Устройство для измерения скорости и температуры неизотермических потоков

 

" c6bY соВЙСкйх

"- "сЖВЬМйтичёских о гнPBGIWBrlplK

ОИ. ЙС НИЕ И:;ЗОБ РЕТЕ Н ИЯ

ГО.С У,ДА ЯЯ Щф й;1 К.Щф4Т:Е.Т; г —.-, . 1

ПО, ЩО РЕТ (НИЦ 1.И-ЯТКРЫТИЯМ:.

ПРИ.ГКНТ г ССР д

К АВТОРСКОМУ- СВИДЕТЕЛЬСТВУ ,f; рг:,- 1-. 1(I i j, GG,i.!:.t -)

«,г; .,,1-: Яр.;С ", ; .: ; .:, \ у (2 Ц,4.46 ЗЯБ/.:1.0:;:, .-:-. -: к в, - .; (22)а АЦ,88:, .:;:;.,:.:-:;;:.:=;э. .". = . (46):,:15ДБ.,9,..1;.;,Бюд; Мо1Вэ и ".1:. (71) Донецкий государственный университет (72) П.И.Савостен ка q..641.Сврбин --,;; (53) 533.6.08 (088.8) (56) Авторское свидетельство С СР...

Мг 618%5, кл. G 0 1 K „1%,,, Авторское ссвидетоельство,АЗССР

М 1140944, кл, G 01 К 13/02,,G,0.1 Р.15 /12. (54 Уй Рбй СТО. ДХФ ЙЗМЕ Р ЕНИЯ СКОРОО СТЙ Ф" 1ЮПЕ РАТУКЬ1, ЯЕ ИДИОТЕ Р M ИЧ Е МИФ ИЬ1 Й(0 Б (57) ИзооретейИе относится, у àýðî-и.гидродинамическим исследрвайиям,параметров и xBp) ктерйсгтйк движущихся турбулентных средЛ (ельФЪхобретенйя является повыше:, (-iËi ..

- c с Р .

Г

Изобретение относится к аэро -и гидродинамйЧеским исследованиям параметров и характеристик движущихся турбулентных сред Й может быть: использОвано для создания изнурительно првцизйонной техники ориентирОаанной, в частности; на дистанциойнйе - измеренйя в натурных и„полевых условйях.Целью изобретения является повйшение точности измеренийтемпературы и сКОpocru; Моторов::и .повышение йадежности системы. -. ф

На чергеже представлена блок-схема устрбйства-для измерейия скорости и температуры неизотермических потоков.

„„5Q „„1649453 А,1

1 (я) G 01 Р 5/12, 601 К13/02 ние точности измерений температуры и,ско-,;, рости .потоков и расширение функциональ-. ных возможностей системы; Для.этого. с помощью программного .устройства: -,элект-. ронная схема оптимально подстраивается под,конкретные характеристики -пар чувоТ- . вительных элементов, датчиков;температу-,, ры и скорости,. чем...практически устраняется влияние разброса;,-характери-: —:. стик датчиков на выхс}дные-.сигналы измерительной системы.,: Расш.ирен-ие -. функциональных возможностей. обеспечи-; .. вается за счет дистанционного отключения термоанемометра постоянной температу-, ры, защиты чувствительного элемента дат.-,-:чика от перегорания, приведения,шкали1:: ф отсчета термометра к, общепринятым;:.::1:< з,п,ф-лы, 1 ил. ь

Устройство содержит термометр сопрр-,.,с, ЧО тивления 1, состоящий из. источника;.,тока-„.-;: ф, (ИТ) 2, датчика температуры 3, аоединенно-,, .; (Я го последовательно с ИТ 2, дифференциаль=:,. () ного усилителя (ДУ) 4, оба входа которого,, подключены к датчику 3, последовательно соединенные датчик скорости 5 и резистор;,;,, перегрева (R<) б,.защитный блок 7, дополни-; тельный дифференциальный „усидитвль с; (ДДУ) 8, один из входов. которого,.через за-,„„ щитный блок 7 соединен с одним. из еходов:..; датчика 5, а другой. вход — с точкой соедине-. ния датчика 5 и Rn б, первый сумматор:9;:, д усилитель обратной связи (УОС),10„состоя-,: ои щий из последовательно включенных основного ДУ 11, порогового устройства (Г1У) 12, 1649453

