ZE SZ YT Y N A U K O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: EN ER GE TY KA z. 72
1979 Nr kol. 604
Te od or WE RB OV SK I Ta d e u s z WI ER ZB IC KI
Instytut M a sz yn i Ur ządzeń E n e r ge ty cz ny ch
CI ĄG ŁY E L EK TR ON IC ZN Y PO MI AR WYDAJN OŚ CI OB JĘ TOŚCIOWEJ PŁYNU
St r e s z c z e n i e . Przedstawiono ko nc ep cj ę ro zw iązania prototypowego oraz w y n i k i ce ch ow an ia elektronicznego m i er ni ka wy da jn oś ci ob jęto
ściowej płynu, wy korzystując efekt t e r m oa ne mo me tr yo zny. Mi e r n i k m o że zn aleźć zastosowanie zarówno przy b e z p o ś re dn ic h pomi ar ac h w y d a j ności, jak i w uk ła da ch automatyki, szczególnie w odniesieniu do za
g a dn ie ń wentyl ac ji i wentylatorów.
1. Wst ęp
Pomiar w y da jn oś ci czyn ni ka tradycyjnymi me todami z w ę ż k o w y m i ,jakkolwiek w y go dn y i dający dla praktyki w y s t a r cz aj ąc ą dokładność, n i e może być b e z pośrednio stosowany w układach po mi ar ow yc h ko mp le ks ow ej automatyzacji pro
cesów lub też ze wz gl ęd u n a pewne wa dy nie może by ć stosowany w ogóle.
W związku z powyższym podjęto próbę skonstruowania mi er ni ka pozbawionego tych wad, a Jednocześnie prostego i łatwego w obsłudze. Przy konstrukoji ko nw er to ra pr ze ks ztałcająeęgo sygnał wy da jn oś ci na w i e l ko ść elektryczną, w na szym przypadku napięcie, wykorzystano efekt termoanemometryczny o g r a ni cz aj ąc się do k o n s tr uk cj i czujnika zasilanego prądem o stałej wartości I s idem. Zbudowany ko nw e r t o r posiada cz ujnik w postaci cienkiego drutu
oporowego umieszczanego w p o przek kanału pomiarowego w dwóo h wzajemnie prostopadłyoh płaszczyznach, jak n a rys.1.
Materiał drutu dobrano tak, aby w interesującym nas za
kresie temperatur zapewniał liniową zależność opornośdLlpd temperatury. Dobór drutu o bar
dzo małej średnicy zapewniał z jednej strony uzyskiwanie jego wy so ki ej temperatury przy ma ł y m n a tę że ni u prądu, a z drugiej zabezpieczał bardzo ■»>
Z
©
Rys. 1
19^ T. Werbowskl, T. Wierzbicki
2e (praktycznie pomijalne) zaburzenia przepływu. Działanie konwer to ra o- parte zostało o nast ęp uj ąc e zjawisko fizyczne:
- przepływ odpowiednio dobranego prądu stałego przez czujnik w postaci dru
tu rozpiętego w po przek kanału pomiarowego powoduje wzrost jego t e m p e ratury do kilkuset stopni Celsjusza. W ty oh warunkach, zarówno bez prze
pływu w kanale jak i pod jego obecność, zachodzi intensywna wy mi an a cie
pła między dr utem a płynem. Wz ro st prędkości ze wz ro st em wydajn oś ci in
tensyfikuje przejmowanie ciepła i obniża temperaturę drutu. STeśli teraz cz ujnik będzie wł ąc zo ny w jedną z gałęzi układu mostkowego, to n a jego w y jściu pojawi się sygnał napięciowy, spowodowany zmianą oporu w gałęzi m o st ka zawierającej czujnik.
