УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕТРА

Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра относится к измерительной аппаратуре для аэродинамических испытаний и может быть использовано во всех областях использующих электрогазодинамику.
Известно устройство [Б.С.Бабакин Электротехнология в холодильной промышленности / М. Агропромиздат 1990, с.11] для приближенного расчета скорости потока газов при коронном разряде. Такой поток газов в технической литературе называют электрическим ветром. В этом устройстве предусмотрено измерение напряжения с помощью киловольтметра и измерение расстояния между электродами, с последующим расчетом скорости электрического ветра с помощью эмпирической расчетной формулы.
Это устройство имеет следующие недостатки: 1. Оно не позволяет измерять давление всасывающего факела потока газа в электрическом поле; 2. Измерения скорости электрического ветра осуществляют не прямым, а косвенным способом, с целым рядом допущений, которые не позволяют оперативно измерять величину давления потока газов и скорости электрического ветра, создаваемого в условиях несамостоятельного (темного) и самостоятельного (коронного) разряда. Кроме того, ошибка такого измерения достигает 100% и более.
Известно устройство, предназначенное для измерения скорости воздушного потока, термоанемометр ТТМ-2-01М состоящее из измерительного блока включающего корпус, выполненный из металла с отсеком питания и измерительного зонда. В качестве чувствительных элементов для измерения температуры и скорости потока воздуха применены миниатюрные платиновый терморезистор и полупроводниковый термистор. Принцип работы термоанемометра основан на измерении теряемой мощности нагретого термистора при охлаждении его воздушным потоком. [Руководство по эксплуатации и паспорт ТФАП. 407282.005 рэ и пс; Изготовитель: ЗАО "ЭКСИС", 124460, Москва, Зеленоград, а/я 146. Тел./факс (499) 731-77-00, 731-10-00, 731-76-76, 731-38-42, E-mail:eksis@eksis.ru, Web: www.eksis.ru].
Недостаток этого устройства, заключается в том, что работа ТТМ-2-01М основана на использовании миниатюрных платиновых терморезистора и полупроводникового термистора. Градуировка термоанемометра ТТМ-2 осуществлена заводом - изготовителем без учета воздействия электрического поля, поэтому использование его в электрическом поле неизбежно приводит к грубейшим ошибкам, процент которой может доходить до 1000%. Кафедрой «Технологическое оборудование и процессы отрасли» был сделан запрос на завод-изготовитель ЗАО «ЭКСИС» о возможности использования прибора ТТМ-2-01М в научно-исследовательских работах, при следующих условиях: 1. В электрических полях напряженностью от 10 до 400 кВ/м; 2. Давление в трех режимах 202650 Па, 101325 Па и 1013,25 Па. Из ответа специалиста завода и заместителя начальника отдела маркетинга и сбыта следует, что применение прибора ТТМ-2-01М в этих условиях не представляется возможным. Поэтому следует однозначный вывод, что применение прибора ТТМ-2-01М в сильных электрических полях не допустимо. Кроме того, термоанемометр ТТМ-2-01М не позволяет осуществлять измерения скорости всасывающего факела потока газа в электрическом поле.
За прототип выбираем наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату устройство для измерения давления и скорости потока газа включающее трубки Пито (ГОСТ 15528-86; ГОСТ 8.361-79; ГОСТ 17.2.4.06-90) и микроманометр.
Недостатком этого устройства является то, что без внесения конструктивных изменений его невозможно использовать для измерения давления и скорости электрического ветра всасывающего факела потока газа в электрическом поле.
Задача полезной модели направлена на разработку устройства позволяющего прямым путем осуществлять измерение давления потока газов, а зная его рассчитывать по эмпирической формуле скорость электрического ветра всасывающего факела потока газа в электрическом поле.
Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве для измерения давления и скорости электрического ветра, включающее трубки Пито, одна из которых воспринимает полное давление, а другая статическое, которые подсоединены к микроманометру, в котором для измерения давления всасывающего факела потока газа в электрическом поле, трубки Пито, изготовлены из диэлектрика и внутри трубки воспринимающей статическое давление соосно с ней и сферическим электродом установлен игольчатый электрод.
Целесообразно электроды устанавливать с возможностью регулирования расстояния между ними, причем радиус сферы в 10 раз больше радиуса игольчатого электрода.
Возможность изменения расстояния от торца трубки до острия иглы, связано с необходимостью изменения напряженности электрического поля, поскольку E=ΔU/L, где ΔU - разность потенциалов, кВ; L - расстояние, м.
Выбор микроманометра основан на том, что у механического чашечного анемометра МС-13 небольшая разрешающая способность, и он не реагирует на электрический ветер. Другие приборы, основанные на измерении электрическим методом неэлектрических величин, недопустимо использовать, поскольку произойдет наложение как минимум двух электрических полей, приводящее к недостоверным результатам измерения.
