СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК G01P5/14 G01P5/16 

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для определения величины и направления скорости в потоках теплоносителя, например закрученных. Может быть использовано при определении величины и направления скорости потока в различных системах энергетических установок.

Известен способ определения величины и направления скорости теплоносителя, заключающийся в том, что устанавливают многоканальный датчик в точку измерения, измеряют перепады давления между каждой парой боковых отверстий датчика, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях и между давлением в центральном отверстии датчика и статическим давлением в месте измерения скорости, определяют значение скорости и углы натекания потока на датчик с помощью калибровочных зависимостей, причем калибровочные зависимости получают путем установки датчика навстречу потоку, поочередного отклонения датчика в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, измерения в каждой плоскости перепадов давления между боковыми отверстиями, установления функциональной связи между углами наклона датчика и перепадами давления между отверстиями датчика.

Калибровочные зависимости имеют следующий вид: δ=f(ΔP_1-3) при W=const, φ=const, φ=f(ΔP_4-5), при W=const, δ=const, ξ=f(φ,δ,W), (С.М.Горлин. Экспериментальная аэромеханика. Издательство «Высшая школа». М. 1979 г. с.166-172).

Недостатки способа следующие.

Результаты калибровки на воздухе (И.П.Повх. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Второе дополненное и исправленное издание. Изд-во «Машиностроение», М.-Л, 1965 г., с.194.) и наши калибровки на воде показывают, что расчет скорости по калибровочным зависимостям не позволяет получить однозначный результат. Это связано с тем, что скорость определяется с помощью калибровочных зависимостей, у которых коэффициенты пропорциональности между перепадами давления и скоростью определены для различных φ и δ.

Определение углов натекания по калибровочным зависимостям также приводит к значительным ошибкам. Ошибки возникают из-за того, что калибровочные кривые вида φ=f(ΔP_4-5) δ=f(ΔP_1-3), не замкнуты, получены в разных четвертях координат и описываются различными соотношениями, которые не совпадают на своих границах. Из-за этого в области граничных значений возникает неопределенность в выборе параметров, при переходе из одной зависимости в другую возникает разрыв значений. Неопределенность в выборе того или иного соотношения и возможность получения разрыва функций на границах приводит к значительным ошибкам при определении углов натекания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ определения скорости и направления потока теплоносителя, заключающийся в том, что устанавливают многоканальный датчик в точку измерения, измеряют перепады давления между каждой парой боковых отверстий датчика, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях и между давлением в центральном отверстии датчика и статическим давлением в месте измерения скорости, определяют значение скорости и углы натекания потока на датчик с помощью калибровочных зависимостей, причем калибровочные зависимости получают путем наклона датчика в плоскости на различный угол и вращения датчика относительно оси в диапазоне углов φ от 0 до 360°, измерения при каждом постоянном положении угла φ перепадов давления между каждой парой боковых отверстий, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, повторения цикла измерений при других значениях скорости потока и угла δ и установления функциональной связи в виде замкнутых кривых, ΔР_1-3=f(ΔP_4-5), полученных при постоянных скорости потока и угле наклона плоскости 5=const, где ΔР_1-3, ΔР_4-5 - перепады давления между парами боковых отверстий датчика, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях. (Патент России 2360257 МРК³ G01P 5/14 (2006.1). Способ определения величины и направления скорости теплоносителя / Э.А.Болтенко, В.Н.Жилко, Д.Е.Марцинюк // Заявка №2007144737/28 от 05.12.2007. Бюл. №18.2009).

Основные недостатки способа

1. Основной недостаток заключается в том, что практически невозможно изготовить датчик малого диаметра с точным расположением каналов 1-4 по окружности через 90°. Последнее приводит к асимметричности калибровочных кривых и снижению точности измерений вектора скорости.

2. С помощью известного способа невозможно измерить скорости и направление скорости вблизи стенки. Последнее связано с тем, что размеры датчика невозможно сделать малыми - минимальный размер датчика составляет 3 мм. При меньшем диаметре датчика измерительные трубки быстро засоряются, что приводит к ошибкам при измерениях.

3. С помощью известного способа проведение измерений достаточно сложно - последнее связано с тем, что при измерениях необходимо контролировать работу 6 каналов. При засорении канала или попадания в него воздуха измерения становятся не корректными, последнее достаточно трудно проконтролировать.

