Способ измерения скорости потока жидкости или газа

Изобретение предназначено для использования при измерениях скорости потока жидкости или газа с помощью термоанемометров. В потоке располагаются термочувствительный преобразователь для измерения температуры потока и термочувствительный преобразователь с подогревателем для измерения скорости потока (термоанемометр) и осуществляется измерение температуры среды и температуры термоанемометра. Если разность температур термочувствительных преобразователей (перегрев) находится в пределах заданного диапазона, то мощность нагрева постоянна, а при изменении скорости потока изменяется перегрев; если же перегрев термоанемометра выходит за пределы заданного диапазона, то мощность нагрева изменяется до попадания перегрева в заданный диапазон. Значение измеряемой скорости потока вычисляется по формуле с учетом измеренного перегрева и мощности нагрева. Техническим результатом является повышение точности измерения скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур при высоком быстродействии.

 

Изобретение предназначено для использования при измерениях скорости потока жидкости или газа с помощью термоанемометров.

Известны способы измерения скорости потока и расхода жидкости или газа, основанные на применении термоанемометров [1; 2].

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур при высоком быстродействии.

Известно [1; 2], что рассеиваемая термоанемометром мощность и его температура в установившемся режиме конвективного теплообмена связаны формулой

где Р - мощность,

S - площадь поверхности,

ξ - коэффициент теплоотдачи,

Т_т - температура термоанемометра,

Т_с - температура среды.

Коэффициент теплоотдачи ξ зависит от скорости потока жидкости или газа. Эта зависимость описывается формулой (1)

где V - скорость потока,

a, b, n - коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств среды, конструкции термоанемометра и числа Рейнольдса.

Один из известных способов измерения скорости потока с помощью термоанемометров основан на стабилизации мощности Р (или силы тока) нагрева [1]. При изменении скорости потока изменяется температура термоанемометра. В этом случае измеряются температуры термоанемометра Т_т и среды Т_с, определяется перегрев θ=Т_т-Т_с, затем на основе формул (1) и (2) вычисляется скорость V при Р=const. Недостатком указанного способа является то, что с увеличением скорости потока V перегрев θ уменьшается, что не позволяет обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне скоростей.

Другой известный способ измерения скорости потока основан на стабилизации температуры T_т (сопротивления) термоанемометра [1]. При изменении скорости потока изменяется мощность нагрева Р, которая измеряется. В этом случае необходимо также измерять и компенсировать влияние изменений температуры среды, что существенно осложняет применение данного способа в большом диапазоне изменения температуры среды.

В широком диапазоне изменения скоростей и температур лучшие результаты обеспечивает способ измерения, основанный на стабилизации перегрева θ=Т_т-Т_с. Этот способ наиболее близок к предлагаемому. На его основе построено, например, термоане-мометрическое устройство, описанное в патенте RU №2017157 [3]. В указанном устройстве стабилизируется перегрев θ, а выходной величиной является мощность нагрева термоанемометра.

Однако указанный способ также имеет существенные недостатки. Во-первых, погрешность измерения скорости потока в значительной мере определяется погрешностью стабилизации перегрева, которая в свою очередь зависит от погрешностей всех звеньев, входящих в контур автоматического регулирования. В связи с этим практически не возможно обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне изменения скорости и температуры среды.

Так например, в термоанемометрическом устройстве [3] погрешность стабилизации перегрева вызывается следующими причинами:

- не идентичностью функций преобразования трех полупроводниковых термопреобразователей (термисторов);

- отличием в широком диапазоне температур реальной функции преобразования указанных термисторов от используемой математической модели R_t=А·ехр(В/Т );

- погрешностями всех других звеньев, входящих в контур автоматического регулирования перегрева.

Во-вторых, инерционность системы автоматического регулирования перегрева ограничивает быстродействие измерительного устройства.

Сущность предлагаемого способа измерения скорости потока состоит в следующем.

Задается диапазон допустимых перегревов [θ_min, θ_max]. При использовании полупроводниковых термопреобразователей (термисторов) этот диапазон может составлять единицы или первые десятки градусов Цельсия. При фиксированной мощности нагрева Р измеряются температуры термоанемометра Т_т и среды Т_c, определяется перегрев θ. Полученное значение θ сравнивается с границами диапазона [θ_min, θ_max]. Если θ_min≤θ≤θ_max, то мощность нагрева Р не изменяется (Р=const ). Изменение скорости потока вызывает соответствующее изменение перегрева. Если перегрев выходит из заданного диапазона (θ<θ_min или θ>θ_max), то изменяется мощность нагрева до тех пор, пока перегрев не окажется примерно в середине заданного диапазона [θ_min, θ_max]. После этого производятся измерения перегрева при новом фиксированном значении мощности нагрева. Значение измеряемой скорости потока вычисляется по формуле

где V - измеряемая скорость потока;

Р - мощность нагрева;

θ=Т_т-Т_с - перегрев;

k, с, d - постоянные коэффициенты.

