RU2548135C1 - Thermal wind-gage determination of fluid or gas flow velocity and direction and device to this end - Google Patents
Thermal wind-gage determination of fluid or gas flow velocity and direction and device to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2548135C1 RU2548135C1 RU2014151951/93A RU2014151951A RU2548135C1 RU 2548135 C1 RU2548135 C1 RU 2548135C1 RU 2014151951/93 A RU2014151951/93 A RU 2014151951/93A RU 2014151951 A RU2014151951 A RU 2014151951A RU 2548135 C1 RU2548135 C1 RU 2548135C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- flow
- sensors
- heated
- pairs
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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.The invention relates to thermoanemometric means for measuring the speed and direction of flow of a liquid or gas and can be used in the study of various environments, including aggressive ones, in any reservoirs and in the atmosphere.
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.A known apparatus for measuring the speed and direction of fluids [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], in which a germanium single crystal was used as a heat-sensitive element. This sensor has insufficient sensitivity due to the presence of a rotating system, without which it is impossible to detect the plane in which the velocity vector and the axis of the sensor lie. In addition, this analogue is characterized by insufficient information content due to the presence of a “shaded area”, which limits the determination of the flow direction from 180 to 360 °, that is, the apparatus allows you to determine the direction and velocity of the medium only in the hemisphere of values.
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.Known thermal sensor for measuring the direction of the ocean flow [US Patent No. 3,995,480, class. G 01
Пространство между нагревателем и термоэлементами полностью заполнено теплопроводящим материалом - серебряной пастой. Наполненный заполнителем корпус закрыт крышкой и закреплен в измерительном приборе.The space between the heater and thermocouples is completely filled with heat-conducting material - silver paste. The body filled with filler is closed by a lid and fixed in the measuring device.
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.This analogue of the totality of features comes closest to the claimed technical solution and is therefore selected as a prototype for each of the inventions included in the claimed group.
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.The claimed method has the following common features with the prototype: use pairs of heated temperature sensors located in the working area in predetermined planes and calculate the difference in temperature values of the sensors in each pair. The claimed device is characterized by the following features common with the prototype: a case fixed in the device and having contact with the flow in the form of a thin-walled hollow cylinder, which is made of heat-conducting material, filled with filler and closed by a lid, located in the working area are pairs of heated temperature sensors that have direct thermal contact with the inner wall of the housing, and the conclusions of which are connected to the measuring unit of the device, and a heater.
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.The prototype is based on measuring the temperature of each of the sensitive elements and comparing the temperature changes, so that two critical points in the layer bordering the fluid flowing around the spherical body can be detected. Critical points are always tied to the direction of fluid flow. Many nearby thermocouples are used to detect the temperature gradient around the housing caused by the transition of the laminar to the turbulent flow and the gradient of the velocity of the fluid flowing nearby. This determines the direction and speed of the current.
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.The principle of determining the direction and speed of the flow based on the detection of two critical points in the flowing layer laid down in the prototype determines the insufficient sensitivity of the prototype, not higher than 1 °, because it depends on the number of installed sensors - in this case 360 pieces. With the specified minimum cylinder sizes of 0.5 inches, the density of the sensors will be approximately 10 pieces per 1 mm, which is a complex technological task. A further increase in the number of temperature sensors will lead to a significant increase in the size of the sensor, complicating the device and reducing its reliability. In addition, some heterogeneity is almost always characteristic of a heat-conducting paste, which can lead to abnormal overheating of the cylinder surface and, accordingly, to an increase in the error in measuring the direction of flow.
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.The basis of the invention is the task of creating a hot-wire anemometric method for determining the speed and direction of flow of a liquid or gas and a device for its implementation, in which the combination of their distinguishing features determine the achievement of a single technical result - increasing the sensitivity of measurements.