Предлагается способ определения скорости и направления потока теплоносителя, заключающийся в том, что устанавливают многоканальный датчик с отверстиями в точку измерения, измеряют перепады давления, определяют значение скорости и углы натекания потока на датчик с помощью калибровочных зависимостей, причем калибровочные зависимости получают путем наклона датчика в плоскости на различный угол δ и вращения датчика относительно оси в диапазоне углов φ от 0 до 360°, измерения при каждом постоянном положении угла φ перепадов давления, повторения цикла измерений при других значениях скорости потока и угла δ и установления функциональной связи в виде замкнутых кривых, между перепадами давления, полученными при постоянных скорости потока и угле наклона плоскости δ=const, отличающийся тем, что перепады давления измеряют между давлениями в отверстиях датчика, оси которых расположены через 120°, при этом отверстия скошены под углом 45°, и статическим давлением на стенке канала, а калибровочные зависимости получают в виде ΔP_1-ст=f(ΔР_2-ст), ΔР_3-ст=f(W), где ΔP_1-ст, ΔР_1-ст - перепады давления между давлениями в отверстиях датчика, оси которых расположены через 120°, при этом отверстия скошены под углом 45° к оси датчика и статическим давлением на стенке канала; ΔР_3-ст - перепад давления между отверстием датчика, перпендикулярным к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала; W - локальная скорость потока теплоносителя, параллельная оси датчика.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности и расширения диапазона измерений в области вблизи стенки, что обеспечивается тем, что при определении скорости и углов натекания потока на датчик используют измерение перепадов давления между давлениями в отверстиях датчика, оси которых расположены через 120°, при этом отверстия скошены под углом 45° к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала. Достижение технического результата, направленного на повышении точности, обеспечивается за счет того, что измерительные каналы (трубки) размещаются через 120°, в связи с этим в калибровочные кривые не вносится ошибка, связанная с некорректным размещением измерительных каналов по окружности.

Достижение технического результата, направленного на расширения диапазона измерений в области вблизи стенки, обеспечивается за счет того, что число измерительных каналов меньше. За счет снижения числа каналов уменьшают размер датчика, при этом внутренний диаметр трубок остается достаточным для обеспечения контроля засорения каналов или удаления из каналов выделяющегося из воды воздуха. Благодаря уменьшению размера датчика появляется возможность приблизить датчик к стенке.

Пример конкретного выполнения.

На фиг.1 приведена принципиальная схема трехканального датчика. Датчик состоит из трех измерительных трубок диаметром 1,2 мм, две из которых имеют на выходе одинаковый скос под 45° (каналы 1 и 2), а третья (канал 3) - скос, перпендикулярный оси канала. Трубки плотно спаяны друг с другом так, что их оси располагаются по окружности через 120°, а диаметр датчика составляет 2,4 мм.

Для получения калибровочных зависимостей использовался стенд, гидравлическая схема которого приведена на фиг.2. Стенд включает в себя бак с водой 1, центробежный насос 2, ротаметры 3 для измерения расхода и канал 6, подающий жидкость к датчику 7. В состав стенда входит арматура 4, 5 для изменения расхода жидкости и координатное устройство 9, позволяющее перемещать датчик скорости в продольном и поперечном направлении с шагом 0,01 мм. Стенд позволяет изменять расход жидкости в диапазоне 10-160 мл/с, что позволяет получать среднюю скорость (при использовании каналов диаметром от 8 до 32 мм) на выходе из канала от 0,016 до 3,2 м/с.

На фиг.3 показана система перемещения датчика. В отличие от известных систем перемещений калибровочных стендов предлагаемая система, кроме наклона датчика в одной плоскости, позволяет вращать датчик вокруг своей оси на угол 360° и перемещать его в горизонтальной плоскости.

Система перемещения включает в себя следующие элементы:

три измерительные трубки d=1,2 мм;

1 - подвижный корпус датчика, поворачиваемого на угол φ;

2 - неподвижный корпус с лимбом поворота на угол φ;

3 - канал для измерения давления P₁;

4 - канал для измерения давления Р₂;

5 - канал для измерения давления Р₃;

6 - кронштейн крепления датчика при калибровке;

7 - разрезная трубка для фиксации утла наклона датчика δ;

8 - подвижный лимб для измерения угла наклона датчика δ;

9 - координатное устройство для перемещения датчика в горизонтально плоскости.

На фиг.4 представлена схема подключения датчиков перепада давления к трехканалъному датчику в процессе калибровки и измерения. Датчик устанавливается в калибровочный канал, см. фиг.3. Устанавливается требуемая по условиям калибровки скорость потока воды через калибровочный канал.

После установки датчика на угол 8 начинают вращать датчик относительно оси на 360°, измеряют при каждом постоянном положении угла φ перепады давления между давлением в отверстиях, лежащих со скосом под углом 45° к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала и давлением в отверстии, перпендикулярном к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала, повторяют цикл измерений при других значениях скорости потока и угла δ.

На фиг.5, 6 показаны серии калибровочных зависимости для некоторого диапазона скоростей и углов δ.

После проведения калибровки калибровочные кривые преобразуются из эллипсов в окружности. Для этого осуществлено смещение центра эллипсов в начало координат, затем осуществлен поворот калибровочных кривых на угол α и введен коэффициент пропорциональности между величинами больших и малых полуосей.

Обозначим:

Величина смещения х_с=у_с центров калибровочных эллипсов относительно начала координат является функцией скорости V.

