Пленочный термоанемометр

( 1 9) ( 1) Д 5)4 С О 1 Р 5/ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ(22 (46 (72 (53 ,(56 МК след19761)епп)а ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ 2759876/18-1003.057923,09.85. Бюл. М 35В.В.Троицкий532.574(088.8)(54) (57) ПЛЕНОЧНЬЙ ТЕРИОАНЮ 10 МЕТР,содержащий следящую электрическуюсистему и подключенный к ней датчик,выполненный в виде термореэистивнойпленки, нанесенной на диэлектрическуюподложку и покрытой защитным слоемдиэлектрика, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повыщения точностиизмерений, он снабжен второй электрической следящей системой и второйтерморезистивной пленкой, нанесенной на защитный слой первой пленкии подключенной к второй следящейсистеме.770349 РОгде Яро Р 20 50 1Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения скоростных характеристик турбулентности в потокахжидкости и газа, 5Известны электротермоанемометрыпостоянной температуры для измерения мгновенной локальной скоростив потоках газа и жидкости с датчиком,у которого чувствительным элементом 10служит тонкая металлическая проволока, нагреваемая электрическим токомэлектротермоанемометра.Проволочные датчики электротермоанемометров очень сильно склонны 15к загрязнению (например, пылью), чтоведет к нестабильности показанийэлектротермоанемоментра, кроме того,они обладают малой механической прочностью при использовании их в пото Оках с большим динамическим напором,Из известных термоанемометрических устройств наиболее близким потехнической сущности является устройство, состоящее из электротермоанемо метра постоянной температуры со следящей системой и подключенного к немупленочного датчика, выполненного в виде защищенной тонким слоем окисикремния никелевой пленки, нанесенной на кварцевую подложку различнойгеометрической формы,Однако чувствительность известного устройства относительно невелика,особенно при измерениях скорости или35касательного напряжения в потокахгаза, из-за того, что доля теплаот нагретой пленки, отводимогоподложкой, много больше количестватепла, отводимого набегающим потоком.Кроме того, сильная зависимостьпоказаний электротермоанемометрапостоянной температуры, работающегос пленочным датчиком от температурыподложки, термически связанной с корпусом датчика, сильно сужает областьприменения устройства,Ф Цель предложения - повышениеточности измерений,Цель достигается тем, что в известное устройство введена вторая электрическая следящая система и вторая пленка, нанесенная на защитный слой первой пленки и подключен" ная к второй следящей системе,На чертеже. приведена блок-схема пленочного термоанемометра. Пленочный термоанемометр содержитдатчик 1, состоящий из защитногослоя 2 диэлектрика, терморезистивной рабочей пленки 3 (в потоках газаи жидкости не проводящих электрический ток химически инертных к материалу рабочей пленки 3, защитногослоя 2 может и не быть), слоя 4диэлектрикацополнительной терморезистивной пленки 5, диэлектрическойподложки б, электродов 7 и 8 и двеследящие системы 9 и 10 электротермоанемометра . постоянной температуры, одна из которых через подводящие электрические провода 11 подключена к рабочей пленке 3, а другая -к дополнительной пленке 5. Выход следящей системы 9 электротермоанемометра является основным выходом устройства, а выход следящей системы 10электротермоанемометра - дополнительным выходом,Для измерения скорости датчик 1,диэлектрическая подложка котороговыполнена в виде клина или конуса,размещают в потоке газа или жидкости,таким образом, чтобы защитный слой 2(рабочая пленка 3) обтекалась нормально набегающим потоком. Для измерения касательных напряжений датчиктермоанемометрического устройствазаделывают заподлицо с поверхностью,обтекаемой потоком газа или жидкости, при этом поток обтекает защитный слой 2 (рабочую пленку 3) тангенциально. С помощью электротермоанемометра следящей системы 9,работающего в режиме измерения электрического сопротивления, при котором измерительный ток настолько мал, чтопрактически не нагревает пленку,измеряют электрическое сопротивлениерабочей пленки, которое связаног ее температурой следующей формулой;,Р ( -20)3, (1) - электрическое сопротивление рабочей пленки притемпературе СР,- электрическое сопротивление рабочей пленки притемпературе 20 Г; - температурный электрический коэффициент сопротивления материала рабочейпленки;- температура рабочей пленки в режиме измерениясопротивления.770349 ф ЮЕ У 50 где Ь - отклонение электрическогонапряжения на концах рабочей 55 пленки от среднего значения;2 Е 2С=;- - коэшфидиент чувствитель.