RU2267790C2 - Method of measuring of a gas or liquid flow speed - Google Patents
Method of measuring of a gas or liquid flow speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2267790C2 RU2267790C2 RU2004102006/28A RU2004102006A RU2267790C2 RU 2267790 C2 RU2267790 C2 RU 2267790C2 RU 2004102006/28 A RU2004102006/28 A RU 2004102006/28A RU 2004102006 A RU2004102006 A RU 2004102006A RU 2267790 C2 RU2267790 C2 RU 2267790C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- overheating
- temperature
- measuring
- flow
- gas
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение предназначено для использования при измерениях скорости потока жидкости или газа с помощью термоанемометров.The invention is intended for use in measuring the flow rate of a liquid or gas using hot-wire anemometers.
Известны способы измерения скорости потока и расхода жидкости или газа, основанные на применении термоанемометров [1; 2].Known methods for measuring the flow rate and flow rate of a liquid or gas, based on the use of hot-wire anemometers [1; 2].
Целью изобретения является повышение точности измерения скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур при высоком быстродействии.The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring flow rates in a wide range of speeds and temperatures at high speed.
Известно [1; 2], что рассеиваемая термоанемометром мощность и его температура в установившемся режиме конвективного теплообмена связаны формулойIt is known [1; 2] that the power dissipated by the hot-wire anemometer and its temperature in the steady state convective heat transfer are related by the formula
где Р - мощность,where P is the power
S - площадь поверхности,S is the surface area,
ξ - коэффициент теплоотдачи,ξ is the heat transfer coefficient,
Тт - температура термоанемометра,T t - temperature anemometer,
Тс - температура среды.T with - the temperature of the medium.
Коэффициент теплоотдачи ξ зависит от скорости потока жидкости или газа. Эта зависимость описывается формулой (1)The heat transfer coefficient ξ depends on the flow rate of a liquid or gas. This dependence is described by the formula (1)
где V - скорость потока,where V is the flow rate,
a, b, n - коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств среды, конструкции термоанемометра и числа Рейнольдса.a, b, n are coefficients depending on the thermophysical properties of the medium, the design of the hot-wire anemometer, and the Reynolds number.
Один из известных способов измерения скорости потока с помощью термоанемометров основан на стабилизации мощности Р (или силы тока) нагрева [1]. При изменении скорости потока изменяется температура термоанемометра. В этом случае измеряются температуры термоанемометра Тт и среды Тс, определяется перегрев θ=Тт-Тс, затем на основе формул (1) и (2) вычисляется скорость V при Р=const. Недостатком указанного способа является то, что с увеличением скорости потока V перегрев θ уменьшается, что не позволяет обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне скоростей.One of the known methods for measuring the flow rate using hot-wire anemometers is based on stabilization of the power P (or current) of heating [1]. When the flow rate changes, the temperature of the hot-wire anemometer changes. In this case, the temperatures of the hot-wire anemometer T t and the medium T s are measured, the overheating θ = T t -T s is determined, then, based on formulas (1) and (2), the speed V is calculated at P = const. The disadvantage of this method is that with an increase in the flow velocity V, overheating θ decreases, which does not allow for high accuracy of measurements in a wide range of speeds.
Другой известный способ измерения скорости потока основан на стабилизации температуры Tт (сопротивления) термоанемометра [1]. При изменении скорости потока изменяется мощность нагрева Р, которая измеряется. В этом случае необходимо также измерять и компенсировать влияние изменений температуры среды, что существенно осложняет применение данного способа в большом диапазоне изменения температуры среды.Another known method of measuring the flow velocity is based on the stabilization of the temperature T t (resistance) of the hot-wire anemometer [1]. When the flow rate changes, the heating power P, which is measured, changes. In this case, it is also necessary to measure and compensate for the effect of changes in the temperature of the medium, which significantly complicates the application of this method in a wide range of changes in the temperature of the medium.
В широком диапазоне изменения скоростей и температур лучшие результаты обеспечивает способ измерения, основанный на стабилизации перегрева θ=Тт-Тс. Этот способ наиболее близок к предлагаемому. На его основе построено, например, термоане-мометрическое устройство, описанное в патенте RU №2017157 [3]. В указанном устройстве стабилизируется перегрев θ, а выходной величиной является мощность нагрева термоанемометра.In a wide range of changes in speeds and temperatures, the best results are provided by the measurement method based on stabilization of the superheat θ = T t -T s . This method is closest to the proposed one. Based on it, for example, a thermo-anemometric device is constructed, which is described in patent RU No. 2017157 [3]. In this device, overheating θ is stabilized, and the output value is the heating power of the hot-wire anemometer.
