PL247197B1 - Sposób pomiaru prędkości przepływu płynu czujnikiem termoanemometrycznym - Google Patents

Abstract

Sposób pomiaru prędkości przepływu płynu czujnikiem termoanemometrycznym, umieszczonym w badanym przepływie i nagrzewanym prądem elektrycznym z elektronicznego układu termoanemometrycznego, w którym mierzy się chwilową wartość prędkości przepływu płynu poprzez pomiar chwilowej wartości wyjściowego sygnału elektrycznego z układu i przypisanie jej prędkości mierzonej na podstawie danych uzyskanych w procesie wzorcowania, polega na tym, że równocześnie mierzy się chwilowe wartości napięcia i prądu czujnika (1) i przetwarza je w przetworniku (7) na sygnał cyfrowy wprowadzany do cyfrowego układu przetwarzania danych (8), w którym na ich podstawie dokonuje się obliczenia chwilowej wartości rezystancji czujnika jako ilorazu napięcia i prądu, oraz obliczenia pochodnej rezystancji czujnika po czasie, a następnie na podstawie chwilowych wartości prądu, rezystancji i pochodnej rezystancji czujnika wyznacza się chwilową wartość prędkości przepływu z zależności wynikającej z dynamicznego modelu czujnika stanowiącego równanie bilansu cieplnego czujnika, uwzględniające co najmniej moc prądu zasilania czujnika, strumień ciepła odprowadzanego konwekcyjnie przez przepływ oraz ciepło magazynowane w czujniku.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru prędkości przepływu płynu czujnikiem termoanemometrycznym.

Czujnik termoanemometryczny jest rezystancyjnym przetwornikiem temperatury przeznaczonym do pomiaru prędkości przepływu płynów (gazów i cieczy). Rezystancyjny przetwornik temperatury to element wykonany z przewodnika lub półprzewodnika, którego rezystancja zmienia się w sposób istotny wraz ze zmianą jego temperatury. Typowy czujnik termoanemometryczny to cienki drut wolframowy lub platynowy rozpięty pomiędzy wspornikami, lub termistor. Pomiar prędkości przepływu płynu za pomocą czujnika termoanemometrycznego dokonywany jest w ten sposób, że czujnik jest umieszczony w badanym przepływie płynu, a prąd elektryczny płynący przez czujnik rozgrzewa go do temperatury istotnie wyższej od temperatury płynu. Ilość ciepła odbieranego z czujnika przez przepływ jest zależna od prędkości przepływu płynu. Sposób pomiaru prędkości czujnikiem termoanemometrycznym polega na wyznaczeniu prędkości przepływu płynu pośrednio, poprzez pomiar strumienia ciepła odbieranego przez przepływ. Ten sposób i metodę termoanemometryczną wykorzystuje się przede wszystkim do pomiarów przepływów szybkozmiennych w szerokim zakresie fluktuacji prędkości.

Znane są sposoby pomiaru prędkości przepływu płynu czujnikiem termoanemometrycznym (Monografia: Bruun H. H.: Hot-wire Anemometry. Principles and Signal Analysis; University Press, Oxford, 1995) polegające na tym, że czujnik termoanemometryczny zasilany jest prądem elektrycznym z elektronicznego układu termoanemometrycznego ustalającego warunki pracy czujnika, w układzie tym mierzony jest jeden z elektrycznych sygnałów wyjściowych, a z jego wartości wyznaczana jest mierzona prędkość przepływu płynu na podstawie statycznej zależności funkcyjnej. Postać tej funkcji wyznaczana jest w procesie wzorcowania termoanemometru. Proces ten polega na umieszczeniu czujnika termoanemometrycznego w przepływie płynu o zadawanych prędkościach wzorcowych i wyznaczeniu, w stanie ustalonym, statycznej zależności funkcyjnej elektrycznego sygnału wyjściowego z termoanemometru od zadawanej prędkości przepływu płynu. Podczas pomiarów wykorzystuje się funkcję odwrotną do funkcji uzyskanej w procesie wzorcowania. Jako elektroniczne układy termoanemometryczne typowo stosowane są układy, w których, w stanie ustalonym, jeden z parametrów w przybliżeniu utrzymywany jest na stałym poziomie. Znany jest układ stałonapięciowy, stałoprądowy oraz stałorezystancyjny (stałotemperaturowy). Układy te utrzymują dany parametr zasilania czujnika, a więc napięcie, natężenie prądu lub rezystancję czujnika na w przybliżeniu stałym, zadanym poziomie. Elektrycznym sygnałem wyjściowym z układu termoanemometrycznego jest najczęściej napięcie proporcjonalne do napięcia lub natężenia prądu czujnika.

