Высокотемпературный расходомер газа

70

Объяснить это противоречие можно, по-видимому, следующим образом. Скорость ионов, вылетающих из канала, составляет величину порядка 105 м/ с и намного превосходит скорость электронов. Вследствие этого скорость рекомбинации практически равна нулю и за срезом ускорительного канала формируется электрическое поле, замедляющее ионы. Напряженность замедляющего электрического поля должна быть тем больше, чем больше ионов покидают канал. В настоящее время в СПД катод-компенсатор устанавливается непосредственно у среза ускорительного канала, поэтому замедление ионов начинается непосредственно за срезом канала.

В численном эксперименте этот эффект не мог быть учтен, так как расчетная область заканчивалась на срезе ускорительного канала.

В результате проведенных исследований теоретически и экспериментально показана необходимость профилирования стенок ускорительного канала СПД. Кроме того, по-видимому, необходимо пересматривать компоновку СПД: присутствие катода-компенсатора вблизи среза ускорительного канала, помимо обсуждаемого выше эффекта торможения ионов, приводит к увеличению скорости резонансной перезарядки ионов, что, в свою очередь, размывает энергетический спектр ионов и уменьшает энергетический к. п. д. двигателя.

Список литературы

1. Arhipov B., Goghaja E., Nikulin N. Numerica! research of dynamics of stream in the stationary plasma thruster channel of a variable section // 34-th International Electric Propulsion Conference, AIAA-98 — 3800. Cleveland, 1998.

2. Arhipov B., Goghaja E., Nikulin N. Study of Plasma dinamics in variable section channel of stationary Plasma Thruster / / 26-th International Electric Propulsion Conference, IEPC-99-118, October 17. Kitakyushu, 1999.

Об авторах

Н.М. Никулин — канд. физ.-мат. наук., доц., РГУ им. И. Канта, nickulinnick@mail.ru.

А.Н. Нестеренко — канд. техн. наук, ст. науч. сотр., ФГУП ОКБ «Факел».

С.В. Олотин — ведущий специалист, ФГУП ОКБ «Факел».

УДК 681.121

А.В. Румянцев, П.Р. Шевченко, К.В. Гуськов

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ РАСХОДОМЕР ГАЗА

Приведены результаты экспериментального исследования качественных и количественных характеристик высокотемпературного расходомера газа.

Results of an experimental research of qualitative and quantitative characteristics of a high-temperature flow meter of gas are given.

Тепловые расходомеры газа оказались наиболее эффективными в диапазоне 0 — 100 мг/ с расхода газа. Общим недостатком тепловых рас-

Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 70 — 76.

ходомеров является их принципиальная неавтономность, т. е. зависимость их показаний от температур входящего газа и внешней среды. Различные меры для обеспечения автономности требуют дополнительных средств контроля параметров газового потока (в частности, уровня указанных температур) и использования термокомпенсационных схем для уменьшения влияния этих помехосоздающих факторов.

Другим общим недостатком тепловых расходомеров газа является зависимость выходного сигнала (рабочей характеристики) от ориентации расходомера вплоть до значений Ие ~ 150. Однако никаких мер по устранению этого недостатка до сих пор не предложено, кроме указания величины поправки как функции углового отклонения от горизонтали. Это требует знания величины углового отклонения на момент проведения измерений, что, во-первых, не всегда возможно и, во-вторых, требует введения еще одного измерительного устройства.

Выходной сигнал у тепловых расходомеров, как правило, не велик. В целях его увеличения используется усилитель сигнала, линейность характеристики которого в широком диапазоне изменения величины выходного сигнала трудно обеспечить.

Наконец, тепловые расходомеры, особенно калориметрического типа, имеют большую постоянную времени, доходящую до 10 с и выше.

Для устранения указанных недостатков, присущих в той или иной степени всем тепловым расходомерам газа, в работе [1] нами был предложен, а в работах [2 — 4; 6] реализован принципиально новый метод определения расхода газа. В основу метода положен принцип измерения, базирующийся на температурной зависимости плотности потока излучения поверхности элемента-излучателя, нагретого электрическим током до высокой (~ 1273 К) температуры. Регистрация излучаемого потока с помощью преобразователей оптического излучения — фотодиодов — позволяет получать выходной сигнал сразу в электрической (вольтовой) форме достаточно большой величины (~ 20 В) без помощи каких-либо усилителей.

Большой перегрев излучающего элемента — нихромовой спирали (теплочувствительного элемента — ТЧЭ) относительно максимально возможных температур входящего газа и внешней среды (~ 323 К) автоматически обеспечивает абсолютную (100%-ную) автономность расходомера, что значительно упрощает его устройство, так как не требует использования следяще-управляющей активной системы термостабилизации газового потока [5] или применения термокомпенсационных схем различной степени сложности.

Степенная зависимость от температуры величины излучаемого ТЧЭ потока энергии (как Т4) обусловливает высокие значения точности и чувствительности, особенно в области именно малых расходов газа.

