Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Теория и практика теплофизического эксперимента. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 87 8 > Следующая >>>

6.4. Новый метод измерения расхода газа

рукцию в целом и снижающих ее надежность, для чего достаточно поднять температуру термопреобразователя до высокой температуры, так как в этом случае влияние температуры омывающего его потока будет несущественно. В качестве термопреобразователя должен использоваться металлический проводник с достаточно высокой температурой плавления. С учетом малости ТКС металлических термопреобразователей в качестве регистрируемого теплофизического параметра не может сл

ужить его омическое сопротивление. Поэтому в качестве нового принципа измерения расхода газа лежит использование температурной зависимости светимости поверхности твердого тела, нагретого до высокой — 1200…1300 К — температуры. Опирающийся на этот принцип метод измерения расхода газа состоит в регистрации с помощью преобразователя оптического излучения (ПОИ) изменения спектральной поверхностной плотности потока излу

чения поверхности теплочувствительного элемента (ТЧЭ), охлаждаемой потоком контролируемой среды. Сильный перегрев ТЧЭ относительно температур входящего газа и внешней среды автоматически, без использования термокомпенсационных устройств, обеспечит температурную независимость показаний расходомера, а степенная зависимость (как Т

) величины излучаемого потока

энергии от температуры ТЧЭ-излучателя обусловит высокие значения точности и чувствительности, особенно в области микрорасходов газа. Одновременно обеспечивается и малая инерционность расходомера, так как она определяется дифференциальным свойством ТЧЭ — изменением температуры, а следовательно, и энергетической светимости поверхности ТЧЭ, а не его объема, как у расходомеров термоанемометрического типа, базиру

ющихся на ином (иных) принципе измерения.

Использование в качестве ТЧЭ нагретой до высокой температуры спирали-излучателя обусловливает наличие в системе сложного — радиационно-конвективно-кондуктивного теплообмена, при этом указанные механизмы теплообмена взаимозависимы.

Глава 6. Методы измерения расхода газа

Конструкция предлагаемого расходомера схематично представлена на рисунке 3. Через входной штуцер газовый поток направляется по центральному каналу в камеры в противоположных направлениях для исключения ориентационной зависимости показаний расходомера. В камерах находятся идентичные спирали-излучатели, токоподводы к которым герметично закреплены во фланцах (не показаны), герметично соединяемых с корпусом расходомера. В каждой из камер ест два оптических окна, что позволяет расположенным напротив них преобразователям оптического излучения «видеть» внешнюю и внутреннюю поверхности излучателя и тем самым как минимум вдвое увеличить выходной сигнал. Газовый поток выводится из камер через выполненный в корпусе общий канал и выходной штуцер.

Рис. 3. Два разреза корпуса расходомера:

а — газоподвод к камерам; б — оптические окна для вывода излучения

от спирали-излучателя на зеркало фотодиодов Ф

Нагретые до высокой температуры ТЧЭ (спирали) омываются газовым потоком, входная температура которого T

г. вх

Спектральная энергетическая светимость ТЧЭ будет функцией

6.4. Новый метод измерения расхода газа





коэффициента теплоотдачи α(G) и температуры, которую принимает его поверхность при взаимодействии с охлаждающим газовым потоком:

Вышедший через оптическое окно поток Ф

(, ) {,[( )]}.

ФТФTG

ее



воспринима-

ется преобразователем оптического излучения, в качестве которого служит фотодиод. В цепи фотодиода возникает суммарный электрический ток:

II I SФ I

 .

Ф SIе S

Выходной сигнал формируется как падение напряжения

= I · R

на общей для фотодиодов нагрузке Rн. Выбор вели-

чины нагрузки и общего для фотодиодов напряжения питания

определяется экспериментально в зависимости от типа ФД

и обеспечения большой величины выходного сигнала, не требующей усилительных схем.

Инфракрасный расходомер имеет недостатки, прежде всего малая чувствительность и ограничение по номенклатуре газов, температура диссоциации молекул которых ниже максимальной температуры спирали Т

≈ 1273 К.

max

6.5. Термисторные автономные микрорасходомеры

К другому типу относятся расходомеры, в которых в качестве термоприемника используются полупроводниковые сопротивления — термисторы. Термисторы бывают двух типов — с косвенным нагревом (СТ1-27) и без него (СТ1-18). Для исключения зависимости показаний расходомеров от температур входящего газового потока и внешней среды осуществляется подогрев контролируемой среды с помощью пространственно распределенного теплообменника. Дл

я исключения ориентационной зависимости добавляются еще два канала. При этом в двух каналах располагаются измерительные термисторы, а в

Глава 6. Методы измерения расхода газа

двух других — компенсирующий термистор, контролирующий постоянство температуры движущейся среды. Контролируемый газовый поток в измерительные каналы поступает в противоположных направлениях, чем обеспечивается ориентационная независимость. Компенсирующий термистор включается в качестве следяще-контролирующего элемента в схему резистивного делителя напряжения, работающую в режиме постоянства напряжения питания. Газодинамический тракт расходомера и его фу

нкциональная схема представлены на рисунке 4. Структура расходомера логически предопределена схемой газодинамического тракта и поясняет функциональное назначение элементов последней.

