Термоанемометрический датчик

(54 С 01 Р 5/12 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,11К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 Б 1.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) ТЕРИОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, содержащий термочувствительныйэлемент в виде трубки с подключеннымк источнику охлаждающей жидкости капиллярным каналом и токопроводящейвнешней поверхностью, соединенной сблоком питания, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности измерений в двухфазных потоках и увеличения срока службы даччика, трубка термочувствительногоэлемента выполнена из электропроводящего материала, а блок питания - ввиде источника высокой частоты.Изобретение относится к техникеизмерений параметров потоков и, вчастности, предназначено для измерений турбулентных характеристик в изометрических и неизометрических потоках, в том числе в потоках, содержащих крупные частицы твердой Фазы,например в пылеугольном факеле, врабочем объеме пылеугольных топоки дрф1 ОЦель изобретения - повышение надежности измерений в двухфазных потоках и увеличение срока службы датчика,На Фиг.1 представлен рабочий учас 15ток, общий вид; на Фиг.2 - датчик,общий вид; на Фиг 3 - электраизмерительная схема датчика, основанная наиспользовании охлаждаемага капиллярного датчика, работающего в режиме 20постоянного эффективнага значенияпеременнога тока высокой частоты; нафиг.4 - другой вариант схемы датчика,.работающего в режиме постоянногосопротивления. 25Датчик содержит термочувствительный элемент, выполненный в виде трубки 1, охлаждаемай па капиллярномуканалу, выполненной из электропра-.водящего материала, концы 2 которой ЗОпадпаяны к палым труачатым ножкам 3из электрапроводящега материалаэлектропровадность катарога в предпочтительном варианте не зависит аттемпературы. С помощью трубчатых ножек 3 через внутреннюю полость 4проводится охлаждающая ега жидкость,а к трубчатому элементу 1 подводится переменный электрический так высокой частоты. Расход жидкости через трубчатый элемент 1 поддерживается постоянным, достаточным для эфФективнага охлаждения датчика, обес -печивающего его термическую устойчивость в потоках, имеющих, например, высокую температуру. Переменныйэлектрический ток также имеет величину, достаточную для обеспечениятребуемого рабочего режка и чувствительности датчика к турбулентным 50пульсациям скорости и температурыв потоке. Из-за наличия "скин-эффекта", характерного для тока высокойчастоты, последний распространяетсяпо тонкому внешнему слою 5 трубки 1. 55Этот тонкий проводящий слой 5 толщиной о является чувствительнымэлементом,цатчика, реагирующим на воздействия со стороны окружающей среды. Остальная часть поперечного сечения 6 трубки 1, ограниченная внешним слоем 5, является неэлектропроводящей для токов высокой частоты и служит для обеспечения достаточной механической прочности трубки 1, а также для постоянного восполнения чувствительного слоя 5 при ега абразивном износе, вызванном продолжительной работой в среде с высокими абразивными свойствами. При этом толщина чувствительного слоя остается практически постоянной поскольку ана определяется выбранными значениями частоты переменного тока, а также свойствами материала, из каторога изготовлен капилляр что обеспечивает надежность и долговечность датчика.Трубка 1 включена последовательна в электрическую и гидравлическую схемы питания датчика. Трубчатые ножки 3, отделенные друг от друга изолятором 7, закрыты сверху защитным металлическим чехлом 8, а их свободные концы подключены к штуцерам 9, предназначенным для подведения к капилляру охлаждающей жидкости, а также к клеммам 1 О - для подключения к источнику тока и к контрольно-измерительной аппаратуре.Иа фиг.3 представлен адик из воз мажных вариантов электраизмерительнай схемы, включающей предлагаемый датчик с предлагаемым чувствительным элементом. Схема состоит из моста 1, питаемого от источника 12 переменного тока высокой частоты через регулируемое сопротивление 13, величина которого многа больше общего сопротивления моста 11, Последовательна с сопротивлением 13 включен измеритель 14 эФфективного значения така. В плечи моста 11 включены два сопротивления 15 и 16, величины которых для заданной рабочей частоты могут быть либо одинаковыми (симметричный мост ), либо отличными друг от друга, причем в последнем случае для увеличения чувствительности моста сопротивление 15 должно превосходить по величине сопротивление 16. Последовательно каждому из сопротивлений 15 и б включены соответственна сопротивление 17 и сопротивление 18 (сопротивление термочувствителькога элемента ), Сопротивление 17 яв20 ляется активным регулируемым сопротивлением (в качестве данного сопротивления может быть, например, использован магазин сопротивлений, пригодный для работы в области вы бранных рабочих частот переменного тока, питающего мост 1 1 ), Последовательно с активным сопротивлением 17 включены регулируемые