Трубки Пито позволяют осуществить прямое измерение давления, а не косвенно как это осуществлялось в прототипе и аналогах. Под прямым измерением понимают непосредственно измерения давления с помощью градуированной трубки с жидкостью, то есть давление, оказываемое на столб жидкости, соответственно величину измеряем в Паскалях. А косвенное - искомую величину давления определяют через другие параметры по аналогу электрические. В связи с этим возможны погрешности при необходимой градуировки датчиков, основанных на косвенных методах. А если еще используется при этом наложение дополнительного электрического поля, которое при изготовлении датчиков с косвенным измерением заводом - изготовителем не учитывалось, то становится понятным недостоверность измерений при косвенном методе.
Нами экспериментально установлено, что максимальное расстояние действия электрического ветра при напряженности электрического поля 625 кВ/м при соответствующем напряжении 20 кВ составляет всего 32 мм. Для сравнения отметим, что в книге Б.С.Бабакин Электротехнология в холодильной промышленности / М. Агропромиздат 1990, с.11 расстояние действия электрического ветра при напряженности электрического поля 750 кВ/м составляет свыше 800 мм. Представленные в этой книге по нашему мнению недостоверные результаты, которые объясняются тем, что прибор ТТМ-2-01М для измерения скорости нельзя использовать в зоне действия электрического поля, ввиду того, что на термопару наводится дополнительный электрический заряд от электрического поля.
Кроме того, согласно учебника [Иванов О.П., Мамченко В.О. Аэродинамика и вентиляторы, Ленинград, Машиностроение Ленинградское отделение 1986] принято рассматривать отдельно термины аэродинамика струй и аэродинамика всасывающих факелов. В связи с этим необходимо отметить, что в вышеупомянутой книге Б.С.Бабакин Электротехнология в холодильной промышленности / М. Агропромиздат 1990 и в других источниках эти термины не только не обсуждаются, но и вообще не рассматриваются.
Полезная модель поясняется чертежами и графиками.
На фиг.1 представлена схема устройства для измерения давления и скорости электрического ветра; на фиг.2 представлена схема взаимодействия игольчатого электрода и трубки Пито; на фиг.3 представлен график зависимости давления потока газа от напряженности электрического поля; на фиг.4 представлен график зависимости скорости электрического ветра от напряженности электрического поля.
Устройство выполнено в виде двух штативов 1 и 2, на которых соответственно смонтированы на изоляторах 3 сферический электрод 4 и трубки Пито 5 и 6, изготовленные из диэлектрика. Сферический электрод 4 подсоединен с помощью провода 7 к высоковольтному источнику электрического тока 8, а наконечники трубок Пито 5 и 6 с помощью резиновых шлангов 9 и 10 подсоединены к микроманометру 11. Внутри трубки Пито 5, воспринимающей полное давление соосно установлен игольчатый электрод 12.
Устройство работает следующим образом. Сферический электрод 4 устанавливаем в штативе 1 на изоляторах 3, предварительно проверив их работу, соосно центральному отверстию трубки Пито 5 и игольчатому электроду 12. Включаем высоковольтный источник электрического тока 8 и добиваемся получения коронного разряда на острие игольчатого электрода 12 в виде струи плазмы длинной L. Возникает электрический ветер, за счет потока газа выходящего из трубки Пито 5, в которой создается разряжение, т.е. давление ниже атмосферного. С помощью шлангов 9, 10 соединяющих трубки Пито 5, 6 и микроманометр 11, осуществляем измерения показаний давления на шкале микроманометра 11. Затем осуществляем расчет значений скоростей электрического ветра. Изменяя расстояние L и величину подаваемого напряжения от высоковольтного источника электрического тока 8 на игольчатый электрод 12, определяем давление, по шкале микроманометра 11 и скорость электрического ветра по формуле , где g - ускорение силы тяжести, Н - динамический напор, γ - удельный вес газа, протекающего воздуха в зависимости от напряженности электрического поля, которую рассчитываем по формуле E=U/L, где U - напряжение, L - расстояние.
График зависимости давления потока газа от напряженности электрического поля показывает, что при самостоятельном и несамостоятельном разряде имеется линейная зависимость без экстремальных переходов. При несамостоятельном разряде давление изменяется от 1,55 до 3,87 Па, при изменении напряженности электрического поля от 625 до 666,7 кВ/м, а при самостоятельном разряде давление от 3,87 до 11,62 Па, при изменении напряженности электрического поля от 666,7 до 869,6 кВ/м.
График зависимости скорости электрического ветра от напряженности электрического поля показывает, что при переходе от несамостоятельного к самостоятельному разряду имеет место экстремум в районе 666,7 кВ/м, при этом скорость потока газа изменяется от 0,08 до 0,13 м/с, при изменении напряженности электрического поля от 625 до 666,7 кВ/м.
Под самостоятельным разрядом понимают разряд сопровождающийся свечением в виде плазмы образуемой ионизированным газом.
Под несамостоятельным разрядом (темным) понимают разряд с меньшей напряженностью электрического поля и не сопровождающимся образованием короны (плазмы).