[LT] Tekančio skysčio greičio matavimui skirtas masės srauto matuoklis, kuriame yra panaudotas šiluminis daviklis. Daviklis generuoja šilumą, kai prie jo prijungiamas elektros energijos šaltinis. Šilumos sugėrėjas tekančiame skystyje yra šalia daviklio ir orientuotas kryptimi, statmena skysčio srauto krypčiai. Teikiama davikliui elektros energija generuoja šilumos srautą iš daviklio į sugėrėją. Tekantis skystis moduliuoja šį srautą. Elektroninė schema išmatuoja daviklio temperatūrą ir naudodama šiuos matavimo duomeniss, apskaičiuoja tekančio srauto greitį.
[EN]
[0001] Išradimas priskiriamas skysčio srauto matavimo įren-giniams, tiksliau, šiluminiams skysčių srauto matuo-kliams.
[0002] Yra žinomi įvairūs skysčio srauto matavimo įrenginiai, matuojantys skysčio greitį. Šioje paraiškoje "skysčiu" vadinami tiek skystis, tiek ir dujos. Viena iš srauto matuoklių rūšių - šiluminiai srauto matuokliai. Šie matuokliai yra dviejų pagrindinių tipų.
[0003] Pirmo tipo matuokliuose yra naudojamas vamzdis, per kurį pereina matuojamas skysčio srautas. Vienas arba keli elektriniai šildytuvai yra montuojami skysčio sraute arba matuoklio vamzdyje. Šildytuvai šildo te-kantį matuoklio vamzdžiu skystį. Dviejuose daviklio vamzdžio, taškuose matuojama skysčio temperatūra. Tem-peratūrų skirtumas skirtinguose srauto taškuose kore-liuojasi su srauto greičiu.
[0004] Kito tipo šiluminių masės srauto matuoklių atveju šil-dytuvas/temperatūros daviklis montuojamas ant atraminio elemento ir panardinamas į skystį, kurio srautas yra matuojamas. Elektroninė schema registruoja temperatūros daviklio duomenis, kaip skysčio masės srauto funkciją.
[0005] Abiejų tipų srauto matuoklių veikimo principas yra pa-remtas tuo, kad šilumos srautas iš daviklio į skystį yra tiesiai proporcingas skysčio masės srauto greičiui. Įprasti terminiai masės srauto matuokliai tiksliai dir-ba tiktai siaurame srauto greičių intervale. Mažų srauto greičių atveju tikslumą riboja parazitiniai šilumos nuostoliai dėl konvekcijos arba šilumos nutekėjimo į išorinę aplinką. Didelių srauto greičių atveju tikslumą riboja baigtinė daviklio elemento arba elementų ši-luminė varža.
[0006] Siekiant išvengti apribojimų didelių greičių atveju, įprasta naudoti pagrindini, vamzdį su laminarinio srauto elementais. Tinkamos matavimui srautų reikšmės yra pa-siekiamos, krentant slėgiui laminarinio srauto elemen-tuose. Slėgio prieš laminarinio srauto elementą ir slė-gio po jo skirtumas yra proporcingas matuojamam viso skysčio srauto greičiui.
[0007] Daviklio vamzdis atsišakoja nuo pagrindinio vamzdžio ir grįžta atgal į pagrindinį vamzdį žemiau pasroviui. Šiame daviklio vamzdyje yra kaitinimo elementai ir da-vikliai. Srautas daviklio vamzdyje yra žymiai mažesnis už srautą pagrindiniame vamzdyje. Be to, srautas daviklio vamzdyje yra proporcingas srautui pagrindiniame vamzdyje. Vis dėlto, nemodifikavus laminarinio srauto elementų, neįmanoma tiksliai matuoti srautų greičius, nepatenkančius į projektinį matuojamų srautų greičių diapazoną.
