Термоанемометрические измерения параметров газовых потоков (96

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 5. Зависимость распределения температуры по нити при l/D = 200 от «холодной длины»:

– l/lх = 4; – l/lх = 10; – l/lх = 40

Особенности работы термоанемометра с нагретой нитью выявили ряд требований, предъявляемых к чувствительному элементу, что резко ограничило число используемых материалов: вольфрам, никель, платина и ее сплавы с родием и иридием (табл. 1). Наиболее подходящей заготовкой для изготовления нитей является волластоновая проволока — тонкая проволока, покрытая слоем высокоэлектропроводного материала с относительно низкой температурой плавления, что позволяет припаивать или приваривать чувствительную нить к опорам (табл. 2). Модуль Юнга и напряжение текучести покрытия должны быть близки соответствующим характеристикам основного материала нити. Для пленочных датчиков обычно используют платину или никель, напыленные на стеклянную или керамическую основу.

Зонды термоанемометров обычно имеют проволочный чувствительный элемент, длиной 1. . . 5 мм и диаметром 1. . . 10 мкм, смонтированный на двух иглообразных зубцах. Для получения пространственного разрешения они могут использоваться с одной, двумя и тремя нитями (рис. 6, а—в). Для измерения температурных пульсаций используют миниатюрные зонды с нитью диметром 1 мкм и длиной 1 мм (рис. 6, г). Датчик с тонкопленочным чувствительным элементом, нанесенным на кварцевую нить, используют в капельных жидкостях (рис. 6, д).

11

»ервисC-нигаK гентство«A ООО & »БИБКОМ« ЦКБ« ОАО Copyright

12

Таблица 1

Основные свойства материалов для датчиков термоанемометров

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Таблица 2

Технологические свойства материалов для датчиков термоанемометров

Рис. 6. Термоанемометрические зонды:

а – однониточный зонд; б – Х-образный зонд; в – трехниточный зонд; г – температурный зонд; д – зонд с кварцевой нитью, плакированной металлом

Виды термоанемометров и их применение

Для решения различных задач используют термоанемометры разных типов (самыми распространенными являются термоанемометры с нагретой нитью, работающие в режиме постоянной температуры). Рассмотрим принципы действия, принципиальные схемы и области применения термоанемометров.

Термоанемометр постоянного тока

Термоанемометр, работающий в режиме постоянного тока (рис. 7), в первые годы после его появления был единственным прибором, позволяющим измерять турбулентные пульсации. Через нить пропускают электрический ток, поддерживая его постоян-

13

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 7. Схема термоанемометра постоянного тока:

1 – нить; 2 – источник постоянного тока; 3 – постоянные сопротивления плеч моста; 4 – переменное сопротивление; 5 – компенсатор тепловой инерции; 6 – усилитель; 7 – индикатор

ным, а измеряют напряжение, которое пропорционально сопротивлению. Поддержание постоянного тока осуществляют вручную. Такой термоанемометр широко применяют для измерения температурных пульсаций в потоке.

Термоанемометр постоянной температуры

Термоанемометр постоянной температуры (СТА), используемый для исследования тонкой структуры турбулентного течения жидкостей или газов, получил широкое распространение, что обусловлено быстрым развитием вычислительной техники и микроэлектроники.

По измеренной термоанемометром в течение некоторого времени скорости потока в точке можно определить ее амплитуду и временно-статистические характеристики (например, среднюю скорость, интенсивность турбулентности и моменты более высоких порядков, автокорреляционную функцию и энергетический спектр).

14

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 8. Схема термоанемометра постоянной температуры:

1 – нить; 2 – постоянные сопротивления плеч моста; 3 – переменная катушка индуктивности; 4 – усилитель; 5 – индикатор

Схема СТА представлена на рис. 8. Принцип работы СТА состоит в следующем. Чувствительный элемент зонда 2, представляющий собой вольфрамовую или платиновую нить толщиной от единиц до десятков микрометров, с сопротивлением Rн, включают

водно плечо моста Уитстона и нагревают электрическим током, протекающим по нему. Усилитель 4 поддерживает баланс моста, управляя током, протекающим через зонд, так, чтобы его температура и сопротивление оставались постоянными независимо от охлаждения обтекающей жидкостью. Напряжение моста E пропорционально тепловому потоку Q, отдаваемому омывающей нить жидкости, что позволяет непосредственно измерять скорость. Малая тепловая инерция зонда и высокий уровень усиления дают очень быструю реакцию на пульсации в потоке.

Термоанемометр постоянной температуры обеспечивает:

•измерение скорости в диапазоне от нескольких сантиметров

всекунду до сверхзвуковых скоростей;

•высокоскоростное разрешение (пульсации частотой до нескольких тысяч герц);

15

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

•высокое пространственное разрешение (1 мм и менее);

•измерение всех трех компонент вектора скорости;

•получение информации о мгновенном значении скорости.

