СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК G01P5/10 G01F1/696 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения скорости однофазного потока жидкости в стационарных и переходных режимах.

Известен способ определения скорости потока жидкости, заключающийся в том, что нагревают спай термопары от отдельного нагревателя, измеряют температуру спая термопары, определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной функциональной зависимости скорости теплоносителя от перепада температур на чувствительном элементе ТИС (Б.И.Леончик, В.П. Маякин. Измерение в дисперсных потоках. М.: Энергоатомиздат, 1981, с.92).

Недостатки способа заключаются в следующем: измерение температуры указанным способом имеет большую инерционность, в том числе и за счет наличия электроизоляционного слоя между спаем термопары и отдельным нагревателем. Конструкция датчика сложна из-за наличия элементов электроизоляции, отдельного нагревателя. Рабочие температуры датчика ограничены свойствами электроизоляции и не превышают 200-250°С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ определения скорости теплоносителя, заключающийся в том, что измеряют с помощью термопарного измерителя скорости (ТИС) температуру теплоносителя (Т_т) при отключенном источнике переменного тока, подводят мощность (N) к ТИС от источника переменного тока, нагревают чувствительный элемент ТИС, измеряют температуру нагретого чувствительного элемента (Т_н) ТИС при включенном источнике переменного тока, определяют их разность, ΔТ_ч.э.=Т_н-Т_т (Б.И.Леончик, В.П. Маякин. Измерение в дисперсных потоках. М.: Энергоатомиздат, 1981, с.92).

Основные недостатки способа следующие:

1. Недостатком данного способа является то, что на результатах измерений сказывается нестабильность источника питания переменного тока. Вследствие нестабильности источника питания в процессе измерений изменяется ток в цепи ТИС, а следовательно, и подводимая к ТИС мощность.

2. При проведении измерений при режимных параметрах (температура, давление) теплоносителя, отличных от тех, при которых проводилась градуировка ТИС, зависимость скорости теплоносителя от перепада температур на чувствительном элементе ТИС будет иной. Следовательно, скорость теплоносителя будет определена не верно.

3. При проведении измерений при режимных параметрах (температура) теплоносителя, отличных от тех, при которых проводилась градуировка ТИС, изменится электрическое сопротивление цепи нагрева ТИС. Следовательно, тепло, выделяемое в ТИС, изменится, скорость теплоносителя будет определена не верно.

Предлагается способ определения скорости теплоносителя, заключающийся в том, что измеряют с помощью термопарного измерителя скорости (ТИС) температуру теплоносителя (Т_т) при отключенном источнике переменного тока, подводят мощность (N) к ТИС от источника переменного тока, нагревают чувствительный элемент ТИС, измеряют температуру нагретого чувствительного элемента (Т_н) ТИС при включенном источнике переменного тока, определяют их разность ΔТ_ч.э.=Т_н-Т_т.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности определения скорости теплоносителя, что обеспечивается тем, что мощность N, подведенную к ТИС, определяют путем измерения падения напряжения (U) и тока (I) в цепи ТИС и определения их средних значений (U_cp) и (I_cp) в течение времени экспозиции (τ_э) - времени процедуры осреднения U и I и определения подведенной к ТИС мощности, N=U_cpI_cp, причем начало экспозиции τ_н·э, ее окончание τ_к·э и время экспозиции τ_э выбираются из условий τ_н·э≥τ_н.н.+Δτ_п.вкл, τ_к·э≤τ_к.н - Δτ_п.выкл., τ_э=τ_к·э-τ_н·э, а скорость W теплоносителя определяют на основе предварительно полученной функциональной зависимости в виде:

где τ_н.н. - время включения источника переменного тока; τ_н·э - время начала процедуры осреднения U и I и определения подведенной к ТИС мощности; Δτ_п.вкл. - время переходного процесса, обусловленного включением источника переменного тока, Δτ_п.вкл.=Δτ_и.т.+Δτ_н., где Δτ_и.т. и Δτ_н. - время переходного процесса, связанного с включением источника переменного тока и выходом U и I на номинальные параметры, и время переходного процесса, связанного с выходом ТИС на стационарное значение Т_н соответственно; τ_к.н. - время выключения источника переменного тока; τ_к·э - время окончания процедуры осреднения U и I и определения подведенной к ТИС мощности; Δτ_п.выкл. - время переходного процесса, обусловленного выключением источника переменного тока, Δτ_п.выкл.=Δτ_и.т.+Δτ_т., где Δτ_и.т. и Δτ_т. - время переходного процесса, связанного с выключением источника переменного тока и выходом U и I на нулевые значения, и время переходного процесса, связанного с переходом ТИС от значений соответствующих Т_н. до значений соответствующих Т_т.; q - тепловой поток с поверхности зоны нагрева ТИС Вт/м²; q=N/F, где F - поверхность зоны нагрева ТИС; λ_f - коэффициент теплопроводности теплоносителя Вт/м°С; d_з.н. - диаметр зоны нагрева ТИС, м; ν_f - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м²/с; Pr - критерий Прандтля; А, п, n₁, - коэффициенты, определенные на основе опытных данных.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения скорости теплоносителя, обеспечивается за счет того, что устраняются ошибки, связанные с нестабильностью источника питания переменного тока.

