Пленочный термоанемометр

 

ПЛЕНОЧНЬЙ TEPMOAHH-fOMETP, содержащий следящую электрическую систему и подключенный к ней датчик, выполненный в виде терморезистивной пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку и покрытой запретным слоем диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью поньшгения точности измерений, он снабжен второй электрической следящей системой и второй терморезистивной пленкой, нанесенной на защитный слой первой пленки и подключенной к второй следящей (Системе. (Л vj СО iitahi

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s l) 4 С 01 Р 5/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

nQ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2759876/18-10 (22) 03.05 ° 79 (46) 23.09.85. Бюл. М 35 (72) В.В.Троицкий (53) 532.574(088.8) .(56) блинце Н.О. Турбулентность.

: M,, 1963, с. 142.

Каталог фирмы DIS А "Научно-исследовательское оборудование 19751976", Publ. Р 4201 R, Print in

Denmark, November, 1974 (прототип) . (54) (57) ПЛЕНОЧНЬГ1 ТЕРИОАНИ10МЕТР, содержащий следящую электрическую систему и подключенный к ней датчик, выполненный в виде термореэистивной пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку и покрытой защитным слоем диэлектрика, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерений, он снабжен второй электрической следящей системой и второй терморезистивной пленкой, нанесенной на защитный слой первой пленки и подключенной к второй следящей системе.

770349

Ро гДе R P0

Р20

SS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для измерения скоростных характеристик турбулентности в потоках жидкости и газа, 5

Известны электротермоанемометры постоянной температуры для измерения мгновенной локальной скорости в потоках газа и жидкости с датчиком, у которого чувствительным элементом 10 служит тонкая металлическая проволока, нагреваемая электрическим током электротермоанемометра.

Проволочные датчики электротермоанемометров очень сильно склонны к загрязнению (например, пылью), что ведет к нестабильности показаний электротермоанемоментра, кроме того, они обладают малой механической прочностью при использовании их в пото- 2п ках с большим динамическим напором.

Из известных термоанемометрических устройств наиболее близким по технической сущности является устройство, состоящее из электротермоанемо-75 метра постоянной температуры со следящей системой и подключенного к нему пленочного датчика, выполненного в виде защищенной тонким слоем окиси кремния никелевой пленки, нанесенной на кварцевую подложку различной геометрической формы.

Однако чувствительность известного устройства относительно невелика, особенно при измерениях скорости или

35 касательного напряжения в потоках газа, из-за того, что доля тепла от нагретой пленки, отводимого подложкой, много больше количества тепла, отводимого набегающим потоком.

Кроме того, сильная зависимость показаний электротермоанемометра постоянной температуры, работающего с пленочным датчиком от температуры подложки, термически связанной с корпусом датчика, сильно сужает область применения устройства.

4 цель предложения — повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в известное устройство введена вторая электрическая следящая система и вторая пленка, нанесенная на защитный слой первой пленки и подключенная к второй следящей системе.

На чертеже. приведена блок-схема пленочного термоанемометра.

Пленочный термоанемометр содержит датчик 1, состоящий из защитного слоя 2 диэлектрика, терморезистивной рабочей пленки 3 (в потоках газа и жидкости не проводящих электрический ток химически инертных к материалу рабочей пленки 3, защитного слоя 2 может и не быть), слоя 4 диэлектрика,,цополнительной терморезистивной пленки 5, диэлектрической подложки б, электродов 7 и 8 и две следящие системы 9 и 10 электротермоанемометра . постоянной температуры, одна из которых через подводящие электрические провода 11 подключена к рабочей пленке 3, а другая— к дополнительной пленке 5. Выход следящей системы 9 электротермоанемометра является основным выходом устройства, а выход следящей системы 10 электротермоанемометра — дополнительным выходом, Для измерения скорости датчик I диэлектрическая подложка которого выполнена в виде клина или конуса, размещают в потоке газа или жидкости, таким образом, чтобы защитный слой 2 (рабочая пленка 3) обтекалась нормально набегающим потоком. Для измерения касательных напряжений датчик термоанемометрического устройства заделывают заподлицо с поверхностью, обтекаемой потоком газа или жидкости, при этом поток обтекает защитный слой 2 (рабочую пленку 3) тангенциально. С помощью электротермоанемометра следящей системы 9,работающего в режиме измерения электрического сопротивления, при котором измерительный ток настолько мал, что практически не нагревает пленку, измеряют электрическое сопротивление рабочей пленки, которое связано

r ее температурой следующей формулой .

Р20 D+220(t 20)3, (1) — электрическое сопротивление рабочей пленки при температуре — электрическое сопротивление рабочей пленки при температуре 20 Г; — температурный электрический коэффициент сопротивления материала рабочей пленки; — температура рабочей пленки в режиме измерения сопротивления.