Термоанемометр несущей частоты

Измерительный мост Уитстона термоанемометра, представленного на рис. 9, подпитывается переменным синусоидальным током через согласующий трансформатор от высокочастотного генератора несущей частоты, существенно превышающей частоту пульсаций потока. Сигнал рассогласования моста, состоящий из несущих колебаний, промодулированных пульсациями скорости, поступает из усилителя в демодулятор, который выделяет модулирующую частоту. Основное достоинство этого термоанемометра — отсутствие усилителя постоянного тока, имеющего дрейф нуля. Главную трудность при использовании прибора представляет расширение полосы воспринимаемых частот повышением несущей частоты, что значительно усложняет схему.

Рис. 9. Схема термоанемометра переменного тока:

1 – нить; 2 – согласующий трансформатор; 3 – постоянные сопротивления плеч моста; 4 – генератор несущей частоты; 5 – переменное сопротивление; 6 – усилитель; 7 – демодулятор; 8 – фильтр; 9 – индикатор

16

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Термоанемометр с датчиком косвенного нагрева

Схема термоанемометра с датчиком косвенного нагрева, представленная на рис. 10, включает в себя два независимых контура:

Рис. 10. Схема термоанемометра с датчиком косвенного нагрева:

1 – обмотка косвенного нагрева; 2 – нить; 3 – постоянные сопротивления плеч моста; 4 – переменное сопротивление косвенного нагрева; 5 – переменное сопротивление моста; 6 – сопротивление; 7 – источник постоянного тока; 8 – индикатор

•нагревающий, состоящий из обмотки нагрева, источника питания постоянного тока и сопротивлений, позволяющих регулировать величину нагрева;

•измерительный, к которому относят мост Уитстона с нитью датчика (питание моста можно осуществлять как постоянным, так

ипеременным током) источник питания и индикатор.

Основной недостаток такой схемы — высокая инерционность, а следовательно, узкий частотный диапазон.

17

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Импульсный термоанемометр

Для измерений в потоках газовых смесей, горящих факелах и потоках с высоким уровнем турбулентности используют термоанемометры с импульсным нагревом датчика. Датчик такого анемометра имеет три нити (рис. 11): одну передающую, нагреваемую периодически электрическим током, и две принимающие, которые включены в смежные плечи моста. Знак рассогласования моста указывает, какой нити достиг тепловой импульс. Напряжение с диагонали моста усиливается малошумящим усилителем и поступает на схему измерения времени. Туда же поступает сигнал от генератора импульсов.

Рис. 11. Схема импульсного термоанемометра:

1 – генератор импульсов; 2 – передающая нить; 3 – нить датчика; 4 – источник постоянного тока; 5 – постоянные сопротивления плеч моста; 6 – усилитель; 7 – счетчик времени; 8 – индикатор

Достоинствами метода являются независимость показаний датчика от физических свойств газа, независимость погрешности измерений от интенсивности турбулентности и возможность определения направления вектора скорости.

18

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Термоанемометр с тлеющим и коронным разрядом

Если к двум электродам, находящимся на расстоянии 0,1 мм друг от друга, при нормальных атмосферных условиях приложить разность потенциалов в несколько сотен вольт, то между ними возникнет тлеющий разряд (голубое свечение) с током порядка 10 мА. Напряжение на электродах зависит от скорости омывающего их потока. Так как газ, ионизированный в межэлектродном зазоре, все время сносится вниз по потоку, при постоянной скорости потока наклон вольт-амперной характеристики ∂E/∂I — отрицательный. Следовательно, необходимо использовать источник постоянного тока, а при постоянном токе ∂E/∂w = f(w). Со временем тарировочная зависимость изменяется из-за ухудшения характеристик электродов. Такой термоанемометр позволяет измерять скорость несущего газа в газопылевой смеси, когда твердые частицы разрушают нагретые нити, а лазерный доплеровский анемометр позволяет измерять только скорость твердых частиц.

Если напряжение между электродами увеличить до нескольких тысяч вольт, а зазор — до нескольких миллиметров, то образуется коронный разряд с током порядка единиц микроампер. Дрейф тарировочной кривой в этом случае меньше, чем в предыдущем случае.

Термоанемометр ТТМ-2 и работа с ним

Назначение и области применения

Термоанемометр ТТМ-2 позволяет производить измерения средней скорости потока и контролировать температуру потока. Полученные результаты выводятся на дисплей и сохраняются в памяти прибора. Диапазоны измеряемых значений и характеристики такого термоанемометра приведены в табл. 3.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Особенности работы

Конструктивно прибор состоит из измерительного блока с отсеком питания и измерительного зонда. Корпус измерительного блока выполнен из металла. На передней панели корпуса измерительного блока расположен индикатор. На верхней панели измерительного блока расположены кнопки «ВКЛ/ВЫКЛ», «Выбор» и « » («Дальше»), разъемы для подключения блока питания и компьютера, ввод кабеля измерительного зонда (рис. 12).

В качестве чувствительных элементов для измерения температуры и скорости потока воздуха применены миниатюрные платиновые терморезисторы. При автокалибровке происходит подстройка прибора для повышения точности измерений.

Во время работы термоанемометр измеряет скорость потока воздуха в метрах в секунду и температуру в градусах Цельсия.

20