№ 5
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 532.536
© 2008 г. МИХЕЕВ Н.И., МОЛОЧНИКОВ В.М., КРАТИРОВ Д.В., ХАЙРНАСОВ K.P.
ОСНОВЫ МЕТОДА ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ БЕЗ ГРАДУИРОВКИ ДАТЧИКА*
Даны теоретические основы метода измерения температуры и скорости потока текучей среды с одним чувствительным элементом термоанемометрического канала. Приведены результаты методических экспериментальных исследований.
Введение. Методы измерения параметров турбулентных потоков играют важную роль при исследовании, отработке, прогнозировании и диагностике процессов в энергоустановках. Для измерения характеристик турбулентности потока или мгновенных значений скорости в турбулентном потоке в основном используются термоанемометры. Неудобства их применения связаны с необходимостью градуировки датчика перед измерениями и компенсации зависимости сигнала термоанемометра от температуры потока. Между тем, физический принцип термоанемометра допускает измерения скорости потока без предварительной градуировки датчика, причем при различных температурах потока и в различных средах с известными свойствами.
При использовании термоанемометрических нитей диаметром ~5 мкм режим их обтекания при представляющих практический интерес параметрах потока является ламинарным, достаточно далеким от ламинарно-турбулентного перехода. Например, для воздуха при атмосферном давлении в широком диапазоне температур число Рей-нольдса по диаметру нити 5 мкм даже при скорости потока 50 м/с не превышает 20. Типичная длина нити 1-5 мм не сильно превышает масштаб Колмогорова наиболее мелких турбулентных вихрей и на два-три порядка больше ее диаметра. Поэтому роль изменения локальной скорости потока по длине нити за счет турбулентных структур и роль утечек тепла к ножкам датчика в теплообмене нити с потоком не слишком велика. В таком случае коэффициент теплоотдачи нити к среде должен быть связан с параметрами потока, что подтверждается многочисленными исследованиями термоанемометрического принципа измерения скорости потока.
Авторы для регистрации вихрей в вихревых расходомерах модельного ряда ИРВИС используют термоанемометр, в котором реализовано цифровое управление термо-анемометрическим мостом, что позволяет автоматически настраивать мост на любую заданную температуру нити, при этом можно измерять мощность, рассеиваемую нитью. Это позволяет с помощью термоанемометрического моста измерять температуру среды, так как при весьма малой рассеиваемой мощности температура тонкой нити близка температуре среды.
В данной работе описан метод измерения температуры и скорости потока одним и тем же датчиком при помощи нового термоанемометра. Для реализации такого мето-
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-08-00330, 08-08-12181офи) и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-4334.2008.8).
Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН и Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева.
да прибор должен обеспечивать измерение всех параметров, определяющих теплообмен при обтекании нити, в т.ч. температуры нити и температуры среды.
Теоретические основы измерения. Допускаем, что перепад температур между нитью и средой по всей длине нити одинаков. Уравнение теплового баланса нити чувствительного элемента можно записать
Г Ян = пй1аАг, (1)
где Г - ток, протекающий через чувствительный элемент, А; Ян - сопротивление нити чувствительного элемента, Ом; й - диаметр нити чувствительного элемента, м; а - коэффициент теплоотдачи,
Вт/(м2 ■ К); А? - разность температур чувствительного элемента и окружающей среды, К.
Теплообмен при поперечном обтекании нити из тонкой круглой проволоки определяется [1]
№ = СРгпЯет, (2)
где Рг, Яе - числа Нуссельта, Прандтля и Рейнольдса соответственно. Константы С, п, т в диапазоне чисел Рейнольдса, реализующемся при термоанемометрических измерениях, можно считать известными. Средний коэффициент теплоотдачи
а = С ^ (3)
где X - коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м ■ К); р - плотность среды, кг/м3; и - скорость потока, м/с; ц - динамическая вязкость среды, Па ■ с.
Зависимость сопротивления нити от ее геометрических размеров и свойств материала
Я20 = 4 рг1/п й2, (4)
где Я20 - сопротивление нити при 20°С, Ом; рг - удельное сопротивление, Ом ■ м. Зависимость сопротивления нити от температуры
Ян = ^20(1 + а,(-20)), (5)
где а, - температурный коэффициент сопротивления материала нити, К-1; ¿н - температура нити, °С.
Из решения (1) , (3), (4) получим
ри Ч-4^1/тц
/ Т2п \1/т Г «„
кй2 ^2ОХАО
(6)
Из (6) следует, что для определения и (или ри) необходимо знать свойства среды и материала нити, измерить ток, проходящий через нить, отношение сопротивлений Ян/Я20 и разность температур нити и среды. Зависимость сопротивления нити от температуры (5) позволяет определить Я20 по результатам измерения сопротивления при температуре, отличной от 20°С, и А? по измерениям сопротивления нити. Следует обратить внимание, что длина нити выражена через сопротивление и в (6) не входит. Это означает, что переход от традиционного измерения падения напряжения на нити к измерению тока через нить позволит иметь универсальную зависимость (6) при разных длинах однотипных нитей.
