ДАТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКА

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к датчикам скорости потока, и может быть использована для измерения вектора скорости потока отработанных газов, в том числе содержащих пыль, в трубах на основе эффекта Допплера.
Из уровня техники известен ультразвуковой датчик скорости ветра, содержащий держатель и установленный на его торце измерительный узел, по периметру которого равномерно расположены четыре пьезоэлемента (см. патент JP5029993, кл. G01P 13/00, опубл. 19.09.2012). Основным недостатком известного устройства является его хрупкость и ограниченность использования. Кроме того, измерение скорости потока воздуха является недостаточно точным и достоверным из-за возникновения завихрений и турбулентности в потоке, что обусловлено наличием на его пути стержней, на которых закреплены пьезоэлементы.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание универсального устройства с широким диапазоном возможного применения, который позволяет проводить измерения как малых, так и больших скоростей потока, в том числе, сверхзвуковых без риска повреждения чувствительных элементов датчика, а также повышение достоверности измерения скорости и обеспечение возможности измерения высокоскоростных потоков газов после газовой турбины температурой до 950°К. Технический результат заключается в повышении прочности датчика скорости потока. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в датчике скорости потока, содержащем держатель и установленный на его торце измерительный узел, по периметру которого равномерно расположены четыре пьезоэлемента, указанный держатель выполнен в виде отрезка трубы, а измерительный узел - в виде диска с плоской поверхностью, закрывающего его торец, причём пьезоэлементы расположены внутри отверстий в диске заподлицо с его поверхностью. Пьезоэлементы могут быть выполнены в виде керамических дисков или керамических трубок, заполненных припоем. Расстояние между центрами противоположных пьезоэлементов предпочтительно составляет от 10 до 500 мм.
На фиг.1 представлен предлагаемый датчик в разрезе (стрелками x, y обозначено направление осей координат),
на фиг.2 - вид сверху;
на фиг.3 - его расположение в потоке.
Измерение скорости газов очень важно для определения объемов отработанных газов в производственных условиях, а также для определения объема выхлопных газов при эксплуатации транспортных средств.
Предлагаемый датчик скорости потока представляет собой держатель в виде отрезка трубы 1 и измерительный узел в виде металлического диска 2 с плоской поверхностью, закрывающего торец трубы 1. Поверхность диска 2 имеет шероховатость не менее Ra 6,3 мк. Равномерно по периметру диска 2 выполнено четыре отверстия, внутри каждого из которых заподлицо с поверхностью диска 2 расположен пьезоэлемент 3-6. Расстояние L между центрами противоположных пьезоэлементов 3-6 составляет от 10 до 500 мм.
Для изготовления предлагаемого датчика используют пьезоэлементы 3-6 с точкой Кюри не менее, чем в 2 раза больше рабочей температуры газа измеряемого потока 7. Пьезоэлементы 3-6 могут быть выполнены из керамики марки ЦТС-26 в виде диска диаметром 5 мм толщиной 1 мм (производство АО «НИИ ЭЛПА») с максимальной рабочей температурой до 520 К, работающий в режиме 1-ого обертона толщинных колебаний для потоков газов температурой до 470 К. Допускается также использование пьезоэлементов 3-6, выполненных из керамики марки ТНВ-1 в виде трубки внешнего диаметра 6,35 мм внутреннего диаметра 4,9 мм и высотой 6,35 мм (производство АО «НИИ ЭЛПА»), работающих в режиме продольных колебаний для измерения высокоскоростных потоков газов после газовой турбины температурой до 950 К. Отверстие трубки при этом заполнено припоем ПМФ-7 или аналогичным материалом с температурой плавления от 710 до 850°С.
Устройство работает следующим образом.
Предлагаемый датчик скорости располагают в потоке 7 так, чтобы движение газа происходило параллельно плоскости диска 2. Для измерения скорости потока последовательно подают импульсы напряжения на пьезоэлементы 3-6, измеряют время прихода импульса на другие пьезоэлементы, а затем, анализируя полученное время, определяют значение модуля и направление вектора скорости газа.
x
y
Проекции скорости V, V потока отработанного газа определяют по формулам
x
35
53
V = L/(T-T)/2,
y
46
64
V= L/(T-T)/2,
35
где T - время распространения импульса давления от пъезоэлемента 3 до пъезоэлемента 5;
53
Т - время распространения импульса давления от пъезоэлемента 5 до пъезоэлемента 3;
46
Т - время распространения импульса давления от пъезоэлемента 4 до пъезоэлемента 6;
64
Т - время распространения импульса давления от пъезоэлемента 6 до пъезоэлемента 4.
Пример
35
53
46
64
Если расстояние L равно 20 мм, Т = 60 мкс, Т = 57 мкс, Т = 59 мкс; Т = 59 мкс, то скорость потока равна 10 м/сек, а направление совпадает с осью x.
Благодаря описанным конструктивным особенностям предлагаемое устройство позволяет измерять скорости потоков, в том числе, высокотемпературных со скоростью газа до 300 м/с. Поскольку измерительная поверхность датчика гладкая и не имеет выступающих элементов, он не создает дополнительного сопротивления потоку, не порождает вихрей газа и не чувствителен к абразивному износу. Рабочая температура газа, на которую рассчитано предлагаемое устройство в процессе работы может меняться от 100 до 200°С (от 373 до 473 К). Таким образом, полезная модель позволяет повысить прочность датчика скорости, значительно расширив диапазон его возможного применения.