Устройство для измерения температуры и скорости потока

(51) 5 О АВТО РСКО ИДЕТЕЛ ЬСТВУ лака 9 памяти снимасящее от температуа второго блока 10 ряжение, прямо прорез перегретый атнотермоанемометра и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Институт технической теплофизики АН УССР(56) Авторское свидетельство СССР М 1307345, кл, О 01 Р 5/14, 1987.Авторское свидетельство СССРМ 1530995, кл. 0 01 Р 5/14, 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ПОТОКА (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к термоанемометрическим устройствам, и предназначено для одновременного измерения температузобретение относится к приборостроа именно к технике измерения темпеы и скорости потока жидкости или ению,ратургаза,Цель изобретения - повышение точности измерения изменяющейся скорости неизотермичного потока при постоянной имедленно изменяющейся его температуре.На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.Устройство состоит из источника 1 тока,датчика 2 термаанемометра, высокостабильного резистора 3, делителя 4 сигналов(делителя сигнала с датчика термоанемометра 2 на сигнал с резистора 3), дифференциального усилителя 5 обратной связи,блока 6 компенсации, второй ключевой схемы 7, первой ключевой схемы 8, первогоблока 9 памяти, второго блока 10 памяти, а ры и скорости газовых потоков, С целью .повышения точности измерения в потоке дополнительно размещают датчик температуры и подключают его в дополнительно введенную цепь регулирования, состоящую из однотактного таймера, двух одновибраторов, двух ключевых схем, автоколебательного генератора прямоугольных импульсов, двойного компаратора, дифференциального усилителя, двойного переключателя, блока памяти, источника опорного напряжения. Наличие управления процессом автоматической температурой компенсации позволяет уменьшить ошибку измерения изменяющейся скорости потока, вызванную относительно малым временем измерения этой скорости в сравнении с суммарным временем измерения. 1 ил,также схемы управления автоматическои температурной самокомпенсацией, состоящей иэ термометра 11 сопротивления с датчиком 12 температуры, третьего блока 13 памяти, двойного переключателя 14, дифференциального усилителя 15, двойного компаратора 16, автоколебательного генератора 17 прямоугольных импульсов, третьей ключевой схемы 18, четвертой ключевой схемы 19, однотактного таймера 20, первого 21 и второго 22 одновибраторов и источника 23 опорного напряжения,С выхода первого б ется напряжение, зави ры потока, а с выход памяти снимается нап порцианальнае току че сительно потока датчив конечном счете зависящее от скорости потока,Устройство работает следующим образом.Перед началом измерения температуры и скорости исследуемого потока, т,е. в режиме определения значений напряжений, зависящих от сопротивлений датчиков в течение всего времени изменения температур потока (далее: режим определения значений напряжений) датчик 2 термоанемометра и датчик 12 температуры, представляющие собой терморезисторы, устанавливаются в исследуемый поток, причем датчик 2 термоанемометра устанавливается в ту точку, где необходимо в дальнейшем измерять скорость, а датчик 12 температуры - в одну из тех точек, где исключено взаимное влияние датчиков 12 и 2 на показания друг друга.При этом датчики 12 и.2 совсем не обязательно должны находиться вблизи друг друга,Датчики 12 и 2 подключены к измерительным блокам по четырехпроводным схемам для исключения влияний сопротивлений ключевой схемы 7 и подводящих линий (в том числе и изменения этих сопротивлений) на измерения температур и скорости, что особенно важно при измерении потоков с изменяющейся во времени температурой, которая приводит к изменениям сопротивлений подводящих линий.