реактивные сопротивления 19 и 20, например, в О виде регулируемых индуктивности и емкости, предназначенные для компенсации соответствующих реактивных составляющих сопротивления 18 чувствительного элемента предлагаемого 15 датчика и сопротивления подводящих проводов (показаны пунктиром ), В диагональ моста 11 к точкам 21 и 22 подключены индикатор 23 нуля для индикации баланса моста 11. К этим же точкам подключен усилитель 24 (в предпочтительном варианте узкополосной селективный усилитель, настроенный на частоту переменного напряжения, генерируемого источником 2 ), к 25 выходу которого подключен фильтр низких частот (ФНЧ ) 25, а выход последнего подключен к блоку компенсатора 27 тепловой инерции. К выходу компенсатора 27 тепловой инерции под ключен регистратор 28 (в качестве которого может быть использован любой регистратор, используемый в обычной термоанемометрии для наблюдения регистрации или измерения сигнала с термоанемометрических датчиков ) для регистрации пульсационного сигнала 29.Электроизмерительная схема пред 1 ставленная на фиг,4, состоит из элекО трического моста 11, к точкам 21 и 22 которого помимо индикатора 23 баланса подключен усилитель 24, выход которого нагружен на ФНЧ. 25, а к выходу последнего подключен регистра тор 28. Параллельно регистратору 28 к выходу ФНЧ подключен управляемый источник 30 переменного тока высокой частоты. Выход поСледнего посредством контура 31 обратной связи 5 о 1 подключен к вершине моста 11, на который подается напряжение 32 питания высокой частоты, в общем случае модулированное по амплитуде низкочастотными управляющим сигналом 55 2 У на выходе источника 30. К выходу источника 30 параллельно мосту 11 подключен измеритель 33 среднеквдд. -ратичнаго ( эффективного ) значения, подаваемого на мост 11 напряжения высокой частоты.Работа предлагаемого охлаждаемого капиллярного датчика состоит в следующем.При перемещении термоанемометрического датчика в турбулентный поток под воздействием турбулентных пульсаций скорости и температуры в потоке происходит изменение интенсивности теплообмена датчика с окружающей средой, а мерой пульсационных характеристик потока будут пульсации напряжения на клеммах 10 датчика, регистрируемые с помощью подходящей для данной цели контрольно-измерительной аппаратуры. В случае, когда чувствительный слой 5 запитан током высокой частоты, имеющим постоянное эффективное значение, пульсации напряжения начувствительном слое 5 датчика определяются произведением пульсаций сопротивления чувствительного элемента 5 на постоянное эффективное значение тока ( режим постоянного эффективного значения тока ). Напротив, в случае, когда температура, а следовательно, и сопротивление чувствительного элемента имеют постоянное значение (что может быть обеспечено соответствующим автоматическим изменением величинйтока, протекающего по чувствительному слою 5, например, при работе такого датчика в цепи термоанемометра постоянной температуры ), пульсации напряжения соответствуют произведе- нию постоянного сопротивления чувствительного слоя 5 на пульсации тока, компенсирующие тепловые потери чувствительного слоя 5 ( режим постоянной температуры или иначе режим постоянного сопротивления ).В первом случае, когда термочувствительный элемент включен в электроиэмерительную цепь н режиме пос- . тоянного эффективного значения тока, баланс датчика с окружающей средой определяется балансом тепла, подводимого к термочувствительному элементу, и изменениями теплосодержания за счет изменения температуры чувствительного слоя, с одной стороны, и тепла, отводимого охлаждающей жидкостью - с другой. Во втором случае при включении термочувствительного элемента в режиме постоянной ;емпера 1191830туры его тепловой баланс определяется только тепловым потоком от окружающей среды Я , джоулевым теплом,срфвыделяющимся в чувствительном слоедф,1 ), и теплом, отводимым водой Я .Второй режим является более предпочтительным для многих случаев практического применения такого датчика,поскольку не включает в себя член,10характеризующий изменения теплосодержания чувствительного элемента, обусловленные пульсациями скорости и температуры в потоке, Это приводит кдвум положительным факторам: во-пер 15вых, отпадает необходимость опреде-ления инерционности датчика и ее последующей компенсации; во-вторых, тепловой поток, отводимый водой, притаком режиме включения датчика имеетпостоянное значение (Ц = сопз ).