Способ определения профиля поля скоростей текучей среды и устройство для его осуществления

ООЗ СОВЕТСК ХОциАлистическиЕСПУБЛИК 5)5 0 01 Р. Б/12 ЗОБРЕЛЬСТВУ ЯИ 3%ЛЗРУОПФЛЮ 1 ЕС%ФИИФЕФСФБЮ.В,ЛЪЗИЗЮФИ 3 ЗХЯ%3 М;.:ВДДФВ 2 ФЮМЫЖЯРййЮЛ%.ЮЗАХ-ЫГ(71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности и Киевский технологический институт легкойпромышленности(56) Коротков П.А, и др, Динамические контактные измерения тепловых величин. Л,;Машиностроение, 1974, с. 105.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯПОЛЯ СКОРОСТЕЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: определенйе профиляполя скоростей стационарнь 1 х потоков приоптимизации размеров и конфигурации су.шильных и холодильных камер и рабочихобъектов других технслогических аппаратов. Сущность изобретения; Бескорпусныетранзисторы, расположенные в заданных. точках текучей среды, поочередно подклюеляют изПри этом исвязанбильностх транзис оответ-, сключаые с:,: о пардторов, 1 или жидкои среды, опредствующйх соотношений,ются погрешности,неидентичностью и нестаметров ряда используемь Изобрет рения лине жидкостныхние относится к области изме-ных скоростей воздушных и потоков подогревными термоможет быть использовано для профиля поля скоростей ста-ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИД чаются к источнику постоянного напряжения через калиброванный нагруэочный резистор, в результате чего происходит нагревание транзисторов до температуры, превышающей температуру окружа 1 ощей средь. Регистрируют падения напряжений на открыть 1 х переходах транзисторов до достикения установившегося нагрева и определяюг среднеквадратическое отклонение падения напряжения на одном из транзи- сторов. Изменяют калиброванное сопротивление источника питания до достижения значения, при котором устайовившиеся падения напряжений на открытых переходах транзисторов превышают ранее установ. ленные на величину, равную 10 - 20 значениям среднеквадратического отклонения,Регистрируют вторые значения падении напряжений на транзисторах. Измеряют температуру окружающей транзисторы текучейг среды, а локальные корости, определяю 1 щие профиль поля скоростей для газовой .с ционарных потоков при оптимизации размеров и конфигурации сушильных и холодйльных камер и рабочих объемов другихтехнологических аппаратов.Извесген способ определения локальных скоростей текучей среды, основанный на измерении температуры нагретых термодатчиков, установленных в ряде точек движущегося потока. При помещении в движущуюся жидкую или газовую среду нагреваемых электрическим током термодатчиков конвективный снос тепла потоком является основным фактором, определяющим температуру их нагрева, по которым судят о локальных скоростях движущейся среды.Недостатком способа определения локальных скоростей по температурам нагрева термодатчиков является низкая точность из-за непостоянства электрической мощности, рассеиваемой каждым датчиком вдвижущуюся среду и локальных изменений физико-химических параметров среды в точках контроля при значительных перегревах датчиков.Известен способ определения локальных скоростей текучей среды, основанный на измерении электрических сопротивлений термодатчиков, работающих в режиме заданной температуры, Благодаря уравновешивающему преобразованию каждого датчика локальные скорости определяются по значениям электрических токов, которые питают самобалансирующиеся мосты с термодатчиком в одном из его плеч. При этом температуры нагрева датчиков остаются практически постоянными, а профиль поля скоростей определяется по разности нагревающих электрических токов,Однако и этот способ не обеспечивает высокой точности определения локальных скоростей в месте установки полупроводниковых датчиков из-за нестабильности их параметров во времени и нелинейной зависимости от протекающего тока.Наряду с металлическими и полупроводниковыми термопреобразователями в технике измерения скоростей стали применять также транзисторные термодатчики, в которых температурная зависимость напряжения смещения на базе Об транзистора при низком уровне инжекции имеет линейный характер. Избыточная температура Лт, равная разности между температурой нагретого датчика и среды, является функцией скорости движения среды Ч, т, 6. ,где Г - площадь поверхности термодатчика,участвующая в теплообмене,Величину Л г определя 1 от по величинОб при стабилизации тока коллектора.