Способ термоанемометрических измерений

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при измерении скорости потока жидкости или газа. Заявленный способ измерения скорости потока жидкости или газа включает: размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC); измерение начального сопротивления указанного термистора; приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; определение скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Технический результат: повышение точности измерения, создание приборов для измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область применения

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при измерении скорости потока жидкости или газа.

Уровень техники

Из уровня техники известен патент RU2191371. Способ термоанемометрических измерений относится к измерительной технике. В способе термоанемометрических измерений путем коммутации энергетического состояния терморезистора при его нагреве и остывании до фиксированных температур и регистрации характеристик изменения энергетического состояния терморезистора при фиксированных температурах коммутации энергетического состояния терморезистора регистрируют значение угла наклона кривой изменения энергетического состояния терморезистора после каждого момента коммутации на интервале длительности импульса изменения энергетического состояния терморезистора. Техническим результатом изобретения является снижение инерционности при термоанемометрических измерениях.

Нагрев и остывание термистора в данном решении осуществляется до фиксированных температур. Недостатком такого подхода может являться ограничение рабочего температурного диапазона.

Также из уровня техники известен патент RU 2217765. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении скорости движения газовой или жидкой среды, ее плотности, состава, а также состава и плотности твердых теплопроводных сред. Способ включает пропускание через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрев и охлаждение термочувствительного элемента между фиксированными температурными уровнями и регистрацию действующего значения импульсного тока. Техническим результатом является повышение точности измерений. Нагрев и остывание термистора в данном решении осуществляется до фиксированных температур. Недостатком такого подхода может являться ограничение рабочего температурного диапазона. Из уровня техники известен патент US 4848147. В этом решении используются термопары вместо NTC термистора и используется в расчетах не время остывания до определенной температуры (как в заявленном способе), а наоборот, два раза измеряется температура по прошествии определенных интервалов времени и из разницы температур рассчитывается скорость потока. Недостатком данного решения можно считать более сложное воплощение.

Известен способ термоанемометрических измерений скорости потока жидкости или газа, при котором чувствительный элемент нагревают постоянным током, а скорость потока определяют исходя из температуры чувствительного элемента, определяемой из его сопротивления (термоанемометр постоянного тока) или до постоянной температуры, превышающей температуру потока (термоанемометр постоянной температуры). Эти способы описаны в патенте US 1156660. В этом случае скорость потока определяют исходя из количества энергии, расходуемой на поддержание температуры чувствительного элемента. Однако этот способ обладает существенным недостатком. В связи с тем, что результат в значительной степени, причем нелинейно, зависит от температуры потока газа, получение точного результата в широком диапазоне температур трудно достижимо. В качестве ближайшего аналога выбран способ разогрева терморезистора до характеристической температуры за счет тока разогрева, отключения тока разогрева и регистрации времени остывания терморезистора до температуры потока (SU 637676). Недостатком данного способа является сложность определения момента окончания переходного процесса остывания терморезистора, поскольку не предложено четких критериев, когда переходный процесс можно считать законченным.

Технический результат: использование предлагаемого способа позволяет создать приборы для измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. Также способ повышает точность измерения.

Реализация изобретения

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ измерения скорости потока жидкости или газа, включающий: размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC); измерение начального сопротивления указанного термистора; приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; определение скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Кроме того, сопротивление отсечки выбирается между 53% и 73% от разницы между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением. Кроме того, стартовое сопротивление и соответствующее ему стартовое время определяется путем определения первого минимума значений сопротивления термистора после отключения импульса, значение которого принимается за указанное стартовое сопротивление, а время его достижения принимается за указанное стартовое время. Кроме того, указанное сопротивление термистора определяется по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.

Прибор для измерения скорости потока жидкости или газа, включающий: термистор, имеющий отрицательный температурный коэффициент (NTC); средства для измерения начального сопротивления указанного термистора; средства для приложения к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; средства для измерения стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминания стартового времени указанного отключения, и вычисления величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; средства для сравнения сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; средства для запоминания времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; средства для вычисления временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; средства для определения скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Кроме того, средства для измерения начального сопротивления указанного термистора выполнены с возможностью определять сопротивление термистора по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.

Осуществление изобретения

Недостатки изложенных способов можно преодолеть с помощью предлагаемого способа и прибора его реализующего, если в качестве чувствительного элемента использовать термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), при этом для определения скорости потока использовать временной интервал между отключением тока разогрева и моментом времени, в котором в результате остывания сопротивление термистора достигает значения, определяемого как заранее предопределенная доля от разности между сопротивлением термистора до подачи импульса тока разогрева и сопротивлением термистора непосредственно после отключения тока разогрева. Использование предлагаемого способа позволяет создать приборы для измерения скорости потока, показания которых не зависят от температуры потока в широком диапазоне. Наличие четких критериев при определении интервала времени, служащего для расчета скорости, и отсутствие необходимости контролировать температуру окружающей среды или нагретого термистора повышают точность измерения. Для более понятного изложения предложен ряд чертежей. На Фиг.1 показана блок-схема предлагаемого способа. На Фиг.2 показан график изменения сопротивления термистора с отрицательным температурным коэффициентом при нагревании и остывании. На Фиг.3 показана схема одного из вариантов прибора, реализующего предлагаемый способ.

