Термоанемометрический датчик

 

 

   Анализ патентной документации в объеме  настоящей работы показал, что в настоящее время большое внимание в разработках зарубежных фирм занимают термоанемометрические преобразователи[5].

Основными затруднениями при реализации преобразователей рода энергии информативного сигнала на основе термометрических преобразователей являются[6]:

1. Ограниченная чувствительность  в диапазоне малых скоростей (до I м/сек) и углов скоса потока.

2. Значительны разброс паспортных (нормированных) характеристик  термоанемометрических преобразователей, обусловленный влиянием технологических факторов на оформление контактной системы и определяющий точность измерения анемометра.

3. Ограниченная чувствительность  в диапазоне больших скоростей  воздушных потоков (50 м/сек).

   Пути решения указанных проблем разнообразны. Некоторые из них находят отражение в технических решениях по патентам зарубежных фирм, отобранных в объеме настоящих исследований.

   Так, например, известны термоанемометры, состоящие из одного иди нескольких сопротивлений, чувствительных к температуре, из которых одно или несколько нагреваются электрически, вследствие чего их температура становится выше, чем температура окружающей среды. Потеря тепла нагреваемыми сопротивлениями тем больше, чем выше скорость обтекающего их потока. На практике установлено, что характеристики этих термоанемометров не стабильны, и со временем в них появляются отклонения по сравнению с эталонной характеристикой.

Погрешность для таких датчиков, является погрешностью от температуры, зависящей от условий работы. Можно сказать, что при высоких температурах, такие датчики имеют более высокую погрешность, чем на низких, эталонных, которые влияют существенно на точность термоанемометрического датчика. Но при невысоких температурах нагревания, и при эталонной работе, датчик способен измерять до доли процентов погрешности при высоких перепадах давления.

   Повышение точности термоанемометра указанного типа достигается путем устранения влияния загрязнений, имеющихся на обращенной к потоку стороне сопротивления, на теплоотдачу измерительного элемента, и следовательно, обеспечения характеристик зонда, не отклоняющихся от эталонных.

   Указанный путь достигается тем, что на поверхность нагреваемого сопротивления, обращенную к потоку, наносят термоизолирущий слой.

 Результатом является то, что теплоотдача осуществляется лишь стороной, противоположной направлению потока и свободной от пыли и загрязнений, так это практически теплоотдача остается постоянной. Кроме того конфигурация анемометра такова, что возникающая на нем локальная пылевая зона, обусловленная  встречей с потоком, мала по сравнению с его поперечным сечением, что также влияет на стабильность теплоотдачи.

Указанные конструктивные меры, препятствующие изменению переноса тепла от креплений чувствительных элементов в окружающую среду оказывают также существенное влияние на обеспечение удовлетворительной чувствительности в диапазоне больших скоростей.

Для термоанемометрических (термоанеморезистивных) преобразователей (ТАП) [7] перепады давлений менее 2 Па являются рабочими. Высокая чувствительность, отсутствие подвижных элементов, миниатюрность, быстродействие и другие положительные свойства ТАП обусловливаются целесообразность создания термоанемометрического ДСН. Пневматическая цепь ТАП проточная, что позволяет построить ее так, что бы значительно уменьшить вероятность засорения приемников, расположенных встречно потоку. Вследствие высокой чувствительности ТАП имеется возможность размещения приемников давления на скользящей поверхности.