55 блока мощности 13, подключенного одновременно выходом к одному из входов датчика 5, второй сумматор 14, токовый выход которого соединен с другим входом дополнительного ДУ 8, первый потенциальный вход подключен к Rp 6, потенциальный выход — к одному иэ входов основного ДУ 11, к другому входу которого через первый сумматор 9 подсоединен выход дополнительного ДУ 8, последовательно соединенные перемножитель 15. один иэ входов которого подключен к второму потенциальному выходу второго сумматора 14, и управляемый источник тока (УИТ) 16, соединенный выходом с токовым входом второго сумматора 14, последовательно соединенные сустрактор 17, к входу которого подключен потенциальный выход второго сумматора 14, линеаризатор 18, масштабный усилитель (МУ) 19, регистратор

20, к одному из входов которого подключен выход MY 19, последовательно включенные транспониатор 21, к входу которого подсоединен выход ДУ 4, и регулируемый усилитель (РУ) 22, выходом соединенный с другим входом регистратора 20, блок опорных напряжений (БОН) 23, первый выход которого соединен с транспонирующим входом транспониатора 21, второй выход с установочным входом сустрактора 17, а третий выход — c установочным входом первого сумматора 9, программатор 24, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с управляющими входами первого сумматора 9, сустрактора 17,РУ 22, УИТ

16, MY 19, регистратора 20 и транспониатора 21.

Устройство работает следующим образом.

Датчики температуры 3 и скорости 5 помещаются в поток с температурой 0> и скоростью V. Для определенности будем рассматривать датчики 3 и 5 с микропроволочными чувствительными элементами (ЧЭ) с сопротивлениями соответственно R и Rv, например, из вольфрама диаметром d и длиной! такими, что и для ЧЗ датчика 3, и для

ЧЭ датчика 51/б (3 — 4) 10 с температурны-ми коэффициентами сопротивления ЧЭ ау и ау.

Конструктивно они располагаются в непосредственной близости друг от друга в одной плоскости нормально набегающему потоку и параллельны, а физические и электрические характеристики обоих датчиков близки к идентичным, что необходимо для достаточно хорошей термокомпенсации в динамике, Размеры акого комбинированного Rg + Rv датчика определяются требо5

40 ванием пространственного (частотного) разрешения по пульсациям скорости V u

1 температуры О, что в свою очередь зави1 сит от диапазона средних скоростей

VQ (V gp, V ayp ) и частотных диапазонов

V 01

На практике каждой паре ЧЗ датчиков 3 и 5 комбинированного датчика соответствуют свои значения йд, с и Rpp/Og =0 С

R pv /В = 0 С т.е, датчики изготавливаются с разбросами характеристик. В связи с этим с помощью программатора 24 задается как временной цикл измерений Og, Ч и скорость записи-воспроизведения для регистратора 20, так и для каждой данной пары

ЧЭ с Rg;, Ви, i =1, й, N, — число комбинированных датчиков в системе, проиэодится фиксированная настройка УИТ 16, транспониатора 2", сустрактора 17, MY 19, РУ 22 в соответствии с конкретными значениями

R п /0 = 0 С, R gvi /0 = 0 С (при этом ЧЭ V не перегрет, т,е. включается в схему термометра сопротивления по существу), ар и ave, Следовательно, электронная схема системы оптимально подстраивается под конкретные характеристики пар ЧЭ датчиков 3 и

5, чем практически устраняется влияние разброса характеристик датчиков на выходные сигналы системы.

Напряжения URv u U Rg, падающие непосредственно на ЧЭ датчиков скорости 5 и температуры 3 в результате протекания через них соответственно токов Ь и

Ig (lv > > IO), If обычно выбирают величиной порядка единиц миллиампер, подаются на высокоомные входы ДУ 8 (один провод через защитный блок 7) и ДУ 4 через пары потенциальных проводов 1 и 1I. Очевидно, что при таком подключении датчиков скорости 5 и температуры 3 к измерительным схемам исключается влияние токовых проводов, через которые происходит электропитание их ЧЭ, определяемое температурной зависимостью их сопротивлений, Напряжение URv = f (V) с.выхода ДДУ 8 через первый сумматор 9 подается на вход основного ДУ 11 (YOC 10), на другой вход которого через второй сумматор 14 поступает напряжение Uv с резистора перегрева 6, которое определяет рабочую температуру

