Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления



Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления
Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2548135:

Морской гидрофизический институт (RU)

Изобретение относится к термоанемометрическим средствам измерения скорости и направления потока жидкости или газа и может быть применено при исследовании различных сред, в том числе агрессивных, в любых водоёмах и в атмосфере.

Технический результат каждого из изобретений, входящих в заявленную группу - повышение чувствительности. При этом обеспечивается значительное снижение энергозатрат на измерения.

Сущность изобретения: используют расположенные в рабочей зоне измерителя в двух ортогональных плоскостях две пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре, измеряют температуру потока расположенным в рабочей зоне неподогреваемым датчиком, определяют скорость потока по разности среднеарифметического значения температур четырех подогреваемых датчиков и значения температуры неподогреваемого датчика, и определяют направление потока α в выбранной относительно плоскостей расположения пар датчиков системе координат по выражению

при ΔТ2>0 α = 0°-180°;

при ΔТ2<0 а=180°-360°,

где

Т1, Т2 и Т3, Т4 - значения температур подогреваемых датчиков соответственно в первой и второй парах.

Сущность изобретения-устройства: термоанемометрический измеритель скорости и направления потока жидкости или газа содержит закрепленный в приборе (2) и имеющий контакт с потоком корпус (1) в виде тонкостенного полого цилиндра, который выполнен из теплопроводящего материала, наполнен заполнителем (3) в виде теплоизоляционного материала или воздуха и закрыт крышкой (10), которая выполнена куполообразной из теплоизоляционного материала. Расположенные в рабочей зоне измерителя в поперечной плоскости корпуса (1) в двух ортогональных плоскостях две пары подогреваемых датчиков температуры (4, 6 и 5, 7), которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса (1), и выводы которых подключены к измерительному блоку прибора. Нагреватель (8), который имеет непосредственный тепловой контакт с корпусом (1). Закрепленный на оси крышки (9) расположенный в рабочей зоне и имеющий непосредственный контакт с потоком неподогреваемый датчик температуры (10), вывод которого подключен к измерительному блоку прибора. 2 н. п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к термоанемометрическим средствам измерения скорости и направления потока жидкости или газа и может быть применено при исследовании различных сред, в том числе агрессивных, в любых водоёмах и в атмосфере.

Известен аппарат для измерения скорости и направления текучих сред [Fluid speed or direction measuring apparatus. Inventors: Honda; Hideyuki (Kyoto, JP), Kawasaki; Koichi (Tokyo, JP), Sato; Hiroshi (Machida, JP). Assignee: Honda Engineering Co., Ltd. (Osaka, JP). Tokyo Denshi Yakin Co., Ltd. (Kanagawa, JP). Appl. No.: 07/039,198. Filed: April 16, 1987], в котором в качестве термочувствительного элемента использован монокристалл германия. Этот датчик имеет недостаточную чувствительность из-за наличия вращающей системы, без которой невозможно обнаружить плоскость, в которой лежит вектор скорости и оси датчика. Кроме того, этому аналогу свойственна недостаточная информативность из-за наличия "затененного участка", что ограничивает определение направления потока от 180 до 360°, то есть, аппарат позволяет определять направление и скорость среды только в полусфере значений.

Известен тепловой датчик для измерения направления океанического потока [Патент США № 3 995 480, кл. G 01 Ρ 5/10, опубл. 07.12.1976], характеризующийся следующими признаками. Он содержит тонкостенный полый корпус круглого сечения, выполненный из некорродирующего противообрастающего материала и имеющий хорошую передачу тепла. Датчик имеет множество близкорасположенных тонкопленочных чувствительных термоэлементов, сформированных и выровненных на внутренней стенке корпуса, при этом элементы размещены по всей высоте и по всему диаметру корпуса. Термоэлементы (датчики температуры) образуют пары, которые на 180° противоположны друг другу и подключены к сканирующему устройству и компаратору измерительного блока. В центре корпуса установлен проволочный нагреватель для равномерной передачи тепла по всему корпусу.

