Способ измерения параметров газовых и жидких сред

В процессе измерения через термочувствительный элемент (ТЭ), помещенный в контролируемую среду, пропускают электрический ток разогрева, содержащий постоянную и синусоидальную составляющие. Формируют сигнал по температуре ТЭ и сигнал по разности фаз между периодическими составляющими сигналов по температуре и подводимой электрической мощности. При изменении контролируемого параметра поддерживают постоянное значение разности фаз, для чего изменяют частоту периодической составляющей тока нагрева. По величине частоты судят об измеряемом параметре. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения, в частности скорости среды, при одновременном упрощении практической реализации и миниатюризации измерительных устройств. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении параметров газовых и жидких сред (скорости, давления, состава).

Известен способ определения параметров газовых и жидких сред, при котором определяют временной интервал с момента отключения тока разогрева термочувствительного элемента (ТЭ) до установления значения его температуры согласно авторскому свидетельству СССР № 637676, кл. G01P 5/12, опубл. 15.12.78, Бюл. № 46.

Известный способ имеет недостаток, поскольку он предполагает принятие решения о моменте равенства значений скорости изменения температуры ТЭ, близких к нулевым. При изменении измеряемых параметров изменяется не только постоянная времени процесса остывания ТЭ, но и величина его начального перегрева, что, особенно при вариациях температуры среды, приводит к погрешности определения временного интервала остывания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является известный способ измерения параметров газовых и жидких сред согласно патенту SU № 1814731 A3, G01P 5/12, G01F 1/68, опубл. 07.05.93, Бюл. № 17, при котором через ТЭ пропускают электрического ток, содержащий постоянную и синусоидальную составляющие, и определяют разность фаз ψ между переменными составляющими сигналов по температуре ТЭ и подводимой к нему электрической мощности, по которой судят о величине контролируемого параметра.

В известном способе используется зависимость:

где ω - круговая частота, с^-1;

m - масса ТЭ, кг;

С - удельная теплоемкость ТЭ, Дж/кг·К;

Н - коэффициент рассеивания тепла ТЭ, Вт/К.

В известном способе зависимость H(ψ) имеет нелинейный характер, что при определении параметров среды, имеющих также нелинейную зависимость от коэффициента рассеивания Н, создает дополнительную погрешность и сужает диапазон измерений. При этом дополнительным источником погрешности измерений является нестабильность частоты источника синусоидальной составляющей тока разогрева ТЭ, снижение которой приводит к усложнению аппаратной реализации известного способа.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона и повышение точности измерения параметров газовых и жидких сред.

Сущность изобретения состоит в следующем. Предлагается способ измерения параметров газовых и жидких сред, при котором через термочувствительный элемент, помещенный в контролируемую среду, пропускают электрический ток, содержащий постоянную и синусоидальную составляющие, формируют сигнал по температуре термочувствительного элемента и сигнал по разности фаз между периодическими составляющими сигналов по температуре и подводимой электрической мощности. Отличительные признаки состоят в том, что поддерживают постоянное значение разности фаз, для чего изменяют частоту периодической составляющей электрического тока и по величине частоты судят об измеряемом параметре среды.

Действительно, при синусоидальных периодических составляющих сигналов по температуре ТЭ и подводимой к нему электрической мощности, при условии постоянной разности фаз

имеем зависимость H(ω) в виде:

а зависимость Н(f) в виде:

где f - частота, Гц.

Известно, что в случае периодических, но негармонических колебаний фазу выражают в долях периода [Политехнический словарь / ред. кол.: А.Ю.Ишлинский (гл. П 50 ред.) и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Советская энциклопедия, 1989, с.561].

При периодической составляющей тока разогрева ТЭ типа меандр и сформированном сигнале по температуре ТЭ в виде меандра для ψ=0,125 имеем зависимость H(f) в виде:

где k - коэффициент для несинусоидальных периодических составляющих сигналов по температуре ТЭ и подводимой к нему электрической мощности.

Методом численного эксперимента на основании выражения для переходной функции инерционного звена первого порядка для меандра получено значение k=0,7759 [Теория автоматического управления / Под ред. А.В.Нетушила. Учебник для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. - М.: Высшая школа, 1976, с.82].

Предлагаемый способ измерения параметров газовых и жидких сред обеспечивает диапазон и линейность характеристики H(f), ограниченные только точностью описания ТЭ как апериодического звена первого порядка и диапазоном управления частотой периодической составляющей тока разогрева ЧЭ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на которой показана возможная функциональная схема устройства, для реализации предлагаемого способа.

Устройство состоит из ТЭ 1, который на входе имеет цепь разогрева (не показано), а на выходе датчик сигнала по его температуре (не показано), подключенный к входу формирователя 2, подключенного выходом к первому входу фазового детектора 3, выход которого подключен к входу интегратора 4, подключенного своим выходом к входу управления частотой генератора 5. Далее сигнал генератора 5 поступает на вход делителя 6 частоты, первый выход которого подключен к входу управления цепи разогрева ТЭ 1, а второй - ко второму входу фазового детектора 3. Первый и второй выходные сигналы делителя 6 частоты имеют одинаковую частоту и форму (меандр), при этом первый сигнал имеет отставание по фазе относительно второго, равное 0,125 длительности периода.

В установившемся режиме разность фаз (фазовый сдвиг) между вторым выходным сигналом делителя 6 частоты и выходным сигналом формирователя 2 составляет 0,25 длительности периода. При этом постоянная составляющая выходного сигнала фазового детектора 3 равна нулю, выходное напряжение интегратора 4 не изменяется, а частота выходного сигнала генератора 5 имеет постоянное значение. В качестве выходного сигнала устройства используют выходные сигналы генератора 5 или делителя 6 частоты, а при достаточно высокой линейности характеристики управления частотой генератора 5, выходной сигнал интегратора 4.

При изменении параметров среды, которое вызывает, например, уменьшение постоянной времени ТЭ 1, происходит уменьшение фазового сдвига между вторым сигналом делителя частоты 6 и выходным сигналом формирователя 2, в результате чего на выходе фазового детектора 3 появляется положительная постоянная составляющая сигнала, приводящая к увеличению выходного сигнала интегратора 4. При этом происходит увеличение частоты выходного сигнала генератора 5 и частоты выходных сигналов делителя 6 до тех пор, пока фазовый сдвиг между входными сигналами фазового детектора не станет равным 0,25 их длительности.

Полученное значение частоты соответствует согласно выражению по формуле (5) измеряемому параметру.

Применение предлагаемого способа при реализации измерительных устройств по сравнению с прототипом позволяет не только повысить точность в более широком диапазоне изменения параметров среды, но значительно расширить номенклатуру элементной базы за счет более широкого использования элементов цифровой техники, что обеспечивает возможность упрощения и миниатюризации измерительного устройства.

Способ измерения параметров газовых и жидких сред, при котором через термочувствительный элемент, помещенный в контролируемую среду, пропускают электрический ток, содержащий постоянную и синусоидальную составляющие, формируют сигнал по температуре термочувствительного элемента и сигнал по разности фаз между периодическими составляющими сигналов по температуре и подводимой электрической мощности, отличающийся тем, что поддерживают постоянное значение разности фаз, для чего изменяют частоту периодической составляющей электрического тока и по величине частоты судят об измеряемом параметре среды.