Формула (3) для вычисления скорости потока получена из уравнений (1) и (2).

Таким образом, в предлагаемом способе измерения скорости потока используются два режима работы измерительного устройства:

режим регулирования мощности нагрева;

режим измерений.

В режиме регулирования мощности нагрева измерения температур термоанемометра и среды и оценка перегрева могут выполняться с невысокой точностью, т.к. нет необходимости в точном задании и определении перегрева. Достаточно добиться того, чтобы перегрев оказался в заданном диапазоне [θ_min, θ_max]. При этом могут использоваться простые математические модели измерительных преобразователей и простые способы регулирования.

В режиме измерений мощность нагрева фиксирована, с высокой точностью измеряются перегрев и мощность нагрева, а затем вычисляется скорость потока по формуле (3). При этом используются более сложные и более точные математические модели измерительных преобразователей (например, термисторов). Поскольку в режиме измерений отсутствует регулирование мощности нагрева (Р=const), то при этом обеспечивается высокое быстродействие измерительного устройства. Если измеряемая скорость потока изменяется относительно медленно, то регулирование мощности выполняется довольно редко.

Таким образом, разделение процедур измерения скорости потока и регулирования мощности нагрева позволяет получить небольшой диапазон перегревов [θ_min, θ_max] при большом диапазоне допустимых изменений скорости потока и большом диапазоне температур среды. За счет этого достигается высокая точность измерений скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур, а также обеспечивается высокое быстродействие.

Предлагаемый способ был реализован в устройстве для измерения скорости жидкости (воды). В качестве измерительного преобразователя температуры среды применен миниатюрный термистор с отрицательным температурным коэффициентом. Термоанемометр содержал аналогичный термистор и подогреватель, помещенные в один корпус. Сопротивления обоих термисторов преобразовывались в цифровой код с помощью Сигма-Дельта АЦП. Управление мощностью осуществлялось с использованием цифроаналогового преобразователя. Управление работой АЦП, ЦАП и необходимые вычисления выполнялись с помощью микропроцессора.

В режиме регулирования мощности для грубой оценки перегрева применялась простая математическая модель функции преобразования термисторов:

где R_t - сопротивление термистора;

Т - абсолютная температура;

А и В - постоянные коэффициенты.

При этом характеристики термисторов в термоанемометре и преобразователе температуры среды считались идентичными. Эти допущения существенно упрощают процедуру оценки перегрева.

Вычисленная грубая оценка перегрева использовалась для регулирования мощности нагрева термоанемометра, причем было применено ступенчатое шаговое регулирование. При таком способе регулирования процесс регулирования мощности нагрева может иметь итерационный характер. Однако, как показали экспериментальные исследования, при заданном диапазоне перегревов (10±3)°С регулирование мощности нагрева до попадания перегрева в заданный диапазон практически осуществляется за один шаг.

В режиме измерения скорости потока для термисторов использовались более сложные математические модели:

1/T=A+B·lnR_t+C·(lnR_t)²+D·(lnR_t)³, (5)

где R_t - сопротивление термистора;

Т - абсолютная температура;

А, В, С, D - постоянные коэффициенты.

При этом коэффициенты А, В, С, D для каждого термистора определялись индивидуально, что позволило измерять температуру в диапазоне (0-100)°С с погрешностью (0,01-0,02)°С при разрешающей способности 0,001°С. В диапазоне скоростей потока V_max/V_min=100 погрешность измерения скорости не превышала 1% во всем указанном диапазоне температур. При этом одновременно с высокой точностью измерялась температура среды, что необходимо во многих случаях практики.

Предлагаемый способ измерения скорости потока жидкости или газа может быть применен как для измерения местной скорости потока, так и для измерения расхода.

Литература

1. Кремлевский П.П.Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ие, 1989. - 701 с.

2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ие, 1983. - 320 с.

3. Дубовский В.В. Термоанемометрическое устройство. Патент РФ №2017157. Бюл. №14, 30.07.94.

Способ измерения скорости потока жидкости или газа, в котором в измеряемом потоке располагают термочувствительный преобразователь для измерения температуры потока и термоанемометр, измеряют перегрев как разность температур термоанемометра и среды, управляют мощностью нагрева и вычисляют скорость потока, отличающийся тем, что задают диапазон допустимых перегревов и, если перегрев находится в пределах указанного диапазона, мощность нагрева не изменяется, а если перегрев выходит за пределы указанного диапазона, то мощность нагрева изменяют до попадания перегрева в заданный диапазон, при этом значение измеряемой скорости потока вычисляют по формуле V=k(P/θ-с)^d, где V - скорость потока, Р - мощность нагрева, θ=Т_т-Т_c, Т_т - температура термоанемометра, Т_c - температура среды, k, с. d - постоянные коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств среды, конструкции термоанемометра и числа Рейнольдса.