[0008] JAV patente 4 517 838, išduotame 1985 m. gegužės 24 d. Washi ir kt. vardu, aprašytas šilumai laidus gaubtas. Gaubto dav-iklio vamzdyje yra plonas griovelis. Šiame griovelyje montuojamos reikalingos skysčio srauto matavimui priemonės. Labai ploni grioveliai apsprendžia mažus daviklio vamzdžio gabaritus, o tai dar labiau riboja srauto matuoklio panaudojimą, matuojant didelius skysčio greičius.
[0009] Pagal šį išradimą, daviklis yra pagrindiniame skysčio sraute. Daviklis, prijungus elektros"energijos šaltinį, gali generuoti šilumą. Šilumos sugėrėjas yra prate-kančiame skystyje visai šalia daviklio ir yra orientuotas kryptimi, statmena srautQ krypčiai.
[0010] Prijungus elektros energijos šaltinį, šilumos srautas iš daviklio sklinda į šilumą absorbuojantį šilumos su-gėrėją. Šis šilumos srautas yra moduliuojamas pratę-kančių skysčiu. Elektroninė schema registruoja daviklio temperatūros padidėjimą, o pratekančio skysčio srauto greitis yra apskaičiuojamas, remiantis šiais matavimų duomenimis. 1 pav. - pirma schematiškai pavaizduoto įrenginio pagal išradimą konstrukcija. 2 pav. - antra schematiškai pavaizduoto įrenginio pagal išradimą konstrukcija. 3 pav. - trečia schematiškai pavaizduoto įrenginio pagal išradimą konstrukcija. 4 pav. - vieno iš daviklių pagal išradimą schematinis trimatis vaizdas. 1 pav. pateiktoje konstrukcijoje folija 11 yra kartu ir šilumos šaltinis ir temperatūros daviklis. Daviklis 11 yra montuojamas ant izoliatoriaus 13. Pageidautina, kad davikliu 11 būtų įprastinis elementas, naudojamas re-gistruojant temperatūras. Kaip parodyta 4 pav., jis turi ploną izoliacinį sluoksnį arba padėklą, pa-vyzdžiui, iš Kaptono. Padėklas 15 yra dengiamas arba plakiruoj amas plonu laidaus metalo sluoksniu 17. Metalo sluoksnyje yra išėsdinamas gyvatuko ("plokščios ritės") formos šablonas. Metalo sluoksnyje yra išpjaunamos labai plonos linijos, sudarančios ritę 19. Spiralė 19 ir padėklas 15 yra plokšti. Tokio tipo daviklius galima įsigyti rinkoje.
[0011] Pagal išradimą, daviklio 11 ritė 19 prijungiama, kaip parodyta 1 pav., prie maitinimo šaltinio 21 tam, kad daviklis 11 spinduliuotų šilumą. Maitinimo šaltinio 21 tiekiama pastovi srovė teka rite 19 (4 pav.) . Ritė 19 generuoja daviklio 11 išspinduliuojamą šilumą. Matavimo schema 23 registruoja sunaudojamą elektros energiją, tuo pačiu gaunami duomenys apie temperatūrą.
[0012] Šilumos sugėrėjas 25 montuojamas šalia daviklio 11. Sugėrėjas 25 yra gaminamas iš metalo, pasižyminčio geru šilumos laidumu. Taigi jis atitraukia ir absorbuoja daviklio 11 generuojamą šilumą. Šilumos sugerėjo pavir-šius yra plokščias ir lygiagretus davikliui 11. Skysčio srautas yra statmenas daviklio 11 ir šilumos sugerė-jo 25. normalėms ....
