PL158116B1 - Anemometr z unoszonym sygnalem cieplnym PL - Google Patents

Abstract

nym skladajacy sie z czujnika wykonanego z trzech cienkich drutów lezacych w jednej pla- szczyznie, wzajemnie równoleglych, prostopad- lych do kierunku przeplywu gazu oraz z ukla- du obróbki elektronicznej, znamienny tym, ze jeden z trzech równoleglych drutów (A-A), (B- B), (C-C) usytuowany od strony nawietrznej (A-A), pelniacy role nadajnika periodycznego sygnalu cieplnego, dolaczony jest do wyjscia przetw ornika napiecie-czestotliwosc (4), a dwa pozostale druty (B-B), (C-C), pelniace role detektorów tem peratury dolaczone sa do wejsc detektora fazy ( 1 ), który polaczony jest z jed- nym z wejsc integratora ( 2 ), sterujacego przet- wornikiem czestotliwosc-napiecie (4), przy czym do drugiego wejscia integratora ( 2 ) dola- czony jest uklad zadaw ania zadanej róznicy faz (3). PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest anemometr z unoszonym sygnałem cieplnym, będący urządzeniem do mierzenia prędkości przepływu gazu, mający zastosowanie również do pomiarów przepływów laminarnych izotermicznych, a także takich, których temperatura zmienia się wolno w czasie.

Przy pomiarach z użyciem anemometrów z unoszonym sygnałem cieplnym przyjmuje się, że dla prędkości przepływu gazu powyżej kilkunastu cm/sek prędkość unoszenia sygnałów cieplnych jest równa prędkości przepływu.

W zależności od sposobu wytworzenia w płynącym gazie sygnału cieplnego, anemometry te dzieli się na anemometry z sinusoidalnym sygnałem cieplnym, impulsowym sygnałem cieplnym lub anemometry oscylacyjne. Czujnik pomiarowy w tych anemometrach składa się zwykle z dwu cienkich drutów lub dwu siatek wykonanych z cienkich drutów, umieszczonych równolegle do siebie a prostopadle do przepływu.

W pierwszym przypadku drut znajdujący się od strony nawietrznej zasila się prądem stałym z nałożoną sinusoidalną składową. Prąd ten ogrzewa drut, który z kolei ogrzewa opływający go gaz. Gaz poruszając się przenosi tę temperaturową informację do drugiego drutu, który pełni rolę detektora temperatury (termometru oporowego o małej bezwładności). Opóźnienie fazowe jakie powstaje pomiędzy sinusoidalnym sygnałem zasilającym nadajnik a sinusoidalnym sygnałem uzyskiwanym z detektora temperatury może być mierzone za pomocą oscyloskopu lub fazomierza. Jest ono miarą prędkości płynącego gazu.

W anemometrze z impulsowym sygnałem cieplnym przedstawionym np. w opisie patentowym USA nr 4483 200 nadajnik sygnału zasila się ciągiem prostokątnych impulsów elektrycznych. Gaz nagrzewający się przy opływie drutu nadajnika przenosi sygnał cieplny do detektora. Zegarem elektronicznym (czasomierzem) mierzy się czas pomiędzy pojawieniem się impulsu elektrycznego na nadajniku, a pojawieniem się impulsu na detektorze. Czas ten jest monotoniczną funkcją prędkości przepływu gazu.

Wpływ stałych czasowych (nadajnika i detektora) na pomiar czasu przelotu sygnału cieplnego wyeliminowano w innym rozwiązaniu anemometru impulsowego. Sonda takiego anemometru składa się z dwu czujników, z których każdy składa się z nadajnika i detektora tak umieszczonych w strumieniu gazu względem siebie, że detektory znajdują się w jednej płaszczyźnie prostopadłej do strumienia gazu, natomiast nadajniki są względem siebie przesunięte o znaną odległość. Generator impulsów prostokątnych zasila jeden nadajnik bezpośrednio, a drugi przez linię opóźniającą. Czas opóźnienia jest tak dobierany, aby oba sygnały cieplne docierały do swych detektorów w tej samej chwili. Znając czas opóźnienia i odległość między nadajnikami, można bezpośrednio wyznaczyć prędkość przepływu. Przy ustalonej odległości między nadajnikami wyznaczony czas przelotu jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości gazu.

158 116

Anemometr oscylacyjny zawiera układ składający się ze wzmacniacza oraz czujnika pomiarowego, zawierającego nadajnik sygnału cieplnego oraz detektor tegoż sygnału, który to nadajnik i detektor umieszczone są w strumieniu przepływającego gazu w stałej odległości między sobą, a nadajnik sygnału cieplnego, detektor temperatury gazu, płynący gaz przenoszący sygnał cieplny z nadajnika do detektora oraz wzmacniacz tworzą układ z pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. W układzie takim powstają oscylacje, których częstotliwość zależy monotoniczne od prędkości przepływu.