Однако указанный способ также имеет существенные недостатки. Во-первых, погрешность измерения скорости потока в значительной мере определяется погрешностью стабилизации перегрева, которая в свою очередь зависит от погрешностей всех звеньев, входящих в контур автоматического регулирования. В связи с этим практически не возможно обеспечить высокую точность измерений в большом диапазоне изменения скорости и температуры среды.However, this method also has significant disadvantages. Firstly, the error in measuring the flow rate is largely determined by the error in stabilizing the overheating, which in turn depends on the errors of all the links included in the automatic control circuit. In this regard, it is practically impossible to ensure high accuracy of measurements in a wide range of changes in the speed and temperature of the medium.
Так например, в термоанемометрическом устройстве [3] погрешность стабилизации перегрева вызывается следующими причинами:So, for example, in a hot-wire anemometer device [3], the error in stabilization of overheating is caused by the following reasons:
- не идентичностью функций преобразования трех полупроводниковых термопреобразователей (термисторов);- not the identity of the conversion functions of the three semiconductor thermal converters (thermistors);
- отличием в широком диапазоне температур реальной функции преобразования указанных термисторов от используемой математической модели Rt=А·ехр(В/Т );- the difference in a wide temperature range of the real conversion function of these thermistors from the used mathematical model R t = A · exp (W / T);
- погрешностями всех других звеньев, входящих в контур автоматического регулирования перегрева.- errors of all other links included in the automatic control circuit of overheating.
Во-вторых, инерционность системы автоматического регулирования перегрева ограничивает быстродействие измерительного устройства.Secondly, the inertia of the automatic control system for overheating limits the speed of the measuring device.
Сущность предлагаемого способа измерения скорости потока состоит в следующем.The essence of the proposed method for measuring the flow velocity is as follows.
Задается диапазон допустимых перегревов [θmin, θmax]. При использовании полупроводниковых термопреобразователей (термисторов) этот диапазон может составлять единицы или первые десятки градусов Цельсия. При фиксированной мощности нагрева Р измеряются температуры термоанемометра Тт и среды Тc, определяется перегрев θ. Полученное значение θ сравнивается с границами диапазона [θmin, θmax]. Если θmin≤θ≤θmax, то мощность нагрева Р не изменяется (Р=const ). Изменение скорости потока вызывает соответствующее изменение перегрева. Если перегрев выходит из заданного диапазона (θ<θmin или θ>θmax), то изменяется мощность нагрева до тех пор, пока перегрев не окажется примерно в середине заданного диапазона [θmin, θmax]. После этого производятся измерения перегрева при новом фиксированном значении мощности нагрева. Значение измеряемой скорости потока вычисляется по формулеThe range of permissible overheating [θ min , θ max ] is set. When using semiconductor thermal converters (thermistors), this range can be units or the first tens of degrees Celsius. At a fixed heating power P, the temperatures of the hot-wire anemometer T t and the medium T c are measured, and the overheating θ is determined. The obtained value of θ is compared with the boundaries of the range [θ min , θ max ]. If θ min ≤θ≤θ max , then the heating power P does not change (P = const). A change in flow rate causes a corresponding change in overheating. If the superheat leaves the specified range (θ <θ min or θ> θ max ), then the heating power changes until the superheat is approximately in the middle of the specified range [θ min , θ max ]. After that, measurements of overheating are made with a new fixed value of the heating power. The value of the measured flow rate is calculated by the formula
где V - измеряемая скорость потока;where V is the measured flow rate;
Р - мощность нагрева;P is the heating power;
θ=Тт-Тс - перегрев;θ = T t -T s - overheating;
k, с, d - постоянные коэффициенты.k, s, d are constant coefficients.
Формула (3) для вычисления скорости потока получена из уравнений (1) и (2).Formula (3) for calculating the flow rate is obtained from equations (1) and (2).
Таким образом, в предлагаемом способе измерения скорости потока используются два режима работы измерительного устройства:Thus, in the proposed method for measuring the flow velocity, two operating modes of the measuring device are used:
режим регулирования мощности нагрева;heating power control mode;
режим измерений.measurement mode.
В режиме регулирования мощности нагрева измерения температур термоанемометра и среды и оценка перегрева могут выполняться с невысокой точностью, т.к. нет необходимости в точном задании и определении перегрева. Достаточно добиться того, чтобы перегрев оказался в заданном диапазоне [θmin, θmax]. При этом могут использоваться простые математические модели измерительных преобразователей и простые способы регулирования.In the control mode of the heating power, the temperature measurements of the hot-wire anemometer and the medium and the assessment of overheating can be performed with low accuracy, because there is no need for an accurate task and determination of overheating. It is enough to ensure that the superheat is in the given range [θ min , θ max ]. In this case, simple mathematical models of measuring transducers and simple control methods can be used.