Для обеспечения работы датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений напряжений общий контакт второй группы контактов двойного переключателя 14 замыкается с вторым контактом этой же группы, на который от источника 23 опорного напряжения поступает опорное напряжение Еоп Это напряжение, закрывая вход второго блока 10 памяти и открывая вход первого блока 9 памяти, заставляет вторую ключевую схему 7 отключить датчик 2 термоанемометра от выхода дифференциального усилителя 5 обратной связи и одновременно подключить этот датчик к выходу источника 1 тока, первую ключевую схему 8 подключить к выходу делителя 4 сигналов, к открытому входу первого блока 9 памяти, на который начинает поступать напряжение с выхода делителя 4 сигналов. Источник 1 тока выдает такой токИ.т, который точно также, как и в термометрах сопротивления, не приводит к нагреву датчика 2 термоанемометра.Температурная составляющая потока, воздействуя на датчик 2 термоанемометра, вызывает изменение его электрического сопротивления по законуВд 21= 802= ( 1 +гхР 2Л 121) Ойд 21 о,т. Вд 21 - 1 ц.т. " х Бог (1 +ар 2 Лт 21 ). 30 а на высокостабильном резисторе 3 в этом режиме образуется напряжение Ояз, рав ное Ойз =1 ц.тз,40 где Вз - величина сопротивления высокостабильного резистора 3.Делитель 4 сигналов в каждый 1-й момент времени делит эти два поступающие в каждый 1-й момент времени на входы на пряжения друг на друга (первое на второе)и на своем выходе, а также на выходе первого блока 9 памяти, имеющего коэффициент передачи 1, образует напряжения, равные; 50 ООяя 21,Овых,41 = Овыхд 1 =К 4 =Окз н,т, Вц 2 К 4 1 цт, Йз Рз- дг 1 = К 4= - 4 В,2(1+ар 2 621),Вз 5 где Кд 21 - сопротивление датчика 2 термоанемометра в режиме определения значений сопротивлений в 1-й режим времени;Ко 2 - сопротивление датчика 2 термоанемометра при температуре 0 С (измерен ное заранее);ар 2 - температурный коэффициент сопротивления датчика 2 термоанемометра;Л Ь - температура потока в месте установки датчика 2 термоанемометра в 1-й мо мент времени(в 0 С),Так как в этом режиме определения значений напряжений датчик 2 термоанемометра и последовательно соединенный с ним высокостабильный резистор 3 через 20 вторую ключевую схему 7 подключены к выходу источника 1 тока, который выдает ток 1 и,т, вход второго блока 10 памяти и входы делителя 4 сигналов высокоомные, то согласно закону Ома, на датчике 2 термоане мометра в режиме определения значенийнапряжений образуются напряженияОвд 21, равные:10 15 20 25 30 35 40 50 55 где К 4 - коэффициент пропорциональности делителя сигналов, имеющий размерность напряжения (спедовательно, величина К 4/Вз имеет размерность тока).Таким образом, на выходе первого блока 9 памяти образуются напряжения Овых 9, зависящие от сопротивлений Вг и в конечном счете от температур йг,В этом режиме блоки 6 и 5 не влияют на работу устройства, так как вторая ключевая схема 7 отключает выход блока 5 от остальной схемы. В это же время на выходе термометра 11 сопротивления образуются напряжен 1 я Овых 11 - К 111118012( 1 + ар 2 " х Л 112 ) = К 11Яц 12,где Овых 1 - напряжение на выходе термометра 11 сопротивления в 1-й момент времени;К 1 - коэффициент усиления по напряжению термометра 11 сопротивления; 111 - ток термометра 11 сопротивления,протекающий через датчик 12 температуры; Во 12 - электрическое сопротивление датчика 12 температуры при температуре 0 С (измеренное заранее);ар 2 - температурный коэффициент сопротивления датчика 12 температуры;ь т 12 - температура потока в месте установки датчика 12 температуры в 1-й момент времени (в 0 С).Таким образом, в режиме определения значений напряжений на выходе термометра 11 сопротивления и на первом выходе устройства (на выходе первого блока памяти 9) одновременно (так как времена прохождения сигналов от датчика 12 температуры до выхода термометра 11 сопротивления и от датчика 2 термоанемометра до выхода первого блока памяти 9 пренебрежимо малы (образуются напряжения Овых 11 и Овых 9, зависящие от сопротивлений датчиков 12 и 2 и от температур потока в точках установки этих датчиков).