Наиболее близким по технической суп- ности и достигаемому результату к предла гаемому является способ определениялокальных скоростей текучей среды (см, Зайцев Ю.В. и др. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи,- М.: Радиосвязь, 1985, с. 107-110), основанный на 10 том, что бескорпусные транзисторы располагают в заданных точках исследуемой среды, пропускают через открытые р - и-переходы транзисторов токи, которыми нагревают транзисторы до значения темпе ратуры выше температуры исследуемойсреды, измеряют падения напряжений на открытых переходах транзисторов, э также температуру исследуемой текучей среды, определяют коэффициенты теплоотдачи 20 транзисторов, по значениям которых судято локальных скоростях в точках расположения транзисторов.Коэффициенты теплоотдачи транзисторов, зависящие от локальных скоростей сре ды в точках их расположения, определяютпо формуле: Оп пап =у Р,30где ап - коэффициент теплоотдачи в и-йточке,Оп - падения напряжения на п-м открытом р - п-переходе,1 и - ток, протекающий через р-и-переход,Л Тп - перегрев, транзистора относительно среды в и-й точке,Г - поверхность теплообмена транзи 40 стора,Зависимость коэффициента теплоотдачи а от скорости текучей среды определяютв процессе калибровки для конкретных теплофизических параметров исследуемого по 45 тока жидкости или газа,устройство для измерения профиля поля скоростей текучей среды, выбранной вкачестве прототипа, содержит источник постоянного напряжения, к выходу которогочерез калиброванный нагрузочный резистор подключен инвертирующим входомоперационный усилитель, в цепь обратнойсвязи которого включен транзисторный термодатчик, а к выходу операционного усилителя подключен отсчетно-регистрирующийприбор;Недостатком известного способа и ус 1- ройства является невысокая точнос 1 ь иэмерения скорости в ряде точек из-злнеидентичности параметров датчиков транзисторов, обусловленных технологическим разбросом. Предварительная калибровка каждого транзисторного датчика не гарантирует высокой точности в определении профиля поля скоростей текучей среды изза временной и температурной нестабильности параметров транзисторов, вызываемой физико-химическими процессами износа и старения переходов полупроводниковой структуры, особенно при использовании датчиков в агрессивных сре 3инематическая вязкость среплопроводность среды,диаметр бескорпусного тра дь где-б - 10 ра,нзистокоэффицидса,емператук т, зависящий о ейно опроводность нт, здвисящи д а - т р среды,Целью предполагаемого изобретения в оэффициеявляется повышение точности определения 15 Прандтля,локальных скоростей текучей"среды за счет Е - поверхность теп б на бескорисключения погрешнОстей, возникающихпусноготранзистора,из-за неидентичности и нестабильности па- . Оо - напряжение питания, смещающеераметров ряда используемых транзисторов, р - и-переход транзисторов в прямом наПоставленная цель достигается тем, что 20 правлении,в способ определения профиля поля скоро-. То - температура текучей среды,стей текучей среды, включающий размеще- ц - заряд электрона,ние в задан ных точках текучей среды . К - постоянная Больцмана.бескорпусныхтранзисторов, нагревтранзи- Поставленная цель в предлагаемом уст-сторовдотемпературы,превышающейтем ройстве достигается тем, что в устройствопературу исследуемой среды путем для определения профиля поля скоростейпропускания через открытые р - и-переходы текучей среды, содеркащее источник постотранзисторов тока, регистрацию падений янного напряжения, калиброванный резинапрякенийнаоткрытыхпереходахтранзи- стор и операционный усилитель, в цепьсторов, измерение температуры текучей 30 обратной связи которого включентранзисреды и определение коэффициентов теп- сторный термодатчик, дополнительно ввелоотдачи транзисторов, по значениям кото- дены новые блоки: аналого-цифровойрых судят о локальных скоростях в точках преобразователь, второй калиброванныйрасположения транзисторов, дополйитель- . резистор, двухпозиционный переключано введены новые