Расширение функциональных возможностей термоанемометрических датчиков нестационарного энергетического состояния Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Уровень внедрения средств измерений в производственную практику во многом зависит от их функциональных возможностей, т.е. от возможности контролировать как можно большее число входных воздействий различного физического характера, с последующей обработкой результатов измерений на базе микропроцессорной техники.

Применение термоанемометров [1] перспективно не только для измерения скорости движения или расхода газа, но и для промежуточных преобразований различных неэлектрических параметров в электрический сигнал, в том числе при компенсационных методах измерения в системах автоматического управления и регулирования. Под термоанемометром обычно подразумевают термоанемометрический преобразователь, включающий входной пневматический преобразователь, приемные теплочувствительные и нагревательные элементы, а также выходную электрическую цепь. Входом такого преобразователя является массовый расход газа, а выходом — электрический сигнал в виде тока, сопротивления или других электрических параметров.

С целью повышения чувствительности, снижения расхода газа и потребляемой мощности, обеспечения требуемых выходных характеристик во входном канале термоанемометрического преобразователя можно использовать различные дросселирующие или управляющие элементы, изменяющие величину скорости или направление потока. Термоанемометрические преобразователи, у которых входные каналы содержат подобные конструктивные элементы, называются струйными термоанемометрами..

Пневмоэлектрические приборы контроля размеров с термоанемометрами представлены, в основном, устройствами, в которых пневматический сигнал вначале преобразуется в перемещение, а затем посредством электроконтактного, индукционного, фотоэлектрического или тензометрического датчика — в электрический сигнал.

На рис. 1 приведена схема пневмоэлектрического датчика размерного контроля с термоанемометрическим преобразователем (ТАП) струйного типа.

Терморезистор 3 установлен в такое место измерительной камеры 2, при котором поступающий через входное сопло 1 воздух его обтекает только частично.

Перемещение поверхности 5, вызывающее изменение зазора X , приводит к изменению расхода газа (Ро - const) через сопло 4, а следовательно, и к изменению скорости обдува терморезистора 3.

Романченко А.Ф.(гошапсИепко@гашЫег.ги), Кудрин А.Н.

Уфимский технологический институт сервиса

Рис. 1. Схема пневмоэлектрического датчика с терморезистором

Недостатком струйных ТАП является необходимость введения в цепь преобразования (см. рис.2) звена, осуществляющего функциональную связь контролируемого изменения механической характеристики АХ в соответствующее изменение условий теплообмена АН термоанемометрического элемента (ТЭ). А изменение условий теплообмена АН ТЭ связано с соответствующим изменением среднеобъемной температуры АТ, а следовательно, и с его электрическим сопротивлением АЯт.

ТЭ

г 1 1 т 1

АХ 1 АН | 1 к 2 АТ 3 ! АЯТ 1 ^

1 1 1 1 1 р 1 1

1 1 Ь 1 1 _ 1

Рис. 2. Структурная схема ТАП при измерении параметра, непосредственно не связанного с коэффициентом рассеяния АН

Техническая сложность реализации звена 1 таких измерительных систем ограничивает их практическое применение.

При совершенствовании термоанемометрических методов измерений следует иметь в виду, что изменение среднеобъемной температуры ТЭ, вследствие изменения условий теплообмена, приводит к изменению не только его электрических характеристик (электрического сопротивления АЯТ ), но и изменяет геометрические размеры, характер действия внутренних сил, внутренние напряжения в теле ТЭ и т. д.

Использование взаимосвязи изменений среднеобъемной температуры АТ ТЭ с изменением геометрических и силовых факторов, действующих в конструкциях ТЭ, позволяет:

• предложить принципиально новые конструкции [2-8] термоанемометрических ТЭ, позволяющих согласовать малую инерционность с механической прочностью;

• расширить функциональные возможности [9,10] термоанемометрических методов измерений, за счет возможности использования ТЭ при измерении механических параметров (линейные перемещения, прогибы и т. д.).

Термоанемометрические датчики нестационарного энергетического состояния позволяют решить задачу измерения механических характеристик, например, перемещения элементов, без изменения конструктивных особенностей и схем включения в измерительную цепь.

Действительно, при организации нестационарного энергетического состояния ТЭ датчика в виде биметаллической пластины [7,8], частота f коммутации энергетического состояния зависит не только от значения коэффициента рассеяния Н датчика, но и от пространственного положения А1 [9,10] элементов конструкции (ЭК)

термоанемометрического датчика относительно ТЭ. При этом ТЭ периодически перемещается (прогибается), за счет импульсного поступления энергии от источника Е через ключ Кл (см. рис. 3).

