Устройство для измерения температуры потока газа Советский патент 1992 года по МПК G01K13/02 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольг зовано в системах управления быстро- изменяющимися потоками газов в нестационарных условиях теплообмена.

Известно устройство для измерения температуры потока газа i, содержащее камеру торможения с поперечным обтеканием, закрепленную эксцентрично на оси вращения, термочувствительный элемент, расположенный внутри камеры, спиральную пружину, внутренний конец которой прикреплен к оси вращения, а наружный - к свободному концу стержня, установленному параллельно оси вращения и жестко связанному с основанием Эксцентриситет и пружина обеспечивают поворот камеры торможения под действием потока, изменяя эффективную площадь входного отверстия и обеспечивая этим постоянство скорости потока в камере и, следовательно, постоянство показателя термической инерции, что позволяет использовать постоянные корректирующие устройства для уменьшения динамической погрешности измерений.

Однако в указанном устройстве необходимая зависимость жесткости Пружины от угла поворота имеет сложное аналитическое выражение, что затрудняет техническую реализацию пр высоких требованиях к точности стабилизации и измерений. Кроме того, в устройстве не учтен эффект эжекци и принципиально ограничен рабочий угол поворота камеры, а следовательно, и чувствительность устройства к скорости потока. Связанная с отмеченными недостатками погрешность стабилизации показателя термической инерции будет особенно ощутимой при скоростях потока, близких к максимальной. Кроме того, принцип действи устройства ориентирован на камеру торможения с поперечным обтеканием, которая не является лучшей с точки зрения аэродинамических и тепловых потерь.

От последнего недостатка свободно устройство для измерения температуры потока газа 2, содержащее камеру торможения произвольного типа с пластиной (флюгером), закрепленную на оси вращения, термочувствительный элемент, спиральную пружину, внутре№ ний конец которой прикреплен к оси вращения, а наружный - к свободному

концу стержня, установленного параллельно оси вращения и жестко связанного с основанием. Устройство обеспе

чивает стабилизацию скорости потоку внутри камеры за счет поворота последней под действием потока на флюгер и соответствующего изменения эффек-4 тивного сечения входного отверстия

камеры.

Однако указанное устройство также имеет сложную зависимость жесткости спиральной пружины с упругим стержнем от угла поворота, конструктивно

5 ограниченного углом 90°, так что при заданном диапазоне скоростей потока ограничена чувствительность механизма стабилизации к скорости потока, а следовательно, и возможность повышения точности измерения температуры. Кроме того, воздействие потока на подвижную камеру и эффект эжекции снижают точность стабилизации показателя термической инерции и также ограни5 чивает сверху диапазон скоростей контролируемого потока.

Целью изобретения является повышение точности измерения температуры в высокоскоростных потоках за счет улучшения стабилизации показателя термической инерции с одновременным расширением допустимого диапазона скоростей контролируемого потока.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения тем5 пературы потока газа, содержащем меру торможения с термочувствительным элементом и механизм с пружинойt стабилизирующий скорость потока в камере, указанный механизм снабжен

0 насадком на входе камеры, штоком, защитным кожухом и впускным клапаном, который расположен внутри насадка и соединен штоком с пружиной, которая выполнена цилиндрической,,.

5 имеет линейную жесткость и размещена в защитном кожухе. При этом образующая внутренней поверхности входногб отверстия насадка выполнена в соответствии с выражением

0

0

насадка; т: - радиус миделевого сечения

клапана; 1 - глубина входного отверстия

насадка; k - коэффициент чувствительности.

На фиг.1 показано предлагаемое устройство, общий вид; на фиг.2 J дано изображение приемного конца входного насадка, поясняющее технологию его изготовления.

Устройство для измерения температуры потока газа содержит жестко закрепленную в контролируемом потоке аэродинамическую камеру 1 с термочувствительным элементом 2, на входе которой установлен насадок 3 с приемным отверстием, удаленным от пристеночного слоя. Внутри насадка установлен впускной клапан Ь, соединенный штоком 5 и упорным диском 6 с.цилиндрической пружиной 7, заключенной в защитный кожух 8.

Устройство работает следующим образом.

Аэродинамическая сила воздействия потока на впускной клапан Ц равна

Р

V2

схх где р сх

плотность газа; коэффициент лобового сопро - тивления, определяемый по эпюре распределения давления по приемной поверхности клапана;-X - площадь миделевого сечения

клапана;

V - скорость контролируемого потока.