Допустим, что после подвода мощности к ТИС за счет нестабильности источника питания (сеть) и (или) каких-либо других причин падение напряжения U и ток I в цепи ТИС в течение времени экспозиции будут отклоняться от первоначальных значений. Согласно способу в течение времени экспозиции измеряется падение напряжения U и ток I в цепи ТИС, определяются их средние значения, определяется мощность, подведенная к ТИС в течение времени экспозиции N=U_cpI_cp. Далее определяется тепловой поток q с поверхности зоны нагрева ТИС, q=N/F (F - поверхность зоны нагрева ТИС) и подставляется в зависимость (1). При этом в зависимость (1) подставляется именно то значение теплового потока, которое имеет место при определении скорости в течение времени экспозиции.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения скорости теплоносителя, обеспечивается также за счет того, что устраняются ошибки, связанные с тем, что режимные параметры (температура, давление) теплоносителя отличны от тех, которые имели место при проведении градуировки ТИС. Вследствие изменения режимных параметров определение скорости теплоносителя на основе предварительно полученной зависимости скорости теплоносителя от перепада температур на чувствительном элементе ТИС будет ошибочным.

Функциональная зависимость ТИС (1) получена при проведении градуировочных опытов в широком диапазоне режимных параметров теплоносителя (теплоноситель - вода, пар, воздух. Давление 0,1-16,0 МПа, температура 20-350°С). Тепловой поток с поверхности зоны нагрева ТИС изменялся в диапазоне 10-40 кВт/м². При обработке опытных данных использовалась теория подобия. Опытные данные были обработаны в виде критериальной зависимости

где Nu - критерий Нуссельта - Прандтля Pr=ν_f/a_f, Рейнольдса

Re=Wd_з.н./ν_f, α - коэффициент теплоотдачи с поверхности зоны нагрева ТИС d_з.н. - диаметр зоны нагрева ТИС, мм; λ_f - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м·°С; ΔТ_ч.э.=Т_н.-Т_т. - температурный напор - разность температур между Т_н - температурой чувствительного элемента ТИС, измеренной при включенном источнике переменного тока и Т_т - температурой теплоносителя, измеренной с помощью ТИС при отключенном источнике переменного тока; Т_т - температура теплоносителя, измеренная с помощью ТИС при отключенном источнике переменного тока; Т_н - температура чувствительного элемента ТИС, измеренная при включенном источнике переменного тока; W - средняя скорость воды в трубе, м/с; ν_f - кинематическая вязкость теплоносителя, м²/с, а_f - коэффициент температуропроводности, м²/с.

С помощью зависимости (2) данные градуировки описаны с точностью не хуже 3%. С этой же точностью будет определена и скорость теплоносителя.

Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения скорости теплоносителя, обеспечивается также за счет того, что устраняются ошибки, связанные с тем, что режимные параметры (температура, давление) теплоносителя отличны от тех, которые имели место при проведении градуировки ТИС. Вследствие изменения режимных параметров прежде всего температуры теплоносителя изменяется электрическое сопротивление зоны нагрева ТИС, так как электрическое сопротивление зоны нагрева ТИС зависит от температуры, R_з.н=f(T). Тепло, выделяемое в зоне нагрева ТИС за счет подвода мощности N=I² R_з.н.=U²/R_з.н. (3). Как видно из (3), даже если напряжение и ток в процессе определения скорости теплоносителя постоянны вследствие изменения R_з.н, мощность, подведенная к ТИС, будет определена не верно. Следовательно, скорость теплоносителя будет также определена не верно. В нашем случае мощность и, соответственно, тепловой поток определяются на основе напряжения и тока в цепи ТИС в течение времени экспозиции. Вследствие этого изменение температуры и, соответственно, электрического сопротивления зоны нагрева ТИС не отразятся на определении скорости теплоносителя.

На фиг.1 показана схема для осуществления способа.

На фиг.2 показана зависимость выходного сигнала термопарного измерителя скорости, ТИС от времени.