В режиме измерений мощность нагрева фиксирована, с высокой точностью измеряются перегрев и мощность нагрева, а затем вычисляется скорость потока по формуле (3). При этом используются более сложные и более точные математические модели измерительных преобразователей (например, термисторов). Поскольку в режиме измерений отсутствует регулирование мощности нагрева (Р=const), то при этом обеспечивается высокое быстродействие измерительного устройства. Если измеряемая скорость потока изменяется относительно медленно, то регулирование мощности выполняется довольно редко.In the measurement mode, the heating power is fixed, overheating and heating power are measured with high accuracy, and then the flow rate is calculated by the formula (3). In this case, more complex and more accurate mathematical models of measuring transducers (for example, thermistors) are used. Since in the measurement mode there is no regulation of the heating power (P = const), this ensures high speed measuring device. If the measured flow rate changes relatively slowly, then power control is rather rare.
Таким образом, разделение процедур измерения скорости потока и регулирования мощности нагрева позволяет получить небольшой диапазон перегревов [θmin, θmax] при большом диапазоне допустимых изменений скорости потока и большом диапазоне температур среды. За счет этого достигается высокая точность измерений скорости потока в широком диапазоне скоростей и температур, а также обеспечивается высокое быстродействие.Thus, the separation of the procedures for measuring the flow rate and regulating the heating power allows one to obtain a small range of overheating [θ min , θ max ] with a wide range of permissible changes in the flow rate and a large range of medium temperatures. Due to this, high accuracy of flow rate measurements is achieved in a wide range of speeds and temperatures, and high speed is also provided.
Предлагаемый способ был реализован в устройстве для измерения скорости жидкости (воды). В качестве измерительного преобразователя температуры среды применен миниатюрный термистор с отрицательным температурным коэффициентом. Термоанемометр содержал аналогичный термистор и подогреватель, помещенные в один корпус. Сопротивления обоих термисторов преобразовывались в цифровой код с помощью Сигма-Дельта АЦП. Управление мощностью осуществлялось с использованием цифроаналогового преобразователя. Управление работой АЦП, ЦАП и необходимые вычисления выполнялись с помощью микропроцессора.The proposed method was implemented in a device for measuring the speed of a liquid (water). A miniature thermistor with a negative temperature coefficient was used as a measuring transducer of the medium temperature. The hot-wire anemometer contained a similar thermistor and heater placed in one housing. The resistances of both thermistors were converted to digital code using the Sigma-Delta ADC. Power control was carried out using a digital-to-analog converter. The control of the ADC, DAC and the necessary calculations were performed using a microprocessor.
В режиме регулирования мощности для грубой оценки перегрева применялась простая математическая модель функции преобразования термисторов:In the power control mode for a rough estimate of overheating, a simple mathematical model of the conversion function of the thermistors was used:
где Rt - сопротивление термистора;where R t is the resistance of the thermistor;
Т - абсолютная температура;T is the absolute temperature;
А и В - постоянные коэффициенты.A and B are constant coefficients.
При этом характеристики термисторов в термоанемометре и преобразователе температуры среды считались идентичными. Эти допущения существенно упрощают процедуру оценки перегрева.In this case, the characteristics of the thermistors in the hot-wire anemometer and the medium temperature transducer were considered identical. These assumptions greatly simplify the procedure for evaluating overheating.
Вычисленная грубая оценка перегрева использовалась для регулирования мощности нагрева термоанемометра, причем было применено ступенчатое шаговое регулирование. При таком способе регулирования процесс регулирования мощности нагрева может иметь итерационный характер. Однако, как показали экспериментальные исследования, при заданном диапазоне перегревов (10±3)°С регулирование мощности нагрева до попадания перегрева в заданный диапазон практически осуществляется за один шаг.The calculated rough estimate of overheating was used to control the heating power of the hot-wire anemometer, and stepwise step regulation was applied. With this method of regulation, the process of regulating the heating power can be iterative. However, as experimental studies have shown, for a given range of overheating (10 ± 3) ° С, the heating power is regulated before overheating falls into the specified range in one step.
В режиме измерения скорости потока для термисторов использовались более сложные математические модели:In the mode of measuring the flow velocity for thermistors, more complex mathematical models were used:
1/T=A+B·lnRt+C·(lnRt)2+D·(lnRt)3, (5)1 / T = A + BlnR t + C (lnR t ) 2 + D (lnR t ) 3 , (5)
где Rt - сопротивление термистора;where R t is the resistance of the thermistor;
Т - абсолютная температура;T is the absolute temperature;
А, В, С, D - постоянные коэффициенты.A, B, C, D are constant coefficients.