Termoanemometry stosowane są przede wszystkim do pomiarów przepływów szybkozmiennych w szerokim zakresie fluktuacji prędkości. Dlatego istotnym parametrem jest możliwie szerokie pasmo przenoszenia fluktuacji prędkości układu termoanemometrycznego. Szerokość tego pasma można zwiększyć stosując zoptymalizowany układ zasilania czujnika, na przykład układ stałotemperaturowy, który dzięki zastosowaniu w układzie elektronicznym sprzężenia zwrotnego o dobranych parametrach pozwala na kształtowanie i optymalizację pasma przenoszenia termoanemometru. Szerokość pasma przenoszenia można również zwiększyć stosując czujniki termoanemometryczne o zminimalizowanej inercji termicznej, a więc na przykład wykonane z jak najcieńszego drutu. Jednak obie metody poszerzania pasma przenoszenia mają fizyczne ograniczenia. Cechą wspólną stosowanych dotychczas sposobów pomiaru prędkości czujnikiem termoanemometrycznym jest pomiar chwilowej wartości prędkości poprzez pomiar chwilowej wartości pojedynczego sygnału elektrycznego z układu i przypisanie jej prędkości mierzonej na podstawie statycznej funkcji wzorcowania. Ten sposób powoduje ograniczenie możliwego do uzyskania pasma przenoszenia termoanemometru ze względu na to, że układ pomiarowy, stanowiący obiekt dynamiczny, nie osiąga w chwili pomiaru stanu ustalonego, takiego jak w procesie wzorcowania. Pomiar jest więc obarczony błędem dynamicznym wynikającym z różnicy stanów układu pomiarowego w czasie wzorcowania i pomiaru.

Zgodnie z wynalazkiem sposób pomiaru prędkości przepływu płynu czujnikiem termoanemometrycznym, umieszczonym w badanym przepływie i nagrzewanym prądem elektrycznym z elektronicznego układu termoanemometrycznego, w którym mierzy się chwilową wartość prędkości przepływu płynu poprzez pomiar chwilowej wartości wyjściowej sygnału elektrycznego z układu i przypisanie jej prędkości mierzonej na podstawie funkcji wzorcowania, polega na tym, że równocześnie mierzy się chwilowe wartości napięcia i natężenia prądu czujnika i przetwarza na sygnał cyfrowy wprowadzany do cyfrowego układu przetwarzania danych, a na ich podstawie dokonuje obliczenia chwilowej wartości

PL 247197 Β1 rezystancji czujnika jako ilorazu napięcia i natężenia prądu oraz obliczenia pochodnej rezystancji czujnika po czasie, a następnie na podstawie chwilowych wartości natężenia prądu, rezystancji i pochodnej rezystancji czujnika wyznacza się chwilową wartość prędkości przepływu płynu z zależności wynikającej z dynamicznego modelu czujnika stanowiącego równanie bilansu cieplnego czujnika, uwzględniające co najmniej moc prądu zasilania czujnika, strumień ciepła odprowadzanego konwekcyjnie przez przepływ oraz ciepło magazynowane w czujniku.

Chwilową wartość prędkości przepływu wyznacza się z zależności:

(D gdzie:

/— natężenie prądu czujnika termoanemometrycznego,

R - rezystancja nagrzanego czujnika termoanemometrycznego,

Ro - rezystancja czujnika termoanemometrycznego w temperaturze płynu,

V- prędkość przepływu płynu, lk, Vk, Tk- parametry modelu, t- czas, w którym dokonuje się pomiaru, w kolejnych chwilach.