Схема для осуществления способа, фиг.1, включает в себя следующие элементы: 1 - блок питания, преобразования и выделения сигнала, в этом блоке происходит питание цепи ТИС от источника переменного тока (220 В), преобразование сигнала ТИС и отделение полезного сигнала ТИС от сигнала, идущего в цепи нагрева; 2 - входная цепь ТИС, входная цепь ТИС служит для передачи сигнала, сформированного в чувствительном элементе ТИС; 3 - цепь нагрева ТИС; служит для преобразования и передачи преобразованного сигнала от источника питания к цепи нагрева ТИС; 4 - выходная цепь ТИС, служит для передачи преобразованного полезного сигнала от чувствительного элемента ТИС к блоку 7; 5 - цепь измерения напряжения U в цепи ТИС и передачи полученных значений в блок 7; 6 - цепь измерения тока I в цепи ТИС и передачи полученных значений в блок 7; 7 - блок обработки сигналов - служит для записи поступающих сигналов (полезный сигнал от ТИС, напряжение, ток в цепи ТИС, давление) и их обработки по определенному алгоритму. В качестве блока 7 может быть использован персональный компьютер, микропроцессор, контроллер; 8 чувствительный элемент ТИС; 9 - измерительная цепь, по которой в блок 7 передается информация о давлении теплоносителя; 10 - добавочное сопротивление.

Способ определения скорости теплоносителя осуществляется следующим образом. Помещают чувствительный элемент ТИС 8 в канал, где производят измерение скорости теплоносителя (центр канала). Измеряют температуру теплоносителя Т_т с помощью термопарного измерителя скорости ТИС (цепь нагрева ТИС в этот момент времени отключена). Включают цепь нагрева ТИС, нагревают чувствительный элемент ТИС 8 от источника переменного тока 1 и производят измерение температуры нагретого чувствительного элемента ТИС Т_н. Определяют разность температур между чувствительным элементом ТИС и температурой теплоносителя, Т_т-ΔТ_ч.э.=Т_н-Т_т. В течение всего времени определения скорости теплоносителя в блоке 7 проходит запись и обработка поступающей информации (сигнал с ТИС, напряжение и ток в цепи ТИС, давление теплоносителя). В блоке 7 проходит определение средних значений U и I, записанных в течение времени экспозиции (τ_э) - времени процедуры осреднения и определения подведенной к ТИС мощности, N=U_cpI_cp. Время экспозиции τ_э, начало экспозиции τ_н·э, ее окончание τ_к·э и время экспозиции τ_э выбираются из условий: τ_н·э≥τ_н.н.+Δτ_п.вкл, τ_к·э≤τ_к.н-Δτ_п.выкл.,τ_э=τ_к·э-τ_н·э. Условия выбора времен обработки сигналов обусловлены наличием переходных процессов в цепи ТИС при включении и отключении источника питания. Выбор времен в указанных интервалах устраняет погрешности при определении скорости теплоносителя, связанные с переходными процессами в цепи ТИС и в цепи источника питания. В блоке 7 также определяется q - тепловой поток с поверхности зоны нагрева ТИС, Вт/м², q=N/F, где N - мощность подведенная к ТИС, F - поверхность зоны нагрева ТИС. Связь между тепловым потоком, мощностью и поверхностью нагрева определяется на основе предварительных градуировочных опытов. На фиг.2 показан пример записи выходного сигнала ТИС от времени измерения. На основе записи выходного сигнала происходит выбор времени экспозиции. Выбор времени экспозиции проходит на основе условий, описанных выше. В блоке 7 в течение всего времени определения скорости теплоносителя на основе поступивших данных (температура теплоносителя, Т_т в милливольтах, температура нагретого чувствительного элемента ТИС, Т_н - в милливольтах, давление теплоносителя - по цепи 9, напряжение, ток) определяется тепловой поток, теплофизические свойства теплоносителя: ν_f - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м²/с, λ_f - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/м·°С; a_f - коэффициент температуропроводности, м²/с. Теплофизические свойства определяются на основе функциональных зависимостей вида ν_f, λ_f, a_f, P_r=f(Т_т, Р_т) для конкретного теплоносителя, где Т_т, Р_т - температура теплоносителя и его давление: Т_т, Т_н - передаются в блок 7 первоначально в милливольтах, далее на основе предварительно полученной зависимости Т=f(E), где Е значения в мB, определяются их значения в градусах. На основе зависимости (1) в блоке 7 определяются значения скорости теплоносителя, которые запоминаются либо передаются для последующей обработки. Зависимость (1) предварительно была получена на градуировочном стенде на идентичном канале. Опыты проводились следующим образом. Устанавливался расход воды через измерительный участок. Измерялся расход воды с помощью мерной емкости и секундомера. Измерялась температура воды с помощью ТИС, отключенного от источника питания. Далее ТИС подключался к источнику питания и измерялась температура нагретого Т_н чувствительного элемента ТИС. Далее расход воды изменялся, и цикл измерений повторялся. Скорость воды определялась следующим образом где F_тр - проходное сечение трубы, м²; Q - объемный расход, м³/c. Зависимость (1) получена при следующих параметрах ТИС, ток через чувствительный элемент I=2,2 А, средняя плотность теплового потока с поверхности зоны нагрева q_з.н.≈29·10³ Вт/м², температура воды t_в≈20-340°С, давление до 16 МПа. Для получения функциональной связи вида W=f(ΔT,ν,р) проведена обработка полученных данных, в качестве базовой использовалась зависимость вида (2). В результате обработки данных получено: n=0,219, А=1,41, n₁=0,38. В качестве примера рассмотрим определение скорости воды в трубе диаметром 10 мм. Режимные параметры: давление 16.0 МПа, расход воды поддерживался постоянным и равнялся 360 кг/час. Температура воды изменялась в диапазоне 120-300°С. Определенные значения скорости теплоносителя с помощью ТИС сравнивались со скоростью, измеренной с помощью расходомерной шайбы (определялся расход, на основе которого определялась среднерасходная скорость в трубе и на основе предварительно определенного профиля скорости - скорость в центре трубы). Сравнение скоростей в указанном диапазоне расходов показало совпадение в диапазоне 3-5%.