а б

Рис. 4. Газодинамический тракт (а)

и функциональная схема (б) расходомера

Измерительный преобразователь температуры, или ТЧЭ

представляет собой систему, подверженную со стороны как исследуемого объекта, так и других объектов (элементов конструкции и окружающей среды) различным тепловым воздействиям, которые определяют процесс теплообмена и характер изменения температурного поля внутри ТЧЭ

и в зоне его рас-

положения. Важнейшими являются следующие воздействия:

6.5. Термисторные автономные микрорасходомеры









• тепловое воздействие исследуемого объекта — информа-

тивное воздействие;

• теплопередача между отдельными элементами ТЧЭ (кон-

дуктивный теплоотвод);

• теплообмен излучением между ТЧЭ и его окружением;

В зависимости от типа используемого термистора существуют следующие расходомеры: постоянной мощности; постоянного температурного напора; с задаваемым значением чувствительности; переменной мощности.

6.5.1. Расходомер постоянной мощности

В этом расходомере термоприемником служит термистор СТ1-27 с косвенным подогревом, через спираль которого пропускается ток I косвенного нагрева W

= const. В результате выделяемая мощность

сп

= const, независимо от расхода G конт-

сп

ролируемой среды. Математическая модель процесса теплообмена имеет вид

где

(,) [(,) ]

GTGT

()/ () () () .СdGd WG GSG W



 — температурный напор; Т





(6.5.1)

—

температура газового потока на фиксированном уровне; С и S — теплоемкость и площадь поверхности термистора; α — коэффициент теплоотдачи; δW — мощность неинформативных источников тепла, при этом δW << W.

Решение этого уравнения имеет вид

Т [q(G)] = T

или

= q(G)/α(G).

()G

+ [q(G)] = Tп + q(G)/α(G), (6.5.2)

Выходным сигналом расходомера является величина сопротивления термистора

где A и B — постоянные термистора; q внутреннего тепловыделения (q

( ; ) exp{ /[ / ( ; )]},

RGT A B T q GT

  (6.5.3)

ППo П

— удельная мощность

= W0/S = const).

Глава 6. Методы измерения расхода газа











Доступный для измерения диапазон расхода газа с помощью этого расходомера составляет для азота 120 мг/с; для аргона 140 мг/с; для ксенона 160…180 мг/с. Процесс теплообмена у расходомера постоянной мощности не оптимизирован, так как с ростом расхода газа коэффициент теплоотдачи α(G) растет, в то время как температурный напор

()G

умень-

шается так, чтобы их произведение оставалось постоянным — α(G)

()G

= q

= const.

6.5.2. Расходомер с постоянным температурным напором

Для оптимизации процесса теплоотдачи необходимо фиксировать не мощность внутреннего тепловыделения, а темпе-

ратурный напор —

()/() .qG G const



 Для организа-

ции такого теплового режима достаточно изменять ток косвенного нагрева таким образом, чтобы сопротивление термистора оставалось постоянным независимо от величины расхода конт-

ролируемого газового потока —

(; ) ( ) .

G R const





Выходным сигналом такого расходомера является величина тока косвенного нагрева I

к.н

(G).

Чувствительность по расходу этого расходомера мала, так как диапазон изменения тока косвенного нагрева лежит в пределах 12…22 мА (максимальный ток косвенного нагрева равен 25 мА) при ∆G = 50 мг/с.

6.5.3. Расходомер с задаваемым значением чувствительности

С целью повышения чувствительности расходомера с

const

 последовательно со спиралью косвенного нагрева

включаются сопротивления, величина которых подбирается такой, чтобы обеспечить заданное значение чувствительности, например 2 В/(мг · с

– 1

). Выходным сигналом этого расходоме-

ра является напряжение на добавочном сопротивлении, лежащее в диапазоне 80…160 В. Для разных газов величина доба-

6.5. Термисторные автономные микрорасходомеры

вочного сопротивления, обеспечивающего одинаковость чувствительности независимо от рода газа, разная: у азота 5,7 кОм; у аргона 7,5 кОм; у ксенона 13,6 кОм.

