СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Массовый расходомер для измерения скорости текущей жидкости, в котором используется термический датчик. Датчик генерирует тепло, когда подается электрическая мощность. Теплоотвод устанавливается в текущей жидкости непосредственно поперек от датчика перпендикулярно к текущей жидкости. Электрическая мощность подается на датчик для образования теплового потока, текущего от датчика к теплоотводу. Текущая жидкость модулирует этот тепловой поток. Электрическая схема измеряет температуру датчика и вычисляет скорость текущей жидкости из этого измерения.

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения расхода термических жидкостей.
Известен способ измерения скорости текучей среды, в котором излучают тепловой поток помещенными в поток текучей среды на расстоянии по потоку двумя рабочими термодатчиками, измеряют разность температур рабочих термодатчиков и вычисляют скорость потока по измеренному изменению разности температур и величине потребля-емой термодатчиками мощности.
Известный способ реализован в устройстве (1), которое содержит два терморезистора, расположенных на расстоянии друг от друга по потоку. Питание подается на оба терморезистора, в результате температура первого по потоку терморезистора уменьшит-ся, а второго увеличится. Разность температур является функцией скорости текучей среды.
Недостаток устройств этого типа состоит в том, что сопротивление между двумя датчиками стремится увеличиваться с увеличением расхода до тех пор, пока не достигается некоторая критическая величина расхода. После этого разность сопротивлений имеет тенденцию уменьшаться с увеличением расхода. Эта нелинейность составляет проблему, ограничивающую диапазон скоростей, в котором может работать устройство.
Техническим результатом от использования изобретения является увеличение эффективности и точности измерения.
Для его достижения в способе измерения скорости текучей среды, включающем излучение теплового потока термодатчиком, помещенным в поток измеряемой среды, при пропускании через него электрического тока, измерение увеличения температуры термодатчика относительно температуры текучей среды и вычисление скорости потока по измеренному увеличению температуры и величине потребляемой термодатчиком мощ-ности, тепловой поток излучают в направлении, перпендикулярном направлению теку-чей среды, к теплоотводу, размещенному в потоке на расстоянии, обеспечивающем пе-ренос к нему теплового потока и его модуляцию текучей средой, причем, пространство между теплоотводом и термодатчиком свободно от препятствий, а также тем, что тепловой поток дополнительно излучают в направлении по второму теплоотводу, причем, первый и второй теплоотводы равноудалены от излучающих поверхностей термодатчи-ка в разные стороны.
Кроме того, дополнительно излучают тепловой поток в направлении, перпендику-лярном направлению потока, опорным термодатчиком, размещенным в потоке и подключенным к источнику электрического тока, мощность которого меньше мощности, подаваемой на рабочий термодатчик, причем, тепловой поток излучают в направлении второго и третьего теплоотводов, измеряют температуру опорного термодатчика, а при вычислении скорости текучей среды учитывают разность температур рабочего и опор-ного термодатчиков при этом, второй теплоотвод располагают между рабочим и опор-ным термодатчиками, а третий теплоотвод располагают симметрично второму относительно опорного термодатчика.
Для достижения указанного технического результата устройство для измерения скорости текучей среды, содержащее рабочий термодатчик, установленный в потоке и связанный с источником электрического тока, измерители температуры и мощности, связанные с вычислительным устройством, снабжено опорным термодатчиком, установленным в потоке и связанным с соответствующим источником электрического тока, и тремя теплоотводами, один из которых установлен между термодатчиками, а два других по разные стороны от них, а также измерителем температуры опорного термодатчика и измерителем разности температур рабочего и опорного термодатчиков, каждый теплоотвод расположен на равном расстоянии от соответствующего термодатчика в направлении, перпендикулярном направлению текучей среды, при этом, измерители температуры рабочего и опорного термодатчиков, измеритель мощности рабочего термодатчика и измеритель разности температур связаны с вычислительным устройством через аналого-цифровой преобразователь, каждые датчик и теплоотвод имеют противолежащие поверхности, которые параллельны друг другу, кроме того, датчики содержат резистивный элемент, плоскость которого параллельна противолежащей поверхности теплоотвода, и подложку, покрытую металлическим слоем, который образует резистивный эле-мент.
