СПОСОБ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИИ ГАЗОВОГО ПОТОКА И ТЕРМОАНЕМОМЕТР НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2023 года по МПК G01P5/12 

Изобретение относится к измерительной технике в области измерений тепло-гидродинамических параметров газовых потоков, в частности - к измерениям скорости и теплоотдачи и предназначено для использования в исследованиях широкого спектра газовых потоков, в том числе, двухфазных дисперсных потоков.

Достигнутый уровень науки и техники в данной области измерений характеризуется следующим состоянием.

При измерениях тепло-гидродинамических параметров газового потока в настоящее время широко используют термоанемометрические способы, которые обладают рядом следующих достоинств: высокая чувствительность, которая обеспечивает возможность измерения малых и средних скоростей потоков, миниатюрные размеры чувствительного элемента, которые обеспечивают возможность измерения быстро изменяющихся скоростей потоков, для измерений сигналов первичных преобразователей применимы простые схемы и приборы, дистанционное измерение осуществляется сравнительно просто. Среди данных способов выделены следующие аналоги, которые, так или иначе, имеют ряд общих признаков с заявляемым способом.

Известен, например, термоанемометрический способ, в котором измерение скорости газового потока осуществляют путем регистрации изменения температуры нагреваемой электричеством металлической проволоки (преобразователя расхода), помещенной в контролируемый поток газа. В основу способа положена зависимость степени охлаждения преобразователя температуры от скорости протекающего потока и физических свойств газа (теплопроводности, температуры и плотности), а также от разности температур преобразователя и газа (Измерения в промышленности. Под редакцией П. Профоса, Справочник, т. 2, М.: Металлургия, 1990, С. 274-276). В данном способе имеются две его разновидности:

- способ постоянного тока, в котором ток, нагревающий проволоку, поддерживается постоянным и измеряется с помощью сопротивления. Параметры и питание мостовой схемы, в которую подключено сопротивление, подбираются так, что при нулевой скорости газа мостовая схема находится в равновесии. Отклонение стрелки гальванометра служит мерой скорости потока. Данный способ обладает достаточной чувствительностью только при малых скоростях контролируемых потоков и непригоден для измерения больших скоростей (ν>0,5 м/с);

- способ постоянной температуры, в котором сопротивление охлаждаемого потоком преобразователя поддерживается постоянным путем регулирования напряжения нагрева (напряжения питания мостовой схемы). Это напряжение или ток питания моста служит мерой скорости контролируемого потока.

Известен другой способ термоанемометрических измерений, в котором путем пропускания через термочувствительный элемент импульсного тока, нагрева и охлаждения термочувствительного элемента до фиксированного температурного значения, регистрируют действующее значение импульсного тока, протекающего через термочувствительный элемент (патент на изобретение РФ №2217765, МПК G01P 5/12, G01F 1/68, опубл. 27.11.2003, БИ №33). В данном способе организация термоанемометрического измерения, в котором контролируемым параметром является действующее значение импульсного тока, протекающего через термочувствительный элемент, позволяет устранить влияние на результаты измерений помех в виде быстроменяющихся температур окружающей термочувствительный элемент среды и обеспечить повышение точности измерений. Недостаток способа заключается в том, что он не позволяет измерять коэффициент теплоотдачи в газовом потоке, в способе также не определена связь требуемой амплитуды импульсного тока со скоростью газового потока, что существенно ограничивает применение способа.