[0013] Sistemos analizei ir aprašymui elementarus skysčio turelis 27 yra pavaizduotas aktyviame sluoksnyje 28, esančiame tarp daviklio 11 ir šilumos sugerėjo 25. Panaudoti šie pažymėjimai: z - elementaraus turelio 27 atstumas nuo daviklio 11;
[0014] dz - elementaraus turelio 27 storis;
[0015] A - elementaraus turelio plotas;
[0016] T0 - daviklio 11 temperatūra;
[0017] Ta - išorinė šilumos sugerėjo 25 ir pratekančio per
[0018] srauto matuokli, skysčio temperatūra;
[0019] T - skysčio tamperatūra elementariame turelyje;
[0020] Q - šiluma;
[0021] C - skysčio šiluminė talpa arba specifinė šiluma (BTU/svarai.F); BTU - Didžiosios Britanijos šilu-mos matavimo vienetai (vertėjo pastaba);
[0022] D - skysčio tankis (svarai/ kub. colis);
[0023] K - skysčio šilumos laidumo koeficientas (BTU/coliai/val.kv. pėdos. F);
[0024] t - laikas;
[0025] V - vidutinis molekulinis pratekančio per davikli, 11
[0026] skysčio greitis pėdomis per minutę (p/min.);
[0027] W - davikliu 11 tiekiamas skysčio galingumas vatais.
[0028] Laikykime, kad skysčio, esančio tarp daviklio 11 ir ši-lumos sugerėjo 25, greitis yra pastovus. Šilumos kiekis Q1 elementariame turelyje 27 yra proporcingas skysčio specifinei šilumai C, skysčio masei D A dz ir jo temperatūrai T:
[0029]
[0030] Iš šilumos tvermės dėsnio:
[0031]
[0032] Ši diferencialinė lygtis kartu su ribinėmis sąlygomis vienareikšmiškai aprašo šiluminę terpę aktyviame tūry-je 28, esančiame tarp daviklio 11 ir šilumos sugerėjo 25.
[0033] a. dT/dz = -(1/KA) (galingumas tiekiamas davikliui 11) =
[0034] 2. Kai z = G (šilumos sugerėjo paviršius), T = Ta
[0035] Todėl, esant stacionarioms sąlygoms, temperatūros aktyviame sluoksnyje 28 priklausomybė nuo atstumo z iš-reiškiama š'ia lygtimi:
[0036] Esant stacionarioms sąlygoms, daviklio (z = 0) tempe-ratūra :
[0037] Dėl T0, daviklio 11 temperatūros padidėjimas, lyginant su išorine temperatūra, TR = T0-Ta išreiškiamas tokia lygtimi:
[0038] kur C0NSTANT1 ir CONSTANT 2 apsprendžia tik skysčio savybės.
[0039] Aprašyme naudotų matavimo vienetų atveju CONSTANT1 = 482,2/K ir C0NSTANT2 = L03000(CD/K).
[0040] Iš šios lygties seka svarbi išvada - bendrą pokyti, ir TR (daviklio 11 temperatūros padidėjimas, lyginant su išorine pratekančio skysčio temperatūra) jautrumą skys-čio greičiui nesunkiai galima parinkti įvairiems skys-čiams arba jų pratekėjimo greičiams, nustatant api-brėžtą atstumo G reikšmę.
[0041] Žemiau pateiktuose pavyzdžiuose vietoj ankščiau apra-šyto daviklio 11, gauto ėsdinimo būdu, naudotas daviklio prototipas. Jį sudarė 60 vijų 0,0018 colio diametro grūdintos varinės vielos ritė, įterpta tarp dviejų žal-varinių diskų.
[0042] A = 0,3 kv. colių
[0043] skystis - oras, esant normaliai tempe-ratūrai ir slėgiui,
[0044] TR, kai V = O p/min, lygus 100,5°F;
[0045] TR, kai V = 20 p/min, lygus 74,5°F;
[0046] TR, kai V = O p/min, lygus 30,99°F;
[0047] TR, kai V = 0,1 p/min, lygus 21,23°F;
[0048] Abu šie išradimą iliustruojantys pavyzdžiai rodo, kad, esant nedideliems srautų greičiams, tiek vandens, tiek ir oro atveju pasiekiamas geras išskyrimas, be to, yra galimi ir didelių srautų greičių matavimai. Kadangi daviklyje pagal išradimą vidutinis skysčio aktyviame tūryje temperatūros pokytis, esant nuliniam greičiui, yra labai mažas, lyginant su kitais srauto matuokliais, paklaidos, susijusios su daviklio orientavimu arba konvekcija, yra nereikšmingos.