W sposobie pomiaru prędkości płynu czujnikiem termoanemometrycznym według wynalazku wykorzystuje się w czasie pomiaru więcej niż jeden wyjściowy sygnału elektryczny z układu termoanemometrycznego i wyznacza chwilową prędkość przepływu z równania opisującego dynamiczny model czujnika termoanemometrycznego, przy czym parametry tego modelu uzyskuje się w procesie wzorcowania statycznego i dynamicznego.

Przedstawiony sposób pomiaru prędkości nie definiuje układu zasilania czujnika termoanemometrycznego, można wykorzystać układ stałonapięciowy, stałoprądowy oraz stałorezystancyjny (stałotemperaturowy), lub inne znane układy.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na poszerzenie pasma przenoszenia pomiaru fluktuacji prędkości czujnikiem termoanemometrycznym, ponieważ sposób wyznaczania prędkości z równania (1) uwzględnia dynamiczne stany nieustalone czujnika termoanemometrycznego. Przedstawiony sposób pozwala więc na znaczącą redukcję błędów dynamicznych pomiaru przepływów szybkozmiennych.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania w związku z rysunkiem, na którym Fig. 1 przedstawia układ realizujący sposób pomiaru prędkości przepływów szybkozmiennych, a na Fig. 2 a, b, c, d, e, f przedstawiono przebiegi sygnałów w czasie dla pomiaru prędkości przepływów szybkozmiennych z zastosowaniem układu realizującego sposób pomiaru według wynalazku.

Czujnik termoanemometryczny 1 wykonany z drutu platynowego o średnicy 5 mikrometrów i długości 1 mm rozpięty jest na stalowych wspornikach igłowych 2 i umieszczony prostopadle do badanego przepływu V.

Dla bliższego objaśnienia istoty wynalazku przyjmijmy dynamiczny model czujnika termoanemometrycznego w postaci:

(je-Ą)+7X — dr (2) gdzie:

/— natężenie prądu czujnika termoanemometrycznego,

R - rezystancja nagrzanego czujnika termoanemometrycznego,

Ro - rezystancja czujnika termoanemometrycznego w temperaturze płynu, V- prędkość przepływu płynu, lk, Vk, Tk- parametry modelu, t - czas, zmienna niezależna.

PL 247197 Β1

W modelu tym lewa strona równania przedstawia moc prądu elektrycznego doprowadzonego do czujnika, pierwszy składnik prawej strony równania to strumień ciepła odprowadzony przez przepływ do płynu, a drugi składnik to zmiana w czasie ciepła magazynowanego w czujniku.

Zgodnie z równaniem (2), w stanie ustalonym, dla zerowej prędkości, ustalając natężenie prądu czujnika / tak, aby rezystancja czujnika się podwoiła, możemy wyznaczyć I_k = 1^2. Przy prędkości V = Vk dla utrzymania zadanego współczynnika nagrzania czujnika η = R/Ro potrzebna jest dwukrotnie większa moc zasilania czujnika, w porównaniu z mocą dla zerowej prędkości. Trzeci parametr stanowi stałą czasową. Ze szczególnego rozwiązania równania różniczkowego (2) wynika, że przy zerowej prędkości i natężeniu prądu czujnika / = Ik rezystancja czujnika narasta liniowo, a w czasie Tk zwiększa wartość z początkowej Ro dwukrotnie.

Model czujnika (2) pozwala również na wyznaczenie parametrów innymi metodami, na przykład na drodze eksperymentalnej, poprzez dopasowanie modelu do danych eksperymentalnych wzorcowania metodą najmniejszych kwadratów.

Rezystancja nienagrzanego czujnika Ro wynosi około 5,5 oma. Czujnik połączony jest szeregowo z rezystorem stałym 3 o wartości 100 omów i zasilany jest przez ten rezystor ze źródła napięcia 4 o wartości 5 woltów. Napięcie na czujniku oraz napięcie na rezystorze poprzez wzmacniacze różnicowe 5 i 6 doprowadzane są do dwóch wejść precyzyjnego, szybkiego przetwornika analogowo-cyfrowego 7. Rozdzielczość przetwornika wynosi 16 bitów, a częstotliwość próbkowania 1 MHz. Sygnały cyfrowe z przetwornika, stanowiące miarę chwilowej wartości napięcia i natężenia prądu czujnika, są rejestrowane i przetwarzane w systemie komputerowym 8 na chwilową wartość prędkości zgodnie z modelem (2). W każdym punkcie pomiarowym system komputerowy dokonuje obliczenia chwilowej wartości rezystancji R czujnika, jako ilorazu napięcia i natężenia prądu, obliczenia pochodnej rezystancji czujnika po czasie jako ilorazu różnicy rezystancji czujnika z aktualnego i poprzedniego pomiaru do przedziału czasowego między pomiarami. Dla czujnika z przykładu wykonania parametry wzorcowania wyznaczane są w znanym procesie wzorcowania przed pomiarem i wprowadzane do systemu komputerowego 8; wynoszą: Ik = 62,9 mA, Vk = 2,71 m/s, Tk = 1,36 ms. Na podstawie modelu (2) z wyznaczonymi podczas wzorcowania dla danego czujnika parametrami wyznacza się mierzoną prędkość przepływu:

(I¹ „ dR

Ą ^K di

R-R_a (D

Na Fig. 2 przedstawiono przebiegi sygnałów w czasie dla pomiaru prędkości przepływów szybkozmiennych według wynalazku. Czujnik jest umieszczony w przepływie testowym, który stanowi skok prędkości powietrza w tunelu aerodynamicznym od 0 m/s do 5 m/s. Skok prędkości rozpoczyna się w czasie t = 1 ms, a jego narastanie trwa około 0,2 ms. Na wykresach: Fig. 2a przedstawiono przebieg zarejestrowanego napięcia czujnika, Fig. 2b - przebieg natężenia prądu czujnika, a Fig. 2c - przebieg wyznaczonej rezystancji czujnika. Na wykresach Fig. 2 d, e, f przedstawiono kolejno przebieg prędkości zadanej w tunelu, prędkości mierzonej sposobem stanowiącym przedmiot wynalazku, wyznaczonej z zależności (1) oraz błąd dynamiczny pomiaru. Przedstawiona w przykładzie wykonania realizacja sposobu pomiaru przepływu szybkozmiennego pozwala na ustalenie się wyniku pomiaru w czasie około 0,5 ms, podczas gdy napięcie, natężenie prądu i rezystancja czujnika ustalają się w czasie znacznie dłuższym, około 2,5 ms. Przedstawiony sposób pozwala, więc na znaczącą redukcję błędów dynamicznych pomiaru przepływów szybkozmiennych, w stosunku do znanych sposobów bazujących na statycznym modelu czujnika.

Claims (1)

1. Sposób pomiaru prędkości przepływu płynu czujnikiem termoanemometrycznym, umieszczonym w badanym przepływie i nagrzewanym prądem elektrycznym z elektronicznego układu termoanemometrycznego, w którym mierzy się chwilową wartość prędkości przepływu płynu poprzez pomiar chwilowej wartości wyjściowego sygnału elektrycznego z układu i przypisanie

PL 247197 Β1 jej prędkości mierzonej na podstawie danych uzyskanych w procesie wzorcowania, znamienny tym, że równocześnie mierzy się chwilowe wartości napięcia i natężenia prądu czujnika (1) i przetwarza je w przetworniku (7) na sygnał cyfrowy wprowadzany do cyfrowego układu przetwarzania danych (8), w którym na ich podstawie dokonuje się obliczenia chwilowej wartości rezystancji czujnika jako ilorazu napięcia i natężenia prądu, oraz obliczenia pochodnej rezystancji czujnika po czasie, a następnie na podstawie chwilowych wartości natężenia prądu, rezystancji i pochodnej rezystancji czujnika wyznacza się chwilową wartość V prędkości przepływu z zależności wynikającej z dynamicznego modelu czujnika stanowiącego równanie bilansu cieplnego czujnika, uwzględniające co najmniej moc prądu zasilania czujnika, strumień ciepła odprowadzanego konwekcyjnie przez przepływ oraz ciepło magazynowane w czujniku:

gdzie:

/— natężenie prądu czujnika termoanemometrycznego,

R - rezystancja nagrzanego czujnika termoanemometrycznego,

Ro - rezystancja czujnika termoanemometrycznego w temperaturze płynu,

V- prędkość przepływu płynu, /k, Vk, Tk- znane parametry modelu czujnika, wyznaczone w procesie wzorcowania, t- czas, zmienna niezależna.