6.5.4. Расходомер переменной мощности

Наиболее оптимальным режимом работы является режим с переменной мощностью внутреннего тепловыделения. Он реализуется использованием в качестве теплочувствительного элемента термистора без косвенного нагрева СТ1-18. Последовательно соединенные и расположенные в измерительных каналах термисторы включаются в схему резистивного деления напряжения с постоянным напряжением питания. Ток, проходящий по элементам схемы «термистор + резистор, величина которого равна сопротивлению термистора при начальной (максимальной) температу

е 348 К», изменяется при

р изменении сопротивления термистора, обдуваемого газовым потоком. Это приводит к изменению падения напряжения на элементах схемы, при этом U

(G) + UR(G) = U

= const.

Схема обладает точкой равновесия — в исходном состоянии (G ние на термисторе U ние на резисторе падает от U обеспечивает наибольшую чувствительность — 6…12 В/(мг

= 0) U

(0) = UR(0) = U0/2. При подаче расхода напряже-

(G) растет от U0/2 до Utr(G)

/2 до UR(G)

. Этот расходомер

min

, а напряже-

max

· с

– 1

каковой не обладает ни один из промышленно освоенных расходомеров газа.

Глава 6. Методы измерения расхода газа

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основы метода обобщенных переменных.

2. Получение чисел и критериев подобия из математиче-

ской формулировки задачи.

3. Получение чисел и критериев подобия на основе анализа

размерностей. π-теорема.

4. Математическое планирование эксперимента (много-

факторного).

5. Виды, методы и средства измерения.

6. Принцип измерения и метод измерения.

7. Основные способы определения температуры.

8. Контактные методы измерения т

9. Бесконтактные методы измерения температуры. Вывод

расчетных формул. Определение псевдотемпературы.

10. Особенности измерения температуры: в энергетиче-

ских реакторах; криогенных температур.

11. Измерение температуры расплавов (металлов, стекол,

синтетических и полимерных материалов).

12. Особенности измерения динамических температур.

13. Погрешности измерения температур в реальных усло-

виях.

14. Методы измерения расхода газа.

15. Принципы и средства измерения р

16. Тепловые расходомеры. Термокомпенсация в тепловых

расходомерах.

17. Общие требования к измерительной системе и к пока-

зателям расходомера.

18. Высокотемпературный расходомер газа. Принцип и

средство измерения.

19. Термисторные автономные расходомеры. Принципы и

средства измерения. Их достоинства и недостатки.

емпературы.

асхода.

6.5. Термисторные автономные микрорасходомеры

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Иванова Г.

cкие измерения и приборы: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат,

1984.

2. Цветков Ф.

МЭИ, 2005.

3. Ярышев Н.

ной температуры. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Гордов А. Н. Основы пирометрии. М.: Металлургия, 1971.

5. Лысиков Б. В., Прозоров В. К. Реакторная термометрия. М.:

Атомиздат, 1980.

6. Филиппов Л. П. Измерения теплофизических свойств вещества.

М.: Энергоатомиздат, 1984.

7. Домрачева Л. С. Синтез систем измерения нестационарных

температур газовых потоков. М.: Машиностроение, 1987.

8. Петунин А.

шиностроение, 1974.

9. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. Л.:

Машиностроение, 1989.

10. Румянцев А. В. Универсальные тепловые микрорасходомеры

газа. Калининград: Изд-во РГУ им. И. Канта, 2011.

1. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: спра-

вочник / Е.

В. Аметистов [и др.]. М.: Энергоатомиздат, 1982.

М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С. Теплотехниче-

Ф., Григорьев Б. А. Тепломассообмен. М.: Изд-во

П. Теоретические основы измерения нестационар-

Н. Измерение параметров газового потока. М.: Ма-

Дополнительная

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .........................................................................................

Глава 1. Способы обобщения результатов исследования .....

1.1. Основы метода обобщенных переменных ..................... 5

1.2. Выявление формы чисел подобия из математической

постановки задачи.............................................................. 8

1.3. Получение чисел подобия на основе анализа размер-

ностей.................................................................................. 11

1.4. Использование обобщенных переменных в исследо-

ваниях.................................................................................. 13

Глава 2. Математический эксперимент...................................

2.1. Математический эксперимент как средство получе-

ния научных результатов................................................... 14

2.2. Структура погрешностей ................................................. 15

3. Построение итерационных процессов ............................ 16

Глава 3. Математическое планирование экспериментов.....

3.1. Основные понятия и виды экспериментов ..................... 18

3.2. Рациональное планирование............................................ 19

3.3. Виды, методы и средства измерений.............................. 20

Глава 4. Методы определения температуры...........................

4.1. Основные способы определения температуры .............. 22

4.2. Средства измерения температуры контактным спо-

собом ................................................................................... 23

4.3. Бесконтактные средства измерения температуры......... 27

4.4. Измерение температур в энергетических реакторах..... 33

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 87 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]