Известен также способ измерения скорости потока жидкости или газа (патент на изобретение РФ №2427843. МПК G01P 5/12, G01N 25/00, опубл. 27.08.2011. БИ №24), который включает размещение в потоке жидкости или газа термистора, имеющего отрицательный температурный коэффициент сопротивления, измерение начального сопротивления указанного термистора, приложение к указанному термистору энергетического импульса для создания разности температур между указанным термистором и указанным потоком, измерение стартового сопротивления указанного термистора непосредственно после отключения действия указанного импульса и запоминание стартового времени указанного отключения, и вычисление величины сопротивления отсечки как заранее предопределенной доли от разности между указанным начальным сопротивлением и указанным стартовым сопротивлением, сравнение сопротивления указанного термистора и указанной величины сопротивления отсечки во время процесса остывания термистора, запоминание времени отсечки достижения указанным сопротивлением термистора величины сопротивления отсечки, вычисление временного интервала между указанным временем отключения и указанным временем отсечки, определение скорости потока жидкости или газа исходя из указанного временного интервала. Недостаток способа - относительно низкая точность измерений, вызванная зависимостью показаний термистора от химического и структурного состава газового потока, кроме того способ не обеспечивает возможность измерения коэффициента теплоотдачи.

Известен способ измерения скорости потока жидкости или газа, согласно которому в потоке располагают термочувствительный преобразователь для измерения температуры потока и термочувствительный преобразователь с подогревателем для измерения скорости потока (термоанемометр) и осуществляют измерение температуры среды и температуры термоанемометра, при этом, если разность температур термочувствительных преобразователей (перегрев) находятся в пределах заданного диапазона, то мощность нагрева постоянна, если же перегрев термоанемометра выходит за пределы заданного диапазона, то мощность нагрева изменяют до попадания перегрева в заданный диапазон. Значение измеряемой скорости потока рассчитывают по формуле с учетом измеренного перегрева и мощности нагрева (патент на изобретение РФ №2267790, МПК G01P 5/12, G01F 1/68, опубл. 10.01.2006, БИ №1). Недостаток данного способа заключается в невысокой точности измерений скорости и невозможности измерения коэффициента теплоотдачи.

Известен способ измерения параметров газовых и жидких сред, заключающийся в том, что в исследуемую среду помещают термочувствительный элемент, через который пропускают импульсный электрический ток, при скачкообразном изменении тока регистрируют момент начала скачка и момент установления процесса изменения электрического сопротивления термочувствительного элемента, затем определяют временной интервал между этими двумя моментами времени, по которым находят искомые параметры измеряемых сред (авт. свид. СССР №636676, МПК G01P 5/12, опубл. 15.12.1978). Недостаток способа - относительно низкая точность измерений, вызванная зависимостью показаний термочувствительного элемента от химического и структурного состава исследуемой среды, кроме того способ не обеспечивает возможность измерения коэффициента теплоотдачи.

Известен датчик термоанемометра, который содержит чувствительный элемент, выполненный в виде подложки из монокристаллического полупроводникового материала трубчатой формы с наружным диаметром 0,1-100 мкм и толщиной стенки 0,001-1 мкм, на внутреннюю или наружную поверхность которой нанесен чувствительный слой электропроводного материала (патент на изобретение РФ №2207576, МПК G01P 5/12, опубл. 27.06.2003, БИ №18).

Известен термоанемометр постоянной температуры, который содержит четыре сопротивления и усилители, причем одно из сопротивлений является чувствительным элементом. Следящая система поддерживает постоянство сопротивления и температуры чувствительного элемента, сохраняя при этом устойчивость в широком диапазоне возмущающих воздействий. Чувствительный элемент может иметь как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент сопротивления (патент на изобретение РФ №2137139, МПК G01P 5/12, опубл. 10.09.1999).