ЭК

Д1

дн

тэ

А?

6

ь

р

< ■4

ь Е

Рис. 3. Обобщенная функциональная схема ТАП с биметаллическим ТЭ

Перспективным является использование взаимосвязи изменения коэффициента рассеяния и линейного положения элементов конструкции ТЭ. Такие принципы организации измерительного процесса реализуют термоанемометрические методы с биметаллическими ТЭ [3-8].

Принципиальная схема термоанемометрического преобразователя линейного перемещения с термоанемометрическим датчиком нестационарного энергетического состояния представлена на рис.4.

Термочувствительный элемент в виде биметаллической пластины 1 закреплен на державке 2 основания 3.

Рис.4. Принципиальная схема термоанемометрического преобразователя с

биметаллическим ТЭ

Конец биметаллической пластины контактирует с токоподводом 4, который через сопротивление Ян соединен с источником питания 5. С источником питания соединена через ключ «Кл» и цепь биметаллической пластины 1 .

Электрический ток 1р, протекающий в цепи биметаллической пластины 1, обеспечивает ее разогрев, а ток нагрузки 1н позволяет контролировать наличие контакта токоподвода 4 с биметаллической пластиной 1 .

При импульсном подключении тока 1р, с помощью ключа «Кл», биметаллическая пластина 1 разогревается и начинает прогибаться. Величина прогиба 8 однозначно связана с температурой нагрева Т биметаллической пластины.

При достижении нагрева пластины температурного значения Т1 ток разогрева 1р, с помощью ключа «Кл», отключается и пластина начинает остывать. Достижение биметаллической пластиной положения контакта 4 при остывании осуществляется при температуре пластины Т2. В этом случае, электрическая цепь контакта 4 замыкается и ток нагрузки 1Н, протекая через электрическое сопротивление Ян, подает сигнал на ключ «Кл» для замыкания цепи разогрева биметаллической пластины.

Очевидно, что частота колебаний пластины /„ будет зависеть от скорости ее остывания и разогрева, а следовательно, от условий теплообмена пластины 1 с окружающей средой и положения токоподвода 4 относительно пластины 1 .

В реальных конструкциях биметаллический ТЭ может быть выполнен в виде П-образной биметаллической пластины (см. рис. 5), где две одинаковые биметаллические пластины 1 и 2 соединены между собой перемычкой 3.

При формировании математической модели процессов, протекающих в ТЭ при коммутации энергетического состояния, необходимо иметь в виду, что геометрические размеры и материал биметаллической пластины, как правило, известны.

Пластина прогревается внутренними источниками энергии, объемная плотность которых является функцией координаты X и времени Т.

Рис.5. Принципиальная схема биметаллического ТЭ

На поверхности пластины происходит теплообмен с окружающей средой. Считая, что в пределах сечения пластины температура Т не меняется, имеем следующее уравнение

теплопроводности в частных производных для стержня с боковым теплообменом

*

дТ Т а■ и и

"эТ"• + F (х'0 'Т- (1)

где а - коэффициент теплоотдачи с поверхности стержня; и - периметр сечения; £ - площадь сечения;

¥(х,Т) - мощности источников энергии на единицу объема;

Я - коэффициент теплопроводности; р - удельный вес; с - удельная теплоемкость; Тср. - температура среды.

При достаточно массивных токоподводах можно допустить, что температура торцевых сечений стержня равна Тср, тогда граничные условия имеют вид:

Т (0 ; 1)=Т (I; 1)=ТС

ср.

(2)

где I - длина стержня.

Начальные условия принимаются в виде

Т(х; 0)=Тср. . (3)

Для расчета выходных характеристик ТЭ с прямым нагревом постоянным током, решение уравнения (1) находится методом конечных разностей.

Разностная схема для вычисления температуры по ТЧЭ в любой момент времени

Т7,}+1 = к (-1,} + Т+1,} )+

/

\

1 -

К

Т7, / - К2 (Т7, / - Тср.) + К1,

(4)

где

7 = 1,2...N;] = 1,2...т -1,т,т +1...; t = Аt ■ j; х = Ах • 7; I = N ■ Ах;

ЛТ7 ЛТ7 ф ЛТ7 ЛТ7 ЛТ7 ф

Т 7, j ~ Т ср.; Т 0, j ~ Т N, j ~ Т ср.;

где

К 0 =

К1 =

А х ■ с ■ р

Аt ■ г * т2

-параметр, характеризующий точность вычислений;

с р ■ £

■ I

К 2 =

и ■Аt *

а

£ ■ с ■ р

Р -коэффициент, характеризующий интенсивность

*

нагрева ТЧЭ током разогрева 1р (г - удельное электрическое сопротивление);

- коэффициент, характеризующий теплообмен ТЭ с окружающей средой.