[0049] Antru konstrukcijos variantu (2 pav.) parodyta, kaip reikia minimizuoti šilumos nuostolius, atsirandančius dėl kontakto su izoliuojančiu paviršiumi B (1 pav.). Daviklis 29 2 pav. yra toks pats, kaip ir daviklis 11 1 pav., tačiau jis patalpinamas tarp dviejų šilumos sugė-rėjų 31, 33 vienodu atstumu nuo jų. Skystis teka iš abiejų daviklio 29 pusių. Šilumos sugėrėjų 31 ir 33 išorinė temperatūra yra vienoda ir lygi pratekančio skysčio temperatūrai. Nustatant temperatūros priklau-somybę nuo srauto greičio, įskaitomi abu daviklio 29 paviršiai. Kadangi daviklio padėklas 29 yra plonas, šilumos srautas iš daviklio 29 abiem kryptimis prak-tiškai yra vienodas. 3 pav. pavaizduotas trečias konstrukcijos variantas. Naudojant šią konstrukciją, galima kompensuoti skysčio, patenkančio i, šilumini, matuokli,, temperatūros pokyčius. Čia daviklis 35, matavimo arba aktyvus daviklis, yra analogiškas davikliui 11 arba davikliui 29 1 ir 2 pav. Daviklis 35 yra nutolęs tuo pačiu atstumu nuo dviejų šilumos sugėrėjų 39, 41.
[0050] Antrasis daviklis 37 patalpinamas tarp šilumos sugėrė-jų 41 ir 43 vienodu atstumu nuo jų. Daviklis 37 yra tos pačios konstrukcijos, kaip ir daviklis 35, tačiau jis atlieka atraminio daviklio vaidmenį,. Atraminio daviklio 37 šiluminės savybės yra identiškos aktyvaus daviklio savybėms, tačiau galingumas, tiekiamas davikliui 37 matuojant temperatūrą, tesudaro mažiau kaip 1/100 ga-lingumo, tiekiamo davikliui 35. Šiuo atveju DT gaunamas iš aktyvaus daviklio 35 temperatūros atėmus atraminio daviklio 37 temperatūrą.
[0051] Iš 3 pav. matyti, kad baterijos arba pastovios srovės šaltinio teigiamas išvadas yra prijungiamas prie da-viklių 35, 37 išvadų. Antrasis aktyvaus daviklio 35 ri-tės išvadas prijungiamas prie rezistoriaus 47. Vieno iš variantų atveju rezistoriaus 47 varža buvo 10 omų. Prie atraminio daviklio antro išvado prijungtas rezisto-rius 49. Vieno iš variantų atveju rezistoriaus 49 varža buvo 200 omų. Kiti rezistorių 47, 49 išvadai pri-jungiami prie srovės šaltinio 45 neigiamo poliaus. Sro-vės šaltinio neigiamas polius taip pat prijungiamas prie įprastinio analoginio signalo keitimo i, skaitme-nini, duomenų surinkimo sistemos, arba keitiklio analogas-kodas 51, išvado C1. Keitiklio 57 išvadas C2 yra sujungtas su rezistoriumi 49 ir atraminiu davikliu 37. Keitiklis analogas-kodas 51 savo išvaduose Cl, C2, C3, C4 surenka analoginius signalus ir persiunčia ati-tinkamus skaitmeninius signalus i, kompiuteri, 53, kuris apskaičiuoja greičius.
