PL229437B1 - Anemometryczny różnicowy czujnik strumienia gazu - Google Patents

Abstract

Anemometryczny, różnicowy czujnik strumienia gazu zawierający element grzejny, pierwszy i drugi rezystor czujnikowy oraz prostownik fazoczuły i filtr dolnoprzepustowy charakteryzuje się tym, że pierwszy rezystor czujnikowy (1) jest połączony z masą elektryczną (3) układu pomiarowego czujnika i z pierwszą skrajną końcówką (6) uzwojenia wtórnego elektrycznego transformatora zasilającego, a drugi rezystor czujnikowy (2) jest połączony z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika (3) i z drugą skrajną końcówką (8) wtórnego uzwojenia transformatora, przy czym środkowy (7) odczep wtórnego uzwojenia transformatora jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego (12) i za pośrednictwem pomiarowego rezystora (13) sprzężenia zwrotnego z wyjściem wzmacniacza operacyjnego (12), podczas gdy wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego jest połączone z masą elektryczną układu pomiarowego, a wyjście wzmacniacza operacyjnego jest także połączone z wejściem (14) prostownika fazoczułego (17), którego wejście sterujące (15) jest połączone z nieuziemionym wyjściem (10) generatora sygnału elektrycznego (11), np. sinusoidalnego lub prostokątnego, a drugie (9) wyjście generatora jest połączone z masą elektryczną układu czujnika i jednocześnie do wyjść generatora sygnału elektrycznego jest przyłączone pierwotne uzwojenie transformatora zasilającego, przy czym wyjście sygnałowe (16) prostownika fazoczułego jest połączone z wejściem (18) elektrycznego filtru dolnoprzepustowego (20), na którego wyjściu sygnałowym (19) otrzymuje się sygnał elektryczny zależny od wielkości masowego strumienia gazu przepływającego w obszarze czujnikowym, w którym oprócz rezystorów czujnikowych (1) oraz (2) jest także umieszczony centralnie względem rezystorów (1) oraz (2) element grzejny (4), podłączony z jednej strony do masy elektrycznej (3) układu, a z drugiej do napięcia zasilającego, doprowadzonego do końcówki (5).

Description

Przedmiotem wynalazku jest anemometryczny różnicowy czujnik masowego strumienia gazu zawierający działający na zasadzie pomiaru różnicy prądów płynących w dwóch gałęziach pomiarowych, powstałej w wyniku przepływu gazu zmieniającego pole temperatur wytworzone wokół rezystorów czujnikowych przez element grzejny.

Znane są liczne rozwiązania konstrukcyjne i układowe różnicowych czujników anemometrycznych, w tym półprzewodnikowe układy termistorowe wykonywane jako struktury scalone zawierające zarówno elementy grzejne jak i rezystancyjne elementy czujnikowe, służące do pomiaru różnicy temperatur powstałej na skutek przepływu strumienia gazu zmieniającego rozkład pola temperatur wokół elementów grzejnych. Elementy czujnikowe są włączane do układu pomiaru zmian ich rezystancji - zwykle w napięciowych układach różnicowych lub mostkowych zasilanych prądem stałym lub zmiennym, w których pierwotnym sygnałem mierzonym jest różnica napięć następnie wzmacniana i formowana w układzie elektronicznym.

Anemometryczny różnicowy czujnik masowego strumienia gazu według wynalazku zawierający element grzejny, pierwszy i drugi rezystor czujnikowy oraz prostownik fazoczuły i filtr dolnoprzepustowy jest znamienny tym, że pierwszy rezystor czujnikowy jest połączony z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika i z pierwszą, skrajną końcówką uzwojenia wtórnego elektrycznego transformatora zasilającego, a drugi rezystor czujnikowy jest połączony z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika i z drugą skrajną końcówką wtórnego uzwojenia transformatora, przy czym środkowy odczep wtórnego uzwojenia transformatora jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego i za pośrednictwem pomiarowego rezystora sprzężenia zwrotnego z wyjściem wzmacniacza operacyjnego, podczas gdy wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego jest połączone z masą elektryczną układu pomiarowego, a wyjście wzmacniacza operacyjnego jest także połączone z wejściem prostownika fazoczułego, którego wejście sterujące jest połączone z nieuziemionym wyjściem generatora sygnału elektrycznego, np. sinusoidalnego lub prostokątnego, a drugie wyjście generatora jest połączone z masą elektryczną układu czujnika i jednocześnie do wyjść generatora sygnału elektrycznego jest przyłączone pierwotne uzwojenie transformatora zasilającego, przy czym wyjście sygnałowe prostownika fazoczułego jest połączone z wejściem elektrycznego filtru dolnoprzepustowego, na którego wyjściu sygnałowym otrzymuje się sygnał elektryczny zależny od wielkości masowego strumienia gazu przepływającego w obszarze czujnikowym, w którym oprócz rezystorów czujnikowych jest także umieszczony centralnie względem rezystorów element grzejny podłączony z jednej strony do masy elektrycznej układu, a z drugiej do napięcia zasilającego.

Anemometryczny czujnik masowego przepływu według wynalazku pozwala stosować rezystancyjne elementy czujnikowe o bardzo małych rezystancjach, zasilanych małym napięciem i dużymi prądami. Pomiar różnicowego prądu w układzie według wynalazku pozwala na budowę anemometrycznego czujnika strumienia gazu mało podatnego na zakłócenia elektryczne pochodzące ze środowiska pracy.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku przedstawiającym schematycznie czujnik anemometryczny pracujący według zasady pomiaru prądu różnicowego, kompensującego różnicę prądów płynących w dwóch rezystorach czujnikowych dołączonych z jednej strony w do wspólnej elektrycznej masy układowej, a z drugiej do dwóch źródeł napięć o przeciwnych fazach.