Пространство между нагревателем и термоэлементами полностью заполнено теплопроводящим материалом - серебряной пастой. Наполненный заполнителем корпус закрыт крышкой и закреплен в измерительном приборе.

Этот аналог по совокупности признаков наиболее близко подходит к заявленному техническому решению и поэтому выбран в качестве прототипа для каждого из изобретений, входящих в заявленную группу.

Заявленный способ имеет следующие общие с прототипом признаки: используют расположенные в рабочей зоне в заданных плоскостях пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре. Заявленное устройство характеризуется следующими общими с прототипом признаками: закрепленный в приборе и имеющий контакт с потоком корпус в виде тонкостенного полого цилиндра, который выполнен из теплопроводящего материала, наполнен заполнителем и закрыт крышкой, расположенные в рабочей зоне пары подогреваемых датчиков температуры, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса, и выводы которых подключены к измерительному блоку прибора, и нагреватель.

В основе работы прототипа лежит измерение температуры каждого из чувствительных элементов и сравнение изменений температуры, чтобы таким образом обнаружить две критические точки в слое, граничащим с жидкостью, обтекающей сферический корпус. Критические точки всегда привязаны к направлению течения жидкости. Множество близкорасположенных термоэлементов служат для обнаружения градиента температуры вокруг корпуса, вызванного переходом ламинарного в турбулентный поток и градиентом скорости жидкости, протекающей поблизости. Так определяется направление и скорость течения.

Заложенный в прототипе принцип определения направления и скорости течения на основе обнаружения двух критических точек в обтекающем слое обусловливает недостаточную чувствительность прототипа, не выше 1°, поскольку зависит от количества установленных датчиков - в данном случае 360 штук. При указанных минимальных размерах цилиндра, 0,5 дюйма, плотность расположения датчиков составит, примерно, 10 штук на 1 мм, что является сложной технологической задачей. Дальнейшее увеличение количества термодатчиков приведет к существенному увеличению габаритов датчика, усложнению устройства и снижению его надежности. Кроме того, теплопроводящей пасте практически всегда свойственна некоторая неоднородность, которая может привести к аномальным перегревам поверхности цилиндра и соответственно к увеличению погрешности измерения направления потока.

В основу изобретения поставлена задача создания термоанемометрического способа определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройства для его осуществления, в которых совокупности их отличительных признаков обусловливают достижение единого технического результата - повышение чувствительности измерений.

Поставленная задача решается тем, что в изобретении - способе термоанемометрического определения скорости и направления потока жидкости или газа, который заключается в том, что используют расположенные в рабочей зоне в заданных плоскостях пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре, новым является то, что используют две пары подогреваемых датчиков и дополнительно измеряют температуру потока расположенным в рабочей зоне неподогреваемым датчиком температуры, определяют скорость потока по разности среднеарифметического значения температур четырех подогреваемых датчиков и значения температуры неподогреваемого датчика, и определяют направление потока α в выбранной относительно плоскостей расположения пар датчиков системе координат по выражению

где

- значения температур подогреваемых датчиков соответственно в первой и второй парах. Задача изобретения решается также тем, что в изобретении - измерителе скорости и направления потока жидкости или газа, содержащем закрепленный в приборе и имеющий контакт с потоком корпус в виде тонкостенного полого цилиндра, который выполнен из теплопроводящего материала, наполнен заполнителем и закрыт крышкой, расположенные в рабочей зоне пары подогреваемых датчиков температуры, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса, и выводы которых подключены к измерительному блоку прибора, и нагреватель, новым является то, что измеритель содержит две пары подогреваемых датчиков температуры, расположенных в поперечной плоскости корпуса в двух ортогональных плоскостях, и расположенный в рабочей зоне и имеющий непосредственный контакт с потоком неподогреваемый датчик температуры, вывод которого подключен к измерительному блоку прибора, и который закреплен на оси крышки, которая выполнена куполообразной из теплоизоляционного материала, при этом нагреватель имеет непосредственный тепловой контакт с корпусом, а заполнителем является теплоизоляционный материал или воздух.

Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстраций, на которых изображено: фиг. 1 - общий вид заявленного измерителя с приподнятой крышкой; фиг. 2 - диаграммы направленности четырех подогреваемых датчиков температуры и соответствующие им значения температур в зависимости от направления потока V (иллюстрации а, б, в, г); фиг. 3 - зависимость направления потока α от разности температур датчиков в первой и второй парах; фиг. 4 - зависимость разности температур датчиков в первой и второй парах от направления потока а.

Заявленный термоанемометрический датчик скорости и направления потока (фиг. 1) содержит контактирующий с исследуемым потоком выполненный, например, из алюминия или меди тонкостенный корпус 1 в виде цилиндра, посадочное место которого установлено в корпус 2 измерительного прибора. Полость корпуса 1 наполнена теплоизоляционным заполнителем 3, в качестве которого в данном случае использован жесткий пенопласт для создания жесткости корпуса. В заданной поперечной плоскости корпуса 1, то есть в рабочей зоне измерителя, в двух ортогональных плоскостях расположены две пары датчиков температуры 4-7, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса 1. Выводы датчиков 4-7 подключены к измерительному блоку прибора. В данном случае датчики температуры 4-7 закреплены в заполнителе 3 и их контактные поверхности технологически доработаны под поверхность внутренней стенки цилиндра 1. Измеритель содержит нагреватель 8, который непосредственно установлен на корпусе 1 в его части, установленной в прибор. В данном случае нагреватель 8 выполнен в виде проволочной намотки. Цилиндр 1 закрыт крышкой 9, которая выполнена куполообразной для ослабления паразитной траектории через крышку, что приводит к увеличению разницы температур в парах подогреваемых датчиков 4, 6 и 5,7, а, следовательно, к увеличению чувствительности. С этой же целью и для исключения температурного шунтирования датчиков 4-7 крышка 9 изготовлена из теплоизоляционного материала, например, из пластмассы или оргстекла. В центре крышки 9 установлен контактирующий с исследуемым потоком датчик 10 температуры, вывод которого подключен к измерительному блоку прибора. Для уменьшения пространственной ошибки датчик 10 расположен в непосредственной близости от датчиков 4-7 и, кроме того, он дополнительно ослабляет паразитный поток через крышку 9.

Устройство работает следующим образом. Нагреваемый нагревателем 8 корпус 1 при обтекании его потоком, например, жидкости, охлаждается, при этом фронтальная поверхность корпуса охлаждается интенсивнее по сравнению с его экранируемой тыльной частью. Неравномерность охлаждения рабочей зоны корпуса 1, зависящая от скорости и направления потока, фиксируется парами противолежащих датчиков температуры 4, 6 и 5, 7 - обозначим значения температур датчиков в этих парах соответственно Т1, Т2 и Т3, Т4 (фиг. 2). Температура окружающей среды фиксируется неподогреваемым датчиком температуры 10 - обозначим значения температур этого датчика как Т5 (на иллюстрациях не показано).

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Для определения скорости потока фиксируют значения Т1, Т2, Т3, Т4 (фиг. 2) температуры корпуса 1 соответственно датчиками 4, 6, 5, 7 и значения Т5 температуры среды, окружающей корпус 1, неподогреваемым датчиком 10. Разница между среднеарифметическим значением температур Т1, Т2, Т3, Т4 и температурой Т5 является информативным параметром, необходимым для вычисления скорости V обтекающего потока, причем, чем выше скорость обтекания, тем меньше эта разность

Принцип определения направления потока основан на разности температур корпуса 1, измеренной парами противолежащих датчиков: 4, 6 и 5, 7. Обозначим разность температур датчиков 4 и 6 первой пары как ΔΤ1, а разность температур датчиков 5 и 7 второй пары как ΔΤ2, то есть,

Для задания различных углов обтекания измеритель помещают в поток жидкости, задаваемых, например, гидролотком. Выбирают направление, проходящее через одну из пар подогреваемых датчиков, например, через пару датчиков 4 и 6, в качестве нулевого и, вращая измеритель вокруг собственной оси, задают угол обтекания измерителя.