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 выражениюThe problem is solved in that in the invention, a method for thermoanemometric determination of the velocity and direction of the liquid or gas flow, which consists in using pairs of heated temperature sensors located in the specified area in the given planes and calculating the difference in temperature values of the sensors in each pair, new the fact that they use two pairs of heated sensors and additionally measure the temperature of the flow located in the working area unheated temperature sensor, determine the speed st flow of the arithmetic mean values of the temperature difference sensors and heated four values unheated temperature sensor, and determining the flow direction α with respect to the selected pair of sensors to the plane coordinate system by the expression
где 
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.The invention is illustrated with the help of illustrations, which depict: FIG. 1 is a General view of the claimed meter with a raised lid; FIG. 2 - radiation patterns of four heated temperature sensors and the corresponding temperature values depending on the direction of flow V (illustrations a, b, c, d); FIG. 3 - dependence of the flow direction α on the temperature difference of the sensors in the first and second pairs; FIG. 4 - dependence of the temperature difference of the sensors in the first and second pairs on the flow direction a.
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.The claimed hot-wire anemometer of the velocity and direction of flow (Fig. 1) contains a thin-walled casing 1 made in the form of a cylinder, made of aluminum or copper, for example, made of aluminum or copper, the seat of which is installed in the
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).The device operates as follows. The housing 1 heated by the
Заявленный способ осуществляют следующим образом.The claimed method is as follows.
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 разностьTo determine the flow rate, the values of T 1 , T 2 , T 3 , T 4 (Fig. 2) of the temperature of the housing 1, respectively, are recorded by
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.To set various flow angles, the meter is placed in a fluid stream, specified, for example, by a hydrohole. Select the direction passing through one of the pairs of heated sensors, for example, through a pair of
Для измерения направления потока φ в абсолютных географических координатах измеритель необходимо дополнительно снабдить компасом для текущего измерения ориентации оси измерителя в пространствеTo measure the flow direction φ in absolute geographical coordinates, the meter must additionally be equipped with a compass for the current measurement of the orientation of the axis of the meter in space
где α - угол обтекания измерителя;where α is the angle of flow around the meter;
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 
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 
Диаграммы направленности первой и второй пар датчиков носят косинусный характер и представлены на фиг. 4: отрезку OA соответствует AT1 = Т1-Т2, а отрезку ОВ соответствует ΔΤ2 = Т3-Т4.The radiation patterns of the first and second pairs of sensors are cosine in nature and are shown in FIG. 4: the segment OA corresponds to AT1 = T 1 -T 2 , and the segment OV corresponds to ΔΤ2 = T 3 -T 4 .
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.The applicant made a prototype meter with the following. linear dimensions of the housing 1: diameter - 16 mm; length - 12 mm; the length of the part in contact with the test stream is 3.5 mm.
В качестве датчиков 4-7 использованы терморезистивные датчики HEL 700, сопротивлением 1000 Ом (при 0°С). Мощность нагревателя 8 составляет 0,7 Вт.As sensors 4-7, HEL 700 thermoresistive sensors with a resistance of 1000 Ohms (at 0 ° C) were used. The power of the
Заявленная группа изобретений обеспечивает повышение чувствительности измерений, а также значительное снижение энергозатрат благодаря непосредственному тепловому контакту нагревателя и корпуса.The claimed group of inventions provides an increase in the sensitivity of measurements, as well as a significant reduction in energy consumption due to direct thermal contact of the heater and the housing.