Ov 4Э датчика скорости 5 (О > ) 0, Oц— температура потока). или как принято говорить, перегрев его относительно равновесного значения, т.е. Вл >Rv/Og. Сигнал, 1649453 пропорциональный по какому-либо закону скорости потока V (на чертеже это и есть сигнал Uv), снимается с основного входа основного ДУ 11, что, как показывает эксперимент, обеспечивает более устойчивую работутермоанемометрической части предлагаемой системы, Через цепь обратной отрицательной связи (ООС), образуемой основным ДУ 11„ПУ 12, блоком мощности

13, величина тока Iv подогревающего ЧЭ датчика 5, изменяется так: Ц растет, если (0в — Uv) < О, где 0в — напряжение на выходе

ДДУ 8, и уменьшается, если (0в — Uv) > О до тех пор, пока не стабилизируется относительно номинального для данной скорости

V занчение тока I vs, что соответствует факту

Us = Uv и определяет для ЧЭ датчика 5 режим работы термоанемометра постоянной температуры (ТАПТ). На чертеже ТАПТ— это датчик 5, 6, ДДУ 8 с защитным блоком 7, УОС 10, первый 9 и второй 14 сумматоры.

Инвариантность выходного сигнала ТАПТ к температуре 0> определяется цепью термокомпенсации из перемножителя l5 и

УИТ 16.

Первый сумматор 9 обеспечивает требуемый уровень напряжения смещения основного ДУ 11 и, следовательно, устойчивость и частотный диапазон ТАПТ при помощи БОН 23. Кроме того, с помощью сумматора 9 по команде от программатора

24 (это в принципе моЖет быть подача необходимой величины управляющего напряжения) происходит переключение основного

ДУ 11 в противоположную полярность по выходу (так как V = О, то на выходе ДУ 11 всегда однополярное напряжение в рабочем режиме), что вызывает срабатывание ПУ

12 и отключение блока мощности 13 от датчика скорости 5, Таким образом, повышается надежность системы, так как обеспечивается дистанционность управления отключением ТАПТ, что удлиняет срок службы датчика скорости, Такую возможность необходимо предусматривать, особенно если проводятся только температурные измерения или просто требуется перерыв в работе, например, для смены датчика, Защитный блок 7 предохраняет от возможного перегорания ЧЭ датчика скорости

5, что бывает из-зэ неодновременного подключения всех цепей в схеме ТАПТ при смене датчика, если почему-либо не включено

ПУ 12, или при обрыве токового или потенциального проводов, идущих от верхнего (см. чертеж) зажима датчика 5. Защитный блок 7 рассчитывается так, чтобы сработать от того уровня напряжения, которое прилагается к нему при отсутствии (обрыве) ЧЭ датчика 5, и образовать замыкание 00С прямо на вход ДДУ 8, т.е, небольщим уровнем выходного тока (напряжения).

Сигнал Uv, как правило, описывается нелинейной зависимостью типа закона Кинга

Я = 0Ъ + В(), n «, 0» = Ь|Ч = О, что затрудняет интерпретацию данных, получаемых с помощью ТАПТ в устройстве-прототипе, особенно при значительных уровнях турбулентности потока. Для устранения этого недостатка Uv попадает на вход сустрактора 17, который (для данного Rv ) приводит

Uv к нулю при V =- О с помощью БОН 23 и программатора 24, корректирующего уход нуля при переходе в системе к датчику 5 с другим значением сопротивления

ЧЭ R I, = j, j = 1„... N. После сустрактора

17 включен линеаризатор 18, на выходе которого сигнал пропорционален скорости, т.е. U щ V, МУ 19 по командам от программатора 24 устанавливает в соответствии с коренным значением a vi заданный масштаб шкалы отсчета скорости, так что на регистор 20 поступает сигнал, соответствующий Н в физических единицах.

Сигнал, пропорциональный температуре Оц, с выхода ДУ 4 поступает в транспониатор 21, который устанавливает с помощью напряжения БОН 23 соответствие заданной шкале отсчета, например Цельсия, Корректировка этой установки для каждого датчика 3 производится программатором 24: С выхода транспониэтора 21 сигнал Ug6jg проходит РУ 22, задающий требуемый уровень усиления и привязку к физическим единицам

4О измеряемой Вд, которая затем регистрируется в регистраторе 20. Разброс а от i ãî датчика 3 к j-му датчику 3 устраняется в РУ

22 с помощью программатора 24. Кроме того, температурный сигнал с выхода РУ 22

45 поступает в цепь термокомпенсации на один из входов перемножителя 15, на другой вход которого подается сигнал Uv, Сигнал термокомпенсации в виде тока

1тк через второй сумматор 14 подается непосредственно на резистор перегрева 6, на котором создается падение напряжения, компенсирующее влияние на Uv девиации, изме ряемои в потоке температуры

Лд =0g — Og< потока поотношениюктой температуре, при которой производилась градуировка ТАПТ совместно с датчиком скорости 5.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения скорости и температуры неизотермических потоков, 8

1649453

Г

\ .

