RU30998U1

RU30998U1 - Hot-wire anemometer sensor

Info

Publication number: RU30998U1
Application number: RU2003107227/20U
Authority: RU
Inventors: В.Н. Макаров; А.В. Митяшин
Original assignee: Макаров Владимир Николаевич
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2003-07-10

Description

Термоанемометрический датчикHot-wire anemometer sensor

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах определения скорости газовых потоков путем измерения тепловых величин.The utility model relates to measuring technique and can be used in devices for determining the velocity of gas flows by measuring thermal quantities.

Известно, что для пол)ения высокой точности измерения скорости потока с помощью термопары, имеющей в отличие от терморезисторов линейную зависимость характеристик от температуры, необходимо оба ее спая (холодный и горячий) поместить в поток для исключения влияния температуры потока на показания датчика. При этом к горячему спаю термопары подводят тепло, обеспечивая его перегрев по отношению к холодному спаю. При помещении такой термопары в поток жидкости или газа ее показания будут зависеть только от скорости потока. Известен термоанемометрический датчик скорости потока, выполненный в виде нагреваемой термопары, холодный и горячий спаи которой расположены в зоне измерения (А.с. СССР 1015308, 1983, G 01 5/10). Один из электродов термопары вьшолнен в виде сферической оболочки с размещенным на ней спаем. Внутри этой оболочки установлен нагреватель горячего спая термопары, соединенный с источником тока двумя отдельными проводами, что усложняет конструкцию датчика. Кроме того, этот датчик нетехнологичен из-за сложной формы электродов термопары.It is known that in order to achieve high accuracy in measuring the flow velocity using a thermocouple, which, unlike thermistors, has a linear temperature dependence of the characteristics, it is necessary to place both its junctions (cold and hot) in the flow to exclude the influence of the flow temperature on the sensor readings. In this case, the thermocouples bring heat to the hot junction, ensuring its overheating with respect to the cold junction. When placing such a thermocouple in a liquid or gas stream, its readings will depend only on the flow rate. Known hot-wire flow velocity sensor, made in the form of a heated thermocouple, cold and hot junctions which are located in the measurement zone (AS USSR 1015308, 1983, G 01 5/10). One of the thermocouple electrodes is made in the form of a spherical shell with a junction placed on it. A thermocouple hot junction heater is installed inside this shell, connected to the current source by two separate wires, which complicates the design of the sensor. In addition, this sensor is not technologically advanced due to the complex shape of the thermocouple electrodes.

Более прост в изготовлении и наиболее близок к заявляемой полезной модели по совокупности признаков Термоанемометрический датчик скорости газового потока, выполненный в виде термопары, нагреваемой проходящим через нее электрическим током, холодный и горячий спаи которой расположены в зоне измерения (А.с. СССР 327411,1972, G 01Р 5/12). В этом датчике уже нет отдельного устройства для нагрева горячего спая термопары. Электроды термопары выполнены с уменьщающейся по длине площадью поперечного сечения, в частности, в виде клиньев. Соединенные между собой концы электродов с меньщей площадью сечения образуют горячийIt is simpler to manufacture and closest to the claimed utility model in terms of all the features of the Hot-wire anemometer of the gas flow velocity, made in the form of a thermocouple heated by an electric current passing through it, the cold and hot junctions of which are located in the measurement zone (A.S. USSR 327411.1972 G 01P 5/12). This sensor no longer has a separate device for heating the hot junction of the thermocouple. The thermocouple electrodes are made with a decreasing cross-sectional area in length, in particular in the form of wedges. The interconnected ends of the electrodes with a smaller cross-sectional area form hot

МПК7О01Р5/10 MPK7O01R5 / 10

спай термопары, разогрев которого происходит при прохождении через него электрического тока за счет малой площади сечения в месте контакта.junction of thermocouples, the heating of which occurs when an electric current passes through it due to the small cross-sectional area at the contact point.