Эти напряжения одновременно записываются (запоминаются) контрольно-записывающей аппаратурой во всем диапазоне изменяющихся температур исследуемого потока, после чего строят зависимость напряжения Овыхот напряжения Овых 9, т.е, Функцию Овых 11 = т(Овых 9) и по ней заранее(из экспериментов или иэ расчетов) зная, на какую величину допускается изменение температуры потока в точке установки датчика термоанемометра, определяют наименьшую допустимую величину изменения напряжения Овых 11, т.е, величинуьОвых 11 акоп ви В режиме определения значений напряжений, когда на общий контакт второй группы контактов двойного переключателя 14 с второго коммутируемого контакта этой группы от источника 13 опорного напряжения поступает опорное напряжение Еоп, обеспечивающее работу датчика 2 термоанемометра в режиме измерения температуры, на общий контакт первой группы контактов этого двойного переключателя 14 с второго коммутируемого контакта этой же группы, подключенного к общей шине, поступает нулевое напряжение. Тэк как на первый вход дифференциального усилителя 15 с выхода термометра 11 сопротивления поступает напряжение Овых 11, а на второй вход этого дифференциального усилителя 15 с общего контакта первой коммутируемой группы контактов двойного переключателя 14 поступает нулевое напряжение, то между входами дифференциального усилителя 15 образуется разность входных напряжений, равная Оаых 11 О=Овых 11 = К 118012 " х ( 1 + ар 12 Л т 12 )11. Эта разность напряжений усиливается дифференциальным усилителем 15 и на его выходе образуется в 1-й момент времени напРЯжЕние Овых 5 Равное Овых 15 - К 15Овых 3 - К 5К 11 " Яог (1 + арг Л тг ) 11, где К 5 - коэффициент усиления дифференциального усилителя 15.Это напряжение поступает на вход двойного компаратора 16. Величина входного порогового напряжения двойного компаратора 16 выбирается заведомо меньше величины напряжения, поступающего на его вход в режиме определения значений напряженийК 15К 11Ког(1+аргЛтг) 111.Вследствие этого двойной компаратор 16 срабатывает, и на его выходе образуется напряжение, достаточное дпя открывания третьей ключевой схемы 18.В это время с генератора 17 импульсов на вход третьей ключевой схемы 18 непрерывно поступают импульсы напряжения прямоугольной формы с малым периодом следования (на 3,4 порядка меньшим, чем время, необходимое для остывания в режиме измерения температуры ранее перегретого в режиме измерения скорости датчика 2 термоанемометра).Так как в это время третья ключевая схема 18 открыта, то импульсы напряжения прямоугольной формы беспрепятственно поступают на вход четвертой ключевой схемы 19, которая в это время также открыта (так как ключевая схема 19 закрывается только после окончания импульса, выдаваемого однотактным таймером 20), и далее - на вход однотактного таймера 20, работающего в режиме одновибратора. Однотактный таймер 20 запускается и выдает на своем выходе импульс, амплитуда которого близка к опорному напряжению Еоп, Этот импульс поступает на входы одновибраторов 21 и 22,Длительность импульса, выдаваемого однотактным таймером 20, такова, что она может обеспечить измерение температуры датчиком 2 термоанемометра даже в том случае, если бы он был ранее перегрет В режиме измерения скорости, т.е, длительность импульса достаточна для остывания датчика 2 до температуры потока.