Działanie układu można opisać następująco. Do wyjścia 9 i 10 generatora 11 napięcia zmiennego, np. sinusoidalnego lub prostokątnego, jest dołączone uzwojenie pierwotne transformatora. Uzwojenie wtórne transformatora jest podzielone na dwie identyczne sekcje o takiej samej liczbie zwojów z centralnym odczepem doprowadzonym do końcówki 7 połączonej z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego 12 objętym pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego, zrealizowaną za pomocą rezystora pomiarowego 13. Wejście nieodwracające wzmacniacza 12 jest dołączone do masy elektrycznej układu, w wyniku czego napięcie na końcówce 7 transformatora jest w praktyce równe napięciu elektrycznej masy układu, czyli napięcie w węźle 3 jest równe napięciu na końcówce 7 odczepu uzwojenia wtórnego. Zatem przez rezystor czujnikowy 1 popłynie prąd zależny od jego rezystancji i napięcia panującego między końcówkami 6 i 7. Z kolei przez rezystor 2 popłynie prąd o znaku przeciwnym, zależny od napięcia między końcówkami 7 i 8 oraz rezystancji tego rezystora czujnikowego. Rezystory 1 i 2 mogą być wykonane z dowolnego materiału metalowego lub półprzewodnikowego o niezerowym

PL 229 437 Β1 temperaturowym współczynniku zmian przewodnictwa elektrycznego. Są one umieszczone w polu temperaturowym elementu grzejnego 4 usytuowanego względem nich centralnie i dołączonego z jednej strony do masy elektrycznej układu w węźle 3, a z drugiej poprzez końcówkę 5 do stałego napięcia zasilającego. Przy założeniu całkowitej symetrii układu i zerowego strumienia q gazu prądy L oraz 12 płynące przez rezystory czujnikowe są równe i przeciwnie skierowane. Dla niezerowego strumienia q skierowanego w kierunku pokazanym na fig. 1 średnia temperatura wokół rezystora 1 obniży się, natomiast wokół rezystora 2 zwiększy się w porównaniu ze stanem dla zerowego strumienia q, co w konsekwencji wywoła wzrost prądu różnicowego i_r i pojawienie się napięcia zmiennego na wejściu 14 prostownika fazoczułego 17. Na jego wyjściu 16 i na wejściu 18 filtru dolnoprzepustowego 20 pojawi się dodatnie lub ujemne napięcie o wartości średniej proporcjonalnej do strumienia masowego q. Po usunięciu przez filtr 20 wysokoczęstotliwościowej składowej zmiennej sygnału na wyjściu 19 filtru pozostanie jedynie wartość sygnału proporcjonalna do strumienia masowego q. Sygnał sterujący prostownikiem fazoczułym 17 może być przykładowo doprowadzany do wejścia sterującego 15 prostownika korzystnie w sposób pokazany na fig. 1.

Przedstawiony czujnik anemometryczny może być szeroko stosowany np. do pomiarów strumienia gazów oddechowych podczas sztucznej wentylacji lub spirometrii, a także w przemysłowych układach automatyki i pomiarów.

Claims (2)

1. Anemometryczny, różnicowy czujnik strumienia gazu zawierający element grzejny, pierwszy i drugi rezystor czujnikowy oraz prostownik fazoczuły i filtr dolnoprzepustowy znamienny tym, że pierwszy rezystor czujnikowy 1 jest połączony z masą elektryczną 3 układu pomiarowego czujnika i z pierwszą skrajną końcówką 6 uzwojenia wtórnego elektrycznego transformatora zasilającego, a drugi rezystor czujnikowy 2 jest połączony z masą elektryczną układu pomiarowego czujnika 3 i z drugą skrajną końcówką 8 wtórnego uzwojenia transformatora, przy czym środkowy 7 odczep wtórnego uzwojenia transformatora jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego 12 i za pośrednictwem pomiarowego rezystora 13 sprzężenia zwrotnego z wyjściem wzmacniacza operacyjnego 12, podczas gdy wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego jest połączone z masą elektryczną układu pomiarowego, a wyjście wzmacniacza operacyjnego jest także połączone z wejściem 14 prostownika fazoczułego 17, którego wejście sterujące 15 jest połączone z nieuziemionym wyjściem 10 generatora sygnału elektrycznego 11, np. sinusoidalnego lub prostokątnego, a drugie 9 wyjście generatora jest połączone z masą elektryczną układu czujnika i jednocześnie do wyjść generatora sygnału elektrycznego jest przyłączone pierwotne uzwojenie transformatora zasilającego, przy czym wyjście sygnałowe 16 prostownika fazoczułego jest połączone z wejściem 18 elektrycznego filtru dolnoprzepustowego 20, na którego wyjściu sygnałowym 19 otrzymuje się sygnał elektryczny zależny od wielkości masowego strumienia gazu przepływającego w obszarze czujnikowym, w którym oprócz rezystorów czujnikowych 1 oraz 2 jest także umieszczony centralnie względem rezystorów 1 oraz 2 element grzejny 4, podłączony z jednej strony do masy elektrycznej 3 układu, a z drugiej do napięcia zasilającego, doprowadzonego do końcówki 5.

2. Anemometryczny różnicowy czujnik strumienia gazu według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że punkt wspólny rezystorów pomiarowych jest połączony z wejściem odwracającym wzmacniacza pomiarowego 12, natomiast środkowy odczep 7 transformatora jest połączony z masą elektryczną 3 układu pomiarowego czujnika.