Для измерения направления потока φ в абсолютных географических координатах измеритель необходимо дополнительно снабдить компасом для текущего измерения ориентации оси измерителя в пространстве

где α - угол обтекания измерителя;

β - угол между нулевой осью измерителя и направлением на север. На фиг. 2 представлены диаграммы направленности подогреваемых датчиков температуры 4, 5, 6, 7. Соответствующие векторы численно равны значениям температур этих датчиков и зависят от направления потока V (иллюстрации а, б, в, г). Стрелки указывают направление потока. На этих иллюстрациях видно, что определенному направлению потока V соответствуют определенные значения температур датчиков 4, 6, 5, 7 в соответствии с их диаграммами направленности.

Для определения направления потока в качестве информативного параметра используют разность температур, измеренных противоположными датчиками, то есть, парой датчиков 4, 6 и парой датчиков 5, 7. За нулевое направление потока возьмем, например, ось, проходящую через первую пару датчиков 4 и 6, которым соответствует разность температур

На фиг. 3 представлена зависимость направления потока α от разности температур первой пары датчиков и от разности температур второй пар датчиков. Отрезок OA численно равен разности температур, измеренных термодатчиками 4 и 6 первой пары, отрезок ОВ численно равен разности ΔΤ2 температур, измеренных термодатчиками 5 и 7 второй пары, откуда направление α потока будет описываться выражением (1):

Диаграммы направленности первой и второй пар датчиков носят косинусный характер и представлены на фиг. 4: отрезку OA соответствует AT1 = Т12, а отрезку ОВ соответствует ΔΤ2 = Т34.

Заявителем был изготовлен макетный образец измерителя со следующими. линейными размерами корпуса 1: диаметр - 16 мм; длина - 12 мм; длина части, находящейся в контакте с исследуемым потоком, составляет 3,5 мм.

В качестве датчиков 4-7 использованы терморезистивные датчики HEL 700, сопротивлением 1000 Ом (при 0°С). Мощность нагревателя 8 составляет 0,7 Вт.

Заявленная группа изобретений обеспечивает повышение чувствительности измерений, а также значительное снижение энергозатрат благодаря непосредственному тепловому контакту нагревателя и корпуса.

1. Термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа, заключающийся в том, что используют расположенные в рабочей зоне в заданных плоскостях пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре, отличающийся тем, что используют две пары подогреваемых датчиков и дополнительно измеряют температуру потока расположенным в рабочей зоне неподогреваемым датчиком, определяют скорость потока по разности среднеарифметического значения температур четырех подогреваемых датчиков и значения температуры неподогреваемого датчика, и определяют направление потока α в выбранной относительно плоскостей расположения пар датчиков системе координат по выражению:

при ΔТ2>0 α=0°-180°;
при ΔТ2<0 α=180°-360°,
где ΔТ1=Т12; ΔТ2=Т34;
Т1, Т2 и Т3, Т4 - значения температур подогреваемых датчиков соответственно в первой и второй парах.