Смещенное значение геометрического места точек калибровочных кривых у_ц можно оценить по формуле

Угол α поворота калибровочных кривых равен 30°. Уравнения поворота кривых:

Обозначим а - большая полуось калибровочных эллипсов, b - малая полуось калибровочных эллипсов. Из калибровочных данных было получено, что

Учитывая все произведенные преобразования, в результате получаем уравнение окружности, параметры которой зависят от величин скорости потока V и угла δ наклона направления скорости потока:

Величина большой полуоси а зависит от V и δ, причем из рисунка видно, что треугольники, образованные касательными прямыми к эллипсам, проведенными из начала координат, и большими полуосями этих эллипсов подобны. Следовательно, размер большой полуоси при постоянной δ будет зависеть от скорости V так же, как и смещение центров эллипсов от начала координат. Учитывая, что величина большой полуоси прямо пропорциональна величине угла наклона δ, из калибровочных кривых получаем

Следовательно, величину большой полуоси можно подставить в полученное уравнение окружности и выразить оттуда величину угла наклона δ:

Величину скорости V можно найти из уравнения зависимости скорости от ΔР_3-ст:

Величина угла φ находится как арксинус отношения ординаты точки калибровочной окружности к радиусу этой окружности, то есть учитывая формулу (7):

В зависимости от величины угла поворота φ и угла наклона δ вводится поправка в вычисление величины скорости:

Измерение величины и направления скорости осуществляется следующим образом. Датчик устанавливается параллельно оси канала навстречу потоку. Измеряют перепады давления между боковыми отверстиями датчика и статическим давлением в месте измерения скорости, определяют значение скорости и углы натекания потока на датчик с помощью калибровочных зависимостей. Скорости и углы натекания определяют следующим образом.

1. Определяем скорость потока по формуле (9).

2. Смещаем калибровочные данные по формуле смещения центров калибровочных кривых (2), (3).

3. Осуществляем поворот плоскости отображения экспериментальных данных на угол α=30° по формуле (4).

4. Вычисляем величину угла наклона δ в первом приближении.

5. Учитывая величину углов поворота φ и наклона δ, определяем уточненное значение скорости V_f по формуле (11).

6. Вычисляем окончательную величину угла наклона δ по формуле (8).

7. Определяем значение угла φ по формуле (10).

Проекции скорости на оси равны, фиг.7:

V_X=-V·sin δ·cos φ

V_Y=-V·sin δ·sin φ

V_Z=V·cos δ

На фиг.8 приведена схема канала, в котором определена величина и направление скорости. Диаметр канала d_y=20 мм. В канале был установлен шнековый завихритель 17 длиной 200 мм с одним витком на 360°. Измерения проводились в двенадцати точках на выходе из канала на глубине 5 мм от выходной кромки трубы. Средняя скорость в канале с учетом объема, занимаемого завихрителем толщиной 2 мм, составила соответственно 0,394 м/с.

На фиг.9 приведены проекции скорости V на плоскость ХУ, лежащей перпендикулярно оси датчика.

Изобретение может быть использовано в различных системах энергетических установок. В точку измерения устанавливают многоканальный датчик с отверстиями. Измеряют перепады давления ΔP_1-ст, ΔР_2-ст между давлениями в отверстиях датчика, оси которых расположены через 120°, при этом отверстия скошены под углом 45° к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала. Определяют значение скорости и углы натекания потока теплоносителя на датчик с помощью калибровочных зависимостей вида ΔP_1-ст=f(ΔP_2-ст), ΔP_3-ст=f(W), где ΔР_3-ст - перепад давления между отверстием датчика, перпендикулярным к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала; W - локальная скорость потока теплоносителя, параллельная оси датчика. Калибровочные зависимости получают путем наклона датчика в плоскости на различный угол δ и вращения датчика относительно оси в диапазоне углов φ от 0 до 360°, измерения при каждом постоянном положении угла φ перепадов давления, повторения цикла измерений при других значениях скорости потока и угла δ, и установления функциональной связи в виде замкнутых кривых между перепадами давления, полученными при постоянных скорости потока и угле наклона плоскости δ=const. Изобретение повышает точность измерения вектора скорости и расширяет диапазон измерения в область вблизи стенки канала. 9 ил.

Способ определения скорости и направления потока теплоносителя, заключающийся в том, что устанавливают многоканальный датчик с отверстиями в точку измерения, измеряют перепады давления, определяют значение скорости и углы натекания потока на датчик с помощью калибровочных зависимостей, причем калибровочные зависимости получают путем наклона датчика в плоскости на различный угол δ и вращения датчика относительно оси в диапазоне углов φ от 0 до 360°, измерения при каждом постоянном положении угла φ перепадов давления, повторения цикла измерений при других значениях скорости потока и угла δ, и установления функциональной связи в виде замкнутых кривых между перепадами давления, полученными при постоянных скорости потока и угле наклона плоскости δ=const, отличающийся тем, что перепады давления измеряют между давлениями в отверстиях датчика, оси которых расположены через 120°, при этом отверстия скошены под углом 45° к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала, а калибровочные зависимости получают в виде ΔP_1-ст=f(ΔP_2-ст), ΔP_3-ст=f(W), где
ΔP_1-ст, ΔР_2-ст - перепады давления между давлениями в отверстиях датчика, оси которых расположены через 120°, при этом отверстия скошены под углом 45° к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала; ΔР_3-ст - перепад давления между отверстием датчика, перпендикулярным к оси датчика, и статическим давлением на стенке канала; W - локальная скорость потока теплоносителя, параллельная к оси датчика.