770349

Ю с

Е U

50 где д — отклонение электрического напряжения на концах рабочей

55 пленки от среднего значения; ,пЕ 2 Е г

С= — -; - — коэффициент чувствительо ности;

С помощью электротермоанемометра следящей счстемъ1 10, работающего в режиме измерения электрического сопротивления, измеряют электрическое сопротивление дополнительной пленки 5, которое связано с температурой дополнительной пленки аналогичным соотношением: до =R +20 Г1 + /32о д -20)), (2) где R — электрическое сопротивледо ние дополнительной пленки при температуре;

R — электрическое сопротивлеД2о ние дополнительной пленки при температуре пленки

20ос

7о — температурный коэффициент электрического сопротивле— ния дополнительный пленки для 20 Г; — температура дополнительной д пленки в режиме измерения сопротивления.

Используя полученное значение электрического сопротивления рабочей пленки, настраивают электротермоанемометр следящей системы 9 таким образом, чтобы электрическое сопротивление рабочей пленки за счет тепла, выделяемого электрическим током, поддерживалось равным: р ро щ» (3) где m= (1+os(Tp-tp)j — коэффициент перегрева рабочей пленки, выбирается таким же, как и при тарировочных опытах;

Т вЂ” температура пеP регретой рабочей пленки.

Используя значение электрического сопротивления дополнительной пленки

RAo настраивают электротермоанемометр следящей системы 10 таким образом, чтобы электрическое сопротивление дополнительной пленки за счет тепла, вьделяемого электрическим током нагрева от электротермоанемометра 9, поддерживалось равным. 4 до (4) где К вЂ” коэффициент перегрева дополнительной пленки 5, определенный из условия равенства температур рабочей и дополнительной пленок, находят из соотношения:

Р2 г 1

1+, 1Р1 1+4gqm(t .0) о Я (. )

1+ p (-20)

Если дополнительная пленка выполнена из того же материала, что и рабочая пленка, то есть,Э =с, то тогда

/2с 20 коэффициент перегрева дополнительной пленки К находят из соотношения:

m Г1+с 2о (tp-20)3

К----- — ---- — —. (6)

1+,(e 20)

10 При таком выборе коэффициента перегрева дополнительной пленки, температуры рабочей и дополнительной пленок- поддерживаются обеими следящими системами электротермоанемометров

15 независимо одинаковыми с высокой степенью точности вне зависимости от условий теплообмена обеих пленок.

Как известно, выходной сигнал электротермоанемометра постоянной

20 температуры с подключенным нагретым пленочным датчиком, обтекаемым изотермическим потоком жидкости или газа, можно записать в виде:

Е2 =F. +AU", (7)

25 где Š— напряжение на концах нагретой током электротермоанемометра пленки;

Š— напряжение на концах пленки о при скорости окружающего по30 тока равной нулю, U — скорость потока жидкости или газа;

А,п — константы, определяемые из тарировочных опытов.

Величина Г характеризует отвод ,тепла от рабочей пленки эа счет теплопроводности потока газа или жидкости и за счет теплопроводности подложки, а также за счет свободной конвек40 ции. Второй член уравнения (7) характеризует отвод тепла от рабочей пленки за счет BblH BHHQH конвекции. Из уравнения (7) легко получить уравнение, связывающее относительное изменение

45 напряжения на выходе электротермоанемометра постоянной температуры с относительным изменением скорости (при малых отклонениях скорости), которое можно записать в виде:

770349 редактор O.Èðêîâà Техред И.надь КорректорЛ.Пилипенко

Заказ 5965/3 . Тираж 896 Подписное

ВНИИПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, .ул.Проектная, 4 дΠ— отклонение скорости от среднего значения.

Видно, что коэффициент чувствительности С, в зависимости от величин соотношения Е,/E может меняться от С=п/2 до С=О при соответственно

Е,/Е=О и Е /E 1. Аналогичное соотношение справедливо и для плоских пленочных датчиков, предназначенных для 10 измерения касательных напряжений в потоках газа и жидкости. Только в этом случае, чаще всего, используют степенную функциональную зависимость (7) между квадратом напряжения на выходе электротермоанемометра и касательным напряжением с показателем степени п=1/3.

У предлагаемого устройства, если пренебречь отводом тепла от рабочей 2р пленки вдоль поверхности, что справедливо при выполнении конструктивного соотношения h/Ь (

b — ширина дополнительной пленки, при равенстве температур рабочей и дополнительной пленок оттока тепла от рабочей пленки внутрь подложки не будет и, соответственно, мощность, выделяемая электрическим током от электротермоанемометра и необходимая для поддержания рабочего перегрева рабочей пленки (Т -t ), резко снизится, что приведет к уменьшению отношения Eo/E и росту коэффициента чувствительности G.

С другой стороны показания на выходе электротермоанемометра не зависят от изменения температуры изоли" рующей подложки, так как все изменения температурщ изолирующей подложки будут парированы изменением мощности нагрева дополнительной пленки.