2. Термоанемометрический измеритель скорости и направления потока жидкости или газа, содержащий закрепленный в приборе и имеющий контакт с потоком корпус в виде тонкостенного полого цилиндра, который выполнен из теплопроводящего материала, наполнен заполнителем и закрыт крышкой, расположенные в рабочей зоне пары подогреваемых датчиков температуры, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса, и выводы которых подключены к измерительному блоку прибора, и нагреватель, отличающийся тем, что содержит две пары подогреваемых датчиков температуры, расположенных в поперечной плоскости корпуса в двух ортогональных плоскостях, и расположенный в рабочей зоне и имеющий непосредственный контакт с потоком неподогреваемый датчик температуры, вывод которого подключен к измерительному блоку прибора, и который закреплен на оси крышки, которая выполнена куполообразной из теплоизоляционного материала, при этом нагреватель имеет непосредственный тепловой контакт с корпусом, а заполнителем является теплоизоляционный материал или воздух.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров потоков жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей способа. Способ измерения параметров газовых и жидких сред датчиком температуры с подогревом по периодической функции, на фоне постоянной составляющей, включает фиксацию температуры датчика и мощности подогрева, а также использование градуировочных зависимостей параметров среды от параметров датчика.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры в потоках газов и жидкостей. Предлагается устройство термоанемометра, в котором на одной оптической оси последовательно друг за другом расположены источник света, ТЧЭ в виде терморезистивной структуры с внешними электрическими выводами и пластина, выполняющая роль отражающей поверхности.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при выполнении анемометрических измерений. Заявлен анемометрический зонд с проволочкой или с n (n≥1) проволочками, параллельными между собой, для измерения вблизи стенки, содержащий для каждой проволочки два стержня (4, 6) крепления проволочки.

Изобретение относится к устройству и способу измерения скорости, направления и ориентации течения газообразной текучей среды, такой, например, как воздух. .

Изобретение относится к области исследования скважин и может быть использовано при контроле разработки нефтяных месторождений. .

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Изобретение относится к устройству измерения потока для определения направления потока флюида. .

Изобретение относится к области исследования скважин и может быть использовано для определения скорости потока жидкости в скважинах при контроле разработки нефтяных месторождений.

Изобретение относится к технике приборостроения. .

Изобретение относится к способам определения скорости течения и может быть использовано в гидрологии. .

Изобретение может быть использовано для измерения скорости течений и ветра, а также расхода жидкостей и газа в трубопроводах. Технический результат - повышение точности, упрощение технической реализации способа измерения скорости потока и расширение областей применения. Сущность: для измерения скорости направленного потока используют первичный измерительный преобразователь меток в потоке с равномерно распределенной измерительной базой известной длины L, размещают измерительную базу в потоке под известным острым углом α к направлению потока, подают выходной сигнал R(t) первичного, измерительного преобразователя через вторичный измерительный преобразователь на спектроанализатор, вычисляют известным способом текущую за время Τ функцию спектральной плотности сигнала SR(f). В силу того, что распределенный первичный измерительный преобразователь осуществляет скользящее осреднение на базе L и на отрезке времени сигнала меток в потоке, функция SR(f) будет иметь минимумы (нули) на дискретных частотах fi в порядке возрастания , причем . Определяют частоты fi по функции SR(f), вычисляют среднюю за время T скорость потока по формуле При использовании в качестве меток в потоке неоднородностей температуры, коэффициента теплообмена (зависящего от пульсаций скорости, плотности, теплоемкости, теплопроводности, кинематической вязкости потока), пульсаций гидростатического давления, неоднородности удельной электропроводимости, коэффициентов ослабления света и звука - используют соответствующие распределенные первичные измерительные преобразователи меток в электрический сигнал. 17 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения физических параметров и скорости потоков жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и повышение быстродействия способа. Суть способа состоит в том, что в потоке локально устанавливают три идентичных терморезисторных элемента с подогревом - охлаждением управляемыми контролируемыми источниками разной переменной мощности, измеряют сопротивления терморезисторных элементов во времени, определяют мгновенные значения температуры терморезисторных элементов и их производных, определянэт мгновенное значение параметра потока по градуировочной зависимости от интегрального коэффициента теплообмена a(t)S тер-морезисторного элемента со средой или по градуировочной зависимости от теплоемкости тс терморезисторного элемента, которые вычисляют.по формулам где θ1(t), θ2(t) и θ3(t) - мгновенные температуры первого, второго и третьего терморезисторных элементов; θ1'(t), θ2'(t) и θ3'(t) - мгновенные производные температур первого, второго и третьего терморезисторных элементов; Ρ1(t), Ρ2(t) и Ρ3(t) - мгновенные мощности нагрева первого, второго и третьего терморезисторных элементов, температуру потока θc(t) определяют по формуле.
Наверх