Глава 5. Электрохимические датчики
5.1. Некоторые современные методы измерения гидродинамических характеристик жидких и жидкотекучих сред
Сложность измерений гидродинамических характеристик потоков неньютоновских сред, высокие требования, предъявляемые к точности и достоверности измеряемых параметров, порождают необходимость совершенствования существующих и разработки новых методов диагностики и измерения. Так, традиционное зондирование поля скорости трубками полного напора и термоанемометром дает серьезные и непредсказуемые погрешности при измерениях в неньютоновских средах. Опыт использования цилиндрических, конических и клиновых пленочных датчиков термоанемометров обнаруживал аномальные сигналы при измерениях скорости в полимерных растворах и суспензионных средах. Эти аномалии зависят от соотношения размеров датчика и структурных неоднородностей раствора, реологических характеристик и природы исследуемых сред.
В трубках полного напора ошибки возникают из-за блокировки входных отверстий агрегатами частиц, а также по причине воздействия нормальных напряжений, обусловленных сдвиговым течением набегающего на трубку потока и т.д.
Методика стробоскопической визуализации потока [1, 2] позволяет измерять одновременно две компоненты мгновенных скоростей в плоском сечении поля потока, а также поля осредненных скоростей, интенсивность продольных и поперечных пульсаций, плотности вероятности пульсаций. Однако этот метод непригоден для измерений таких важных показателей, как автокорреляционная функция и спектральная характеристики турбулентных пульсаций. Кроме того, метод ограничен только прозрачными жидкими средами.
В последнее время интенсивно разрабатывается лазерная доплеровская анемометрия. Метод оказался исключительно полезным при проверке результатов измерений другими способами в сложных измерительных условиях. Однако метод ограничен в дисперсных системах из-за сильного рассеивания света.
Для измерения локальных величин скорости электропроводных жидкостей используются кондукционные анемометры [3]. Они успешно применяются при измерениях в морской воде. Известна также попытка их применения для турбулентного течения глинистых суспензий [4]. Однако малая величина сигнала первичного преобразователя, влияние на него внешних полей и электрохимических процессов, протекающих на границе электрод – жидкость, повышенные требования к высокой электропроводности, сложность электронной аппаратуры, сравнительно большие размеры датчиков определяют ограниченность этого метода.
Измерения поверхностного трения, особенно локальных значений при внешнем обтекании тел, остается до сих пор технически сложной задачей. Используемые для этих целей «плавающие» элементы [5, 6] с устройствами регистрации усилия весьма сложны конструктивно, требуют высокой точности при изготовлении и сборке, могут вносить возмущения в пограничный слой своим присутствием. В лабораторных условиях чаще всего применяют различные косвенные методы, основанные на вычислении градиента толщины потери импульса, определении средней скорости у стенки, применении трубок Престона и т.д.
Задача существенно упрощается при измерении среднего трения в каналах со стабилизированным течением. В этом случае величина w , осредненная по периметру канала, просто связанна с продольным перепадом давления.
Однако при измерениях в вязкопластичных средах определения перепада давления осложняется наличием у жидкостей начальных напряжений сдвига 0 .
К широко используемым способам измерения усредненных и пульсационных значений касательного напряжения трения на стенке относится метод нагретой пленки. Он основан на измерении теплообмена пленки со средой [7]. Однако при использовании таких датчиков в реологически сложных жидкостях необходимо учитывать ряд побочных и паразитных факторов, влияющих на точность измерений: возникновение на поверхности пленки блокирующих отложений, пузырьков пара и газа; электролиз, заметно изменяющий тепловое сопротивление поверхности датчика; термодеструкция и изменение теплофизических свойств жидкости, контактирующей с пленкой и др. Известны попытки применения пленочных датчиков для исследования структуры турбулентного пограничного слоя разбавленных полимерных растворов. Для суспензионных сред пленочные датчики применения не нашли.
Во многом вышеперечисленных недостатков лишен электрохимический метод измерения характеристик потоков, обеспечивающий достаточно высокую разрешающую способность и точность.