Устройство, реализующее способ измерения, изображено на чертеже, где на фиг.1 показан вариант устройства с одним термодатчиком и одним теплоотводом, на фиг.2 - вариант устройства с одним термодатчиком и двумя теплоотводами, на фиг.3 - вариант устройства с двумя термодатчиками и тремя теплоотводами, на фиг.4 - показана кон-струкция термодатчика.
Устройство содержит (фиг.1) рабочий термодатчик 1 в виде фольги, смонтирован-ной в изоляторе 2, первый теплоотвод 3, источник питания (электрического тока) 4, из-мерительную схему 5, второй теплоотвод 6 (фиг.2), расположенный симметрично пер-вому относительно термодатчика 1, опорный термодатчик 7 (см. фиг.3), третий теплоот-вод 8, аналогоцифровой преобразователь 9 и вычислительное устройство 10. Рабочий и опорный термодатчики соединены с общим источником питания через различные со-противления 11 и 12.
Каждый термодатчик имеет тонкий изоляционный слой - подложку 13, покрытую тонким слоем 14 проводящего металла. Слой металла протравлен и образует обмотку 15, являющуюся резистором. Обмотка 15 и подложка 13 представляют собой плоские поверхности. Согласно фиг.1 обмотка 15 термодатчика соединена с источником электри-ческого тока 4, который обеспечивает нагрев обмотки 15 термодатчика, в результате термодатчик излучает в измеряемый поток тепло. Измерительная схема 5 измеряет по-требляемую термодатчиком мощность, получая информацию о температуре. Теплоотвод 2 выполнен из металла, который легко проводит тепло и тем самым оттягивает и по-глощает генерируемое тепло от датчика 1, при этом направление потока жидкости пер-пендикулярно направлению теплового потока.
Для пояснения сущности изобретения в активном объеме между термодатчиком 1 и теплоотводом 2 выбирается инкрементный объем 16. При этом использованы следую-щие обозначения:
z - расстояние между датчиком 1 и инкрементным объемом 16,
dz - толщина инкрементного объема 16,
А - площадь инкрементного объема 16,
То - температура датчика 1,
Та - окружающая температура теплоотвода 2 и жидкости, протекающей через расхо-домер,
Т - температура жидкости в инкрементном объеме 16,
Q - тепло,
С - теплоемкость или удельная теплоемкость жидкости,
D - плотность жидкости,
К - теплопроводность жидкости,
d - дифференциальный оператор,
t - время,
V - средняя молекулярная скорость жидкости, протекающей за датчиком 1, и
W - мощность, подаваемая на жидкость датчиком 11.
Профиль постоянной скорости жидкости предполагается через зазор между датчи-ком 1 и теплоотводом 3. Тепло Q1, содержащееся в инкрементном объеме 16, пропорци-онально теплоемкости С жидкости, массе жидкости (DАdz) и ее температуре Т следую-щим образом:
Q1 = CDTAdz
Скорость аккумулирования тепла в инкрементном объеме 16 составляет dQ1/dt ми-нус скорость, с какой тепло удаляется с элемента жидкостью, протекающей со скоро-стью V, следующим образом:
dQ1/dt = CDAdz(dT/dt) - CDAdz (T-Ta)V=
= CDAdz[dT/dt - (T-Ta)V]
Скорость теплового потока или потока от датчика 1 в инкрементный объем 16 про-порциональна площади поверхности А, теплопроводности жидкости К и наружному нормальному градиенту температуры dT/dz следующим образом:
dQ2/dt = - KAdT/dz
Скорость теплового потока из инкрементного объема 16 определяется следующим образом:
dQ3/dt = dQ2/dt + d/dz(dQ2/dt)dz =
= -KAdT/dz - d/dz(KAdT/dz)dz
В результате сохранения тепла:
dQ2/dt - dQ3/dt = dQ1/dt;
-KAdT/dz + KAdT/dz + d/dz(KAdT/dz)dz=
= CDAdz [dT/dt - (T-Ta)V] и
d2T/dz2 = CD/K[dT/dt - (T-Ta)V]
В стабильном состоянии:
dT/dt = 0 и d2 T/dz2 = CDV/K (-T + Ta)
Это дифференциальное уравнение вместе с нижеследующими граничными услови-ями описывает тепловое окружение (среду) в активном объеме 16 между датчиком 1 и теплоотводом 3.