После окончания импульса, выдаваемого однотактным таймером 20, запускается первый одновибратор 21, который выдает на своем выходе импульс, который, поступая на управляющий вход четвертой ключевой схемы 19, закрывает ее вход. При этом на вход однотактного таймера 20 перестают поступать запускающие прямоугольные импульсы, что препятствует запуску однотактного таймера 20 до момента окончания импульса, выдаваемого первым одновибратором 21.Длительность этого импульса такова, что она может обеспечить измерение одного значения скорости, т.е. длительность импульса может обеспечить нагревание датчика 2 термоанемометра до заданной величины перегрева.Таким образом, импульс, выдаваемый первым одновибратором 21, исключает повторный запуск однотактного таймера 20 на время, которое может понадобиться для измерения одного значения скорости. После окончания этого импульса цикл повторяется, т.е, происходит новый запуск однотактного таймера 20, а затем новый запуск первого одновибратора 21 и т.д, Пока открыта ключевая схема 18, происходят цикличные попеременные запуски однотактного таймера 20 и первого одновибратора 21.После окончания импульсов, выдаваемых на выходе однотактным таймером 20, запускается не только первый одновибратор 21, но и второй одновибратор 22, формирующий на своем выходе импульс, поступающий на управляющий вход третьего блока 13 памяти и открывающий входэтого блока на время, достаточное для запоминания на выходе этого блока (имеющего, как и первый и второй блоки памяти, коэффициент передачи 1) напряжения, поступившего в момент закрытия ) третьего блока 13 памяти на его вход с выхода термометра 11 сопротивления.Следовательно, на выходе третьего блока 13 памяти запоминается напряжение Овых 1 З, раВНОЕ НВПряжЕНИЮ На ВЫХОДЕ тЕрмометра сопротивления в момент ); Овых 1 Э) = Овых 11) = К 11111Йц 121 == К 11 111801 г(1 + аР Л 11 г ) . В результате наличия цикличных запусков однотактного таймера 20 происходят периодические запуски второго одновибратора 22, следовательно, на выходе третьего блока 13 памяти все время происходит обновление (перезапоминание) напряжения Овых 1 э 1, Поскольку это напряжение, несущее информацию о температуре потока в месте установки датчика 12 температуры в момент времени). запоминается, то появляется возможность сравнивать с этой запомненной в момент ) времени информацией о температуре поока информацию о температуре потока в последующие моменты времени и результат сравнения использовать для автоматического управления процессом температурной компенсации, т,е, после режима определения значений напряжений, оканчивающихся определением величины 20 25 30 35 ществить режим измерения температуры и скорости с автоматическим управлением процессом температурной компенсации. Это осуществляется, после того, как в двойном компараторе 1 б выставляют такую величину входного порогового напряжения Опор. 16, ПРИ КОтОРОй ВЫПОЛНЯЕТСЯ РаВЕНСт- во 1 4 Овых 11 цоп.еиК 15=Опор,16 и после переключения двойного переключателя 14. 50 При этом общий контакт второй группы контактов двойного переключателя 14 замыкается с первым контактом этой же группы, соединенным с выходом однотактного таймера 20, а общий контакт первой группы контактов двойного переключателя 14 замыкается с первым контактом этой же группы, в результате чего выход третьего блока памяти оказывается соединенным с вторым входом дифференциального усилителя 15. Теперь на второй вход дифференциального ЬОвых 11 мин.акоп., ПоявЛявтСя ВОЭМОЖНОСТЬ Осу 1679390 10"Й 92Кпер = К 4/ ВЗВа 2 треб. ь где Йв 2 треб. - то требуемое сопротивление 50датчика термоанемометра 2, которое ондолжен иметь при данной температуре потока Лт 2 в точке установки датчика термоанемометра в режиме измерения скорости,т.