фности; 3С помощью электротермоанемометра следящей счстемы 10, работающего в режиме измерения электрического сопротивления, измеряют электрическое сопротивление дополнительной пленки 5, которое связано с температурой дополнительной пленки аналогичным соотношением:до К 42 о 1+/2 о (гд)Д, (2) где К - электрическое сопротивледоние дополнительной пленкипри температуре;К - электрическое сопротивлеД 2 оние дополнительной пленкипри температуре пленки20 оСЛ 2 р температурный коэфАициентэлектрического сопротивления дополнительный пленкидля 20 Г;- температура дополнительнойдпленки в режиме измерениясопротивления.Используя полученное значение электрического сопротивления рабочей пленки, настраивают электротермоанемометр следящей системы 9 таким образом, чтобы электрическое сопротивление рабочей пленки за счет тепла, выделяемого электрическим током, поддерживалось равным:КР Р " (3) где и= 1+о(Т-т)3 - коэААициентперегрева рабочей пленки, выбирается такимже, как и притарировочныхопытах;Т - температура пеРрегретой рабочей пленки.Используя значение электрического сопротивления дополнительной пленки КА , настраивают электротермоанемометр следящей системы 10 таким образом, чтобы электрическое сопротивление дополнительной пленки за счет тепла, вьделяемого электрическим током нагрева от электротермоанемометра 9, поддерживалось равным: 4 40 ф(4)где К - коэМициент перегрева дополнительной пленки 5, определенный из условия равенства температур рабочей и дополнительной пленок, находят из соотношения: 4Р 2 г1+ Г 1 и 1+20 щ( С .О)оЯ (5)1+(е -20)Если дополнительная пленка выполненаиз того же материала, что и рабочаяпленка, то есть ,Э =с , то тогда2 с 2 афкоэффициент перегрева дополнительнойпленки К находят из соотношения;т Г 1+сго (1: рНК - - -- . (6)1+(Сд -20)10 При таком выборе коэААициента перегрева дополнительной пленки температуры рабочей и дополнительной пленок- поддерживаются обеими следящимисистемами электротермоанемометров 15 независимо одинаковыми с высокой сте.пенью точности вне зависимости отусловий теплообмена обеих пленок.Как известно, выходной сигналэлектротермоанемометра постоянной 20 температуры с подключенным нагретымпленочным датчиком, обтекаемым изотермическим потоком жидкости или газа, можно записать в виде:Е =Е +АУ (7) 25 где Е - напряжение на концах нагретой током электротермоанемометра пленки;Е - напряжение на концах пленкиопри скорости окружающего по тока равной нулю;Б - скорость потока жидкостиили газа;А,п - константы, определяемые изтарировочных опытов.35Величина Гхарактеризует отвод,тепла от рабочей пленки эа счет теплопроводности потока газа или жидкости и за счет теплопроводности подложки, атакже за счет свободной конвекции. Второй член уравнения (7) характеризует отвод тепла от рабочей пленкиза счет вынужденной конвекции. Из уравнения (7) легко получить уравнение,связывающее относительное изменение 45напряжения на выходе электротермоанемометра постоянной температуры с относительным изменением скорости(при малых отклонениях скорости), которое можно записать в виде:770349 редактор О,Иркова Техред И,Надь КорректорЛ.Пилипенко Заказ 5965/3 Тираж 896Подписное ВНИИПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, .ул.Проектная, 4 аО - отклонение скорости от среднего значения.Видно, что коэффициент чувствительности С, в зависимости от величин соотношения Е,Й, может меняться от С=п/2 до С=О при соответственно Е,/Е=О и Е /Е=1. Аналогичное соотношение справедливо и для плоских пленочных датчиков, предназначенных для 1 ц измерения касательных напряжений в потоках газа и жидкости. Только в этом случае, чаще всего, используют степенную функциональную зависимость (7) между квадратом напряжения на выходе электротермоанемометра и касательным напряжением с показателем степени п=1/Э.У предлагаемого устройства, если пренебречь отводом тепла от рабочей 2 О пленки вдоль поверхности, что справедливо при выполнении конструктивного соотношения и/Ь (,где и - толщина слоя диэлектрика;Ь - ширина дополнительной пленки,при равенстве температур рабочейи дополнительной пленок оттока теплаот рабочей пленки внутрь подложкине будет и, соответственно, мощность,выделяемая электрическим током отэлектротермоанемометра и необходимаядля поддержания рабочего перегреварабочей пленки (Т - ), резко снизится, что приведет к уменьшению отношения Е/Е и росту коэФАициента чувствительности С.С другой стороны показания на выходе электротермоанемометра не зависят от изменения температуры изоли"рующей подложки, так как все изменения температурщ изолирующей подложки будут парированы изменением мощности нагрева дополнительной пленки.