При этом коэффициенты А, В, С, D для каждого термистора определялись индивидуально, что позволило измерять температуру в диапазоне (0-100)°С с погрешностью (0,01-0,02)°С при разрешающей способности 0,001°С. В диапазоне скоростей потока Vmax/Vmin=100 погрешность измерения скорости не превышала 1% во всем указанном диапазоне температур. При этом одновременно с высокой точностью измерялась температура среды, что необходимо во многих случаях практики.In this case, the coefficients A, B, C, D for each thermistor were determined individually, which made it possible to measure the temperature in the range (0-100) ° C with an error of (0.01-0.02) ° C with a resolution of 0.001 ° C. In the range of flow velocities V max / V min = 100, the error in measuring the velocity did not exceed 1% in the entire indicated temperature range. At the same time, the medium temperature was measured with high accuracy, which is necessary in many cases of practice.
Предлагаемый способ измерения скорости потока жидкости или газа может быть применен как для измерения местной скорости потока, так и для измерения расхода.The proposed method for measuring the flow rate of a liquid or gas can be applied both to measure the local flow rate and to measure flow.
ЛитератураLiterature
1. Кремлевский П.П.Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ие, 1989. - 701 с.1. Kremlin P. P. Flow meters and quantity counters: a Handbook. - 4th ed., Revised. and add. - L .: Engineering, Leningrad. Dep., 1989 .-- 701 p.
2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ие, 1983. - 320 с.2. Levshina E.S., Novitsky P.V. Electrical measurements of physical quantities: (Measuring transducers). Textbook manual for universities. - L .: Energoatomizdat, Leningrad. Dep., 1983 .-- 320 p.
3. Дубовский В.В. Термоанемометрическое устройство. Патент РФ №2017157. Бюл. №14, 30.07.94.3. Dubovsky VV Hot-wire device. RF patent No. 2017157. Bull. No. 14, 07/30/94.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004102006/28A RU2267790C2 (en) | 2004-01-22 | 2004-01-22 | Method of measuring of a gas or liquid flow speed |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004102006/28A RU2267790C2 (en) | 2004-01-22 | 2004-01-22 | Method of measuring of a gas or liquid flow speed |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004102006A RU2004102006A (en) | 2005-07-10 |
RU2267790C2 true RU2267790C2 (en) | 2006-01-10 |
Family
ID=35837631
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004102006/28A RU2267790C2 (en) | 2004-01-22 | 2004-01-22 | Method of measuring of a gas or liquid flow speed |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2267790C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797135C1 (en) * | 2022-12-20 | 2023-05-31 | Вячеслав Петрович Ходунков | Thermal anemometry method for gas flow and thermal anemometer on its basis |
-
2004
- 2004-01-22 RU RU2004102006/28A patent/RU2267790C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КРЕМЛЕВСКИЙ П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник, Л., Машиностроение, 1989, с.399-402. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797135C1 (en) * | 2022-12-20 | 2023-05-31 | Вячеслав Петрович Ходунков | Thermal anemometry method for gas flow and thermal anemometer on its basis |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004102006A (en) | 2005-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2660896C (en) | Universal sensor controller for a thermal anemometer | |
US3891391A (en) | Fluid flow measuring system using improved temperature compensation apparatus and method | |
US6450024B1 (en) | Flow sensing device | |
US2389615A (en) | Anemometer | |
EP2267417A1 (en) | Sensor temperature control in a thermal anemometer | |
JP2016510871A (en) | Microfabricated calorimeter for RF power measurement | |
RU2267790C2 (en) | Method of measuring of a gas or liquid flow speed | |
CN111051900B (en) | Apparatus and method for determining power value of target | |
RU2707757C1 (en) | Method of reducing measurement error of temperature with electric bridge | |
RU2664897C1 (en) | Method of temperature sensor thermal time constant measuring | |
RU2262708C1 (en) | Device for measuring speed of gas or liquid flow | |
RU2716852C1 (en) | Method of measuring temperature | |
Nikolic et al. | A thermal sensor for water using self-heated NTC thick-film segmented thermistors | |
Miheev et al. | Hot-wire measurements with automatic compensation of ambient temperature changes | |
RU2732838C1 (en) | Method for temperature error compensation of thermistors, device for method implementation | |
RU2389991C2 (en) | Method of eliminating temperature fluctuations in ambient medium of thermal-conductivity vacuum gauge and device for realising said method | |
RU2549256C1 (en) | Method to measure parameters of flows of liquids and gases | |
RU87526U1 (en) | DEVICE FOR THERMAL ANEMOMETRIC MEASUREMENTS | |
WO1992001940A1 (en) | Method and device for flow rate measurement | |
RU2427843C2 (en) | Thermoanemometric measurement method | |
RU2738198C1 (en) | Method of reducing measurement error of temperature with electric bridge and measuring axle of wheatstone-kapinos | |
Mikheev et al. | Hot-Wire Velocity Measurements without Calibration | |
Pawłowski | Single sensor hot-wire anemometer based on thermal time constant estimation | |
RU2548123C1 (en) | Measurement of gas and fluid characteristics | |
RU2247330C2 (en) | Flow rate converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100123 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20090831 |