 

Существенными преимуществом полупроводниковых термоанемочувстви-тельных элементов – термоанеморезисторов по сравнению с проволочными является их высокое электрическое сопротивление, что позволяет пренебречь влиянием контактных сопротивлений, снимать с них достаточно большой полезный сигнал и сравнительно легко организовывать цепи его обработки. Полупроводниковые термоанеморезисторы обладают высокой механической, тепловой и электрической скойкостью, их возможно изготовлять в различных конструктивных формах и габаритах. При одинаковой чувствительности частотный спектр полупроводниковых ТАП значительно уже проводниковых, что позволяет обеспечить фильтрацию аэродинамических помех, связанных с турбулентностью набегающего потока и, следовательно, еще более снизить порог реагирования и нижний предел рабочих скоростей термоанемомтерического ДСН. Однако исследования показывают, что высокие метрологические характеристики такого ДСН обеспечиваются лишь при повышенных требованиях к стабильности, обеспечении улучшенных условий работы и тщательном подборе термоанеморезистивных, пневматических и электрических элементов дифференциальной измерительной цепи. Это снижает технологичность и серийноспособность датчика, усложняет технологические процесс изготовления и повышает себестоимость и, в конечном счете, сдерживает промышленную разработку термоанемометрического ДСН.

В связи с этим встал вопрос о разработке и исследовании эффективных способов и практических схем обеспечения повышенной точности термоанемометрических ДСН, выполненных на элементах с расширенным полем допуска по основным параметрам[7].

Наряду с традиционными конструкционно-технологическими методами, связанными с повышением стабильности и других элементов измерительной цепи, представляют интерес структурные методы повышения чувствительности, точности и серийноспособности термоанемометрического ДСН.

Повышение чувствительности термоанемометров в диапазоне малых скоростей достигается следующими путями:

- увеличение эффективной площади  теплообмена за счет замены  проволочных элементов на пленочные.

- переход от металлических чувствительных элементов к полупроводниковым - термисторам.

   Обзор отобранной в объеме настоящей работы информации, касающейся основных типов измерителей скоростных параметров, основанных на различных физических принципах, позволяет выделить тенденции развития данного вида техники и некоторые пути их реализации:

1. Расширение диапазона измерений  в сторону малых скоростей  для измерителя с модуляцией информационного параметра путем расположения приемников давления на автономно вращаемые штанги, платформы.

2. Повышение точности восприятия  статического давления фюзеляжными приемниками за счет введения аэродинамической компенсации, путем выполнения приемника давления в виде рядов отверстий, перекрывающих зоны  статического давления.

3. Повышение точности и помехоустойчивости регистраторов   частоты вихреобразования путем применения бесконтактных детекторов, в частности, ультразвуковых или оптоэлектронных.  

4. Повышение точности измерений и чувствительности термоане-мометрических преобразователей в диапазоне больших скоростей путем использования защитных покрытий и экранов для защиты чувствительных элементов от пыли и грязи.

5. Повышение чувствительности термоанемометрических преобразователей в диапазоне малых скоростей путем применения плёночных чувствительных элементов.

Анализ патентов и публикаций позволил выявить ведущие фирмы по разработкам и производству средств измерения воздушной скорости. Среди российских производителей лидирующее положение занимает ОАО "Аэроприбор - Восход", а среди зарубежных компаний  Великобритания -Marconi Avionics, Fisches&Porter; США - Passer Systems Inc, Rosemount Inc; Франция – Baden Crouzet, SAT.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор и обоснование структурно-функциональной схемы датчика скоростного напора

 

При выборе и обосновании структурной схемы необходимо обеспечить требуемые характеристики разрабатываемого устройства, которые условно можно разделить на:

-функциональные требования (область  применения; параметры обеспечивающие функционирование с заданными характеристиками)

- конструктивно-технологические (габариты; масса; форма;  используемые материалы, обеспечивающие функционирование  с заданными характеристиками)

- эксплуатационные требования (климатические  условия: давление, температура, влажность; механические нагрузки).

При выборе структурной схемы необходимо обеспечить функциональные требования[7]. Другие группы требований, описанные выше, должны быть обеспечены при выборе конструкторских и схемотехнических решений, а также при построении основных блоков управления.

На основании проведённого анализ патентно-реферативных материалов для выбора и анализа структурно-функциональной схемы можно выделить следующую группу аналогов: патент РФ № 1150545 (1985г.) Устройство для измерения скорости газовых и жидких сред; патент РФ № 1315839 (1987) Устройство для измерения температуры и скорости потоков; патент РФ № 1819821 (1993) Способ определения воздушной скорости летательного аппарата.