Однако значительная часть тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через горячий спай, отводится от него через массивные (по сравнению с точкой спая) электроды, что приводит к большому расходу энергии при нагреве спая до необходимой температуры и, как следствие, к невозможности использования этого датчика в портативных устройствах с автономным питанием. Электроды термопары с уменьшающейся по длине площадью поперечного сечения сложно изготовить, соответственно, датчик с такими электродами будет дорог.However, a significant part of the heat released during the passage of electric current through the hot junction is removed from it through massive electrodes (compared to the junction point), which leads to a large energy consumption when the junction is heated to the required temperature and, as a result, to the inability to use this sensor in portable powered devices. Thermocouple electrodes with a decreasing cross-sectional area are difficult to manufacture, respectively, a sensor with such electrodes will be expensive.

Задача полезной модели - удещевление конструкции, обеспечение портативности устройстваThe objective of the utility model is to reduce the cost of design, ensuring portability of the device

Технический результат - упрощение конструкщш и повыщение технологичности изготовления датчика; уменьшение расхода энергии на нагрев горячего спая термопары за счет уменьшения отвода от него тепла.The technical result is a simplification of design and increase the manufacturability of the sensor; reduction of energy consumption for heating the hot junction of the thermocouple by reducing heat removal from it.

Этот результат достигается тем, что в известном термоанемометрическом датчике скорости газового потока, выполненном в виде термопары, нагреваемой проходяпщм через нее электрическим током, холодный и горячий спаи которой расположены в зоне измерения, авторами предложено использовать термопару с электродами постоянного сечения, по крайней мере один из электродов покрыт изоляцией, одна часть этого электрода, соединенная с горячим спаем, навита вокруг точки горячего спая, при чем длина навигой части достаточна для заданного нагрева горячего спая при прохождении через термопару электрического тока, а другая часть этого электрода, соединенная с холодным спаем, выполнена линейной. Электрод, имеющий навивку вокруг горячего спая, может быть выполнен из высокоомного материала, например, константана.This result is achieved by the fact that in the known hot-wire anemometer of the gas flow velocity, made in the form of a thermocouple heated by an electric current passing through it, cold and hot junctions of which are located in the measurement zone, the authors proposed to use a thermocouple with electrodes of constant cross section, at least one of the electrodes are coated with insulation, one part of this electrode connected to the hot junction is wound around the hot junction point, and the length of the navigational part is sufficient for the specified heating th junction by passing electric current through the thermocouple, the other side of this electrode is connected to the cold junction is made linear. An electrode having a winding around a hot junction may be made of a high-resistance material, for example, constantan.

На чертеже схематично изображен термоанемометрический датчик скорости газового потока. Он представляет собой термопару, состоящую из двух электродов 1 и 2 постоянного сечения, образующих горячий 3 и холод.The drawing schematically shows a hot-wire anemometer for gas flow velocity. It is a thermocouple, consisting of two electrodes 1 and 2 of constant cross section, forming hot 3 and cold.

ный 4 спаи, соединенную токоведущими проводами 5 со схемой термоанемометра (не показана). Электрод 1 выполнен из высокоомного материала, например, константана и покрыт изоляцией. Одна часть электрода 1 со стороны горячего спая 3 навита вокруг него в виде шара, а другая - со стороны холодного спая 4 выполнена линейной. Материалом электрода 1 и токоведущих проводников 5 служит медь.4 junctions connected by current-carrying wires 5 to the circuit of a hot-wire anemometer (not shown). The electrode 1 is made of high-resistance material, for example, constantan and coated with insulation. One part of the electrode 1 from the side of the hot junction 3 is wound around it in the form of a ball, and the other from the side of the cold junction 4 is linear. The material of the electrode 1 and current-carrying conductors 5 is copper.

