Чуйко Владимир Анатольевич
Автореферат к магистерской работе
руководитель Кузнецов Д. Н.

Введение

         В сферах народного хозяйства, связанных с использованием и транспортировкой газов и жидкостей (газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и т. д.) часто возникает необходимость измерения расхода веществ. Существует довольно много методов измерения расхода, которые, как правило, основаны на измерении скорости потока вещества при известной площади его поперечного сечения. В настоящее время довольно широко используется термоанемометрический метод, использующий зависимость между скоростью потока и теплоотдачей чувствительного элемента, помещенного в поток и нагретого электрическим током. Приборы, реализующие этот метод (термоанемометры) обладают малой инерционностью, высокой чувствительностью, точностью, надежностью, компактностью.
         Основным недостатком термоанемометров построенных по классическим схемам (термоанемометр постоянного тока, термоанемометр постоянной температуры) является сильная зависимость показаний прибора от температуры контролируемой среды. Исследования, проводимые в данной работе направлены на устранение именно этого недостатка. Принцип работы исследуемого прибора основан на зависимости от скорости потока вещества тепловой постоянной времени чувствительного элемента (ЧЭ) термоанемометра. ЧЭ разогревается импульсом тока до некоторой максимальной температуры T_max и остывает в потоке контролируемой среды, отсюда название прибора: импульсный термоанемометр (ИТА). Известно, что при остывании тепловая постоянная времени ЧЭ является функцией скорости потока вещества и практически не зависит от вариации температуры газа или жидкости, расход которых измеряется [1].

Обзор существующих методов измерения расхода и скорости потока газ и жидкости

         В настоящее время известно свыше 20 методов измерения расхода и большое число их разновидностей [2]. Расходомеры, наиболее широко распространенные в промышленности, по принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания – постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили [3].
        Наибольшее распространение получили расходометры переменного и постоянного перепада давления. К расходометрам переменного перепада давления относятся дифманометры, при использовании которых перепад давления в трубопроводе создаётся сужающими устройствами (диафрагмами, соплами, трубой Вентури и т.п.).
         В расходометрах постоянного перепада давления изменяется площадь проходного сечения, а перепад до и после него остаётся неизменным. Такого типа расходометры выполняются с погруженным поплавком или поршнем.
         Недостатком этих способов является необходимость в сверхчувствительном электронном манометре.
         В некоторых случаях, когда невозможно применять расходометр, скорость потока измеряют с помощью напорных трубок, гидравлических вертушек и анемометров и вычисляют скорость потока в каком-либо его сечении. Объёмный расход определяют, умножая скорость на площадь сечения.
         Во всех отраслях промышленности широко применяются тахометрические расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимостей скорости движения тел – чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода веществ, протекающих через эти расходомеры. Из этой группы расходомеров наиболее часто на практике применяются турбинные, шариковые и камерные.
         Для измерения скорости и (или) расхода проводящего вещества могут применятся электромагнитные расходомеры. В основу работы электромагнитных расходомеров положена зависимость ЭДС, индуцируемой в электропроводящей среде, движущейся в электромагнитном поле. Конструктивно преобразователь электромагнитного расходомера представляет собой участок трубопровода, выполненного из немагнитного материала, в который вмонтированы два электрода. В месте расположения электродов вне трубопровода размещаются магнитная система или полюса магнита [4]. Основным недостатком этих приборов является невозможность измерения расхода непроводящих сред.
         Если необходимо измерять расход загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т. п., то обычно применяются расходомеры переменного уровня. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке сосуда.
         В настоящее время разработаны и имеют весьма широкие перспективы применения вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.
         Все большее распространение получают акустические расходомеры. Принцип действия таких расходометров основан на зависимости акустического эффекта в потоке вещества от его скорости. Широкому распространению акустических расходомеров способствует возможность их применения для измерения расходов загрязненных и агрессивных сред, безинерционность, бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах и др
         Весьма перспективны тепловые расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества. Различают калориметрические, расходомеры теплового слоя и термоанемометрические расходомеры. Калориметрические расходомеры основаны на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур. Расходомеры теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя. Наибольший интерес в данной работе представляют термоанемометрические расходомеры, в основу работы которых положена зависимость между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым телом, помещенным в поток, и массовым расходом вещества. Прибор для измерения скорости потока жидкости или газа, принцип действия которого основан на зависимости между скоростью потока и теплоотдачей ЧЭ, помещенного в поток и нагретого электрическим током, называют термоанемометром. Термоанемометры обладает малой инерционностью, высокой чувствительностью, точностью и компактностью. Основной областью применения термоанемометров является изучение неустановившихся движений и течений в пограничном слое вблизи стенки, для определения направления скорости потока (двух- и трёхниточные термоанемометры) и главным образом турбулентности воздушных потоков. Основная часть термоанемометра – мост измерительный (рис. 1), в одно плечо которого включен ЧЭ. Количество тепла, передаваемое нагретым ЧЭ потоку жидкости (газа), зависит от физических характеристик движущейся среды, геометрии и ориентации ЧЭ. С увеличением температуры ЧЭ чувствительность термоанемометра увеличивается.

Рисунок 1 – Измерительный мост термоанемометра

         Термоанемометры принято различать по ряду признаков, характеризующих тепловой режим преобразователя: способу нагрева чувствительного элемента (прямой, косвенный, непрерывный, импульсный); роду тока, питающего мост (постоянный, переменный); особенностям электрической схемы и др.
        В зависимости от теплового режима преобразователя различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. В термоанемометрах постоянного тока (рис. 2) сила тока, протекающего в цепи чувствительного элемента преобразователя, остается неизменной при различных скоростях течения. Питание моста в таком термоанемометре осуществляется с помощью источника с очень большим внутренним сопротивлением, что обеспечивает постоянство величины тока при изменении сопротивления ЧЭ. Так как температура ЧЭ изменяется во времени, то при измерениях в нестационарных и турбулентных потоках полоса регистрируемых частот оказывается ограниченной из-за тепловой инерции ЧЭ, вследствие чего амплитуда сигнала при высокочастотных пульсациях уменьшается в раз, где t – постоянная времени ЧЭ [5].

Рисунок 2 – Схема термоанемометра постоянного тока

         Применение усилителя с частотной коррекцией значительно расширяет частотный диапазон термоанемометра постоянного тока. Путем согласования частотных характеристик усилителя и преобразователя можно добиться полного устранения искажений сигнала за счет тепловой инерции. Однако практически осуществить такую коррекцию крайне трудно, вследствие зависимости частотной характеристики не только от физических свойств ЧЭ, но и от скорости течения и других параметров, поэтому в процессе измерений необходимо производить подстройку компенсирующей цепи усилителя. При малой интенсивности пульсаций частотную коррекцию можно выполнить по средним значениям параметров. Если уровень пульсаций достаточно высок, то такая компенсация не обеспечивает коррекции частотной характеристики. Поэтому термоанемометры постоянного тока применяются, как правило, только для измерения в потоках с низким уровнем пульсаций.
         В последние годы широкое распространение получили термоанемометры постоянной температуры (рис. 3). Основными элементами таких термоанемометров являются измерительный мост с чувствительным элементом, включенным в одно из его плеч, и усилитель с обратной связью. Усилитель постоянного тока должен иметь высокий коэффициент усиления (не менее 8000…10000) и равномерную частотную характеристику в полосе частот 0-30 кГц. Устойчивая работа усилителя в области высоких частот обеспечивается благодаря частотно-зависимой обратной связи [6].

Рисунок 3 – Схема термоанемометра постоянной температуры

         Изменение фактора обратной связи позволяет регулировать в широких пределах частотную характеристику прибора.
        Несмотря на ряд достоинств (малая инерционностью, высокая чувствительность, точность, надежность, компактность), термоанемометр постоянной температуры обладает существенным недостатком – зависимость показаний от температуры среды. Это обуславливает необходимость в канале измерения температуры, что усложняет схему прибора, а влияние одного чувствительного элемента на другой дополнительно повышает погрешность измерения. Следует также отметить, что градуировка термисторов, которые используются в термоанемометре в качестве чувствительных элементов, весьма трудоемкий процесс. Поэтому она выполняется в ограниченном диапазоне температур, тогда как реальный диапазон рабочих температур значительно шире. Это может привести к существенному увеличению погрешности измерения в тех случаях, когда температура жидкости или газа, скорость которых измеряется, выходит за пределы диапазона в котором выполнялась градуировка ЧЭ.
        Импульсный термоанемометр, исследованию которого посвящена эта работа, не имеет этого недостатка. Как отмечалось выше, принцип его действия основан на зависимости тепловой постоянной времени ЧЭ от скорости потока газа. При этом показания прибора практически не зависят от вариации температуры газа или жидкости, скорость которых измеряется.

Перечень решаемых задач

        В данной работе решаются следующие задачи:

• теоретические исследования ИТА с целью оценки основных параметров работы и влияния температуры на точность измерений;
• разработка экспериментального образца для проведения испытаний;
• выбор экспериментального оборудования и обоснование методики экспериментальных исследований ИТА;
• выполнение эксперимента и обработка результатов;
• определение технических характеристик и возможной области применения ИТА;
• определение направлений для дальнейших исследований в этой области.

Функциональная схема и алгоритм работы ИТА

         Из функциональной схемы ИТА (рис. 4) видно, что его измерительная схема может работать как в режиме термометра так и в режиме термоанемометра в зависимости от состояния электронных ключей К1 и К2. Когда замкнут ключ К1, ключ К2 разомкнут – режим термометра, если наоборот – режим термоанемометра. Работой ключей управляет микроконтроллер МК.

Рисунок 4 – Функциональная схема ИТА

        Работа представленной схемы происходит следующим образом.Вначале включен режим термометра. Измеряется температура газа и полученный результат запоминается. Далее измерительная схема переключается в импульсный режим и ЧЭ разогревается до максимальной температуры Т_max.После этого схема снова переключается в режим термометра (режим малого тока) и происходит остывание ЧЭ. В простейшем случае зависимость температуры ЧЭ от времени при остывании имеет экспоненциальный характер. Таким образом, задача измерения скорости потока сводится к определению тепловой постоянной времени ЧЭ по кривой остывания ЧЭ при известной температуре газа.
        Цикл работы ИТА представлен анимированной диаграммой (рис. 5).

Рисунок 5 – Цикл работы ИТА (анимированная диаграмма)

         Как показало моделирование рабочих характеристик ИТА, при таком алгоритме работы нелинейность температурной характеристики термистора вызывает изменение вида переходной характеристики ИТА при изменении температуры газа. Это накладывает довольно жесткие требования к точности измерения температуры газа: погрешность не должна превышать 0.3 °С [7]. Поиск способов линеаризации температурной характеристики ЧЭ или разработка алгоритмов работы ИТА, компенсирующих влияние температуры на характеристики прибора, может быть предметом дальнейших исследований. В данной работе в первую очередь ставится задачи установления основных физических процессов и явлений определяющих работу ИТА, поиска и оценки влияющих факторов и вызываемых ими погрешностей, разработки экспериментального образца ИТА и проведения эксперимента, обработки экспериментальных данных и определения направлений для дальнейших исследований.

Разработка экспериментального образца ИТА

         Принцип работы ИТА основан на зависимости постоянной времени остывания термистора от скорости потока, которая практически не зависит от температуры газа. Однако вследствие того, что температурная зависимость сопротивления термистора существенно нелинейная, параметры переходной характеристики ИТА оказываются подвержены влиянию температуры. Для компенсации температурного влияния на показания ИТА в него введена схема измерения температуры (рис. 6).

Рисунок 6 – Схема включения режима термометра

         Термометр содержит два каскада: на ОУ DA2 собран преобразователь сопротивление – напряжение (ПСН), на DA4 – аналоговый инвертор напряжения с коэффициентом передачи по напряжению Ku=-1.
         При изменении положения ключей К1 и К2 (см. функциональную схему) измерительная схема ИТА переключается в режим термоанемометра постоянной температуры (рис. 7). Этот режим используется для разогрева термистора Rt до заданной температуры. В этом режиме измерительная схема содержит три каскада: инвертирующий усилитель на базе ОУ DA2 с термистором Rt в цепи отрицательной обратной связи; аналогового инвертора DA4 и каскада компенсации сопротивления открытого канала аналогового коммутатора Rmx на DA3.

Рисунок 7 – Схема включения режима термоанемометра

         Работа схемы происходит следующим образом. В момент подачи напряжения питания температура термистора равна температуре газа и Rt>>R3, коэффициент усиления DA2 большой (Ku>>1). Таким образом, в момент включения имеет место положительная обратная связь по напряжению со сложением токов с суммарным коэффициентом передачи больше 1. Шумы активных элементов усиливаются во много раз и напряжение на выходе термоанемометра быстро возрастает. Это приводит к увеличению тока через термистор IRt=Uвых/Rt. На термисторе выделяется мощность PRt=I2Rt·Rt, он начинает разогреваться, а его сопротивление уменьшается. Этот процесс длится до тех пор, пока суммарный коэффициент усиления схемы не станет равен 1. Это состояние наступит при Rt=R3. В дальнейшем схема поддерживает сопротивление (температуру) термистора постоянным (Rt=R3).
         Транзисторы VT1, VT2, VT3 включены по схеме с общим коллектором и используются для обеспечения необходимого тока через термистор.
        При выборе микропроцессора остановились на однокристальном микроконтроллере ADUC834 фирмы Analog Devices. Он является наиболее оптимальным для решения поставленной задачи в плане технических возможностей, надёжности и цены.
         Ниже приведены краткие характеристики микроконтроллера [8]. Более подробную информацию можно найти на сайте производителя

Сигма-дельта АЦП с высоким разрешением:
2 независимых (16 и 24 битных) АЦП
24 битное разрешение без потери кодов главного АЦП
21 битное rms (18.5 битное р-р) разрешение на частоте 20 Гц
Температурные дрейфы смещения – 10 нВ/°С, 0,5 ррм/°С
Память:
62 КБ Flash/EEPROM памяти программы
4 КБ Flash/EEPROM памяти данных
Flash/EEPROM память с временем хранения более 100 лет и количеством циклов перезаписи более 100 000
3 уровня защиты Flash/EEPROM памяти
Встроенный автомат последовательной загрузки, не требующий внешнего оборудования
Высокая скорость загрузки пользовательской программы (время загрузки менее 5 с)
2304 байтное ОЗУ
8051 совместимое ядро:
Совместимо с системой команд 8051
Задающий генератор, работающий от внешнего 32 кГц кварцевого резонатора
Встроенная система ФАПЧ с максимальной генерируемой частотой 12,58 МГц
3 16 битных таймера/счетчика
26 программируемых линий ввода-вывода
11 источников прерывания с 2 уровнями приоритета
Двойной указатель данных, расширенный 11 битный указатель стека
Встроенные периферийные модули:
Встроенная схема сброса при подаче питания
12 битный ЦАП с потенциальным выходом
Сдвоенный 16 битный сигма-дельта ЦАП/ШИМ
Встроенный температурный датчик
Двойной источник тока
Таймер временных интервалов (TIC)
UART,SPI и I2C совместимые последовательные порты
Сторожевой таймер (WDT)
Схема слежения за напряжением питания (PSM)

Питание:
Потребление в нормальном режиме при 3,6 В питании на частоте 1,57 МГц - 2,3 мА
Потребление в режиме отключения при запущенном таймере пробуждения - 20 мкА
Однополярное питание 3 В или 5 В
Корпусное исполнение и рабочие температурные диапазоны:
52 выводной 14х14 мм MQFP корпус, рабочий температурный диапазон от -40°С до +125°С
56 выводной 8х8 мм LFCSP корпус, рабочий температурный диапазон от -40°С до +85°С

        Точность преобразования встроенных АЦП и ЦАП определяется, главным образом, стабильностью источника опорного напряжения. В качестве источника опорного напряжения выберем микросхему фирмы Analog Devices AD780.
         Для надежного запуска и сброса микроконтроллера необходим супервизор. Выберем супервизор фирмы Analog Devices AD707. Он снабжен встроенным сторожевым таймером, компаратором, который может использоваться для мониторинга источника напряжения и выводами для установки в исходное состояние вручную.
        В функции микроконтроллера входит:

• управление ключами для переключения режимов работы;
• аналого-цифровое преобразование сигналов измерительного канала температуры и скорости;
• расчет тепловой постоянной времени t;
• расчет и выдача с помощью ЦАП сигнала на компаратор;
• обмен информацией с вычислительным устройством по линии RS-485 или RS-232.

         Полную принципиальную схему экспериментального образца ИТА можно найти здесь.

Обзор основных результатов

        Выполнен обзор существующих методов и средст измерения расхода газа. В качестве прототипа проектируемого устройства выбран термоанемометр постоянной температуры. Недостатком прототипа является сильное влияние температуры на показания. ИТА лишен этого недостатка, так как принцип его действия основан на зависимости от скорости потока тепловой постоянной времени t ЧЭ. Вместе с тем, в результате моделирование рабочих характеристик ИТА было установлено, что при выбранном алгоритме работы нелинейность температурной характеристики термистора вызывает изменение вида переходной характеристики ИТА при изменении температуры газа. В связи с этим требования к каналу измерения температуры остаются жесткими: погрешность измерения температуры не должна превышать 0.3 °С. Разработана структурная и принципиальная схемы ИТА. В соответствии с принципиальной схемой были разработаны и изготовлены печатные платы измерительной схемы и схемы управления ИТА. Изготовлен экспериментальный образец ИТА. В ближайшее время планируется проведение экспериментальных исследований с использование разработанного образца прибора.

Перспективы исследований в данном направлении

• Подготовка и проведение экспериментальных исследований.
• Получение и обработка результатов эксперимента.
• Определение технических характеристик и возможной области применения ИТА.
• Определение направлений для дальнейших исследований в этой области.