Изобретение может использоваться для определения скорости потока жидкости в стационарных и переходных режимах. С помощью термопарного измерителя скорости (ТИС) измеряют температуру теплоносителя при отключенном источнике переменного тока. Подводят мощность (N) к ТИС от источника переменного тока, измеряют температуру нагретого чувствительного элемента ТИС при включенном источнике, определяют разность измеренных температур ΔТ_ч.э.. Мощность N определяют путем измерения падения напряжения и тока в цепи ТИС и их усреднения в течение периода экспозиции, начало, окончание и время которой выбирают с учетом времени переходных процессов. Скорость теплоносителя определяют по приведенной функциональной зависимости, включающей ΔТ_ч.э, а также тепловой поток q с поверхности F зоны нагрева ТИС, q=N/F. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений за счет устранения ошибок, связанных с нестабильностью источника питания, разными режимными параметрами (температура, давление) при проведении измерений и при градуировке ТИС. 2 ил.

Способ определения скорости теплоносителя, заключающийся в том, что измеряют с помощью термопарного измерителя скорости (ТИС) температуру теплоносителя (Т_т) при отключенном источнике переменного тока, подводят мощность (N) к ТИС от источника переменного тока, нагревают чувствительный элемент ТИС, измеряют температуру нагретого чувствительного элемента (Т_н) ТИС при включенном источнике переменного тока, определяют их разность, ΔТ_ч.э=Т_н-Т_т, отличающийся тем, что мощность N, подведенную к ТИС, определяют путем измерения падения напряжения (U) и тока (I) в цепи ТИС и определения их средних значений (U_cp) и (I_ср) в течение времени экспозиции (τ_э) - времени процедуры осреднения U и I и определения подведенной к ТИС мощности, N=U_cpI_cp, причем начало экспозиции τ_н.э, ее окончание τ_к.э и время экспозиции τ_э выбираются из условий τ_н.э≥τ_н.н+Δτ_п.вкл, τ_к.э≤τ_к.н-Δτ_п.выкл, τ_э=τ_к.э-τ_н.э, а скорость W теплоносителя определяют на основе предварительно полученной функциональной зависимости в виде

где τ_н.н - время включения источника переменного тока; τ_н.э - время начала процедуры осреднения U и I и определения подведенной к ТИС мощности; Δτ_п.вкл - время переходного процесса, обусловленного включением источника переменного тока, Δτ_п.вкл=Δτ_и.т+Δτ_н, где Δτ_и.т и Δτ_н время переходного процесса, связанного с включением источника переменного тока и выходом U и I на номинальные параметры и время переходного процесса, связанного с выходом ТИС на стационарное значение Т_н соответственно; τ_к.н - время выключения источника переменного тока; τ_к.э - время окончания процедуры осреднения U и I и определения подведенной к ТИС мощности; Δτ_п.выкл - время переходного процесса, обусловленного выключением источника переменного тока, Δτ_п.выкл=Δτ_и.т+Δτ_т, где Δτ_и.т и Δτ_т - время переходного процесса, связанного с выключением источника переменного тока и выходом U и I на нулевые значения и время переходного процесса, связанного с переходом ТИС от значений, соответствующих Т_н, до значений, соответствующих Т_т; q - тепловой поток с поверхности зоны нагрева ТИС Вт/м², q=N/F, где F - поверхность зоны нагрева ТИС; λ_f - коэффициент теплопроводности теплоносителя Вт/м°С; d_з.н - диаметр зоны нагрева ТИС, м; ν_f - коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м²/с; Pr - критерий Прандтля; А, n, n₁ - коэффициенты, определенные на основе опытных данных.