Известно устройство для измерения скорости движения и температуры потоков флюидов (патент на изобретение РФ №2395684, МПК G01P 5/12, опубл. 27.07.2010, БИ №21), включающее цилиндрический трубчатый корпус, струевыпрямитель, установленный со стороны открытого конца в передней части цилиндрического трубчатого корпуса и окна для выхода потока флюида в его задней части, нагреватель и три термочувствительных элемента, установленные между струевыпрямителем и окнами для выхода потока флюида, электрическую схему для формирования информационного сигнала, блок питания и регистратор, причем два термочувствительных резистивных элемента имеют равные значения электрических сопротивлений и разные рабочие поверхности витков, омываемых потоком набегающего флюида и расположенных взаимно-перпендикулярно на несущем каркасе, образованном как минимум, двумя пластинами трапецеидальной формы из электроизоляционного и теплоизоляционного материала, обращенными малыми основаниями трапеций к набегающему потоку флюида, причем витки одного из резистивных термочувствительных элементов расположены на несущем каркасе перпендикулярно направлению движения флюида, второго - параллельно, а термочувствительные элементы включены последовательно в одну из трех ветвей измерительной схемы, выполненной в виде уравновешенного моста постоянного тока, в котором вторая ветвь образована двумя идентичными полупроводниковыми стабилитронами, являющимися одновременно стабилизаторами напряжения питания моста и источниками опорного напряжения, третий термочувствительный элемент установлен перед указанными выше двумя термочувствительными элементами в передней части цилиндрического трубчатого корпуса на ближнем к набегающему потоку флюида конце струевыпрямителя, выполненного из материала с низкой теплопроводностью, причем термочувствительные элементы включены в мостовую схему, состоящую из трех параллельных ветвей, подключенных между двумя токоподводящими зажимами таким образом, что первая ветвь содержит два последовательно включенных резистивных термочувствительных элемента, образующих два плеча мостовой схемы, вторая ветвь образована двумя идентичными последовательно включенными полупроводниковыми стабилитронами, третья ветвь содержит один термочувствительный элемент, включенный последовательно с регулировочным резистором, съем информации о скорости движения флюидов осуществляется между средней точкой соединения двух резистивных термочувствительных элементов, входящих в первую ветвь, и средней точкой соединенных последовательно идентичных стабилитронов, включенных во вторую ветвь, съем информации о температуре флюида осуществляется между средней точкой последовательно включенного термочувствительного элемента и регулировочного резистора в третьей ветви мостовой схемы и средней точкой соединения двух идентичных полупроводниковых стабилитронов, образующих вторую ветвь.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является термоанемометрический способ определения скорости потока газа (способ-прототип), который заключается в том, что в потоке газа размещают тепловыделяющий и термочувствительный элементы, нагревают тепловыделяющий элемент, регистрируют изменение напряжения с термочувствительного элемента, по которому определяют скорость потока газа, при этом тепловыделяющий и следующий за ним термочувствительный элемент разносят в пространстве по направлению потока, тепловыделяющий элемент нагревают в импульсном или частотно-импульсном режиме, в процессе прохождения потока газа последовательно регистрируют импульсы напряжения с нагретого тепловыделяющего элемента и с термочувствительного элемента, измеряют интервал времени между фронтами зарегистрированных импульсов, а скорость потока определяют с учетом измеренного интервала (патент на изобретение РФ №2347227, МПК G01P 5/12, опубл. 20.02.2009, БИ №5). Недостаток способа - в нем не предусмотрено измерение коэффициента теплоотдачи, кроме того, имеется ограничение по максимальной измеряемой скорости потока, которое оценивается значением 0,5 м/с.

Технический результат от применения способа - повышение точности измерений, расширение номенклатуры и динамических диапазонов измеряемых параметров с одновременным увеличением номенклатуры измеряемых потоков.

Указанный технический результат достигается тем, что используют два одинаковых по форме и размерам тела, тепловые инерции которых существенно различаются, размещают данные тела в измеряемом газовом потоке и осуществляют их одновременный нагрев одинаковой мощностью нагрева до достижения телами стационарной температуры нагрева, при этом одновременно непрерывно регистрируют мгновенные значения температуры тел, после достижения стационарной температуры нагрева одновременно мгновенно переводят тела в стадию охлаждения газовым потоком, для чего прекращают нагрев тел, в результате достигают стационарной температуры охлаждения тел, которая равна температуре газового потока, после этого полученные массивы температурных данных тел трансформируют в нормализованные перегревы, для чего для каждого тела для температурных данных режима нагрева из каждого измеренного значения температуры вычитают значение температуры газового потока и относят его к разности между достигнутой стационарной температурой нагрева и температурой газового потока, для температурных данных режима охлаждения из каждого измеренного значения температуры вычитают значение достигнутой стационарной температурой нагрева тела и относят его к разности между достигнутой стационарной температурой нагрева тела и температурой газового потока, в результате трансформации получают массив нормализованных перегревов тел, затем находят разности нормализованных перегревов тел в одноименные моменты времени, по найденным разностям для стадии нагрева и охлаждения находят два значения момента времени, которые соответствуют максимальной разности нормализованных перегревов тел, затем из найденных моментов времени находят их арифметическое среднее, по которому рассчитывают искомые коэффициент теплоотдачи и скорость газового потока, при этом для расчета скорости используют градуировочную зависимость, которую получают предварительно для эталонного газового потока, а для расчета коэффициента теплоотдачи используют соотношение:

где

α - коэффициент теплоотдачи,

С₁ - полная теплоемкость первого тела, тепловая инерция которого больше,

С₂ - полная теплоемкость второго тела, тепловая инерция которого меньше,

S - площадь наружной поверхности первого и второго тела (по отдельности),

τ_max - арифметическое среднее из двух моментов времени, соответствующих максимальной разнице нормализованных перегревов тел.

Указанный технический результат реализуется с помощью термоанемометра, который содержит два тела одинаковой заданной формы и размеров, два одинаковых малоинерционных термопреобразователя, два одинаковых электрических нагревателя, держатель тел, источник стабилизированного питания, блок управления и обработки сигналов, причем тела размещены в держателе и обладают существенно различающейся тепловой инерцией, в каждое тело встроено по одному нагревателю и одному малоинерционному термопреобразователю, каждый нагреватель подключен к источнику стабилизированного питания, все термопреобразователи подключены к блоку управления и обработки сигналов.

Сущность способа и реализующего его устройства (термоанемометра) поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 показано размещение термоанемометра в измеряемом газовом потоке, на фиг. 2 представлена временная диаграмма температурных зависимостей, поясняющая теоретическую основу способа измерений, на фиг. 3 - представлена характерная зависимость времени, соответствующего максимальной разнице нормализованных перегревов тел, от скорости газового потока, на фиг. 4 представлена структурная схема заявляемого термоанемометра. На фигурах представлены:

1 - первое тело, обладающее большей тепловой инерцией; 2 - второе тело, обладающее меньшей тепловой инерцией; 3 - термопреобразователь, размещаемый в теле 1; 4 - термопреобразователь, размещаемый в теле 2; 5 -электрический нагреватель, размещаемый в теле 1; 6 - электрический нагреватель, размещаемый в теле 2; 7 - держатель, на котором устанавливаются тела 1,2; 8 - источник стабилизированного питания; 9 - блок управления и обработки сигналов.

В качестве теоретической основы заявляемого способа взято известное явление инерционности отклика любой термодинамической системы при ступенчатом тепловом воздействии на нее. Данное явление приводит к тому, что при одновременном ступенчатом тепловом воздействии на два одинаковых по размерам тела, обладающих существенно различающимися тепловыми инерциями, возникает различие нестационарных температур указанных тел в одноименные моменты времени. Данное различие напрямую связано с условиями теплообмена указанных тел с окружающей средой - с коэффициентом теплоотдачи (α) и со скоростью газового потока (ν).

Таким образом, если взять два тела с существенно различающимися тепловыми инерциями и разместить их в исследуемом газовом потоке (как показано на фиг. 1), затем ступенчатым тепловым воздействием нагреть их до некоторой стационарной температуры, после чего также ступенчато прекратить нагрев тел и перевести их в режим охлаждения газовым потоком, то из-за различия в тепловых инерциях тел скорости нагревания (охлаждения) каждого из тел будут различны. Это, в свою очередь, всегда будет приводить к температурному запаздыванию температуры одного из тел относительно температуры другого тела (фиг. 2). Причем, тело 2 (фиг. 2), обладающее меньшей тепловой инерцией, будет быстрее изменять свою температуру, чем другое тело - тело 1, тепловая инерция которого значительно больше. Именно этот принцип взят за основу заявленного способа и обеспечивает заявленный технический результат.