вДатчик согласно фиг.3 работаетследующим образом,Эффективное значение тока высокойчастоты, питающего мост 11 от источника 12, устанавливается с помощьюрегулируемого сопротивления 13 на заданном постоянном уровне 12 (опре -1деляемым требуемым нагревом чувствительного элемента 5 ) и измеряется30соответствующим измерителем 14, Ток,питающий мост 11, распределяется подвум плечам: по первому плечу, состоящему из последовательно включенных сопротивлений 15, 17, 19 и 20,и второму плечу, состоящему из сопротивлений 16 и 18, а также сопротивлений подводящж проводов (показаныпунктиром ), Поскольку величина сопротивления 13 во много раз превосходитсопротивление моста 11, ток, протекающий по каждому иэ плеч моста оп -ределяется величиной сопротивления13 и практически не зависит от изменения сопротивления в каждой из ветвей моста (режим постоянного эффек 45тивного значения тока ). С помощью регулируемого сопротивления мост устанавливается в равновесие по индикатору 23 баланса,Для балансировки моста 11 по реактивным составляющим сопротивлений используются регулируемые индуктивность 19 и емкость 20 на основе применения лкбой подходящей для даннойцели методики, например той, что применяется в термоанемометрии для решения аналогичной задачи. При балансе моста 11 значения переменного напряжения в точках 21 и 22 оказьгвается уравновешенными. В первомплече все сопротивления после выполнения балансировки моста 11 сохраняют постоянное значение, а следовательно, и падение напряжения 21 в точке 21 будет постоянным независимо от турбуленТных пульсаций скорости во внешней исследуемой среде, Во втором плече сопротивление 18 термочувствительного элемента, помещенного в турбулентный поток, изменяется в соответствии с изменениями теплового потока от окружающей среды к датчику, вызванными турбулентными пульсациями. Балансировка моста 11 по-прежнему будет иметьместо, однако не в каждый отдельныймомент, а для достаточно больших периодов осреднения по времени, т.е. для среднеквадратичных значений напряжений на обоих плечах моста. В результате наличия пульсаций сопротивления 18 соответствующим образом изменяется и амплитуда высокочастотных колебаний напряжения22 в точке 22 моста 11. Напряжение между точками 21 и 22 усиливается усилителем 24, который может бытьусилителем низких частот ( для усиления лишь огибающей пульсирующего высокочастотного сигнала ), обусловленных турбулентными пульсациями в потоке (в этом случае усиленный сигнал 24 может непосредственно поступать на компенсатор 27 тепловой инерции и затем на регистратор 28). Однако для данного варианта предпочтительно в качестве усилителя 24 испольэовать узкополосный усилитель, работающий на частоте источника 12питания моста 11 ( для снижения влияния шумов и помех на полезный сигнал ). После усиления высокочастотный сигнал 24 , модулированный по амплитуде низкочастотной составляющей, обусловленной турбулентными пульсациями в потоке, поступает на ФНЧ 25, выполняющий роль детектора, выделяющего низкочастотную составляющую 26 сигнала 24 , которая далее подается на компенсатор 27 тепловой инерции, с выхода которого скорректированный сигнал 29 поступает на регистратор 28 для наблюдения или измерения среднеквадратичного значения данного сигнала. Путем деления измеренного среднеквад11918ратичного значения сигнала 29 на коэффициент усиления всего тракта можно перейти к значениям среднеквадратичного сигнала с точек 21 и 22, который является среднеквадратич ным значением раэностного сигнала (между сигналами 21 и 22 ) и исполь.зуется вместе с измеренным измерителем 14 значением тока 12 для последующего расчета турбулентных харак О теристик в потоке.Датчик согласно фиг.4 работает несколько иначе.В отличие от рассмотренного выше датчика в данном варианте сопротивле ние 18 термочувствительного элемента датчика поддерживается постоянным соответствующим изменением тока в це-, пи 31 обратной связи таким образом, чтобы мост 11 оставался в состоянии 20 равновесия, Например, пусть на датчик, нахоцящийся в потоке; начинает поступать больший тепловой поток (положительная пульсация температуры или скорости ). Это вызовет изме кение сопротивления 18 (в сторону его увеличения ). Возникший при этом разбаланс моста 11 в виде разностного сигнала поступает на вход усили 30 8теля 24, где усиливается и затем усй-. ленный сигнал 24 поступает на ФНЧ 25 с выхода которого низкочастотная2составляющая 25 сигнала 24 поступает на регистратор (например, осциллограф, вольтметр и др,), а также на вход управляемого источника 30 тока, в результате его напряжение на выходе управляемого источника 30 тока, подаваемое на мост 11 по цепи 31 обратной связи, изменяется таким образам ( в сторону уменьшения ), чтобы сопротивление 18 в цепи моста 11 сохранило свое прежнее значение. Это значение напряжения 32 в цепи 31 обратной связи одновременно выводится на измеритель 33 среднеквадратичного значения напряжения питания моста. Как и в первом варианте пересчет среднеквадратичного значения напряжения 25 (путем деления на коэффици- ент передачи тракта ) позволяет перейти к значению раэностного среднеквадратичйого сигнала на входе между точками 21 и 22, которое вместе со значением напряжения, подаваемым на мост (измеренным измерителем 33 1, используется далее для расчета турбулентных характеристик в потоке."Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 и 7152/42ВНИИПИ Гпо дел113035,Тираж 896 Подписноеударственного комитета СССРизобретений и открытийосква, Ж, Раушская наб д, 4/5