Znane są anemometry, np. z polskiego opisu patentowego nr 90 875, zawierające trójczłonowy czujnik składający się z trzech równoległych drutów leżących w jednej płaszczyźnie i prostopadłych do wektora prędkości przepływu płynu. Jeden z nich, środkowy, pełni rolę nadajnika fali temperaturowej i jest połączony z generatorem sygnału niskiej częstotliwości, natomiast dwa skrajne, będące detektorami temperatury, usytuowane w równej odległości od nadajnika, są połączone najkorzystniej poprzez selektywne wzmacniacze z układami realizującymi uśredniony moduł funkcji, zaś te ostatnie są połączone z układem realizującym różnicę logarytmów sterującym miernik.

Niedogodnością techniczną wyżej opisanych znanych rozwiązań anemometrów z unoszonym sygnałem cieplnym jest duża złożoność układowa oraz nieliniowość wskazań od prędkości przepływu związana głównie z bezwładnością cieplną nadajnika impulsów chemicznych i detektora temperatury.

Anemometr z unoszonym sygnałem cieplnym według wynalazku zawierający czujnik trójdrucikowy, w którym druty wzajemnie równoległe, leżą w jednej płaszczyźnie jeden za drugim i są do prędkości przepływu prostopadłe, charakteryzuje się tym, że jeden z trzech drutów (od strony nawietrznej) jest zasilany z przetwornika napięcie-częstotliwość i pełni rolę nadajnika periodycznego sygnału cieplnego. Dwa pozostałe druty spełniające rolę detektorów temperatury dołączone są do detektora fazy, którego sygnał wyjściowy podawany jest na jedno z wejść integratora połączonego z układem zadawanej różnicy faz i sterującego przetwornikiem napięcie-częstotliwość.

Do zalet anemometru a pętlą fazową według wynalazku należy prostota rozwiązania, wyeliminowanie wpływu bezwładności cieplnej drutów oraz lepsze w stosunku do istniejących rozwiązań własności metrologiczne.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku przedstawiającym schematyczny układ anemometru z pętlą fazową.

Anemometr składa się z czujnika trójdrucikowego, którego wszystkie druty A-A, B-B, C-C są do siebie równoległe, leżą w jednej płaszczyźnie i są prostopadłe do kierunku przepływu.

Pierwszy drut A-A (od strony nawietrznej) jest zasilany z przetwornika napięcie-częstotliwość 4 i pełni rolę nadajnika sinusoidalnego sygnału cieplnego. Dwa pozostałe druty B-B i C-C spełniają rolę detektorów temperatury i każdy z nich połączony jest z detektorem fazy 1. Sygnał wyjściowy tego detektora podawany jest na jedno z wejść integratora 2, do którego drugiego wejścia dołączony jest układ zadawanej różnicy faz 3. Integrator 2 steruje przetwornikiem napięcie-częstotliwość 4.

Układ elektroniczny składający się z detektora fazy 1 i integratora 2 oraz układu zadawania wielkości różnic faz 3, śledzi różnicę faz między sygnałami z detektorów temperatury B-B i C-C i tak steruje częstotliwością generatora 4 (przetwornika napięcie-częstotliwość) zasilającego nadajnik A-A, by ta różnica faz była niezależna od prędkości przepływu.

Z literatury wiadomo, że przesunięcie fazowe φ sygnału temperaturowego w punkcie odległym o x od nadajnika w stosunku do sygnału zasilającego nadajnik umieszczony w początku układu współrzędnych wynosi:

φ = ω — + arctgw>T_n + arctguTp (1) v

gdzie: ω - pulsacja sygnału cieplnego, v - prędkość sygnału cieplnego, T„ - stała czasowa nadajnika fali cieplnej, Tp - stała czasowa detektora fali cieplnej.

158 116

Mając dwa detektory umieszczone w punktach Xi i Χ2 widzimy, że różnica faz Δ φ wynosi:

Δ⁰ = w_^_=27rf ^Δχ (2)

V V gdzie: Δχ = Χ2-Χ1 i jest niezależna od stałych czasowych wszystkich drutów. Jeżeli układ elektroniczny spełnia warunek, że:

Δ0 = const (3) to częstotliwość generatora sterującego nadajnikiem jest wprost proporcjonalna do prędkości przepływu.

Ze wzoru (2) mamy:

^f= j££_=_Av 277Δχ gdzie Δ jest stała.

Δ więc sygnał wyjściowy przetwornika napięcie-częstotliwość jest miarą prędkości v przepływu gazu.

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 5000 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Anemometr z unoszonym sygnałem cieplnym składający się z czujnika wykonanego z trzech cienkich drutów leżących w jednej płaszczyźnie, wzajemnie równoległych, prostopadłych do kierunku przepływu gazu oraz z układu obróbki elektronicznej, znamienny tym, że jeden z trzech równoległych drutów (A-A), (B-B), (C-C) usytuowany od strony nawietrznej (A-A), pełniący rolę nadajnika periodycznego sygnału cieplnego, dołączony jest do wyjścia przetwornika napięcie-częstotliwość (4), a dwa pozostałe druty (B-B), (C-C), pełniące rolę detektorów temperatury dołączone są do wejść detektora fazy (1), który połączony jest z jednym z wejść integratora (2), sterującego przetwornikiem częstotliwość-napięcie (4), przy czym do drugiego wejścia integratora (2) dołączony jest układ zta^ia^i^^ia żądanej różnicy faz ((3).