ТЕРМОАНЕМОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗА В ПРОТИВОТОЧНОМ ГАЗОКАПЕЛЬНОМ ПОТОКЕ
THERMO ANEMOMETER FOR MEASURING GAS VELOCITY IN COUNTER-CURRENT GAS-DROP FLOW

Изобретение относится к термоанемометрическим средствам измерения скорости газа и может быть применено при исследовании различных сред, в том числе агрессивных. Изобретение может быть использовано для измерения скорости газа в газокапельном противоточном потоке, среде фреонов, в конструкциях аппаратов с различной структурой поверхностей.
Известен термоанемометрический датчик измерения скорости движения газа (патент РФ №130715, 2012 г., G01P 5/00), который состоит из холодного и горячего спаев, источника тока, регулятора силы тока и милливольтметра. Работа данного термоанемометрического датчика заключается в образовании термоэлектродвижущей силы при подогревании горячего спая от внешнего источника электрического тока, при этом холодный спай имеет температуру измеряемой среды, температура горячего спая зависит от электрического тока, проходящего через горячий спай, и величины отвода теплоты потоком воздуха.
Недостатком данного решения является невозможность работы устройства в противоточном газокапельном потоке, так как капли, попадая на чувствительный элемент, существенно изменяют интенсивность теплоотдачи, что эквивалентно значительному повышению скорости потока, и как следствие искажению данных.
Известен термоанемометрический способ определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройство для его осуществления (патент РФ №2548135, 2011 г., G01P 5/10), при котором используют расположенные в рабочей зоне измерителя в двух ортогональных плоскостях две пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре, измеряют температуру потока расположенным в рабочей зоне неподогреваемым датчиком, определяют скорость потока по разности среднеарифметического значения температур четырех подогреваемых датчиков и значения температуры неподогреваемого датчика. Изобретение может быть применено при исследовании различных сред, в том числе агрессивных. Термоанемометрический датчик содержит корпус в виде цилиндра, закрытого крышкой, которая выполнена куполообразной для ослабления паразитной траектории через крышку. Крышка изготовлена из теплоизоляционного материала, например, из пластмассы или оргстекла. Недостатки данного решения:
1) при изготовлении крышки устройства из оргстекла, невозможна его работа в среде фреонов;
2) сложность изготовления данного термоанемометрического устройства;
3) конструкция данного термоанемометрического устройства в противоточном газокапельном потоке будет интегрировать капли на всю поверхность тонкостенного цилиндра, что приведет к систематической ошибке, которая не учитывается в данном патенте.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является термоанемометрический датчик (патент РФ №30998, 2003 г., G01P 5/10), выполненный в виде термопары, нагреваемой проходящим через нее электрическим током, холодный и горячий спаи которой расположены в зоне измерения. Оба электрода термопары имеют постоянное сечение, по крайней мере, один электрод покрыт изоляцией, одна часть этого электрода, соединенная с горячим спаем, навита вокруг точки горячего спая, причем длина навитой части выбрана достаточной для заданного нагрева горячего спая, а другая часть этого электрода, соединенная с холодным спаем, выполнена линейной.
Данное изобретение имеет следующие недостатки:
1) сложность изготовления и подбора длины навитой части вокруг точки горячего спая;
2) невозможность работы устройства в противоточном газокапельном потоке, так как капли, попадая на чувствительный элемент, существенно изменяют интенсивность теплоотдачи, что эквивалентно значительному повышению скорости потока и, как следствие искажению данных.
Задачей заявляемого изобретения является создание термоанемометра для измерения скорости газа в противоточном газокапельном потоке, работающего в условиях различных агрессивных сред, в том числе фреонов.
t
Поставленная задача решается тем, что термоанемометр для измерения скорости газа в противоточном газокапельном потоке, содержащий 1 или более чувствительных датчиков и термокомпенсационный датчик, согласно изобретению, содержит конструкцию в виде козырьков, расположенных над чувствительными датчиками параллельно друг другу, при этом козырек представляет собой желоб в виде половины тора, главный радиус которого определяется длиной волны неустойчивости Релея-Тэйлора. Количество козырьков соответствует количеству чувствительных датчиков. Козырьки изготовлены из полиэтилена, стойкого к фреонам и другим агрессивным средам. Количество и месторасположение чувствительных датчиков и, соответственно, количество козырьков и расстояние между ними зависят от поставленной задачи (расстояние между козырьками должно быть не менее половины малого диаметра тора, L≥r). Термоанемометр размещают перпендикулярно потоку измеряемой среды.
Конструкция в виде козырьков защищает чувствительные датчики от попадания капель жидкости, которое приводит к недостоверности измерений с использованием термоанемометра в условиях противоточного газокапельного потока.
На фигуре 1 показана конструкция в виде козырьков, где:
1 - чувствительные датчики;
2 - конструкция в виде козырьков.
Устройство работает следующим образом.
Термоанемометр для измерения скорости газа в противоточном газокапельном потоке содержит чувствительные датчики 1 (тонкопленочные платиновые резисторы на керамической подложке HEL-700, 1 кОм), конструкцию 2, выполненную в виде козырьков, термокомпенсационный датчик (вынесен за пределы потока, но возможно размещение в потоке). Термоанемометр помещают перпендикулярно потоку измеряемой среды непосредственно на выходном срезе канала в противоточный газокапельный поток на расстоянии характерного масштаба чувствительного датчика. При этом газовый поток выходит из канала, а капли жидкости в условиях гравитации движутся в направлении противоположном потоку газа (пара). Конструкция в виде козырьков 2 защищает чувствительные датчики 1 от попадания капель жидкости, которое приводит к недостоверности измерений с использованием термоанемометра в условиях противоточного газокапельного потока. В результате протекания заданного значения тока через чувствительные датчики происходит их разогрев. Температура разогрева чувствительных датчиков определяется скоростью и температурой потока. Дифференциальное включение на вход АЦП чувствительных и термокомпенсационного датчиков исключает влияние температуры потока на чувствительные датчики. Показания АЦП зависят от скорости потока газа и, с использованием индивидуальной калибровки для каждого газа при данном диапазоне температур, определяется скорость потока газа.
Пример.
Данное устройство было апробировано в лабораторных условиях при исследовании распределения скоростей потока паров смеси фреонов R21 и R114. Материал конструкции козырьков - полиэтелен высокой плотности PE-HD, количество датчиков - восемь, количество козырьков - восемь. Козырьки располагались на расстоянии 12 мм друг от друга. Термокомпенсационный датчик вынесен за пределы противоточного потока пара и капель фреона.
В процессе исследований установлено хорошее качественное и количественное совпадение значений скорости пара при неоднократном проведении экспериментов при одних и тех же условиях. Проведенные исследования показали целесообразность применения данного изобретения на практике.