчик 1 такой же, как датчик на фиг. 1, однако он свисает между двумя теплоотводами 3 и 6 на равном расстоянии от них. Жидкость течет с обеих сторон датчика 1. Поверхности теплоотводов 3, 6 находятся при одинаковой окружающей температуре, какой является температура текущей жидкости. Площадь обеих поверхностей или сторон датчика 1 используется для вычисления отношения температура/скорость жидкости. Благодаря незначительной толщине подложки датчика 1 по существу равные количества тепла будут течь в обоих направлениях от датчика.

На фиг. 3 показан третий вариант реализации. В этом варианте можно компенсировать изменение температур жидкости, входящей в термический расходомер. В этом варианте реализации датчик 1 является измерительным или активным датчиком, аналогичным датчикам на фиг. 1 и 2. Датчик 1 установлен на равноотстоящем расстоянии между двумя теплоотводами 3 и 6.

Второй датчик 7 установлен на равностоящем расстоянии между теплоотводом 6 и вторым теплоотводом 8. Датчик 7 той же конструкции, что и датчик 1, однако он является опорным контрольным датчиком. Контрольный датчик 7 имеет тепловые свойства, идентичные активному датчику 1, но мощность, потребляемая при проведении измерения температуры контрольным датчиком 7, устанавливается не менее, чем одна сотая мощности, потребляемой в активном состоянии датчиком 1. В этом случае ДТ является температурой активного датчика 1 минус температура контрольного датчика 7.

Источник питания 4 постоянного тока имеет свои положительные выводы, соединенные с одной стороной обмотки датчиков 1, 7. Активный датчик 1 имеет другой конец своей обмотки, соединенный с резистором 11. Контрольный датчик 7 другой стороной соединен с резистором 12.

Противоположные стороны резисторов 11, 12 соединены с отрицательным выводом источника питания 4 и входом C1 аналого-цифрового преобразователя 9. Вход C3 соединен с положительным выводом источника питания 4. Вход C4 соединен между резистором 12 и контрольным датчиком 7. Выход аналого-цифрового преобразователя 9 соединен с обычным компьютером 10. Аналого-цифровой преобразователь 9 собирает аналоговые напряжения на своих входах C1, C2, C3 и C4 и посылает цифровые данные на компьютер 10 для вычисления скоростей.

Благодаря использованию уникального способа модуляции теплового потока, изобретение позволяет измерять широкий диапазон типов жидкостей и скоростей. Изобретение позволяет кроме трех описанных вариантов реализации получить и другие варианты, основанные на данном принципе.

Реферат

Использование: в измерительной технике для измерения расхода термических жидкостей. Сущность изобретения: излучают тепловой поток нагретым терморезистором в направлении к теплоотводу, измеряют изменение температуры терморезистора и мощность источника нагрева, по которым определяют скорость текучей среды. Изобретение предусматривает варианты с одним терморезистором и двумя теплоотводами или с двумя терморезисторами и тремя теплоотводами. Устройство содержит два терморезистора 1 и 7, три теплоотвода 3, 6, 8, изолятор 2, источник питания 4 с резисторами 11, 12, аналого-цифровой преобразователь 9 и вычислительное устройство 10. Терморезистор содержит подложку 13 и металлизированный слой 14 в виде обмотки 15. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула