книги из ГПНТБ / Коротков П.А. Динамические контактные измерения тепловых величин

и две одинаковые термопары Тпи, спаи которых нагреваются переменным током до температуры t2. В диагональ моста вклю­ чена третья — измерительная — термопара 77ги, воспринимающая температуру tx потока. Реостат R служит для первоначальной балансировки моста.

При изменении скорости потока в мосте возникает напряжение небаланса (Ун б , которое сравнивается с напряжением U3 от задатчика 3, соответствующим требуемому значению разности t2 — tx. Разность напряжений £/н б — U3 поступает на вход усилителя ЭУ, управляющего напряжением питания первичной обмотки

тром 0,5 мм. Они устанавливаются горизонтально на расстоянии 10 мм друг от друга между фланцами трубопровода. Длина каждой термопары около 60 мм. Для обеспечения постоянства темпера­ туры холодных спаев тонкие электроды удлинены стержнями УС диаметром 3 мм из тех же материалов. При этом ток нагрева, повышающий температуру t2 рабочих спаев, практически не

Комплект такого прибора (рис. 62) состоит из собственно термоанемометра — насадка /, измерительного моста 2 и измери­ тельных приборов. При подключении амперметра 3 и стрелочного гальванометра 4 можно определять среднюю температуру, сред­ нюю скорость и усредненное направление вектора скорости газо­ вого потока. Если кроме этих приборов подключить электронный усилитель 5 с приспособлением для компенсации тепловой инер-

110

циинити (типа ЭТА/УС-1 или ЭТА/УС-2), осциллограф 6 или ваку­ умную термопару с милливольтметром 7, то можно записать во времени или измерить эффективное значение пульсаций темпера­ туры и продольной составляющей пульсаций скорости газового потока.

При помощи электронного осциллографа можно наблюдать ам­ плитуды и формы кривой пульсаций температуры и скорости по­

осуществляется периодическое

формирование в потоке теплового параметра [123]. На малоинер­ ционный электрический подогреватель подается синусоидальное напряжение с частотой /. При этом в потоке формируется перио-

5)

а) г

//

L

Рис. 63. Тепловой расходомер с периодически изменяю­ щейся температурой нагревателя: а — расположение нагре­ вателя и термоприемника; б — блок-схема

дически изменяющееся температурное поле (метка), которое дви­ жется со скоростью потока v. Перед термоприемником / на расстоянии L расположен нагреватель 2.

Генератор 4 через усилитель 3 подает синусоидальное напря­ жение на нагреватель 2. Одновременно колебания от генератора подаются на измеритель 5 фазового сдвига, на который посту­ пают колебания от термоприемника / через усилитель 6 с такой же частотой, но сдвинутые по фазе на величину Дер относительно сигнала, идущего на нагреватель. Зависимость сдвига фаз от скорости имеет вид

Ш

Нагреватель и термоприемник изготовлены из платиновой проволоки диаметром 0,008 и 0,003 мм соответственно. Расстоя­ ние L составляет 8 мм, частота колебания 100 Гц. Амплитуда коле­ бания температуры воздушного потока, создаваемого нагревате­ лем, равна 10° С. Измерение осуществляется при помощи системы уравновешивания стабилизацией сдвига фаз и изменением рас­ стояния L .

Таким образом, значение скорости определяется из соотно­ шения

т. е. шкала получается линейной.. Однако линейность шкалы при скоростях ниже 40 м/с нарушается. Это объясняется «размыва­ нием» тепловых меток при таких скоростях.

Преимущество периодического нагрева перед непрерывным состоит в том, что показания прибора не зависят от теплофизических свойств потока. Кроме того, периодический нагрев позво­ ляет расширить частотный диапазон приборов для трубопрово­ дов больших диаметров путем замены в неконтактных расходо­ мерах наружных нагревателей специальными вставками с нагре­ вателем и термоприемниками.

12. О С О Б Е Н Н О С Т И П Р И М Е Н Е Н И Я И Г Р А Д У И Р О В К И Т Е Р М О А Н Е М О М Е Т Р О В

Термоанемометры с металлическими нитями благодаря малым размерам насадок позволяют измерять распределение и пульсации скорости в непосредственной близости к стенке. Однако из-за дополнительной теплопередачи к стенке показания термоане­ мометра искажаются. Поэтому необходимы поправки к показа­ ниям прибора va на влияние близости стенки и градиента ско­ рости.

Поправки для случая ламинарного режима определены в [122]. Дополнительная потеря тепла, вызванная присутствием стенки, определялась как функция расстояния от нити до стенки. Измере­ ния были проведены с известным профилем скорости (щель шири­ ной 0,6—0,7 мм). Результаты представлены в виде формулы

112

по-видимому, обусловлено воздействием срывов потока с державок насадка на обтекание нити. С увеличением расстояния между державками прямого насадка его показания приближаются к по­ казаниям углового насадка. Это не относится к точкам, непосред­ ственно прилегающим к стенке, где уже проявляется влияние близости стенки на теплообмен между нитью и окружающей средой. Степень отклонения измеренного распределения скоростей вблизи стенки от истинного распределения определяется в основ­ ном расстоянием нити от стенки и не зависит от диаметра нити.

где кл — поправка на влияние бли­ зости стенки в случае ламинарного

сти потока от расстояния нити до стенки с поправкой при & R e = = 1 для углового термоанемометра с нитью диаметром 0,008 мм приведены на рис. 65.

С изменением частоты колебаний параметров потока изменяется чувствительность термоанемометра. Эту зависимость принято выражать в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая может быть получена различными методами.

114

Аналитические методы оценки АЧХ основываются на некото­ ром упрощении процесса теплообмена нагретого цилиндра с пуль­ сирующим потоком и имеют вид [97]

С ( с о ) = .

где Т—- постоянная времени нити.

В основу других методов положена электротепловая аналогия, согласно которой процесс теплообмена нити анемометра с потоком при пульсациях параметров потока аналогичен изменению элек­ трических характеристик нити. Для реализации одного из этих

Пульсации скорости записывались шлейфовым осциллографом. Нить выполнена из золоченого вольфрама диаметром 8—10~6 м,

10 м/с.

Графики АЧХ, полученные при использовании трех методов, приведены на рис. 66. На оси ординат отложены безразмерные амплитуды скоростей при А х = 10 м/с.

Несмотря на все более частое применение термоанемометров не только в лабораторных, но и в натурных промышленных устрой­ ствах (камеры сгорания, цилиндры поршневых двигателей, про­ точные части турбомашин и т. п.), до сего времени нет единооб­ разия в технологии изготовления, способах градуировки и рас­ шифровки результатов измерений.

Как показано в [28], нормы на изготовление насадок должны отражать следующие конструктивные характеристики: отноше­ ние длины нити к диаметру в зависимости от материала; раз­ меры, форму, материал ножки и державки. В рекомендациях по

применению термоанемометров должны указываться углы между нитью и потоком.

Инструкция по расшифровке результатов измерений должна предусматривать учет влияния на тарировочные характеристики насадка указанных выше факторов.

До настоящего времени не принята единая система координат для построения градуировочных характеристик. Находят приме­

при температуре потока; р —• давление; X, \х и Рг — теплопровод­ ность, вязкость и число Прандтля, определенные при темпера­ туре Т.

Погрешность измерения скоростей и турбулентных пульсаций термоанемометром в значительной степени определяется спосо­ бом построения градуировочных графиков [28]. Так, использова­ ние одночленной зависимости для Nu приводит к дополнительным трудностям при измерениях в потоках переменной скорости, так как при этом изменяются показатель степени п и коэффициент С. Например, переход от одних га и С к другим имеет место в диапа­ зоне скоростей,часто встречающихся на практике (при 4,16 и 160м/с для нитей диаметром 5 - Ю - 6 ; при 2, 8 и 80 м/с — для нитей диа­ метром 1 • 10~7 м).

Двучленная зависимость (11.19) справедлива в широком диа­ пазоне чисел Re (0,1—1000). При ее использовании градуировоч­ ные характеристики (рис. 67, а) при соответствующем выборе системы координат представляют собой также прямые линии (рис. 67, б), что упрощает обработку опытных данных и снижает погрешности их расшифровки.

Кроме температуры и скорости при помощи металлических и полупроводниковых сопротивлений можно измерять активную мощность, переменный ток, напряжение, линейное и угловое перемещение, состав и давление газов. Из указанных величин наиболее часто приходится измерять в динамических условиях давление разреженных газов.

Как известно, теплоотдача приемного преобразователя в газе зависит от его температуры, скорости, состава и давления (плот­ ности). При стабилизированных трех параметрах теплоотдача преобразователя характеризует четвертый параметр.

116

На основании анализа, выполненного Для различных режимов течения разреженного газа, построен качественный график (рис. 68) изменения чувствительности металлического сопротивления диаметром 3 - Ю " 5 м в зависимости от давления газа [11, 76].

Рис. 67. Градуировочные характеристики однониточных насадков в координа­ тах vl (а) и У v Р (б):

1,2 — насадок ВЭИ (d = 19-10—в м) при / = 5 -10"3 А/дел и 7 = 2- Ю - 3 А/дел соот­ ветственно

При этом под чувствительностью подразумевается приращение сопротивления, приходящееся на единицу мощности подогрева.

В диапазоне от избыточных давлений до давлений, при которых длина свободного пробега молекулы 7 становится величиной од­

с другой молекулой), существенно большей диаметра нити, с умень-

117

шением давления в п раз число молекул, соприкасающихся с по­ верхностью нити в единицу времени, также уменьшается в п раз, но разность температур нити и молекул возрастает меньше чем в п раз. Таким образом, количество тепла, отводимого от нити, уменьшится. Следовательно, в указанной области имеется до­ статочная для измерения зависимость температуры нити от дав­ ления.

В области более высокого вакуума, начиная с 0,1 Па, тепло, отдаваемое молекулам газа, составляет незначительную часть излучаемого тепла, поэтому температура нити, т. е. чувствитель­ ность ее, от давления не зависит.

Поскольку четкой границы между названными областями нет,

тепловыми коэффициентами, которые на порядок выше, чем у ме­ таллических сопротивлений. При этом область измерения давле­ ний расширяется [11].

1 3 . И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е У С Т Р О Й С Т В А Н Е К О Н Т А К Т Н Ы Х Т Е П Л О В Ы Х Р А С Х О Д О М Е Р О В

Неконтактные расходомеры находят все более широкое приме­ нение для измерения газов, жидкостей, жидких металлов, пульп и сыпучих материалов. Они обладают широким диапазоном изме­

Инерционность тепловых неконтактных расходомеров может быть снижена в 15—20 раз при помощи корректирующих устройств и малоинерционных вставок.

Из табл. 3 видно, что измерению подлежит либо разность тем­ ператур при стабилизированной мощности нагревателя (рис. 69), либо мощность нагревателя при стабилизации разности темпе­ ратур с помощью следящих систем (рис. 70).

В разомкнутой системе измерения (рис. 69) питание нагрева­ теля Н осуществляется от стабилизированного источника пита­ ния СИП. Во избежание перегрева потока и перегорания обмотки нагревателя предусмотрен блок-контакт БК, который управляется реверсивным двигателем РД и электронным усилителем ЭУ со встроенным внутри него регулятором.

Как видно из (П.2), связь между расходом и разностью темпе­ ратур имеет гиперболический характер.

Расходомер с замкнутой измерительной системой (рис. 70) имеет ряд преимуществ перед предыдущим типом. Во-первых, он может обеспечить более широкий интервал измерения, во-вторых, инерционность его ниже, и, в-третьих, при установке счетчиков электроэнергии, идущей на нагрев, он дает возможность простыми средствами интегрировать количество протекающего по трубе

118

вещества. Измерение расхода осуществляется по мощности нагре­

с интегрирующим звеном, в качестве которого служит реверсив­ ный двигатель РД. Термо-э. д. с. дифференциальной термобата­ реи сравнивается с заданной при помощи реостата-задатчика РЗ величиной напряжения на диагонали мостовой схемы. При откло­ нении разности температур от заданного значения двигатель

ности таких схем приведены в табл. 6 с указанием их относитель­ ной чувствительности. Однако при выборе схемами 1 и 6 с луч­ шими статическими свойствами приходится пренебречь, так как наименьшей инерционностью обладают схемы 4 и 9 с относительной чувствительностью порядка 20%.

При выборе в качестве термоприемников термопары или термо­ метра сопротивления следует учитывать, что на больших диаметрах труб можно установить большее число термопар, а следовательно, получить пропорциональное увеличение чувствительности. По этой причине на малых трубках предпочтительнее применять тер­ мометры сопротивления проволочные (до 500° С) или полупровод­ никовые (до 180° С). Термометры сопротивления в некоторых схемах одновременно выполняют две функции — термоприемников и нагревателей (схемы 6 и 7 табл. 6).

Как видно из табл. 6, в тепловых расходомерах применимы оба типа мостовых схем — уравновешенные и неуравновешенные.

Ц9