УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скорости и направления потока газа или жидкости.
Известны устройства для измерения скорости и направления потока воздуха или воды, содержащие вертушку и флюгарку (руль), как, например, в автоматической радиометеорологической станции М-107 или вертушке морского типа ВММ [1]. В данных устройствах вертушка является датчиком скорости потока, которую измеряют по скорости вращения вертушки, а флюгарка разворачивает все устройство навстречу потоку и по углу разворота судят о направлении потока.
Недостатками данных устройств являются большие габариты, вес и возможность определения направления потока только в горизонтальной плоскости измерения. Недостатки обусловлены механическими принципами выполнения.
Наиболее близким аналогом по отношению к заявляемому решению является устройство для измерения скорости и направления движения газообразных и/или жидких сред (Полезная модель №12255, опубл. 16.12.1999), состоящее из трех термоанемометрических датчиков, расположенных под углом 120° относительно центра конструкции, каждый из которых соединен со своим усилителем ЭДС, соединенным, в свою очередь, с вычислительным блоком, предназначенным для определения среднего значения и отклонения в процентах каждого канала от среднего значения. Вычисленные значения отклонения поступают в блок памяти и дешифрируются, далее поступают на цифровой блок индикации направления потока. Вычисленное среднее значение поступает на блок линеаризации скорости потока и далее на цифровой блок (табло) скорости потока.
К недостаткам прототипа относится возможность определения направления составляющей вектора скорости потока газа или жидкости только в одной плоскости измерения, что обусловлено плоскостной моделью расположения термоанемометрических датчиков.
Задачей настоящего технического решения является создание устройства термоанемометрического принципа действия, которое позволяет определять скорость и направление потока газообразных и жидких сред в трехмерном пространстве.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве для измерения скорости и направления потока в трехмерном пространстве, содержащем термоанемометрические датчики, каждый из которых соединен со своим усилителем термоЭДС, соединенным, в свою очередь, с вычислительным блоком, предусмотрены следующие отличия:
термоанемометрические датчики расположены с заданным шагом на сферической поверхности, изготовленной из материала, плохо проводящего тепло, в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр сферы, вычислительный блок содержит блок определения координат трех минимальных значений термоЭДС, блок вычисления вектора направления потока, блок вычисления», среднего значения термоЭДС, блок памяти скорости потока по данным первоначальной калибровки и дешифратор, причем выход блока усиления термоЭДС соединен с входом блока определения координат трех минимальных значений термоЭДС и входом блока вычисления среднего значения термоЭДС, выход блока определения координат трех минимальных значений термоЭДС соединен с входом блока вычисления вектора направления потока, выход блока вычисления вектора направления потока соединен с входом блока индикации направления потока, выход блока вычисления среднего значения термоЭДС соединен с входом блок памяти скорости потока по данным первоначальной калибровки и дешифратором, выход которого соединен с входом блока индикации скорости потока.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 - технический рисунок первичного измерительного преобразователя.
На фиг.2 - функциональная схема устройства для измерения скорости и направления потока в трехмерном пространстве.
На фиг.3 - график распределения коэффициента теплообмена на поверхности сферы Nu(θ) [2].
5
5
6
На примере реализации устройства цифрами обозначено: первичный измерительный преобразователь 1; две полусферы 2; взаимно перпендикулярные плоскости, проходящих через центр сферы, 3, 4, 5; термоанемометрические датчики (термопары) 6; ламинарный поток среды 7; лобовая поверхность сферы относительно потока среды 8; кормовая поверхность сферы относительно потока среды 9; термоанемометрические датчики с минимальными значениями термоЭДС 10; плоскость, проходящая через координаты датчиков с минимальным значением термоЭДС, 11; вектор направления потока 12; блок усиления термоЭДС 13; блок определения координат трех минимальных значений термоЭДС 14; блок вычисления среднего значения термоЭДС 15; блок вычисления вектора направления потока 16; блок памяти скорости потока по данным первоначальной калибровки и дешифратор 17; блок индикации направления потока 18; блок индикации скорости потока 19; график Nu(θ) при числе Рейнольдса Re=1,71·10 - 20; график Nu(θ) при числе Рейнольдса Re=4,2·10 - 21; график Nu(θ) при числе Рейнольдса Re=10 - 22.
Входящие в состав устройства для измерения скорости и направления потока в трехмерном пространстве блоки соединены следующим образом. Выход первичного измерительного преобразователя 1 соединен с входом блока усиления термоЭДС 13, выход блока усиления термоЭДС 13 соединен с входом блока определения координат трех минимальных значений термоЭДС 14 и входом блока вычисления среднего значения термоЭДС 15, выход блока определения координат трех минимальных значений термоЭДС 14 соединен с входом блока вычисления вектора направления потока 16, выход которого соединен с входом блока индикации направления потока 18, выход блока вычисления среднего значения термоЭДС 15 соединен с входом блок памяти скорости потока по данным первоначальной калибровки и дешифратором 17, выход которого соединен с входом блока индикации скорости потока 19.