Проведём анализ технических решений защищённых наличием патента, с целью определения их соответствия поставленным вышеуказанным целям и разработки структурной схемы разрабатываемого устройства.

Одной из наиболее ранних разработок является патент РФ № 1150545 (1985) Устройство для измерения скорости газовых и жидких сред.

Основными техническими предпосылками разработки данного устройства является необходимость повышение быстродействия, точности измерения, а также обеспечения получения линейного выходного сигнала по скорости потока.

Рассмотрим работу устройства, с точки зрения обеспечения возможности достижения заданных характеристик.

Данное устройство отличается  тем, что, с целью повышения быстродействия, точности измерения, а также обеспечения получения линейного выходного сигнала по скорости потока, в устройство дополнительно введены вычитатель и реверсивный измеритель временных интервалов, причем источник тепловой мощности через ключевую схему соединен с преобразователем через термоанемометрический датчик, выход преобразователя одновременно соединен с вычитающим устройством и запоминающим устройством, выход запоминающего устройства - с вторым входом вычитающего устройства, а выход последнего - через компаратор с коммутатором, при этом коммутатор соединен с реверсирующим измерителем временных интервалов.

Рис. 19  Структурная схема устройства для измерения

             скорости газовых и жидких  сред.

1-термоанемометрический  датчик; 2- преобразователь;

3-запоминающее  устройство; 4- вычитающее устройство;

5- компаратор; 6- ключевая схема; 7- источник

тепловой мощности; 8- реверсирующий измеритель

временных интервалов; 9- коммутатор.

 

Недостатками данного устройства являются: невысокое быстродействие, связанное с переходом из одного стационарного состояния в другое, невысокая точность измерения, так как затруднительно определить конец теплового переходного процесса, а также для получения линейного выходного сигнала необходимость создания специального линеаризатора.

Следующим рассматриваемым нами аналогом будет патент РФ № 1315839 (1987) Устройство для измерения температуры и скорости потоков.

Основной технической предпосылкой разработки данного устройства является необходимость повышение точности измерения, за счет улучшения частотной коррекции термодатчика измерительного преобразователя температуры.

Рассмотрим работу устройства, с точки зрения обеспечения возможности достижения заданных характеристик.

Устройство для измерения температуры и скорости потоков, содержит два резистивных термодатчика, один из которых включен в термоанемометр постоянной температуры, а другой - в измерительный преобразователь температуры,  выход которого подключен к входу термокомпенсации термоанемометра постоянной температуры. Данное устройство отличается  тем, что, с целью повышения точности измерения за счет улучшения частотной коррекции термодатчика измерительного преобразователя температуры, в него введены сустрактор, квадратор, умножитель, интегратор, первый и второй резисторы, корректирующий усилитель и инвертор, к входу которого подключен выход корректирующего усилителя и второй резистор, последовательно соединенный с первым резистором и первым входом умножителя, второй вход которого через последовательно соединенные сустрактор и квадратор подключены к выходу термоанемометра постоянной температуры, при этом выход умножителя соединён через интегратор с первым резистором и первым входом корректирующего усилителя, второй вход которого соединён с выходом измерительного преобразователя температуры.

 Рис. 20 Структурная схема устройства для измерения температуры и   скорости потоков.

1. преобразователь  температуры; 2,4- резистивные термодатчики;  3 - термоанемометр постоянной температуры; 5- корректирующий усилитель;  6-инвертор; 7-умножитель; 8-интегратор; 9,10-резисторы; 11-сустрактор; 12-квадратор.

 

Данное устройство по точности превосходит предыдущий аналог, однако в нём повышение точности осуществляется  аппаратным путём, т.е. введением новых элементов в конструкцию, а метод измерения никаких изменений не претерпел.