операции йоочередного 35 тель,два цифроуправляемых коммутаторовподключения транзйсторов к одному источ- и микро-ЭВМ, а транзисторный термодатнику постоянного напряжения через калиб- чик выполнен в виде полупроводниковойрованный резистор с сопротивлением. Й, матрицы, узлы которой соединены черезрегистрации падений напряжения Она бескорпусные транзисторы в диодномтранзисторах после достижения установив включении, при этом входы цифроуправляшегося нагрева, определения среднеквад-емых коммутаторов соединены с ортогоратического отклонения падения нальными проводниками матрицы, выходнапряжения на одном из транзисторов, из- первого цифроуправляемого коммутатораменения калиброванного сопротивления соединен с инвертирующим входом операнагрузки источника питания до значения Вг, 45 ционного усилителя, выход операционногопри котором установившиеся падения на- усилителя соединен с выходом второго цифпряжений превышают ранее установлен- роуправляемого коммутатора и входомананые значения на величину, равную 10 - 20 лого-цифрового преобразователя, выходзначениям среднеквадратического отклоне- которого соединен с шиной данных микрония, регистрации падений напряжений Ог 50 ЭВМ, управляющие входы коммутаторов ина транзисторах, определения локальных управляющийвходдвухпозиционногоперескоростей газовой Ч и жидкой Чпж сред из ключателя подключены через порты вводасоотношений; вывода данных к общей шине микро-ЭВМ, аВвыход источника постоянного напряжения40 о о+ "и/Рг) 55 подключен через параллельно соединенныег+ь- ).,калиброванные резисторы и двухпозиционп(0,Яный переключатель к инвертирующему вхо-.Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.Бескорпусные транзисторы располагаются в заданных точках текучей среды. Поочередно к электродам транзисторов подключают источник постоянного напряжения, смещающий р - и-переход в прямом направлении, Связь между токомчерез р - п-переход и падением напряжения О на нем определяется уравнением вольтамперной характеристики; О е вт(еч кт - 1) (1) где ое вт - ток насыщения, зависящий отабсолютной температуры Т,о - ток насыщения при Т -+ оо.В - коэффициент, имеющий размерность температуры и зависящий от ширинызоны перехода,с - заряд электрона,К - постоянная БольцманаУчитывая, что при температуре Т300Кзначение КТс 26 мВ, можноуравнение(3) Учитывая, что ток насыщения о , падение напряжения представим выражением: О = ---и(О/)Т, (4)КВ КЦ Ц,из которого видно; что падение напряжения на открытой р-и-переходе линейно зависит от температуры Т и уменьшается с увеличением температуры,Силу тока через переход задают последовательно включенным резистором, сопротивление которого выбирают из условия нагрева транзистора относительно неподвижной среды на (5 - 7) К. В этом случае падение напряжения на переходе определится температурой исследуемой среды То и перегревом транзистора ДТ под действием тока 1 = Оо/В 1 О = --- иКВ КВ 1где Оо - напряжение источника питания, смещающее р-п-переход транзистора в прямом направлении,В 1 - сопротивление нагрузки в цепи пи тания транзистора,При поочередном подключении транзисторов, расположенных в точках контроля локальных скоростей текучей среды, через нагрузочный резистор к источнику питания 10 получаем: 15 О 1 Ооай Гт О 2 Оо (Х 2 В 1 Г(8) 50 а измененные перегревы соответственно О" ОДТ где В 1, В 2, ., В, и о 1, о 2, "., оп - параметры 20 транзисторов, характеризующие их индивидуальные свойства и зависящие от степениих технологического разброса,Регистрируют после нагрева транзисто//ров падения напряжений О 1, О 2, , Оп и 25 изменяют ток через транзисторы до значения 2 = Оо Я 2, при котором устанавливают/ /ся новые значения перегревов исоответствующие им падения напряжений:ойО 2уО = --- Еп - (Т,+ат,и,р)Ф Фк 8у о- - Ь " Т, тгде В 2 - второе значение сопротивления резистора в цепи транзисторов.40 Если мощность, рассеиваемую транзистором, выразить через произведение токаперехода и падения напряжения на нем, тодля небольших перегревов (ДТ (8-10) К)имеем45(9) йгО - О = - и - хо д 1Ъ где ге 1, аг, , ап - коэффициенты теплоотдачи транзисторов,Р - поверхность теплообмена выбранного типа транзисторов,Различия между перегревами ЬТ 1 иЬТ, ЛТ 2 и ЬТ 2, ,;ЛТ и ЛТ Тем 10меньше, чем меньше различия. между.