При постоянной жесткости пружины перемещение клапана Ј будет пропорционально силе F и, согласно (1), квадрату скорости потока V. Таким образом,

I k,F k,V. (2)

k F

v

k4V,

де

чk жесткос.тв пружины; коэффициент пропорциональности, постоянный при постоI MWV I W/innDIKI ПРИ

янной плотности газа р, Наименьшая площадь S сечения

зо зовнутреннего отверстия насадка в не миделевого сечения клапана должна быть обратно пропорциональна скорости контролируемого потока, т.е. конструкция насадка должна обеспечит равенство

4 k/Sj(3)

где k - коэффициент чувствительности характеризующий уменьшение сечения при углублении клапана.

1737284

Площадь внутреннего отверстия насадка в зоне миделевого сечения клапана (фиг.2) равна

S IrCR -r),

(4)

где

г - радиус миделевого сечения; R - радиус внутреннего отверстия. Выражение (3) с учетом (k) принимает вид

15

га k

r(R2-r)

(5)

откуда зависимость радиуса внутреннего отверстия входного насадка R от его гулбины Ј (фиг.2) должна быть

20 следующей:

ь

25

55

R f Ш

k +

5

гй1

(6)

40

Асимптотический характер зависимости (6) позволяет увеличить рабочий ход клапана до достижения нужной чувствительности и точности с учетом реального диапазона скоростей контролируемого потока. Связанный с этим 30 выбор коэффициента k из (6) и радиуса миделевого сечения клапана г определяет также максимальную площадь входного отверстия S при минимальной скорости контролируемого потока и, еле- « довательно, требуемую постоянную скорость в камере.

Конкретный тип аэродинамической камеры может быть любым и выбирается с учетом физических параметров контролируемого потока и аэродинамических и тепловых потерь.

Увеличение плотности газа снижает показатель термической инерции, однако при этом увеличивается динами-- ческий напор F (1), уменьшается сечение S и скорость в камере, что увеличит показатель термической инерции.

Таким образом, небольшие изменения статического давления практически не будут влиять на точность измерения температуры.

Упорный диск 6 (фиг.1) при тщательном уплотнении защитного кожуха 8 будет обеспечивать демпфирующее действие, гасящее колебания клапана при резких . изменениях скорости контролируемого потока, что также повышает точность стабилизации.

45

50

71

Эффект эжекции приведет к увеличению скорости потока на входе устройства, что скомпенсируется соЪтвет- ствующей реакцией клапана А в отличие от прототипа.

Таким образом, аэродинамическая сила F, воздействуя на клапан t, уменьшает минимальное сечение входного отверстия насадка: 3 обратно пропорционально скорости контролируемого потока. При уменьшении скоростного напора клапан k под действием пружины увеличивает минимальную площадь сечения входного отверстия. В результате разность давлений в зоне миделевого сечения клапана и на выходе камеры будет постоянной, что и обеспечит постоянное распределение скоростей потока в камере 1 и постоянный показатель термической инерции термочувствительного элемента 2.

Таким образом, предлагаемое устрой ство позволяет повысить точность измерения температуры в высокоскоростных потоках за счет повышения точ ности стабилизации показателя термической инерции при одновременном расширении диапазона возможных скоростей контролируемого потока посредством неподвижного закрепления камеры в потоке, увеличения рабочего хода клапана, линейной жесткости пружины и инвариантности к эффекту эжекции.

3728 . 8

Формула изобретения Устройство для измерения температуры потока газа, содержащее камеру торможения с размещенным внутри термодатчиком и механизм стабилизации скорости газа в камере торможения с пружиной, отличающееся .. тем, что, с целью повышения точJQ ности измерения температуры в высокоскоростных потоках, механизм стабилизации скорости газа в камере торможения снабжен насадком, установленным на входе последней, закрепленным снаружи насадка защитным кожухом со штоком, пропущенным через него в полость насадка, соединенным со што- ; ком и впускным клапаном, при этом пружина закреплена внутри защитного

20 кожуха коаксиально штоку и выполнена цилиндрической, а форма образующей внутренней поверхности насадка в обг ласти его входного отверстия выбрана в соответствии с зависимостью

5

R(Ј) где R 0

г

1 k k +ЧГ-4 -г

радиус входного отверстия насадка ; радиус миделевого сечения клапана;

глубина входного отверстия насадка;

коэффициент чувствительности.

Изобретение относится к термо- | метрии и позволяет повысить точность измерения Температуры в высокоекоро-i стных потоках газа. Используется механизм, стабилизирующий скорость потока в измерительной камере торможения, состоящий из входного насадка 3 с впускным клапаном 4, который соединен штоком 5 с цилиндрической пружиной 7, заключенной в защитный кожух 8. Выбор профиля внутренней поверхности насадка дает возможность i использовать пружину с линейной жесткостью и обеспечивает требуемую чувствительность устройства. 2 ил.

Фиг.2