Связь температурного различия с искомыми параметрами потока устанавливают следующим образом. Процесс нагревания (охлаждения) любого тела при теплообмене его с окружающей средой при граничных условиях 3-го рода, что имеет место в заявленном способе, строго описывается известными температурными зависимостями, следующими из теории регулярного режима (Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954 - 408 с.). Применительно к телам, используемым в заявленном способе, справедливо следующее:

В режиме нагрева:

- изменение температуры первого тела (тело 1, фиг. 1) во времени описывается соотношением:

- изменение температуры второго тела (тело 2, фиг. 1) во времени описывается соотношением:

где

T₁(τ₁), Т₂(τ₁) - текущая температура первого и второго тела в режиме их нагрева, соответственно,

T₀ - начальная температура тел перед их нагреванием, которая равна температуре исследуемого газового потока,

T_m1 - стационарная температура первого тела, достигнутая в результате нагревания,

T_m2 - стационарная температура второго тела, достигнутая в результате нагревания,

m₁, m₂ - темп нагревания-охлаждения первого и второго тела, соответственно (темп нагревания - есть величина, обратная тепловой инерции),

τ₁ - время, исчисляемое с момента начала нагревания.

Для режима охлаждения тел, который начинается после того, как в результате нагрева температура каждого тела достигла своего конечного стационарного значения T_m1, T_m2, и тела переведены в режим охлаждения (нагрев тел прекращен), справедливы следующие соотношения:

- изменение температуры первого тела во времени описывается соотношением:

- изменение температуры второго тела во времени описывается соотношением:

где

T₁(τ₂), T₂(τ₂) - текущая температура первого и второго тела в режиме их охлаждения, соответственно,

τ₂ - время, исчисляемое с момента начала охлаждения.

При нагреве тел одинаковой мощностью Р, как предусмотрено в способе, их достигнутые стационарные температуры T_m1, T_m2 будут всегда несколько различаться, поэтому для получения окончательного уравнения измерения способа уравнения (1)-(4) приводят к нормализованному виду, для чего из обеих частей каждого уравнения (1), (2) вычитают температуру газового потока T₀, из обеих частей каждого уравнения (3), (4) вычитают соответствующую достигнутую стационарную температуру нагрева T_mi (i=1,2) и все полученные разницы относят к соответствующей разности достигнутой стационарной температуры нагрева T_mi и температуры газового потока Т₀, т.е. к соответствующей разности (T_mi-T₀), таким образом получают массив нормализованных перегревов каждого тела для режима нагрева и для режима охлаждения (фиг. 2). После этого, используя полученные нормализованные перегревы тел находят их разность в одноименные моменты времени, т.е. разность нормализованного перегрева первого тела относительно второго тела в одноименные моменты времени, в конечном виде получают одно общее уравнение для режима нагрева и для режима охлаждения:

где

τ=τ₁ - для режима нагрева, τ=τ₂ для режима охлаждения.

Далее, с целью нахождения момента времени τ_max, при котором разница нормализованных перегревов тел будет максимальной, находят частные производные от по времени.

Производная соотношения (5) равна:

Для нахождения экстремума функции приравнивают соотношение (6) к нулю, получают:

где

τ_max - арифметическое среднее из двух моментов времени, соответствующих максимальной разнице нормализованных перегревов тел для режима нагрева (τ_1max) и режима охлаждения (τ_2max) (фиг. 2).