Устройство, принцип работы. Канал измерения скорости потока выполнен по классической схеме термоанемометра постоянной температуры [2], показанной на рис. 1. В такой схеме из-за постоянства температуры нити не проявляется ее тепловая инер-
2* 35
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - теплогенератор; 2 - выравнивающее устройство; 3 - образцовый термометр; 4 - нить чувствительного элемента; 5 - герметичный фланец с набором критических сопел; 6 - ресивер; 7 - манометр; 8 - задвижка; 9 - турбокомпрессор
ционность, и обеспечиваются лучшие частотные характеристики измерителя скорости потока. Чувствительный элемент Т1 включен в мостовую схему Я1, Я2, Я3, Т1. Через мост протекает ток значительной величины, задаваемый регулируемым источником тока I. Управляет источником тока I усилитель У, поддерживая баланс мостовой схемы постоянным
Я1/Ян = Я2/Я3. (7)
При изменении скорости обдува нити Т1 баланс моста нарушается, и усилитель, пытаясь выровнять потенциалы на инвертирующем и неинвертирующем входах, воздействует на источник тока I. В результате поддерживается постоянное сопротивление (температура) нити Т1. Ток через нить преобразуется в соответствующий цифровой код и аналоговый выходной сигнал. Температура чувствительного элемента регулируется изменением соотношений плеча Я2, Я3 измерительного моста. В схеме термоанемометра реализовано цифровое управление сопротивлением резистора Я3.
При известных сопротивлениях постоянных резисторов Я1, Я2 и управляемого резистора Я3 из (7) определяется сопротивление нити, затем по (5) - температура нити.
Экспериментальное оборудование. Была выполнена экспериментальная проверка возможности измерения температуры и скорости потока одним и тем же датчиком при помощи нового термоанемометра. Эксперименты проводились на установке (рис. 2), входящей в состав сертифицированной поверочной газодинамической установки УПГ-10.
Расход воздуха в установке обеспечивался турбокомпрессором 9, работающим на всасывание, и поддерживался постоянным при помощи набора критических сопел 5, установленных на герметичном фланце ресивера 6. Воздух подогревался теплогенератором 1. Для уменьшения неравномерности потока применялось выравнивающее устройство 2 [3].
Нить чувствительного элемента 4 была выполнена из вольфрамовой проволоки диаметром 6 мкм. В качестве термоанемометра использовался термоанемометриче-ский канал лабораторного образца новой аппаратуры с соответствующим программным обеспечением микроконтроллера, входящего в состав аппаратуры. Программное обеспечение поддерживало режимы градуировки по температуре и скорости потока и режим измерения параметров потока. Результаты измерения выводились и на индикатор, и на ПК по интерфейсу RS-232.
Результаты экспериментов. Эксперименты проводились в два этапа. На первом этапе определялась фактическая зависимость сопротивления чувствительного элемента датчика от температуры. Температура воздуха в рабочем участке изменялась с шагом 20-30°С в диапазоне 20-250°С и измерялась образцовым термометром. Термо-анемометрический мост с помощью управляемого резистора R3 автоматически настраивался так, чтобы через нить протекал малый ток ~3-5 мА, при котором температура нити практически не отличается от температуры среды и не зависит от скорости потока.
Из баланса мостовой схемы определялось сопротивление чувствительного элемента. По совокупности данных методом наименьших квадратов оценивалась зависимость сопротивления от температуры. Получен температурный коэффициент сопротивления, практически совпадающий со справочными данными для вольфрама. Среднеквадра-тическое отклонение экспериментальных значений температуры от аппроксимирующей зависимости не превышает 1°С.
На втором этапе определялась градуировочная зависимость по скорости потока. Градуировка проводилась при перегреве нити чувствительного элемента относительно температуры среды Ai = 80°С. Управление термоанемометрическим мостом выполнялось по определенной циклограмме, в которой чередовались периоды работы с настройкой на весьма малый перегрев (контроль осуществлялся по величине тока через нить) для измерения температуры потока с периодами работы с заданным перегревом нити.
Цель градуировки по скорости - определение зависимости pU, согласно (6). Показатель степени m принят равным 0,305 по справочным данным [1] для случая поперечного обдува стержня круглого сечения в диапазоне Re от 0,1 до 4. Остальные величины в (6) могут быть известны (d, pr, Pr); заданы (Ai); определяться для данной среды при известной ее температуре (ц, X); измеряться (J). Сопротивления RK, R20 вычисляются из условия баланса моста (7). Температуры, соответствующие сопротивлению нити, определялись по зависимости, полученной на первом этапе экспериментов.
При градуировке по скорости потока использовали
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.