Claims (2)
при ΔТ2>0 α=0°-180°;
при ΔТ2<0 α=180°-360°,
где ΔТ1=Т1-Т2; ΔТ2=Т3-Т4;
Т1, Т2 и Т3, Т4 - значения температур подогреваемых датчиков соответственно в первой и второй парах.1. Thermoanemometric method for determining the speed and direction of flow of liquid or gas, which consists of using pairs of heated temperature sensors located in the working area in predetermined planes and calculating the difference in temperature values of the sensors in each pair, characterized in that they use two pairs of heated sensors and additionally measure the temperature of the flow located in the working area of an unheated sensor, determine the flow rate by the difference of the arithmetic mean of the temperature four ex heated sensors and temperature values of an unheated sensor, and determine the direction of flow α in the coordinate system selected relative to the planes of arrangement of pairs of sensors by the expression:
at ΔТ2> 0 α = 0 ° -180 °;
at ΔТ2 <0 α = 180 ° -360 °,
where ΔT1 = T 1 -T 2 ; ΔT2 = T 3 -T 4 ;
T 1 , T 2 and T 3 , T 4 - the temperature values of the heated sensors, respectively, in the first and second pairs.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151951/93A RU2548135C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Thermal wind-gage determination of fluid or gas flow velocity and direction and device to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014151951/93A RU2548135C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Thermal wind-gage determination of fluid or gas flow velocity and direction and device to this end |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2548135C1 true RU2548135C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53296650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014151951/93A RU2548135C1 (en) | 2014-12-18 | 2014-12-18 | Thermal wind-gage determination of fluid or gas flow velocity and direction and device to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2548135C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105372445A (en) * | 2015-11-03 | 2016-03-02 | 中国科学院电子学研究所 | Solid state wind sensor |
| CN110646465A (en) * | 2019-11-05 | 2020-01-03 | 核工业理化工程研究院 | Axial thermal conductivity measuring device for thin-wall cylinder |
| CN113884701A (en) * | 2021-09-28 | 2022-01-04 | 东南大学 | Wind speed and direction sensor for improving measurement range and full-range precision |
-
2014
- 2014-12-18 RU RU2014151951/93A patent/RU2548135C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105372445A (en) * | 2015-11-03 | 2016-03-02 | 中国科学院电子学研究所 | Solid state wind sensor |
| CN110646465A (en) * | 2019-11-05 | 2020-01-03 | 核工业理化工程研究院 | Axial thermal conductivity measuring device for thin-wall cylinder |
| CN113884701A (en) * | 2021-09-28 | 2022-01-04 | 东南大学 | Wind speed and direction sensor for improving measurement range and full-range precision |
| WO2023050908A1 (en) * | 2021-09-28 | 2023-04-06 | 东南大学 | Wind speed and direction sensor having improved measurement range and full range precision |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI436039B (en) | Flow meter | |
| Bouvier et al. | Experimental study of heat transfer in oscillating flow | |
| Persoons et al. | Natural convection heat transfer and fluid dynamics for a pair of vertically aligned isothermal horizontal cylinders | |
| CN114008422A (en) | Apparatus, system, and method for non-invasive thermal interrogation | |
| RU2548135C1 (en) | Thermal wind-gage determination of fluid or gas flow velocity and direction and device to this end | |
| CN102207512B (en) | Wind vane anemometer and wind direction and velocity device | |
| CN106124078A (en) | A kind of method using double-thermocouple to measure strong transient fluid temperature | |
| JP6629983B2 (en) | Catheter with sensor array | |
| US11662255B2 (en) | Thermometer having a diagnostic function | |
| Iftekhar et al. | 3D modeling and characterization of a calorimetric flow rate sensor for sweat rate sensing applications | |
| Ma et al. | Convective mass transfer from a horizontal rotating large-diameter cylinder | |
| ES2421170T3 (en) | Thermal exchange coefficient determination device and associated procedure | |
| JP5695671B2 (en) | Fluid velocity measurement system | |
| JP3702658B2 (en) | Wind direction and wind speed measuring device | |
| CN107064548B (en) | Sensor device and measuring method | |
| CN206223808U (en) | A kind of air flow rate sensor | |
| RU2498061C1 (en) | Downhole sensor | |
| RU2631007C1 (en) | Heat meter based on overhead sensors | |
| CN204373714U (en) | Outer clip hot type bore Ф 6-20mm gas flow sensor | |
| JP2011237200A (en) | Flowmeter and flow measurement method | |
| Loomans et al. | Simulation and measurement of the stationary and transient characteristics of the hot sphere anemometer | |
| CN203643052U (en) | Thermal-resistant thermal flux sensor | |
| Andreas | The calibration of cylindrical hot-film velocity sensors | |
| JP5856534B2 (en) | Heat flux measuring device and heat flux measuring method | |
| Skinner et al. | A null-buoyancy thermal flow meter with potential application to the measurement of the hydraulic conductivity of soils |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190505 |