Для перехода к коэффициенту теплоотдачи а используют общеизвестное соотношение для темпа нагревания-охлаждения любого тела, которое согласно теории регулярного теплового режима, имеет вид:

где

α - коэффициент теплоотдачи от тела к газовому потоку,

S - площадь теплообменной (наружной) поверхности тела,

С - полная теплоемкость тела,

Следуя (8), темп нагревания (охлаждения) первого тела равен:

второго тела:

При этом считают, что полные теплоемкости С₁, С₂ и площади наружной поверхности S каждого тела заранее известны с заданной точностью, что не представляет особых сложностей. Кроме того, так как тела одинаковы по форме и размерам и находятся в одном и том же газовом потоке, т.е. в равных условиях теплообмена, то их коэффициенты теплоотдачи а одинаковы, т.е. α₁=α₂=α,

Из (9), (10) следует, что отношение темпов нагревания-охлаждения тел равно:

Уравнение измерения способа следует из уравнения (7), решенного относительно коэффициента теплоотдачи а. Подставив в (7), соотношения (9), (10), (11) решают данное уравнение относительно α, в окончательном виде получают:

Уравнение (12) является уравнением измерения коэффициента теплоотдачи в заявленном способе. Из структуры уравнения измерения (12) следует, что для нахождения коэффициента теплоотдачи необходимо по экспериментально зарегистрированным температурам тел найти моменты времени τ_1max, τ_2max, при которых разница нормализованных перегревов тел максимальна, и затем найти среднеарифметическое значение указанных времен. Таким образом, задача нахождения (измерения) коэффициента теплоотдачи решена.

Второй измеряемый параметр - скорость газового потока (ν). Как известно, интенсивность теплообмена в газовом потоке пропорциональна скорости потока, а именно, - чем выше скорость потока, тем интенсивнее теплообмен, тем выше коэффициент теплоотдачи, т.е. α~ν.

Следовательно, скорости потока также пропорционально время τ_max, при котором наблюдается максимальная разница нормализованных перегревов тел. Из известных соотношений для критериальных чисел Рейнольдса (Re), Нуссельта (Nu) и соотношения (12) для газовых потоков следует, что время τ_max пропорционально следующим параметрам:

где

μ - кинематическая вязкость газа;

λ - теплопроводность газа;

n - численная константа.

Заметим, что численное значение комплекса (μⁿ/λ) будет различно для разных газов, равно как и для одного и того же газа, но для разных температур. Это необходимо учитывать при реализации способа. Исходя из этого, для нахождения скорости газового потока достаточно иметь предварительно полученную градуировочную зависимость времени τ_max от скорости потока v, которую получают на эталонном газовом потоке. Характерный вид такой зависимости τ_max(ν) представлен на фиг. 3. Под эталонным газовым потоком подразумевается воздушный или иной поток, скорость которого заранее известна с заданной точностью. Полученная зависимость τ_max(ν) может быть распространена на газовые потоки и разные температуры одного и того же потока, для которых в пределах заданной точности близки значения отношения (μⁿ/λ,). Для других потоков и температур требуется отдельная градуировка с использованием нового выбранного эталонного газа и диапазона температур.

Сущность способа и его практическая реализация раскрывается на примере работы устройства - термоанемометра, обобщенная схема которого представлена на фиг. 4. Термоанемометр содержит два тела 1, 2 одинаковой заданной формы и размеров, два одинаковых малоинерционных термопреобразователя 3, 4, два нагревателя 5, 6, держатель тел 7, источник стабилизированного питания 8, блок управления и обработки сигналов 9, причем тела 1, 2 размещены в держателе 7 и обладают существенно различающейся тепловой инерцией, в каждое тело 1, 2 встроено по одному нагревателю 5, 6 и одному малоинерционному термопреобразователю 3, 4, каждый нагреватель 5, 6 подключен к источнику стабилизированного питания 8, термопреобразователи 3, 4 подключены к блоку управления и обработки сигналов 9.

