RU2137139C1

RU2137139C1 - Thermal anemometer of constant temperature

Info

Publication number: RU2137139C1
Application number: RU98103719A
Authority: RU
Inventors: Л.Б. Машкинов
Original assignee: Институт структурной макрокинетики РАН
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-09-10

Abstract

FIELD: instrumentation, measurement technology. SUBSTANCE: thermal anemometer is related to devices measuring speed of flows of gas or liquid. It includes resistors 1, 2, 3, 4, one of them being sensitive element and amplifiers 5, 6. Servo system maintains constancy of resistance and, consequently, of temperature of sensitive element and keeps stability in wide range of disturbing actions. Sensitive element can have both positive and negative temperature coefficient of resistance. EFFECT: enlarged range of measured speeds of flows thanks to increased stability of servo system of thermal anemometer in wider band of transmitted frequencies and enhanced noise immunity of it. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерений скоростей потоков газа или жидкости, в частности к термоанемометрам постоянной температуры. The invention relates to the field of measuring gas or liquid flow rates, in particular to constant temperature hot-wire anemometers.

Известны термоанемометры постоянной температуры, содержащие мост с включенным в одно из его плеч чувствительным элементом, усилитель, вход которого подключен к измерительной диагонали моста, выход - к диагонали питания моста (см., например, \1\). Недостатками подобных термоанемометров являются: наличие синфазного напряжения в измерительной диагонали моста, приводящего к перегрузке и самовозбуждению усилителя при больших коэффициентах передачи из-за возникновения положительной обратной связи \2\, что ограничивает быстродействие и сужает диапазон измеряемых скоростей, низкая помехозащищенность из-за невозможности одновременного "заземления" источника питания моста и одного из полюсов измерительной диагонали. Эти помехи зачастую обусловлены "емкостными" токами силового трансформатора источника питания устройства. Known constant-temperature anemometers containing a bridge with a sensing element included in one of its arms, an amplifier whose input is connected to the measuring diagonal of the bridge, and the output to the diagonal of the bridge’s power supply (see, for example, \ 1 \). The disadvantages of such hot-wire anemometers are: the presence of common-mode voltage in the measuring diagonal of the bridge, which leads to overload and self-excitation of the amplifier at high transfer coefficients due to the occurrence of positive feedback \ 2 \, which limits the speed and narrows the range of measured speeds, low noise immunity due to the impossibility of simultaneous "grounding" of the bridge power supply and one of the poles of the measuring diagonal. This interference is often caused by the "capacitive" currents of the power transformer of the device power supply.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков. Эта цель достигается введением в известную схему термоанемометра постоянной температуры второго, инвертирующего, усилителя и модификацией моста таким образом, что к выходу первого усилителя подключена цепочка, состоящая из двух последовательно соединенных сопротивлений, одно из которых является чувствительным элементом, другое - постоянным сопротивлением, другой конец цепочки подсоединен к общей точке источников питания, к которой подсоединены также неинвертирующие входы усилителей, к точке соединения сопротивлений первой цепочки подсоединена вторая цепочка, состоящая из двух последовательно соединенных постоянных сопротивлений, другой конец которой соединен с выходом второго усилителя, вход которого подключен к выходу первого усилителя, а инвертирующий вход первого усилителя подключен к точке соединения постоянных сопротивлений второй цепочки. The aim of the invention is to remedy these disadvantages. This goal is achieved by introducing into the well-known hot-wire anemometer circuit a second, inverting, amplifier and modifying the bridge so that a circuit consisting of two series-connected resistances is connected to the output of the first amplifier, one of which is a sensitive element, the other is a constant resistance, the other end the circuit is connected to a common point of power sources, to which non-inverting inputs of amplifiers are also connected, to the connection point of the resistances of the first circuit It connects the second chain consisting of two series-connected constant resistances whose other end is connected to the output of the second amplifier having an input connected to the output of the first amplifier and the inverting input of the first amplifier is connected to the connection point of the second chain constant resistances.