Бесконтактный способ регистрации информативного сигнала — энергетической светимости поверхности ТЧЭ, т. е. дифференциального (поверхностного), а не интегрального (объемного) свойства ТЧЭ, позволяет существенно (в разы) уменьшить постоянную времени расходомера (инерционность фотодиодов ~ 10 —6 с исчезающе мала на фоне тепловой инерционности спирали).

71

72

Ориентационная независимость показаний расходомера обеспечивается путем подачи в две идентичные камеры газового потока в противоположных направлениях с расходом С/2 в каждой [4].

Теория описываемого метода изложена в работе [6]. В данной статье представлены результаты экспериментального исследования параметров устройства и его качественных характеристик.

Конструкция высокотемпературного расходомера газа схематически представлена на рисунке 1.

Газ с расходом С через входной штуцер поступает в разделенный на две половины корпус и с расходом С/2 подается в верхнюю и в нижнюю камеры (в строго противоположных направлениях). В камерах размещены идентичные нихромовые спирали, закрепленные в токоподводах, встроенных в герметично соединяемые с корпусом фланцы (не показаны). Поступающий в камеры газ через выполненное в корпусе сквозное отверстие и выходной штуцер отводится в газовую магистраль. Напротив каждой спирали с обеих ее сторон [3] в корпус герметично вмонтированы оптические окна, через которые излучаемый спиралями поток попадает на зеркала фотодиодов. Для выравнивания величин сигналов от каждого фотодиода расстояние между поверхностью спирали и его зеркалом может механически плавно изменяться, что позволяет нивелировать различие индивидуальных параметров как спиралей, так и фотодиодов. В качестве преобразователей оптического излучения использовались фотодиоды ФД-263 с зеркалом 4,4 х 4,4 мм2; напряжение питания равнялось 25 В; сопротивление Кн общей нагрузки, играющее роль усилителя выходного напряжения с коэффициентом усиления к = Кн, составляло 200 кОм. При этих параметрах прием-но-преобразующей системы суммарный выходной сигнал при отсутствии расхода составлял Ин = 20 В (по ~ 5 В от каждого фотодиода).

Спирали изготавливались из отожженной на воздухе нихромовой проволоки (с целью увеличения степени черноты до ~ 0,95) диаметром 0,2 мм. Диаметр спирали составлял 4,4 мм; длина ~ 5 мм; число витков равнялась 8; сопротивление лежало в пределах ~ 3,5—5 Ом. Из-за неизбежного различия геометрических параметров изготавливаемых спиралей каждая из них градуировалась, т.е. устанавливались зависимости Т = £(1) и Ин = ф(1), на основании которых строилась функция Т = ф(Ин). Последняя позволяет выставлять силу тока I через спираль, обеспечивающую Т ~ 1273 К, по величине Ин = 20 В (фотодиоды выполняют функцию пирометра).

Расположенные в камерах спирали соединяются последовательно. Ток через спирали выставляется при нулевом расходе согласно градуи-

ровке. Поскольку коэффициент теплоотдачи зависит от рода газа, то и сила тока 1(0), которая обеспечивает Ин = 20 В (т. е. Т ~ 1273 К), будет различной: так, для азота при сопротивлении спирали 3,5 Ом она составляет 1,45 А, а для аргона — 1,26 А; при г = 5 Ом для азота 1(0) ~ 1,3 А. Таким образом, сила выставляемого тока зависит как от параметров спирали, так и от рода газа. Зависимость от рода газа требует наличия на выходе расходомера запорного клапана, что позволяет заполнять объем расходомера контролируемой средой после предварительной продувки.

Экспериментально полученные расходные характеристики Ин(С) для аргона и азота представлены на рисунке 2. Как и следовало ожидать, чувствительность по расходу у азота (воздуха) больше, чем у аргона, а доступный измерению диапазон расхода меньше приблизительно в 1,5 раза (ДЄ(№) ~ 90 мг/с; ДЄ(Аг) ~ 130 мг/ с), что является следствием различия в величинах коэффициента теплоотдачи у этих газов.

73

Рис. 2. Расходные характеристики аргона и азота как функции расхода

Влияние естественной конвекции, представленное на рисунке 3, выявлено замером выходных сигналов от верхней и нижней пар фотодиодов. Видно, что оно заметно лишь до С ~ 30 мг/с (газ — воздух), а при больших расходах практически исчезает.

Для увеличения чувствительности по расходу в устройстве предусмотрена возможность диафрагмирования проходного сечения. Эффективность этого способа проиллюстрирована на рисунке 4 расходными характеристиками, полученными для аргона с диафрагмой (д = 1 мм) и без нее (О = 11 мм). Расхождение кривых весьма велико. Количественная оценка эффективности диафрагмирования представлена на рисунке 5. Видно, что лишь при С ~ 15 мг/с чувствительности сравниваются, а при С < 15 мг/с они отличаются в разы. Особо следует отметить, что диафрагмирование обеспечивает наибольшую чувствительность именно в области малых расходов, что является отличительной чертой нового способа определения расхода газа: в области расходов 0 — 6,5 мг/с чувствительность составляет ~ 2 В/(мг/с); в области 6,5 — 10 мг/с она равняется 1 В/(мг/с). Известные расходомеры подобной чувствительностью не обладают.