е. будучи перегретым с коэффициентом 55Кпер. относительно потока,На выходе блока 6 компенсации образуЕТСЯ НаПРЯжЕНИЕ Овых, б, ПРОПОРЦИОНаЛЬНОЕТому СОПротИВЛЕНИЮ Ви/2 треб., КотороЕ ДОЛ-. усилителя 15 поступает не напряжение с общей шины (т,е, нулевое напряжение), как это было в режиме определения значений напряжений, а напряжение с выхода третьего блока 13 памяти. Поскольку в первый 5 момент времени после запоминания третьим блоком памяти напряжение Овых 1 э 1, поступившее на второй вход дифференциального усилителя 15, равняется напряжению Овых 1 ц, поступающему на первый вход 10 этого же дифференциального усилителя 15, то на выходе дифференциального усилителя 15, усиливающего разность этих двух напряжений в К 15 раэ, тоже образуется нулевое напряжение. Нулевое напряжение, посту пая на вход двойного компаратора 16, не вызывает появления на его выходе напряжения. В результате вход третьей ключевой схемы 18 оказывается закрытым и на вход однотактного таймера 20 не поступают за пускающие импульсы, и на его выходе после окончания импульса напряжения величиной, близкой к Ео, устанавливается напряжение, обеспечивающее режим измерения скорости, представляющий собой одну иэ 25 двух частей рабочего режима, Это происходит независимо от того, открыт или закрыт вход четвертой ключевой схемы, т,е. независимо от того, какое напряжение на своем выходе выдает первый одновибратор 21. 30В последний момент перед началом режима измерения скорости на выходе первого блока 9 памяти запоминается НаПРЯжЕНИЕ Овых 9, ЗаВИСЯЩЕЕ От СОПРОтИВ- ления В 92. Блок 6 компенсации, представля ющий собой усилитель с коэффициентом передачи, равным коэффициенту перегрева Кпер, умножает поступающее на его вход напряжение на коэффициент перегрева Кпер, датчика 2 термоанемометра, Таким об разом, на выходе блока 6 компенсации пол- УЧаЕтСЯ НаПРЯжЕНИЕ Овых б, РаВНОЕ жен иметь датчик 2 термоанемометра в режиме измерения скорости, Это напряжение поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 5 обратной связи,В режиме измерения скорости на управляющие входы блоков 7 - 10 поступает с выхода однотактного таймера 20 такое напряжение, при котором вторая ключевая схема 7 отключает датчик 2 термоанемометра от выхода источника 1 тока и подключает датчик 2 термоанемометра к выходу дифференциального усилителя 5, первая ключевая схема 8 отключает выход делителя 4 сигналов от первого блока 9 памяти и подключает выход делителя 4 сигналов к инвертирующему входу дифференциального усилителя 5, закрывается вход первого блока 9 памяти и открывается вход второго блока 10 памяти, работающего противофазно с первым блоком 9 памяти. При этом на выходе первого блока 9 памяти сохраняется ранее запомненное в последний момент режима измеРения темпеРатУРы) ндпРЯжение Овых, 9, которое хранится до подачи следующего открывающего его вход импульса напряжения. Следовательно, и на управляющий (неинвертирующий) вход дифференциального усилителя 5 обратной связи по-прежнему поступает с выхода блока 6 КОМПЕНСаЦИИ НаПРЯжЕНИЕ Овых. б.РаВНОЕ/Овых.б - Овых.дКпер - К 4 ВЗВи/2 треб.На инвертирующий вход дифференциального усилителя 5 обратной связи поступает в этот момент времени с выхода делителя 4 сигналов через первую ключевую схемУ 8 напРЯжение Овых. 4, 06 Разовдвшееся в результате деления напряжения, снимаемого с датчика 2 термоанемометра, на напряжение, снимаемое с высокостабильного резистора 3 величиной Вз, т.е,:О рит 2 ист Овых 4 / .К 4 -Оэ вых.5Ви/2 ист К 4В В и 2 истгде Ов п 2 ист - напряжение, снимаемое с датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости (истинное напряжение на датчике 2 термоанемометра 2);Вщист - истинное сопротивление датчика 2 термоанемометра в режиме измерения скорости.вых, 5 - ВЫХОДНОЙ тОК ДИффЕРЕНЦИаЛЬ- ного усилителя 5 обратной связи, протекаю 167939010 щий через датчик 2 термоанемометра и через высокостабильный резистор 3 в режимеизмерения скорости,Таким образом, на неинвертирующийвход дифференциального усилителя поступает напРЯжение, Равное К 4 Юз 82 треб ана управляемый вход- напряжение, равноеК 4/ЙЭ Йю 2 истДифференциальный усилитель 5 усиливает разность двух напряжений и эта величина подается в обратную связь, т.