1. При z = 0 (датчик 1)
а) dT/dz = -(1/KA) (мощность, подаваемая на датчик 1) = - W/KA
б) Т = То
2. При z = G (поверхность теплоотвода 3), Т=Та.
Поэтому уравнение стабильного состояния, описывающее температуру Т для любого местоположения z в активном объеме 16, будет:
Т=Та+[(G-z)W/KА]EXP[-(G-z)SQRT(CDV/K)]
Уравнение стабильного состояния, описывающее температуру датчика при z=O, бу-дет:
То = Та + [GW/KA] EXP [-(G)SQRT(CDV/K)]
Поэтому повышение температуры TR=То-Та датчика 1 выше окружающей может быть выражено как:
TR = (КОНСТАНТА1GW/A)EXP (-GSQRT (КОНСТАНТА2V), где КОНСТАНТА1 и КОНСТАНТА2 определяются только свойствами жидкости.
Это уравнение имеет замечательное свойство, которое заключается в том, что в це-лом изменение и чувствительность TR к повышению температуры датчика 1 по отно-шению к окружающей температуре текущей жидкости может диктоваться для любого типа требуемой жидкости или диапазона скоростей просто путем выбора размера зазора G.
Второй вариант реализации на фиг.2 показывает, как свести до минимума паразит-ные потери тепла, связанные с изоляционной поверхностью 2 на фиг.1. На фиг.2 датчик 1 такой же, как датчик на фиг.1, однако он свисает между двумя теплоотводами 3 и 6 на равном расстоянии от них. Жидкость течет с обеих сторон датчика 1. Поверхности теп-лоотводов 3, 6 находятся при одинаковой окружающей температуре, какой является температура текущей жидкости. Площадь обеих поверхностей или сторон датчика 1 ис-пользуется для вычисления отношения температура/скорость жидкости. Благодаря не-значительной толщине подложки датчика 1 по существу равные количества тепла будут течь в обоих направлениях от датчика.
На фиг.3 показан третий вариант реализации. В этом варианте можно компенсиро-вать изменение температур жидкости, входящей в термический расходомер. В этом ва-рианте реализации датчик 1 является измерительным или активным датчиком, анало-гичным датчиком на фиг.1 и 2. Датчик 1 установлен на равноотстоящем расстоянии между двумя теплоотводами 3 и 6.
Второй датчик 7 установлен на равноотстоящем расстоянии между теплоотводом 6 и вторым теплоотводом 8. Датчик 7 той же конструкции, что и датчик 1, однако он явля-ется опорным контрольным датчиком. Контрольный датчик 7 имеет тепловые свойства идентичные активному датчику 1, но мощность, потребляемая при проведении измере-ния температуры контрольным датчиком 7, устанавливается не менее, чем одна сотая мощности, потребляемой в активном состоянии датчиком 1. В этом случае DT является температурой активного датчика 1 минус температура контрольного датчика 7.
Источник питания 4 постоянного тока имеет свои положительные выводы, соеди-ненные с одной стороной обмотки датчиков 1, 7. Активный датчик 1 имеет другой ко-нец своей обмотки, соединенный с резистором 11. Контрольный датчик 7 другой сто-роной соединен с резистором 12.
Противоположные стороны резисторов 11, 12 соединены с отрицательным выводом источника питания 4 и входом С1 аналого-цифрового преобразователя 9. Вход С2 аналого-цифрового преобразователя 9 соединен между резистором 11 и активным датчиком 1. Вход С3 соединен с положительным выводом источника питания 4. Вход С4 соединен между резистором 12 и контрольным датчиком 7. Выход аналого-цифрового преоб-разователя 9 соединен с обычным компьютером 10. Аналого-цифровой преобразователь 9 собирает аналоговые напряжения на своих входах С1, С2, С3, и С4 и посылает цифровые данные на компьютер 10 для вычисления скоростей.
Благодаря использованию уникального способа модуляции теплового потока, изобретение позволяет измерять широкий диапазон типов жидкостей и скоростей. Изобрете-ние позволяет кроме трех описанных вариантов реализации получить и другие варианты, основанные на данном принципе.

Патент США №4691566, М. кл.6 GO1F 1/68, 1988г.