[0052] Konstrukcijos varianto, pavaizduoto 3 pav., atveju ats-tumai tarp šilumos sugėrėjų 39 ir 41, ir sugėrėjų 41 ir 43 buvo 0,025 colio. Parinktų rezistorių 47, 49 atveju davikliui 35 tiekiamas 0,4 W galingumas, o atraminiam - maždaug 1/100 šios reikšmės. Žemiau pateiktos užprog-ramuotos kompiuteryje 53, ieškomus dydžius aprašančios lygtys:
[0053] Ra = 10 (C3-C2)/ (C2-C1) omų;
[0054] W = (C3-C2) (C2-C1)/10 vatų;
[0055] Rr = 200 (C3-C4)/ (C4-C1) omų;
[0056] DTa = 458,01 (Ra-Ra ir išorinė temperatūra)/(Ra irišorinė temperatūra) laipsniai F;
[0057] DTr = 458,01 (Rr-Rr ir išorinė temperatūra)/(Rr irišorinė temperatūra), laipsniai F;
[0058] TR = DTa-DTr, laipsniai F;
[0059] Apskritai, pratekančio skysčio greičio išraiška yra: V = (K/103000CD)[ LOG (482, 4 gw/AKTR) /G] 2.
[0060] Naudodami šias šilumines oro savybes, esant 70°F tempe-ratūrai ir 1 atmosferos slėgiui:
[0061] ir konstrukcijos variantą atitinkančias konstantas, parinktas, naudojant išrastą įrenginį kaip anemometrą,
[0062] Atitinkama programuojama pratekančio "skysčio" (oro) srauto greičio išraiška: V = 2230[ log (188 W/TR)] 2.
[0063] Galutinė greičio išraiška ±5 % tikslumu yra tiesinė 2-2000 pėdų per minutę matuojamų greičių intervale, be to, šiam konstrukcijos variantui pagal išradimą tempe-ratūrų intervale 70-110°F yra būdingas nulinio taško stabilumas ir nedidesnė kaip ±0,5 pėdų per minutę absoliutinė paklaida. Tiesiškumą galima dar labiau pa-gerinti, jeigu i, aukščiau pateiktus algoritmus įskai-tysime kitus faktorius: matavimo serijų ir šunto ter-minius impedansus aktyviame daviklyje 35, dėl skysčio klampumo atsirandančius nukrypimus nuo pastovaus grei-čio profilio ir kt.
[0064] Išradimas turi aiškių pranašumų. Terminis masės srauto matuoklis pagal išradimą praplečia galimybes, matuojant didelius ir mažus greičius. Tuo būdu, unikalų šiluminio srauto moduliavimo metodą galima taikyti įvairiausiems skysčiams plačiame jų pratekėjimo greičių intervale.
[0065] Nors išradimas aprašytas, pasitelkus tik tris konstrukcijos variantus, aptariamos srities specialistams turi būti aišku, kad tai neapriboja išradimo; galimi įvairūs pakeitimai, atitinkantys šio išradimo apimtį.
1. Debitmatis tekančios takios terpės greičio matavimui, turintis įstatomą tekančioje takioje terpėje davikli,, galinti, generuoti šilumą jo apkrovimo metu, besiskiriantis tuo, kad j"i sudaro:šilumos šalintojas, įstatytas betarpiškai tekančioje takioje terpėje užsibrėžtu atstumu nuo daviklio,priemonė, apkraunanti davikli, ir priverčianti termini,srautą nekliudomai tekėti per tekančią takią terpę nuo daviklio link šilumos šalintojo statmena tekančios ter-pės srauto tekėjimui kryptimi, be to, terminis srautas moduliuojamas tekančia takia terpe, irpriemonė daviklio temperatūros padidėjimo tekančios takios terpės supančios temperatūros atžvilgiu apskai-čiavimui, matuojant apkraunamo daviklio temperatūrą ir išskaičiuojant iš šio išmatavimo daviklio, esančio ap-supančioje- temperatūroje, temperatūrą, kad nustatytų skirtumą ir apskaičiuotų iš šio skirtumo ir šio apkrovimo tekančios takios terpės greitį.
šilumos šalintojas, įstatytas betarpiškai tekančioje takioje terpėje užsibrėžtu atstumu nuo daviklio,priemonė, apkraunanti davikli, ir priverčianti termini,srautą nekliudomai tekėti per tekančią takią terpę nuo daviklio link šilumos šalintojo statmena tekančios ter-pės srauto tekėjimui kryptimi, be to, terminis srautas moduliuojamas tekančia takia terpe, irpriemonė daviklio temperatūros padidėjimo tekančios takios terpės supančios temperatūros atžvilgiu apskai-čiavimui, matuojant apkraunamo daviklio temperatūrą ir išskaičiuojant iš šio išmatavimo daviklio, esančio ap-supančioje- temperatūroje, temperatūrą, kad nustatytų skirtumą ir apskaičiuotų iš šio skirtumo ir šio apkrovimo tekančios takios terpės greitį.2. Debitmatis pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad daviklis ir šilumos šalintojas turi priešin-gus, lygiagrečius vienas kitam paviršius, kuomet jie patalpinti tekančioje takioje terpėje.
3. Debitmatis pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad daviklis ir šilumos šalintojas turi plokščius priešingus, lygiagrečius vienas -kitam paviršius, kuomet jie patalpinti tekančioje takioje terpėje.
4. Debitmatis pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad daviklį sudaro apvija, turinti šiluminę varžą.
5. Debitmatis pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad daviklis turi padengtą metaliniu sluoksniu pa-grindą, kuris išėsdintas apvijos, turinčios šiluminę varžą, suformavimui.
6. Debitmatis tekančios takios terpės išmatavimui, turintis įstatomą tekančioje takioje terpėje davikli,, galinti, generuoti šilumą jo apkrovimo metu, besiskiriantis tuo, kad ji, sudaro:du šilumos šalintojai, patalpinti betarpiškai tekan-čioje takioje terpėje užsibrėžtu atstumu vienas nuo kito, be to, daviklis patalpintas tarp šilumos šalin-tojų,priemonė, apkraunanti davikli, ir priverčianti termini,srautą nekliudomai tekėti per tekančią takią terpę nuo daviklio link šilumos šalintojų iš esmės statmena te-kančios terpės srauto tekėjimui kryptimi, be to, terminis srautas moduliuojamas tekančia takia terpe, irpriemonė daviklio temperatūros padidėjimo tekančios takios terpės supančios temperatūros atžvilgiu apskai-čiavimui, matuojant apkraunamo daviklio temperatūrą ir išskaičiuojant iš šio išmatavimo daviklio, esančio apsupančioje temperatūroje, temperatūrą, kad nustatytų skirtumą ir apskaičiuotų iš šie skirtumo ir šio apkrovimo tekančios takios terpės greiti,.
du šilumos šalintojai, patalpinti betarpiškai tekan-čioje takioje terpėje užsibrėžtu atstumu vienas nuo kito, be to, daviklis patalpintas tarp šilumos šalin-tojų,priemonė, apkraunanti davikli, ir priverčianti termini,srautą nekliudomai tekėti per tekančią takią terpę nuo daviklio link šilumos šalintojų iš esmės statmena te-kančios terpės srauto tekėjimui kryptimi, be to, terminis srautas moduliuojamas tekančia takia terpe, irpriemonė daviklio temperatūros padidėjimo tekančios takios terpės supančios temperatūros atžvilgiu apskai-čiavimui, matuojant apkraunamo daviklio temperatūrą ir išskaičiuojant iš šio išmatavimo daviklio, esančio apsupančioje temperatūroje, temperatūrą, kad nustatytų skirtumą ir apskaičiuotų iš šie skirtumo ir šio apkrovimo tekančios takios terpės greiti,.7. Debitmatis pagal 6 punktą, besiskiriantis tuo, kad daviklio paviršiai lygiagretūs šilumos šalin-tojų paviršiams.