На Фиг.4 показана схема другого варианта прибора, реализующего предлагаемый способ. Вначале приведем некоторые теоретические соображения. Известно, что процесс остывания нагретого элемента T(t, T_g) в потоке с температурой T_g происходит по экспоненциальному закону

где

T_max - температура элемента при отключении тока разогрева,

τ_T - постоянная времени охлаждения элемента.

Если использовать в качестве чувствительных элементов терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом, сопротивление которых от температуры меняется следующим образом:

где

R_g - сопротивление термистора при нормальных условиях, обычно при 25°С;

B - коэффициент, зависящий от конструкции NTC термистора,

то при подстановке (1) в (2) получим следующую зависимость сопротивления от времени при остывании:

τ

Учитывая, что для NTC резисторов R_min соответствует T_max, а R_g соответствует T_g, выражение (4) преобразуется в следующее:

где

Параметры импульсного нагрева NTC термистора выбираются таким образом, чтобы в зоне рабочих температур анемометра значение T_n находилось в интервале от 0,2 до 0,3 ч не превышало 0,4 при максимально допустимых температурах. Учитывая, что значение температурного коэффициента В для современных NTC термисторов характеристикой находится в интервале 2000-4000 (например, в часто применяемых в термоанемометрах термисторах 111-202САК-Н01 производства Honeywell В равно 3068), то величина произведения B*T_n/T_g, входящая в (4), находится в пределах 2,5-6,0 единиц.

При таких условиях можно считать, что изменение сопротивления NTC термистора при его остывании также подчиняется экспоненциальному закону

а постоянная времени изменения сопротивления NTC термистора при его охлаждении τ_R функционально связана с высоким коэффициентом корреляции с постоянной времени изменения его температуры τ_T.

На Фиг.1 показана блок-схема метода. В блоке 1 происходит измерение сопротивления NTC термистора R_g до разогрева при температуре T_g, равной температуре потока. При включении тока разогрева в блоке 2 сопротивление термистора начинает уменьшаться в соответствии с увеличением его температуры до минимального значения R_min, соответствующего T_max. В момент времени t_min в блоке 3 происходит отключение тока разогрева, а затем в блоке 4 - измерение значения R_min. Основываясь на значениях R_g и R_min вычисляется сопротивление отсечки R_t

где k - коэффициент, выбираемый близко к 0.63.

В процессе остывания сопротивление термистора увеличивается по экспоненциальному закону. В блоке 5 происходит проверка, достигло ли сопротивление терморезистора R_NTC величины R_t. По достижении в блоке 6 происходит засечка момента времени t₁ и определение

из которой вычисляется скорость потока в блоке 7. Вычисление скорости производится по формуле:

гдеτ_R - постоянная времени при скорости потока V; τ₀ - постоянная времени при V=0, т.е. при нулевой скорости потока; ρ - плотность газового потока; K' и n - калибровочные (градуировочные) константы.

Таким образом, измеряя постоянную времени - τ_R процесса изменения сопротивления ЧЭ, не контролируя при этом ни температуры окружающей среды, ни температуры нагретой нити, мы можем измерять скорость потока, повысив точность измерения, за счет сокращения количества контролируемых параметров и сохранив независимость измеряемой скорости от изменения температуры контролируемого потока, что и предопределяет достижение технического результата.

На Фиг.2 представлен график изменения сопротивления терморезистора при нагреве и охлаждении в соответствии с предлагаемым методом.

На Фиг.3 представлена схема одного из возможных вариантов прибора, реализующего предлагаемый способ. NTC термистор 8 соединен с управляемым от микроконтроллера (МК) 9 ключом 10, который в режиме разогрева подключает его к источнику тока разогрева 11, а в режиме измерения - к источнику тока измерения 12. Сила тока разогрева и время его действия выбираются исходя из ранее изложенного критерия для T_n, а сила тока измерения выбирается в результате компромисса между чувствительностью измерительных цепей прибора и влиянием погрешности от нежелательного подогрева термистора в режиме измерения. Сигнал с терморезистора поступает на аналогово-цифровой преобразователь 13 (далее АЦП). Результаты преобразования поступают в микроконтроллер 9 для обработки. Микроконтроллер 9 оснащен таймером 14 для определения интервалов времени и осуществляет функции управления устройством и вычислений. На Фиг.4 представлена схема другого возможного варианта прибора, реализующего предлагаемый метод. Он отличается от первого тем, что дополнительно содержит компаратор 15 и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 16. В этом варианте после измерения R_g и R_min и вычисления R_t значение напряжения, соответствующего R_t, записывается в ЦАП 16. При достижении термистором сопротивления R_t, компаратор 15 меняет свое состояние, что регистрируется микроконтроллером как момент времени t_t.

Следует отметить, что возможные варианты выполнения приборов, реализующих предлагаемый метод, не ограничиваются вышеперечисленными вариантами.

1. Способ измерения скорости потока жидкости или газа, включающий размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент (NTC); измерение начального сопротивления указанного термистора; приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком; измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением; сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора; запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки; вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки; определение скорости потока жидкости или газа, исходя из указанного временного интервала.

2. Способ по п.1, в котором сопротивление отсечки выбирается между 53% и 73% от разницы между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением.

3. Способ по п.1, в котором стартовое сопротивление и соответствующее ему стартовое время определяется путем определения первого минимума значений сопротивления термистора после отключения импульса, значение которого принимается за указанное стартовое сопротивление, а время его достижения принимается за указанное стартовое время.

4. Способ по п.1, в котором указанное сопротивление термистора определяется по соответствующему падению напряжения на указанном термисторе.