нагревающими токами 1 и 2,Силу тока изменяют в минимальныхпределах, но настолько, чтобы возникающее падение напряжейия на переходе было 15достаточно различимо с предыдущим на фоне помех от флюктуаций локальных скоростей и шумов транзистора, При нормальномраспределении. случайных отклонений напряжения относительно среднего значения 20падения напряжения максимальная случайная погрешйость измерения не может бытьбольше среднеквадратйческого отклоненияпри вероятности Р = 0,997 более, чем в 3раза. Поэтому разность падений напряжений, например, в первой точке должно удовлетворять условию 30. (лт 1" -лт 1)ГдР, (10)где г Л 0 - среднеквадратическое откло-н 2нение регистрируемого напряжения,е - 1 коэффициент запаса.При выборе коэффициента 8=10-20 падЕйИя НаПряжЕНИя О, 02, , 0 ня МОЖНО зарегистрировать с малой систематической погрешностью, присущей цифровым милливольметрам или ЭВМ с аналого-цифровыми преобразователями.Определяют иэ ряда йзмерейий падений напряжений;значение среднеквадратического отклонейия, например, в первой точке, и выбирают значение сопротивления Яг, удовлетворяющее условию(1 О). При этом 45 можно считать, что перегревы от токов 11 и 1 г одного перехода мало отличаются друг от друга, т.е. еТ 1 =- ЛТ 1"; ЛТг ф Лтг"; В соответствии с соотношением (11) перегревы ЛТ 1, ЬТ 2, , ЛТ в выраже нии (б) и перегревыЬТ 1, ЛТ 2,ЬТв в выражении (7) можно заменить средними пееггреващ. дТ дТ О, О, ОдТ = -- = +к, к,ыгдт +дт, (4 Ц, О.дт,= = - + ,-Т , Ы 2аядтнл дТОл О (4дТ- - 1 -иВ к Рое ГТогда с учетом средних перегревов иэ (12) выражение (б) представимв виде:КВ К 1 е,о:-е. " (т.т)Он К 1И= -- п "(Т, Ьт)гу о 1" а выражение (7) соответственнок К 6 3 С 1 ОКо,. - - - Еп " )(т+ьт,),оо,: -- е (" )(т,ьт,1,о КВа/1 оя Йаи В к Х Р, . Определяют разности падений напряжений на каждом транзисторе при двух значениях сопротивления в нагрузке источника питания,И(ТофдТн 1О-О=" 8 п -Из соотношения (15) с учетом (12) находят средние перегревы транзисторов:13 1786110 10 20 25 1, Способ определения профиля поляскоростей текучей среды, включающий размещение в заданных точках текучей среды 30 бескорпусных транзисторов, нагрев транзисторов до температуры, превышающей температуру исследуемой среды, гутем пропускания через открытые р-и-переходы транзисторов тока, регистрацию падений напряжений на открытых переходах транзисторов, измерение температуры текучей среды и определение коэффициентовтеплоотдачи транзисторов, по значениям которых судят о локальных скоростях в точках расположения транзисторов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности, транзисторы подключают поочередно к одному источнику постоянного напряжения через калиброванный резистор с сопротивлением Я, регистрируют падения напряже ния О на транзисторах после достиженияустановившегося нагрева, определяют среднеквадратическое отклонение падения напряжения на одном из транзисторов, изменяют калиброванное сопротивление на грузки источника питания до значения Я 2,при котором установившиеся падения напряжений превышают ранее установленные значения на величину, равную 10-20 значениям среднеквадратического отклоне ния, регистрируют вторые значенияпадений напряжений Она транзистоРрах, а локальные скорости газовой Чпг и жидкой Чп сред определякт из соотнс шений Использование транзисторов 8, 9., 10 в других узлах матрицы 11, включенных по схеме общей базы (диодное включение), позволяет исключить влияние базового сопротивления транзистора на вид его вольтамперной характеристики р-и-перехода, а, следовательно, уменьшить различие вольт-амперных характеристик используемых транзисторов по динамическому сопротивлению,открытого р -п-перехода транзистора, входное напряжение усилителя близко к нулю, а его выходное напряжение не зависит от его коэффициента усиления и пропорционально напряжению источника питания Оо (Овцх= (Яз/Яо)ОО). Выходное напряжение усилителя 5 преобразуется с помощью АЦП 13 в цифровой код, который вводится в память микро-ЭВМ 14. Затем по команде микро- ЭВМ 14 коммутаторы 6 и 7 включают в цепь обратной связи усилителя 5 транзистор 8, расположенный в и-й точке контролируемой