Ч|

", !;;!!, Й! I-! Г.!

,.!!

Сос гавителв Д, Морозов

Редактор - Н;! Шныдкая" Техред М.Мбргентал - ! .! ..: .! ° °

Корректор М; Хундрик

Заказ.!1ЬИ!: .: .: . Тираж 355" " ..:Подгтисное

SH844fM Государственного! комитета йо изо!бретениям и:-от!крытйям при ГКНТ СССР

113035, Москва; Ж-35: Раушская на@,,: 4/5.: -

Производственно-издатель!ский!комбинат "Патент !,т;!Ужгород, улХагарина:, 161 " у, . содержащее:.. последовательно включейНйе резистор перегрева и датчик:скорости:;: уси- л и!те!ль, обратной,:связи,- -соединенный в!ыхб-,: дом с одним Из входов датчика скорости,: термометр сопротивления с датчиком тем- 5 пературы, последовательно:соединенные управляемый источник тока и перемножитель, о.т л и ч а ю шийся тем,! что, с целью. повышения точности измерения температуры и скорости потоков и повышения.надеж-, 10 ности, в него введены после@сват!ельцо. соединенные транспониатор !.и. регулируемйй усилите!ль, дополнительный дифференци альный усилитель, э,ащитный блок, пебв!ый! и втОрой сумматоры, последова- 15 тельно соединенные сустрактор, линеари-. эатор и масштабный усилитель, блок ойорных напряжений, программатор и реги- . стратор, при этом один иэ.ехороа.дополни-, тель!ного дифференциальногр усилителя 20 подключен одновремнно к другому входу, датчика скорости и резистору перегрева, а,. другой вход дополнительного дйфференци-: ального усилителя через защитный блок соединен! с выходом усилителя.,обратной 25 связи; к одному иэ входов которого подключей:через первый сумматор выход дополни-,, тельного дифферейциального усилйтел!я!, а. другой вход соединен одновременно,c...noTeH Ée üHb! выходом второго c!!!M !eTo pe, у . 30 которого токовый выход, первый и второй, потенциальные входы подключены соответственно к тО! ч! ке со!еДийен 1я реэйстора jjjjje-., грев!а! и дат!чйка скорости, к зх!оду реэисора . перегр!ева и !к"вйходу травля!е! мрто! источника тока, и первыМ входами перем!нс жител!я:и сус тр а!"кто рй ;"которы,й через последовате!льн!о!-"соедйненные линеаризатор и масш!табнцй, усилител ь" псвкрючеи. к,, первому вх! ЬДу реги!ст!р!атора,. вт!Орой вход,. которог!о "с!о!едрен с "вторым входом. леремножителя и выхддом! р6гулйруем!ого усили- . теля, подклвченногО к вых!од!у термометра .. сойротйвлени!я Чбреэ ФрйнСйон!иа1;ор, транспонирующий вход"ко1О Ого соединен с пер- вым вы!!х0домг- блока спорйы!х! нап!ряжен!ий„ чей второй и- 1ретйй :а ы сод!ы !!пад!ключен.ы! соответственно к установ!Очйым входам сус-„. трактора и-- пер!вбг!о сумматора, уп!ра6ляю-. щий вход которо! го СОединен С пЮрвы выходОм riDorpа!мутатора, а второй вход сус- . тракт6ра! соединен"c"втОрЫм выходом npO-.грамматора; у которого третьей, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы подклдче-... ны:соответс!твенно к управляющим! входам. регули!!руемого усил!йтеля, управляемого,ис-„:, : точника тока, масштабного усилителя, регистратора и"трайсп!ониатора.

2. Ус1 ро йстeo! Ao Tt 1", G т Il H, I а lo щ е ес я тем, что с целью обе!спеченйя надежно - сти дистанцион!ного! у!правде!ния! отключени"ем - тдрмбанемометра в его усилитель обратной :"связи: перед выходным блоком .— мощности введено пороговое устройство.