Устройство термоанемометра постоянной температуры поясняется чертежом фиг. 1. Оно содержит сопротивления 1, 2, 3, 4 и усилители 5, 6. Пусть чувствительным элементом является сопротивление 2 с положительным температурным коэффициентом сопротивления (например, платиновая проволока), а инвертирующий усилитель 6 имеет коэффициент усиления, равный "K". Устройство работает следующим образом. Выходной ток усилителя 5 протекает через сопротивления 1, 2, вызывает разогрев чувствительного элемента 2 и, как следствие, увеличение его сопротивления. Сопротивление 1, а также 3, 4 при этом остаются постоянными. Усилитель 6 инвертирует выходное напряжение усилителя 5 и усиливает его с коэффициентом "K". На входе усилителя 5 присутствует разностный сигнал, который при увеличении сопротивления 2 стремится к "нулю". В результате, выходной ток усилителя 5 уменьшается, разогрев сопротивления 2 прекращается и устанавливается баланс моста. Можно показать, что условием баланса является равенство: KR1R3= R2(R4-KR3-KR1), где: K - коэффициент передачи инвертирующего усилителя. При K=1, выражение принимает вид: R1R3=R2(R4-R3-R1). The device of a constant temperature hot-wire anemometer is illustrated by the drawing of FIG. 1. It contains resistances 1, 2, 3, 4 and amplifiers 5, 6. Let the sensitive element be resistance 2 with a positive temperature coefficient of resistance (for example, platinum wire), and the inverting amplifier 6 has a gain equal to "K". The device operates as follows. The output current of the amplifier 5 flows through the resistance 1, 2, causes the heating of the sensitive element 2 and, as a result, an increase in its resistance. Resistance 1, as well as 3, 4 remain constant. The amplifier 6 inverts the output voltage of the amplifier 5 and amplifies it with a factor of "K". At the input of amplifier 5 there is a difference signal, which tends to "zero" with an increase in resistance 2. As a result, the output current of the amplifier 5 decreases, the heating of the resistance 2 stops and the balance of the bridge is established. It can be shown that the balance condition is the equality: KR1R3 = R2 (R4-KR3-KR1), where: K is the transfer coefficient of the inverting amplifier. When K = 1, the expression takes the form: R1R3 = R2 (R4-R3-R1).

Испытания следящей системы термоанемометра постоянной температуры показали, что благодаря отсутствию на входе усилителя синфазного напряжения термоанемометр сохраняет устойчивость в более широком диапазоне амплитуд и частот возмущающих воздействий на чувствительный элемент, чем в известных устройствах. Так, полоса пропускания испытанного макета устройства, составила более 10 кГц. Tests of a constant temperature hot-wire anemometer servo system showed that due to the absence of a common-mode voltage at the input of the amplifier, the hot-wire anemometer remains stable in a wider range of amplitudes and frequencies of disturbing effects on the sensitive element than in known devices. So, the passband of the tested device layout was more than 10 kHz.

В предложенном устройстве могут использоваться чувствительные элементы и с отрицательным температурным коэффициентом. В этом случае чувствительный элемент включается в цепь вместо сопротивления R1. In the proposed device can be used sensitive elements with a negative temperature coefficient. In this case, the sensing element is included in the circuit instead of the resistance R1.

Термоанемоментр может работать также на переменном токе и при импульсной форме напряжения без принципиальных изменений в структурной схеме, для чего необходимо лишь ввести в схему задатчик напряжения соответствующей формы. The hot-wire anemometer can also work on alternating current and with a pulsed form of voltage without fundamental changes in the structural diagram, for which it is only necessary to introduce a voltage regulator of the corresponding form into the circuit.

Литература
1. Маякин В.П., Донченко Э.Г. "Электронные системы для автоматического измерения характеристик потоков жидкостей и газов", изд. Энергия, М, 1970 г.Literature
1. Mayakin V.P., Donchenko E.G. "Electronic systems for automatically measuring the characteristics of fluids and gases," ed. Energy, M, 1970

2. Janssen J.M.L. and EnsingL., Proc.I.R.E., v. 47, N 4, 1959, p. 555. 2. Janssen J.M.L. and EnsingL., Proc.I.R.E., v. 47, No. 4, 1959, p. 555.

Claims

A constant temperature hot-wire anemometer containing the first chain consisting of two series-connected resistances R1, R2, one of which is a sensitive element, the second chain consisting of two series-connected resistances R3, R4, and the first amplifier, characterized in that the second is introduced into it an inverting amplifier, and the first circuit is connected to the output of the first amplifier, the other end of the chain is connected to a common power point, to which non-inverting inputs of the amplifiers are also connected, to the point Connections resistances of the first chain is connected a second chain, the other end of which is connected to the output of the second amplifier having an input connected to the output of the first amplifier, the inverting input of the first amplifier is connected to the point connecting the second chain of resistances, the balance condition is described by the expression
KR1R3 = R2 (R4 - KR3 - KR1),
where K is the gain of the second inverting amplifier.