среды, Из-за глубокой обратной связи через р - и-переход транзистора 8 входное напрякение усилителя 5 также устанавливается близким к нулю и разогревающий ток задается напряжением источника питания 1 и калиброванным резистором 2 (11 = Оо/Я 1). Выходное напрякение операционного усилителя 5 равно падению напряжения на рп-переходе транзистора 8 с обратным знаком и также не зависит от коэффициента усиления самого усилителя (Овых = Оп ). Поскольку значение тока через р-и-переход транзистора задается калиброванным резистором 2 и стабильным источником питания 1, то выходное напрякение усилителя 5 является функцией температуры нагрева перехода, которая в свою очередь определяется локальнои скоростью среды в контролируемой точке, Соответствующее значение кода вводится в память микро-ЭВМ 14. В последующих положениях коммутатора регистрируются и запоминаются коды падение напряжений на транзисторах 9.10, расположенных в других точках исследуемой среды, соответствующих узлам матрицы 11,Далее по команде от микро-ЭВМ 14 переключатель 4 подключает ко входу операционного усилителя 5 калиброванный резистор 3 с сопротивлением Я 2, которое выбирают из соотношения (10). Разогревающий ток через переходы транзисторов изменяется и становится равным 12 = Оо/Я 2, Коды падений напряжений на транзисторах, включаемых коммутаторами 6 и 7, поочередно вводятся в пгмягь микро-ЭВМ 14И Ч Ч(Оч, О 2, , Ов), где фиксируются. По результатам двух измерений гадений напряжений.ю Л на переходах каждого транзистора (Ол и Опвключаемых матрицей 11, и значениям калиброванных резисторов (Я 1 и Я 2, и Яз) по алгоритму решения уравнения (22) или (23) определяются локальные скорости потоков в контролируемых точках, результаты которых выводятся на дисплей 15 и цифропечать 17, В память микро-ЭВМ 14 с пульта 16 вводятся значения температуры текучей среды 1 ее теплопроводность Я, кинематическая вязкость и, температуропроводность а для жидких сред, а также параметры,характеризующие геометрические размеры транзисторов (б, Е) и физические константы (К, ц). По введенным данным микро-ЭВМ 14 рассчитывает значения чисел Рейнольдса и Прандтля, по которым в оперативную память микро-ЭВМ 14 вводятся коэффициенты с и гп по таблицам соответствия, записанным в ПЗУ микро-ЭВМ 14. Формула изобретения15 1786440 16й о д о"1тель, в цепь обратной связи которогоМп11 + в Квключен транзисторный термодатчик, о тг 1 г 1 11 1О -01., л и ч а ю щеес я тем, что, с целью повыше-.1КЬ р- 0ния точности, в него введены аналого-циф-.,:, ровои преобразователь, второй0,4 1 ц р +икалиброванный резистор, двухпозиционУп,=-д," ныйпереключатель,два цифроуправляемых% е 1 Т коммутатора и микроЭВМ, а транзисторныйО- ООК Ь К,йД 1 О термодатчик выполнен в виде проводникогде м- кинематическая вязкость среды; вой матрицы, узлы которой соединены чеЛ- теплопроводность среды; рез бескорпуснь 1 е транзисторы в диодномб - диаметр бескорпусногб транзисто-; включении, при этом входы цифроуправляра;: ., емых коммутаторов соединены с ортогос - коэффйциент, зависящий от числа нальными проводниками матрицы вь од, выходейнольдса; :.первого цифроуправляемого коммутатораатемперагуропроводность среды;соединен с инвертирующим входом операй - - коэффициент, здвисящйй от числа: " циойного усилителя, выход операционногоПрандтля; ,. усилителя соединен с выходом второго цифГ - поверхность теплообмена бескор О роУправляемого коммутатора и входом ана гХусноготранзистора;лого-цифрового преобразователя, выходОо напряжение пйтания, смещающее которого соединен с шиной данных микрор - "и-переход транзисторов в прямом на- ЭВМ, управляющие входы коммутаторовправлении; :; -управляющий вход двухпозиционного переТо - температуратекучей среды;ключателя подключены через порты вводао - зарядэлектройа;:вывода данных к общей шине микроЭВМ, а25К - постоянная Больцмана,-выход источника постоянного напрякения2, Устройство для определения профиля " подключейчерез параллельно соединенные поляскоростей текучей среды, содержащее калиброванные резисторь 1 и двухпозиционисточйик постоянного напряжения, калиб- ный переключатель к инвертирующему вхорбвййййй резистор и операционный усили- М ду операционного усилителя. и