Ин, В 11(0/2), В

10 9 8

7 6

5 4 3 2 1 0

0 4 8 12 16 20 24 28 0/2, мг/с

Рис. 3. Влияние естественной конвекции на теплоотдачу в нижней и верхней камерах расходомера

Рис. 4. Расходные характеристики аргона с диафрагмой ^ = 1 мм) и без нее

Рис. 5. Чувствительность по расходу с диафрагмой и без

Ориентационная независимость расходомера по всему диапазону расхода проиллюстрирована на рисунке 6, где представлены расходные характеристики воздуха при различных углах отклонения продольной оси расходомера от вертикали. Видно, что выходной сигнал от угла практически не зависит.

ю

§

¡3

75

Рис. 6. Расходные характеристики воздуха при различных углах отклонения оси расходомера от вертикали

Для более подробного исследования влияния ориентации измерялись по отдельности выходные сигналы от нижней и от верхней пар фотодиодов при наличии диафрагмы. Сигналы от каждой из пар от угла практически не зависели (следствие диафрагмирования, т. е. увеличения Ие). Суммарный сигнал от угла отклонения не зависит, что и проиллюстрировано в таблице 1.

Таблица 1

Суммарный сигнал как функция угла

С, мг/ с 0 2,16 4,3 6,3 8,6 10,8 12,8 15,06 17,2 19,4 21,5 32,3

и(0), В 20,3 15,9 10,3 7 4,6 3,47 2,81 2,46 2,17 2,03 1,94 1,23

и(45), В 20,4 16,3 10,8 7 4,6 3,51 2,79 2,38 2,18 2,08 1,94 1,26

и(90), В 20,6 16,2 10,9 6,9 4,7 3,46 2,85 2,45 2,2 2,04 1,88 1,22

Величина выходного сигнала как функция расхода при работе фотодиодов в различных режимах лежит в пределах 320 — 20 мВ в ФДР и 250 — 20 мВ в ФГР. Сопоставление с величиной сигнала при оптимальных параметрах приемной системы в ФДР (Ип = 25 В, Кн = 200 к) подтверждает правильность их выбора.

Постоянная времени расходомера при 50%-ном изменении расхода составляет 0,5—0,6 с, а при малых расходах — 0,2—0,3 с, что на порядок меньше, чем у других расходомеров газа.

Таким образом, исследование работы созданного высокотемпературного расходомера газа позволяет сделать вывод, что все заявленные при его разработке цели реализованы и он может быть рекомендован к массовому производству.

76

Список литературы

1. Румянцев А.В., Мальцев И.В., Васильев В.В. Принцип измерения расходов газа различных температур // Измерительная техника. 1992. № 3. С. 54 — 57.

2. Румянцев А.В., Васильев В.В. Патент ИИ № 2164008. 2001.

3. Румянцев А.В., Тарасов А.Н., Шевченко П.Р. Патент ИИ № 2240510. 2004.

4. Румянцев А.В., Шевченко П.Р. Патент ИИ № 2246099. 2005.

5. Румянцев А.В., Васильев В.В., Мальцев И.В. Патент ИИ № 2201580. 2003.

6. Румянцев А.В., Шевченко П.Р. Новый способ определения расхода газа и устройство его осуществления // Проблемы математических и физических наук: Материалы постоянных научных семинаров. Калининград, 2002. С. 81 — 85.

Об авторах

А.В. Румянцев — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта.

П.Р. Шевченко — инженер-конструктор, ФГУП ОКБ «Факел».

К.В. Гуськов — инженер-конструктор, ФГУП ОКБ «Факел».

УДК 621.4.001.57

А.Ю. Усанов, К.Н. Козубский

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КАТОДНОГО БЛОКА ПРИ ДЕЙСТВИИ ВНЕШНИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Приведены результаты компьютерного моделирования и исследования поведения катодного блока двигателя СПД-140 при действии внешних механических нагрузок.

In a paper the outcomes of computer simulation and investigations of SPT-140 thruster cathode block behaviour under external mechanical loads effects are presented.

При разработке элементов электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ), кроме требований по экспериментальному подтверждению стойкости к воздействию внешних факторов, в последнее время стали предъявляться требования по подтверждению запасов прочности расчетными: методами. Большие возможности при решении подобных задач имеет метод конечных элементов и программные продукты, разработанные на его основе. К таким программным продуктам относится пакет NISA/Display™ (vr. 10) разработки корпорации EMRC (Engineering Mechanics Research Corporation, штат Мичиган, США) [1].

Катод КН-15 разработан для использования в составе двигателя СПД-140. Обший виц катодного блока приведен на рисунке 1.

Подтверждение эффективности разработанной конструкции к воздействию новых, повышенных механических нагрузок связано со значительными затратами времени и средств из-за высокой стоимости от-

Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 76 — 81.