Уравнение в конечных разностях для вычисления перемещения конца ТЭ в любой момент времени имеют вид:

N/ / ч

/2 ✓ ( N Л

5 ,+, = I К з (А х )2 ■ - 7

7 = 1

V

2

Т 7,7 + Т 7 -1,7 2

- Т

ср.

(5)

0 = 0.

В уравнении (5) К3 - биметаллический коэффициент.

Совокупность коэффициентов К1г К2, К3 в уравнениях (4, 5) характеризует параметры ТЭ, условия его теплообмена с окружающей средой и интенсивность разогрева.

Сочетания конкретных значений коэффициентов К1г К2, К3, с учетом условий (2) и (3), определяют переходные характеристики прогиба 8 при нагреве и остывании пластины, т. е. функциональную зависимость 8=¥(1).

Изменение времени остывания ^ст ТЭ в виде пластины, при неизменных условиях теплообмена с окружающей средой, за счет перемещения Д1 токоподвода 4, приводит к изменению частоты выходного сигнала термоанемометрического датчика (см. рис. 6).

Таким образом, функциональные возможности термоанемометрических датчиков нестационарного энергетического состояния расширяются за счет обеспечения возможности измерения линейные перемещения элементов конструкции датчика.

С целью повышения стабильности колебаний ТЭ в виде пластины, чувствительности по изменению контролируемого параметра, часто необходимо стабилизировать время остывания 1ост, (1ост. =сот() за счет периодических тепловых воздействиях на пластину .

Рис. 6. Структура формирования выходного импульса прогиба 8 ТЭ при 1остГеот1

При измерении линейного положения токоподвода, приводящего к изменению 8ост, часто можно обеспечивать установку "нулевой" (начальной) частоты колебания пластины, а также компенсацию температурных погрешностей.

Алгоритм расчета выходных характеристик термоанемометрических преобразователей механических перемещений, на базе термоанемометрических датчиков нестационарного энергетического состояния, представлен на рис.7.

О возможностях термоанемометрических датчиков при измерении линейных перемещений можно судить на примере применения биметаллической пластины с размерами (20 - 0.6 - 0.5) мм, на которой достигается частота коммутации f = 1000 Гц в спокойной воздушной среде. Чувствительность датчика по перемещению механического элемента (токоподвода), при токе разогрева I = 2,9 ампер, составляет Б = 50 Гц/мм. За счет выбора геометрических размеров, тока разогрева, условий теплообмена обеспечивается требуемая чувствительность по контролируемому механическому параметру.

Рис.7. Алгоритм расчета выходных характеристик термоанемометрических преобразователей линейных перемещений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ференец В.А. Полупроводниковые струйные термоанемометры. М.: Энергия, 1972, 113 с.

2. Романченко А. Ф., Ахметов Р. Р., Вежнин В. П. Термоанемометрический преобразователь А.С.638896 (СССР), 1978, Б.И. № 47.

3. Романченко А. Ф., Ахметов Р. Р., Вежнин В. П. Термоанемометрический преобразователь.А.С.634211 (СССР), 1978, Б.И. № 43.

4. Романченко А.Ф., Ахметов Р.Р. Термоанемометрический преобразователь А.С.636537 (СССР), 1978, Б.И. № 45.

5. Романченко А.Ф., Ахметов Р.Р., Вежнин В.П. Термоанемометрический преобразователь. А.С.634211 (СССР), 1978, Б.И. № 43.

6. Романченко А.Ф., Ахметов Р.Р. Термоанемометрический преобразователь. А.С.645087 (СССР) , 1979, Б.И. № 4.

7. Романченко А.Ф., Деньгина А.А., Данилов В.И., Игбаев Ч.Р., Сорокин В.А. Термоанемометрический датчик. А.С.775701 (СССР), 1980, Б.И. № 40.

8. Романченко А.Ф., Клишо А.Р. Термоанемометрический датчик. А.С.909641 (СССР), 1982, Б.И. № 8.

9. Романченко А.Ф., Кудрин А.Н. О перспективах расширения функциональных возможностей термоанемометрических методов измерений //Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик 2000» /Материалы 12 науч.тех.конф., Москва, МГИЭМ, 2000., С. 56.

10. Романченко А.Ф. Информационно-измерительные системы нестационарного энергетического состояния. Уфа, 2000, 1 74 С.