Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Расширение функциональных возможностей

РАСШИРЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

Романченко А.Ф.(гошапснепко@гашЬ1ег.ги), Кудрин А.Н.

Уфимский технологический институт сервиса

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.


Рис. 1. Схема пневмоэлектрического датчика с терморезистором

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.



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


Т Э AT

-T>

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 ART ), 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 H датчика, но и от пространственного положения Al [9,10] элементов конструкции (ЭК)

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




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 RH 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 IH 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 RH, 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 t.


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

р дТ ,Э2Т a-u Т + ) а* u Т ср-- = Я-2----Т + F (X, t) +--Тср (1)

где а* - коэффициент теплоотдачи с поверхности стержня; u - периметр сечения; S - площадь сечения;

F(x,t) - 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 ; t)=T (l; t)=Tcp. , (2)

где l - длина стержня.

Начальные условия принимаются в виде

T(x; 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

2 4

К к0)

где

i = 1,2...N; j = 1,2...m -1,m,m +1 t = At j; x = Ax i; l = N Ax;

ГТ1 ГТ1 t ГТ1 ГТ1 ГТ1 t

1 i, j = 1 ср.; 1 0, j = 1 N, j = 1 ср.;

где

K 0 =

A x c р

Я At A t r *

c р S

-параметр, характеризующий точность вычислений;

Р -коэффициент, характеризующий

интенсивность

К

U At

а

нагрева ТЧЭ током разогрева р (r - 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:

й j +1 = JV 3

i = 1

Z K 3 (A x )2-



8j== 0 = 0.

В уравнении (5) К3 - биметаллический коэффициент.

Совокупность коэффициентов К1, К2, К3 в уравнениях (4, 5) характеризует параметры ТЭ, условия его теплообмена с окружающей средой и интенсивность разогрева.

Сочетания конкретных значений коэффициентов К1, К2, К3, с учетом условий (2) и (3), определяют переходные характеристики прогиба 8 при нагреве и остывании пластины, т. е. функциональную зависимость 8=F(t).

Изменение времени остывания ст ТЭ в виде пластины, при неизменных условиях теплообмена с окружающей средой, за счет перемещения Al 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 tocm. (tocm =const) за счет периодических тепловых воздействиях на пластину .


Рис. 6. Структура формирования выходного импульса прогиба 8 ТЭ при tocm-const

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 J = 2,9 ампер, составляет S = 50 Гц/мм. За счет выбора геометрических размеров, тока разогрева, условий теплообмена обеспечивается требуемая чувствительность по контролируемому механическому параметру.



заставка

вывод текущих параметров

n параметра


изменение параметра

вычисление промежуточных параметров и коэффициентов axjatj к1, к2, кз, dx, dt

расчет разогрева по разностной схеме ql, q и определение перемещения пластины в каждой точке del

расчет остывания по разностной схеме и определение перемещения пластины в каждой точке del

определение максимально возмохного перемещения

определение скорости остывания и разогрева, определение параметров z, частоты f


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.

1 0. Романченко А.Ф. Информационно-измерительные системы нестационарного энергетического состояния. Уфа, 2000, 174 С.



© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.