Тела 1, 2, например, выполнены в форме одинаковых сплошных цилиндров одинаковой длины L=0,02 м и диаметром d=0,01 м. При этом тело 1 выполнено из алюминия с удельной теплоемкостью c₁=920 Дж/(кг⋅К) и плотностью ρ₁=2712 кг/м³, а тело 2 выполнено диаметром из меди с удельной теплоемкостью с₂=400 Дж/(кг⋅К) и плотностью ρ₂=8920 кг/м³. Полная теплоемкость тела 1 равна C₁=c₁πd²Lρ₁/4=920⋅3,14⋅0,01²⋅0,02⋅2712/4=3,9 Дж/К, а полная теплоемкость тела 2 равна C₂=c₂πd²Lρ₂/4=400⋅3,14⋅0,01²⋅0,02⋅8920/4=5,6 Дж/К. Площади теплообменной поверхности тел 1, 2 равны и составляют S=πd₁L₁+πd₁²/2=3,14⋅0,01⋅0,02+3,14⋅0,01²/2=7,85⋅10^-4 м². Отношения, входящие в уравнение измерения метода (12), соответственно, равны: С₁/С₂=5,6/3,9=0,7; S(C₁-C₂)/(C₂C₁)=-6,1⋅10^-5.

В указанные тела 1, 2 встроены миниатюрные электрические нагреватели 5, 6 и термопреобразователи 3, 4, соответственно: в тело 1 -нагреватель 5 и термопреобразователь 3, в тело 2 - нагреватель 6 и термопреобразователь 4. При этом, для удобства измерений электрические нагреватели 5, 6 выполнены одинакового номинала, термопреобразователи 3, 4 также взяты одинакового типа с одинаковой номинальной статической характеристикой, например, термопары типа ХК₆₈ (хромель-копель).

В процессе измерений тела 1, 2, установленные на держателе 7, помещают в измеряемый газовый поток, при этом с помощью термопреобразователей 3, 4 непрерывно регистрируют температуру тел 1, 2. При достижении телами одинаковой стационарной температуры 1, 2, равной температуре газового потока T₀, одновременно начинают нагрев тел 1,2. Для этого на нагреватели 5, 6 одновременно с помощью управляющего сигнала от блока 9 подают электрическую мощность Р от источника стабилизированного питания 8 (фиг. 2, верхний график). Величину подаваемой мощности подбирают экспериментальным путем, руководствуясь тем, чтобы мощность была достаточной для того, чтобы обеспечить надежное измерение разности нормализованных перегревов тел 1, 2. При этом продолжают регистрировать температуры обоих тел 1, 2. После выхода обоих тел 1, 2 на стационарный тепловой режим, одновременно прекращают нагрев тел, для чего управляющим сигналом от блока 9 прекращают подачу электрической мощности от источника стабилизированного питания 8 (фиг. 2). Тела начинают охлаждаться газовым потоком - происходит режим охлаждения. При достижении обоими телами стационарной температуры, равной температуре измеряемого газового потока, управляющим сигналом от блока 9 прекращают регистрацию температуры тел 1, 2. Процесс измерений на этом заканчивают и приступают к обработке результатов измерений, которую осуществляют согласно описанной выше теоретической основе способа с помощью специальной компьютерной программы, заранее введенной в блок управления и обработки сигналов 9. Согласно данной программе по полученным температурным данным находят момент времени τ_max, при котором имеет место максимальная разница нормализованных перегревов тел 1, 2, после чего рассчитывают искомые параметры, при этом используют уравнение измерения (12) и предварительно полученную градуировочную зависимость

τ_max(ν).

Пусть, например, исследовался пылегазовый поток. В результате измерений и обработки данных получены следующие значения τ_max:

- в режиме нагрева τ_max1=122,3 с,

- в режиме охлаждения τ_max2=123,2 с,

- среднеарифметическое значение:

τ_max=(τ_max1+τ_max2)/2=(122,3+123,1)/2=122,7 с.

Рассчитанное значение коэффициента теплоотдачи согласно уравнению (12) равно:

α=ln(0,7)⋅(-122,7⋅6,1⋅10^-5)^-1=(-0,356)⋅(-133,6)=47,6 Вт/(м²⋅К).