Постоянство сечения электродов 1 и 2 упрощает изготовление датчика, так как можно использовать стандартные обмоточные провода, выпускаемые промышленностью, а также уменьшает отвод тепла от горячего спая 3 по сравнению с прототипом. Наличие изоляции на электроде 1 предотвраш;ает межвитковые замыкания навитой части. Нагрев горячего спая 3 термопары при прохождении через нее электрического тока происходит не за счет уменьшения сечения электродов в точке горячего спая, как в прототипе, а за счет концентрации вокруг горячего спая 3 тепла, выделяющегося из электрода 1 большой длины, намотанного на этот спай 3, например, в виде шара. Длина навитой на горячий спай 3 части электрода 1, обеспечивающей его подогрев, определяется заданной величиной перегрева горячего спая 3 относительно температуры холодного спая 4 и рассчитывается известным образом или подбирается эксперименгально. Для того, чтобы при прохождении тока через термопару нагревался только ее горячий спай 3 и не нагревался холодный 4, эти спаи разнесены друг от друга за счет наличия линейной части электрода 1.The constancy of the cross section of the electrodes 1 and 2 simplifies the manufacture of the sensor, since it is possible to use standard winding wires manufactured by the industry, and also reduces the heat removal from the hot junction 3 in comparison with the prototype. The presence of insulation on the electrode 1 is prevented; there are inter-turn short circuits of the wound part. The heating of the hot junction of 3 thermocouples during the passage of electric current through it does not occur due to a decrease in the cross section of the electrodes at the hot junction, as in the prototype, but due to the concentration around the hot junction of 3 heat released from the electrode 1 of large length wound on this junction 3, for example, in the form of a ball. The length of the electrode portion 1 wound on the hot junction 3, which ensures its heating, is determined by the set value of the overheating of the hot junction 3 relative to the temperature of the cold junction 4 and is calculated in a known manner or is selected experimentally. To ensure that only hot junction 3 is heated during the passage of the current through the thermocouple and cold 4 is not heated, these junctions are spaced from each other due to the presence of the linear part of electrode 1.

Использование высокоомного материала для электрода 1 позволяет получить большее выделение тепла вблизи горячего спая 3 при меньшей длине навитой части электрода 1, что з ощает изготовление датчика.The use of high resistance material for the electrode 1 allows one to obtain a greater heat release near the hot junction 3 with a shorter length of the wound part of the electrode 1, which makes it possible to manufacture the sensor.

Датчик работает следующим образом. Его помещают в газовый поток и пропускают электрический ток. При этом по всей длине электродов 1 и 2, имеющих постоянное сечение, происходиг равномерное выделение тепла. За счет сосредоточения вокруг точки горячего спая 3 больщой длины электрода 1, вьшолнешюго из высокоомного материала, происходит концентраliO r .1The sensor operates as follows. It is placed in a gas stream and an electric current is passed. Moreover, along the entire length of the electrodes 1 and 2 having a constant cross section, uniform heat generation occurs. Due to the concentration around the hot junction point 3 of a large length of the electrode 1, which is made entirely of high-resistance material, the concentration lO r .1

ция выделяемого тепла вблгои горячего спая 3 и его разогрев, в то время как холодный спай 4 имеет температзфу потока. ЭДС, возникающая на выходных контактах датчика, пропорциональна разности температур горячего и холодного спая, являющейся функцией скорости потока, и не зависит от температуры потока. Для разделения процессов нагрева и измерения применяют частотное или временное разделение сигналов.The heat emitted during the hot junction 3 and its heating, while the cold junction 4 has a flow temperature. The EMF arising at the output contacts of the sensor is proportional to the temperature difference between the hot and cold junction, which is a function of the flow rate, and is independent of the flow temperature. To separate the processes of heating and measurement, frequency or time separation of signals is used.

Этот датчик имеет высокую точность измерения скорости потока, прост по конструкции и технологии изготовления, не требует отдельного устройства для нагрева горячего спая термопары. Расход энергии на нагрев горячего спая невелик из-за малых потерь, что позволяет использовать автономные источники питания и применять датчик в портативных устройствах измерения скорости газовых потоков.This sensor has high accuracy in measuring the flow rate, is simple in design and manufacturing technology, does not require a separate device for heating the hot junction of the thermocouple. The energy consumption for heating the hot junction is small due to small losses, which allows the use of autonomous power sources and the use of the sensor in portable devices for measuring the velocity of gas flows.

))

Claims

Thermoanemometric gas flow velocity sensor, made in the form of a thermocouple heated by an electric current passing through it, cold and hot junctions of which are located in the measurement zone, characterized in that both thermocouple electrodes have a constant cross section, at least one electrode is covered with insulation, one part of this the electrode connected to the hot junction is wound around the hot junction point, the length of the wound part being selected sufficient for the given heating of the hot junction, and the other part of this electrode connected with cold junction, made linear.