2. Konstrukcja i działanie m i er ni ka wydajności
Zgodnie z przedstawionym n a rys. 1 sohematem blokowym miernika, składa się on z na st ęp uj ąc yc h zespołów funkcjonalnych:
1) układu mo st ka p o m i a r o w e g o ,
2) układu pr zetwarzania sygnału n i ez rO Wn ow aż en ia mostka, 3) układu sprzężenia zwrotnego,
k) stabilizowanego źródła prądu, 5) w o l t om ie rz a cyfrowego,
przy czym układ m o st ka pomiarowego - 1 zbudowany jest z mostka oporowego - M, zawierającego w jednej z gałęzi grzany prądowo czujnik - R w postaci drutu oporowego oraz z zespołu ró wn ow aż en ia mostka, umożliwiającego u s t a lanie w a r u n k ó w po cz ąt ko wy ch (zera). Układ sprzężenia zwrotnego - 3 po zw a
la n a utrzymywanie stałej wartości prądu zasilającego cz ujnik I na wyjściu stabilizowanego źródła prądu - k. ¥ układzie przetwarzania sygnału nie- zrównoważenia mo stka - 2 zastosowano różnicowy wzmacn ia cz napięciowy. Po w y c e c h o w a n i u , aktualną wa rt oś ć wydajn oś ci możn a bezpośredńió odczytać n a wo lt om ie rz u cyfrowym. Jako cz ujnika włączonego w jedną z gałęzi mostka W h e a s t o n e ’a użyto niklowego drutu oporowego o średnicy 0.045 mm i op or no
ści 300i2/m, przy temperaturze 20°C. Drut rozpięto w specjalnym uchwycie w poprzek kanału pomiarowego. Mo st ek był równoważony w wa ru n k a c h braku prze
pływu, za pomocą opornic dekado wy ch klasy 0.05. Niezależnie od zmian op o
ru czujnika, jak również parametrów przepływu, układ mostkowy zasilany był prądem stosownie do wymaganej temperatury drutu i związanej z n i ą czuł o
ścią miernika. Cechowanie przeprowadzono n a powietrzu wzgl ęd em kryz y z po
miarem ciśnienia pr;sytarczowego przy dw óc h wa r t oś ci ao h prądu zasilającego:
0.1 A i 0.2 A. Wy ni ki cechowania przedstawiono n a rys. 2.
W ohwili pojawienia »ię przepływu zo stają zakłócone warunki wy miany oie- pła między ozujnikiem a przepływającym medium. Powoduje to obniżenie Jego
Ji-.gły elektroniczny pomiar wydajności. 195
te mp er at ur y (przy zachowaniu stałej wa rt oś ci I = idem), a tym samym z m i a n ę oporu zgodnie z prawem;
H = Ro . [ 1 + jł(f - T 0 )], (1)
gdzie: ' r>
jĄ - te mperaturowy w s p ó ł c z y n n i k oporności, T - te mp eratura abso lu tn a w w a r u n k a o h pomiaru, T o - temp er at ur a a b so lu tn a w w a r u n k a c h równoważenia,
R - r e z y st an cj a cz ujnika w w a r u n k a o h pomiaru,
Rq - r e z y st an cj a oz ujnika w wa r u n k a c h ró wn ow ag i mostka.
i n i e z r ó wn ow aż en ie mostka.
Sygnał n i e z r ó wn ow aż en ia jest dalej pr ze ks zt ał ca ny w u k ł a d a c h miernika, t a k jak to pr ze dstawiono wyżej.
Z przebiegu c h ar ak te ry
s t y k st at yoznych rys. 2 w i dać, źe nawet przy stos un ko
w o n i s k i o h wy da j n o ś o i a o h p o w i et rz a m o ż n a uzyskać l i n i o wość, podnosząo w a rt oś ć pr ą
du zasilającego np. z, 0.1 A n a 0.2A, tzn. zwiększając tem
pe raturę czujnika. P r z e p r o w a dz on e przybliżone oceny gór- R y s , 2 nej gr anicy pasma p r z e n o s z e
n i a pozwoliły stwierdzić, że ze wz gl ęd u n a zastosowane w y z m a c n i a e z e operaoyjne oraz ba rd zo m a ł ą b e z w ła dn oś ć oz ujnika (jak to zo
stanie pokazane niżej, jest on ob iektem inercyjnym 1 rzędu), przy odpowied
niej komp en sa cj i częstotl iw oś ci ow ej we j ś ć i wy jś ć w z m a cn ia cz y op eracyj
n y c h M A A - 5 0 1 , pasmo prze ho sz en ia m i e r n i k a wy da jn oś ci jest rzędu 100 kHz.