Первичный измерительный преобразователь 1 представляет собой пустотелую сферу, состоящую из двух соединенных между собой полусфер 2, изготовленных из материала, плохо проводящего тепло. На поверхности сферы во взаимно перпендикулярных плоскостях 3, 4, 5 с заданным шагом расположены термоанемометрические датчики 6. Шаг, с которым расположены термоанемометрические датчики 6 на поверхности пустотелой сферы, определяет точность измерения направления потока.
Блок усиления термоЭДС 13 состоит из усилителей термоЭДС, количество которых равно количеству термоанемометрических датчиков 6. Усилители термоЭДС усиливают сигналы, поступающие с термоанемометрических датчиков 6.
Устройство для измерения скорости и направления потока в трехмерном пространстве работает следующим образом.
Экспериментально установлено, что при помещении сферы в поток интенсивность теплообмена между поверхностью сферы и окружающей средой не одинакова. Интенсивность теплоотдачи к поверхности сферы выражается через локальное число Нуссельта (Nu) [2]. Результаты распределение Nu вдоль образующей сферы показаны на фиг.3. Из графиков 20, 21, 22 на фиг.3 следует, что интенсивность теплоотдачи на сфере не одинакова и существенно зависит от значения числа Рейнольдса[2]. Наибольшие величины Nu расположены вблизи лобовой 8 (θ=0°) и кормовой θ (9=180°) поверхностей сферы. Характер поведения кривых Nu (θ) зависит от толщины пограничного слоя на лобовой части 8 и от интенсивности вихреобразования на кормовой 9 поверхности сферы. Уменьшение теплоотдачи по мере удаления от лобовой 8 (θ=0°) поверхности сферы объясняется увеличением толщины пограничного слоя, являющегося тепловым сопротивлением. При угле θ=110° для ламинарного режима и θ=120° для турбулентного его толщина становиться максимальной, а теплоотдача достигает своего минимума. Этот же угол соответствует положению точки отрыва пограничного слоя от поверхности. С дальнейшим увеличением θ значения коэффициента теплоотдачи возрастают, так как пограничный слой в кормовой части 9, по существу, отсутствует, и, поверхность омывается крупномасштабными вихрями, интенсивность которых возрастает по мере приближения к θ=180° и увеличения значения числа Рейнольдса. На графиках 20, 21, 22 фиг.3 видно, что по значениям Nu можно однозначно определить направление потока.
Первичный измерительный преобразователь 1 помещен в измеряемый поток. ТермоЭДС термоанемометрических датчиков 6, расположенных на поверхности пустотелой сферы в плоскостях 3, 4, 5 с заданным шагом, усиливаются в блоке усиления термоЭДС 13. Причем, значения термоЭДС не одинаковы, т.к. интенсивность теплоотдачи к поверхности сферы (Nu) в различных ее точках разная (см. выше). Чем больше Nu, тем больше температура в этой точке, тем больше термоЭДС термоанемометрического датчика, расположенного в данной точке. Из всего массива полученных значений термоЭДС термоанемометрических датчиков 6 выделяются три минимальных значения и определяются координаты термоанемометрических датчиков с этими минимальными значениями. Данная операция осуществляется в блоке определения координат трех минимальных значений термоЭДС 14. Далее в блоке вычисления вектора направления потока 16 строится плоскость 11, проходящая через полученные три координаты, и вектор 12, проходящий через центр сферы, и перпендикулярный полученной плоскости 11. Это и есть вектор направления потока, который в дальнейшем поступает на блок индикации направления потока 18.
Одновременно с этим весь массив значений термоЭДС, усиленных в блоке усиления термоЭДС 13, поступает на блок вычисления среднего значения термоЭДС 15. Вычисленное среднее значение поступает на блок памяти скорости потока по данным первоначальной калибровки 17 и дешифрируется, далее поступает на блок индикации скорости потока 19.
Рассмотрим случай. Первичный измерительный преобразователь 1 помещен в измеряемый ламинарный поток среды 7. Термоанемометрические датчики 6 расположении на поверхности пустотелой сферы в плоскостях 3, 4, 5 с шагом в 10°. Общее количество датчиков 6 для данного случая равно 102. Тогда, датчики 10, расположенные под углом θ=110° в плоскостях 3, 4, будут иметь наименьшее значение Nu согласно вышесказанному. Следовательно термоЭДС этих датчиков будет минимальной. В данном случае термоанемометрических датчиков 10 с минимальной термоЭДС четыре штуки. Для того чтобы построить плоскость, проходящую через них, достаточно знать координаты трех из этих датчиков. По трем координатам строится плоскость 11 и вычисляется вектор, проходящий через центр сферы и перпендикулярный построенной плоскости 11. В данном случае это вектор 12 - вектор, показывающий направление потока.
Предлагаемое технического решения позволяет определять скорость и направление потока газообразных и жидких сред в трехмерном пространстве.
Источники информации:
1. Рейфер, А.Б. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам / А.Б.Рейфер, М.И.Алексеенко и др. - Л.: Гидрометеоиздат 1976, - С.214-215, 297-300.
2. Горохов, М.М. Численное исследование влияния вдува с поверхности на сопротивление и теплообмен сферы при сверхкритических числах Рейнольдса / М.М.Горохов // Математическое моделирование систем и процессов. - 2004. - №12. - С 12-20.