Согласно предварительно полученной градуировочной зависимости τ_max(ν), времени τ_max=122,7 с соответствует скорость ν=19,4 м/с. Способ реализован, искомые параметры измерены, относительная неопределенность результатов измерений, как оценивается, не превышает 1,5%.

Изобретение относится к измерительной технике в области измерений теплогидродинамических параметров газового потока и предназначено для использования в исследованиях широкого спектра газовых потоков, в том числе двухфазных дисперсных потоков. Способ основан на явлении запаздывания температурных откликов тел с различающимися тепловыми инерциями при ступенчатом тепловом воздействии на них. При измерениях регистрируют температуры двух тел в режиме нагрева и в режиме последующего охлаждения, по полученным температурным данным находят момент времени, которому соответствует максимальная разница нормализованных перегревов тел в одноименные моменты времени. По найденному времени находят коэффициент теплоотдачи и скорость газового потока, при этом используют расчетное соотношение и предварительно получаемую градуировочную зависимость. Термоанемометр, реализующий способ, содержит два тела одинаковой заданной формы и размеров, два одинаковых малоинерционных термопреобразователя, два одинаковых электрических нагревателя, держатель тел, источник стабилизированного питания, блок управления и обработки сигналов, причем тела размещены в держателе и обладают существенно различающейся тепловой инерцией. Технический результат - повышение точности измерений, расширение номенклатуры и динамических диапазонов измеряемых параметров с одновременным увеличением номенклатуры измеряемых потоков. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ термоанемометрии газового потока, заключающийся в том, что используют два одинаковых по форме и размерам тела, тепловые инерции которых существенно различаются, размещают данные тела в измеряемом газовом потоке и осуществляют их одновременный нагрев одинаковой мощностью нагрева до достижения телами стационарной температуры нагрева, при этом одновременно непрерывно регистрируют мгновенные значения температуры тел, после достижения стационарной температуры нагрева одновременно мгновенно переводят тела в стадию охлаждения газовым потоком, для чего прекращают нагрев тел, в результате достигают стационарной температуры охлаждения тел, которая равна температуре газового потока, после этого полученные массивы температурных данных тел трансформируют в нормализованные перегревы, для чего для каждого тела для температурных данных режима нагрева из каждого измеренного значения температуры вычитают значение температуры газового потока и относят его к разности между достигнутой стационарной температурой нагрева и температурой газового потока, для температурных данных режима охлаждения из каждого измеренного значения температуры вычитают значение достигнутой стационарной температурой нагрева тела и относят его к разности между достигнутой стационарной температурой нагрева тела и температурой газового потока, в результате трансформации получают массив нормализованных перегревов тел, затем находят разности нормализованных перегревов тел в одноименные моменты времени, по найденным разностям для стадии нагрева и охлаждения находят два значения момента времени, которые соответствуют максимальной разности нормализованных перегревов тел, затем из найденных моментов времени находят их арифметическое среднее, по которому рассчитывают искомые коэффициент теплоотдачи и скорость газового потока, при этом для расчета скорости используют градуировочную зависимость, которую получают предварительно для эталонного газового потока, а для расчета коэффициента теплоотдачи используют соотношение:

где

α - коэффициент теплоотдачи,

C₁ - полная теплоемкость первого тела, тепловая инерция которого больше,

C₂ - полная теплоемкость второго тела, тепловая инерция которого меньше,

S - площадь наружной поверхности первого и второго тел,

τ_max - арифметическое среднее из двух моментов времени, соответствующих максимальной разнице нормализованных перегревов тел.

2. Термоанемометр, содержащий два тела одинаковой заданной формы и размеров, два одинаковых малоинерционных термопреобразователя, два одинаковых электрических нагревателя, держатель тел, источник стабилизированного питания, блок управления и обработки сигналов, причем тела размещены в держателе и обладают существенно различающейся тепловой инерцией, в каждое тело встроено по одному нагревателю и одному малоинерционному термопреобразователю, каждый нагреватель подключен к источнику стабилизированного питания, все термопреобразователи подключены к блоку управления и обработки сигналов.