A wi ęc m a on dużo le ps zą dynamikę, n i ż to w y n i k a z potrzeb prakty ki .W yn i
ki b a d a n i a prototypu w pełni potwierdziły k o nc ep cj ę me to dy pomiaru w y d a j ności i ujawniły szereg istotnyoh zalet rozwiązania. W świetle powyższego m i e r n i k jest w y s o c e k o n k u r en cy jn y z innymi stosowanymi rozwiązaniaiai.
3. Wł as no śc i dy na mi cz ne czujnika
Rozpat rz my w p ł y w inercji oieplnej czujnika n a w y n i k i pom i ar ó w . V waru n
k a c h jego równowagi cieplnej w dowolnej chwili opisuje ją równanie [2]:
g i l S g - . A ♦ b V T + 0o § , (2) O
196 T. Werbowakl, T. Wierzbicki
g d z i e :
V - wydajność,
CQ - poje mn oś ć cieplna jednostki długości ozujnika, K - o z a s ,
A,B- stale wspćlozynniki.
W przypadku m a ł y c h za burzeń wy da jn oś oi v, oznaczając odpowiednie za bu
rz enia oporu przez r i temperatury przez t, możemy napisać:
V = V * + V R e R* + r T = T* + t
przy założeniu, ż e : 2L <JC 1 i odpowiednio: — <<1.
R*
A wt e d y z (2) otrzymujemy:
I2r = (A + B 'fv*‘)r + (R - — + C (3)
0 1 o v * 0 a
Ale ze wz g l ę d u n a (1):
t
Podstawiając ot rz ym an ą wa r t o ś ć t mujemy równanie:
K . + r = L.v,
(
5)
gdzie:
C
K — h
R o H-( A + B ^
(R - Rq ).B
V
V*L — •
2 . V*. [(A + B f T i - I 2]
Stosująo do (5) przekształcenie L a p l a o e ’a otrzymujemy postać funkcji przej
ścia dla czujnika;
= f -
T ~ r
kT ’
(6)skąd be zp oś re dn io wynika, że cz uj ni k jest obiektem inercyjnym pierwszego rzędu. W oparciu o eksperymentalnie zdjętą ch arakterystykę przejścia okre
ślono gó r n ą gr an ic ę pasm a przenoszenia sy gnałów na około 128Ó Hz.
■ R ^
(4) do (3 ), po przekształceniach otrzy-
Ciągły elektroniczny pomiar wydajności. 197
LITERATURA.
(lj Nadaohowski, Kulka: Zastosowanie l i ni ow yc h uk ładów scalonyc h. Pk N, Wa r
szaw a 197*+.
[2] Poyo h ,J.L. ; Aerodinamióeskij eksperiment v mai i n o s t r o j e n i . Mas ino s tro
jeni je, M o sk wa 197^.
nOCl’OHHHOE 3JIEKTF0HH0E H3MEPEHHE OBhEMHOH nPOHSBOJHTEJIbHOCTH HH^KOCTH
P e 3 10 m e
B cxaibe npeflCTaBAeHa KOHpenmia nepBoo6pa3Horo pemeHHfl, a xaioce pe3yjifc- iaTU rpaAyapoBaKHH axeKxpoHHoro H3MepnTejia oSbeMHoit npon3BO,nnxejibHociH xbx- KoctH npn Hcnojib30BaHHH xepMoaHetiOMexpmiecKoro 3$$eKia.
H3M epmejib MoaceT H aftm npHMeHeHHe u a k npa HenocpeACXBeHHHX n3MepeHMX npc H3B0,ąnXejIŁH0CIH, TŁK H B CHCXSMax aBIOMaTHKH, OCOÓeHHO KacaiomnxcH npo6Jie»f KOHflHllHOHHpOBaHHH
U
BeHIHJIHĘHlt.ELECTRONIC M E AS UR IN G I N S T R U M E N T F O R CONTIN UO US TE ST IN G OF T H E FLUID VO LU ME TR IC CAPACITY
S u m m a r y /
Th is paper presents a concept of the prototype solution of desing, and results of the electronic measuring instrument for fluid volumetric ca pa
city calibration, utilizing the hot- wi re anemometric effeot. This m e a s u ring instrument oan be used for immediate measurments of capacity as well as in automatic systems, particularly in re la ti on to problems of air co n
ditioning and ventilation.
