Gas independent thermal flow measurement
Authors: Μπαδαρλής Αναστάσιος 
Published: September 2021

Το θέμα της παρούσας διατριβής είναι σχετικό με τα θερμικά ροόμετρα και την διόρθωση τους που απαιτείται όταν μετράνε σε διεργασίες διαφορετικές από αυτές που έχουν βαθμονομηθεί. Το κίνητρο αυτής της διατριβής δεν ήταν μόνο να καταστήσει ένα θερμικό ροόμετρο ανεξάρτητο των θερμο-φυσικων ιδιοτήτων του αερίου, αλλά να βελτιώσει την λειτουργικότητά του. Η παρούσα διατριβή προσπάθησε να αντιμετωπίσει το πρόβλημα της εξάρτησης από τις ιδιότητες του αερίου συνδυάζοντας τα θερμικά ροόμετρα με επιπρόσθετους αισθητήρες θερμο-φυσικών ιδιοτήτων, των οποίων η πληροφορία χρησιμοποιήθηκε για να την αντιστάθμιση της ροή μάζας, ενώ ταυτόχρονα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί την καλύτερη παρακολούθηση μιας διεργασίας. Το κύριο θέμα της παρούσας μελέτης ήταν η ανάπτυξη αισθητήρων που μπορούν να συνδυαστούν και να αντισταθμίσουν τα θερμικά ροόμετρα. Για το λόγο αυτό, επελέγησαν δύο μικρο-αισθητήρες, μία μικρο-δοκό που χρησιμοποίθηκε ως αισθητήρας της πυκνότητας του αερίου και του δυναμικού του ιξώδους, ενώ για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας και της ογκομετρικής θερμο-χωρητικότητας χρησιμοποιήθηκε ένας θερμικος αισθητήρας. Αυτοί οι αισθητήρες μοντελοποιήθηκαν και η απόδοσή τους αξιολογήθηκε στη μέτρηση αυτών των τεσσάρων θερμο-φυσικών ιδιοτήτων. Για τον μικρο-δοκό, η αλληλεπίδραση του αερίου με την μικρο-δοκο επηρεάζει την απόκριση της, χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μοντέλο που περιγράφει αυτή την αλληλεπίδραση, η πυκνότητα και το ιξώδες του περιβάλλοντος αερίου μπορεί να εκτιμηθεί. Ο αισθητήρας αυτός παρουσίασε πολύ υψηλή ευαισθησία σε σχέση με την μεταβολή πυκνότητας 220Hz/(kg /m^3). Έξι αέρια και δεκαέξι μίγματα αυτών σε συνθήκες περιβάλλοντος ερευνήθηκαν. Η έρευνα έδειξε ότι η ακρίβεια στην μέτρηση της πυκνότητας και του ιξώδους του αερίου σε συνθήκες περιβάλλοντος μπορεί να φτάσει το 1,5% και 2,0% αντίστοιχα. Ο θερμικός αισθητήρας χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση της θερμική αγωγιμότητα και της ογκομετρική θερμο-χωρητικότητα. Περιλαμβάνει τρία παράλληλα πολύ λεπτά σύρματα, το ένα λειτουργεί ως θερμαντικό στοιχείο και τα άλλα δύο σαν αισθητήρες θερμοκρασίας. Οι δύο αισθητήρες θερμοκρασίας έχουν διαφορετικές αποστάσεις από το θερμαντικό στοιχείο. Ο αισθητήρας λειτουργεί σύμφωνα με την τεχνική ταλάντωσης θερμοκρασίας (TOT), όπου ένα κύμα θερμότητας παράγεται στο θερμικό στοιχείο εφαρμόζοντας μια περιοδική διέγερση, ενώ μετριέται η απόκριση θερμοκρασίας στους αισθητήρες θερμοκρασίας. Οι ιδιότητες του αερίου διαφοροποιούν τα χαρακτηριστικά του θερμικού κύματος και τη μετρούμενη απόκριση στους αισθητήρες θερμοκρασίας. Χρησιμοποιώντας ένα κατάλληλο μοντέλο που περιγράφει με ακρίβεια την απόκριση του αισθητήρα στο αέριο, οι δύο θερμικές ιδιότητες μπορούν να υπολογιστούν. Η προτεινόμενη προσέγγιση μοντελοποίησης του αισθητήρα βασίζεται στη μεθοδολογία του μοντέλου μειωμένης τάξης, σε αντίθεση με την παραδοσιακή προσέγγιση αναλυτικής μοντελοποίησης, η οποία είναι η συνήθης για αυτό το είδος αισθητήρων. Για το λόγο αυτό εφαρμόστηκε ένα παραμετρικό μοντέλο μειωμένης τάξης (para-MOR). Αυτό οδήγησε στη μείωση ενός προβλήματος πεπερασμένων στοιχείων με 150000 βαθμούς ελευθερίας σε ένα πρόβλημα με 35 βαθμούς ελευθερίας. Ο αισθητήρας πέτυχε ακρίβεια 6.5% στην θερμική αγωγιμότητα και 3,2% στην ογκομετρική θερμο-χωρητικότητα. Τελικά, η ανάλυση σφάλματος στη μέτρηση ροής μάζας των θερμικών ροόμετρων διερευνήθηκε επίσης και για τις δύο αρχές. Η ανάλυση σφάλματος χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του σφάλματος της ροής μάζας με βάση τα μερικά σφάλματα των θερμο-φυσικών ιδιοτήτων του αερίου. Το σφάλμα ροής μάζας της καλοριμετρική αρχή ήταν της τάξεως των 3,4% .