е.непосредственно через вторую ключевуюсхему 7 на датчик 2 термоанемометра, перегревая его относительно потока и изменяяЕГО СОПРОТИВЛЕНИЕ В 2 ивт ДО ВЕЛИЧИНЫВа 2 требНа высокостабильном резисторе 3 приэтом образуется напряжение Ояз, прямопропорциональное току через датчик 2 термоанемометра и зависящее от скоростипотока. Это напряжение поступает на входвторого блока 10 памяти, имеющего, как ипервый блок 9 памяти, коэффициент передачи, равный 1.Так как в этот момент времени входвторого блс ка 10 памяти открыт, то на еговыходе Образуется напряжение Овых 10=Ояз, также пропорциональное скорости потока и изменяющееся вместе с ней до тогомомента, пока с выхода однотактного таймера 20 не приходит импульс с амплитудойнапряжения (близкого к Еоп), который опятьпереключает термоанемометрическуючасть схемы блока, в режиме измерениятемпературы блоков 1-10, представляющемсобой одну из двух частей рабочего режима, прикотором коммутация блоков 1 - 10 такая же,как и в режиме определения значений напряжений. При этом этот импульс, помимоописанных в режиме определения значенийнапряжений коммутаций блоков 7, 8 и 9,закрывает вход второго блока 10 памяти, врезультате чего на его выходе сохраняетсядо следующего открывающего импульса(т.е. такого импульса, при котором опять наступает режим измерения скорости),Формула изобретенияУстройство для измерения температурыи скорости потока, содержащее последовательно соединенные датчик термоанемометра и подключенныи к общей шиневысокостабильный резистор, которые па 15 20 25 30 35 40 45 50 раллельно подключены к входам делителя сигналов, выход которого соединен с входом первой ключевой схемы, первый выход которой соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а второй выход - с входом первого блока памяти, выход которого является первым выходом устройства и через блок компенсации с неинвертирующим входом дифференциального усилителя обратной связи, общая точка соединения датчика термоанемометра и высокостабильного регистра соединена с входом второго блока памяти, выход которого является вторым выходом устройства, а управляющий вход обьединен с управляющими входами первого блока памяти, первой ключевой схемы и второй ключевой схемы, первый вход которой соединен с выходом источника тока, второй вход - с выходом дифференциального усилителя обратной связи, а выход - с датчиком термоанемометра, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены однотактный таймер, два одновибратора, двойной переключатель, генератор прямоугольных импульсов, третья и четвертая ключевые схемы, двойной компаратор, второй дифференциальный усилитель, третий блок памя ги, со опорного напряжения, термометр сопротивления, выход которого соединен с информационным входом третьего блока памяти и первым входом дифференциального усилителя, выход которого соединен через двойной компаратор с управляющим входом генератора прямоугольных импульсов, а выход - с информационным входом четвертой ключевой схемы, выход которой соединен с входом однотактного таймера, выход которого объединен с входами первого и второго одновибраторов, выходы .которых соединены соответственно с управляющими входами четвертой ключевой схемы и третьего блока памяти, выход которого соединен с первым входом двойного переключателя, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с общей шиной, источником опорного напряжения и выходом Однотактного таймера, а первый и второй выходы - с управляющими входом первого блока памяти и вторым входом второго дифференциального усилителя,Составитель Г.Лисен Техред М.Моргентал Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5