ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
THERMAL WIND-GAGE DETERMINATION OF FLUID OR GAS FLOW VELOCITY AND DIRECTION AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к термоанемометрическим средствам измерения скорости и направления потока жидкости или газа и может быть применено при исследовании различных сред, в том числе агрессивных, в любых водоёмах и в атмосфере.
Известен аппарат для измерения скорости и направления текучих сред [Fluid speed or direction measuring apparatus. Inventors: Honda; Hideyuki (Kyoto, JP), Kawasaki; Koichi (Tokyo, JP), Sato; Hiroshi (Machida, JP). Assignee: Honda Engineering Co., Ltd. (Osaka, JP). Tokyo Denshi Yakin Co., Ltd. (Kanagawa, JP). Appl. No.: 07/039,198. Filed: April 16, 1987], в котором в качестве термочувствительного элемента использован монокристалл германия. Этот датчик имеет недостаточную чувствительность из-за наличия вращающей системы, без которой невозможно обнаружить плоскость, в которой лежит вектор скорости и оси датчика. Кроме того, этому аналогу свойственна недостаточная информативность из-за наличия "затененного участка", что ограничивает определение направления потока от 180 до 360°, то есть, аппарат позволяет определять направление и скорость среды только в полусфере значений.
Известен тепловой датчик для измерения направления океанического потока [Патент США № 3 995 480, кл. G 01 Ρ 5/10, опубл. 07.12.1976], характеризующийся следующими признаками. Он содержит тонкостенный полый корпус круглого сечения, выполненный из некорродирующего противообрастающего материала и имеющий хорошую передачу тепла. Датчик имеет множество близкорасположенных тонкопленочных чувствительных термоэлементов, сформированных и выровненных на внутренней стенке корпуса, при этом элементы размещены по всей высоте и по всему диаметру корпуса. Термоэлементы (датчики температуры) образуют пары, которые на 180° противоположны друг другу и подключены к сканирующему устройству и компаратору измерительного блока. В центре корпуса установлен проволочный нагреватель для равномерной передачи тепла по всему корпусу.
Пространство между нагревателем и термоэлементами полностью заполнено теплопроводящим материалом - серебряной пастой. Наполненный заполнителем корпус закрыт крышкой и закреплен в измерительном приборе.
Этот аналог по совокупности признаков наиболее близко подходит к заявленному техническому решению и поэтому выбран в качестве прототипа для каждого из изобретений, входящих в заявленную группу.
Заявленный способ имеет следующие общие с прототипом признаки: используют расположенные в рабочей зоне в заданных плоскостях пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре. Заявленное устройство характеризуется следующими общими с прототипом признаками: закрепленный в приборе и имеющий контакт с потоком корпус в виде тонкостенного полого цилиндра, который выполнен из теплопроводящего материала, наполнен заполнителем и закрыт крышкой, расположенные в рабочей зоне пары подогреваемых датчиков температуры, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса, и выводы которых подключены к измерительному блоку прибора, и нагреватель.
В основе работы прототипа лежит измерение температуры каждого из чувствительных элементов и сравнение изменений температуры, чтобы таким образом обнаружить две критические точки в слое, граничащим с жидкостью, обтекающей сферический корпус. Критические точки всегда привязаны к направлению течения жидкости. Множество близкорасположенных термоэлементов служат для обнаружения градиента температуры вокруг корпуса, вызванного переходом ламинарного в турбулентный поток и градиентом скорости жидкости, протекающей поблизости. Так определяется направление и скорость течения.
Заложенный в прототипе принцип определения направления и скорости течения на основе обнаружения двух критических точек в обтекающем слое обусловливает недостаточную чувствительность прототипа, не выше 1°, поскольку зависит от количества установленных датчиков - в данном случае 360 штук. При указанных минимальных размерах цилиндра, 0,5 дюйма, плотность расположения датчиков составит, примерно, 10 штук на 1 мм, что является сложной технологической задачей. Дальнейшее увеличение количества термодатчиков приведет к существенному увеличению габаритов датчика, усложнению устройства и снижению его надежности. Кроме того, теплопроводящей пасте практически всегда свойственна некоторая неоднородность, которая может привести к аномальным перегревам поверхности цилиндра и соответственно к увеличению погрешности измерения направления потока.
В основу изобретения поставлена задача создания термоанемометрического способа определения скорости и направления потока жидкости или газа и устройства для его осуществления, в которых совокупности их отличительных признаков обусловливают достижение единого технического результата - повышение чувствительности измерений.
Поставленная задача решается тем, что в изобретении - способе термоанемометрического определения скорости и направления потока жидкости или газа, который заключается в том, что используют расположенные в рабочей зоне в заданных плоскостях пары подогреваемых датчиков температуры и вычисляют разность значений температур датчиков в каждой паре, новым является то, что используют две пары подогреваемых датчиков и дополнительно измеряют температуру потока расположенным в рабочей зоне неподогреваемым датчиком температуры, определяют скорость потока по разности среднеарифметического значения температур четырех подогреваемых датчиков и значения температуры неподогреваемого датчика, и определяют направление потока α в выбранной относительно плоскостей расположения пар датчиков системе координат по выражению
где
- значения температур подогреваемых датчиков соответственно в первой и второй парах. Задача изобретения решается также тем, что в изобретении - измерителе скорости и направления потока жидкости или газа, содержащем закрепленный в приборе и имеющий контакт с потоком корпус в виде тонкостенного полого цилиндра, который выполнен из теплопроводящего материала, наполнен заполнителем и закрыт крышкой, расположенные в рабочей зоне пары подогреваемых датчиков температуры, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса, и выводы которых подключены к измерительному блоку прибора, и нагреватель, новым является то, что измеритель содержит две пары подогреваемых датчиков температуры, расположенных в поперечной плоскости корпуса в двух ортогональных плоскостях, и расположенный в рабочей зоне и имеющий непосредственный контакт с потоком неподогреваемый датчик температуры, вывод которого подключен к измерительному блоку прибора, и который закреплен на оси крышки, которая выполнена куполообразной из теплоизоляционного материала, при этом нагреватель имеет непосредственный тепловой контакт с корпусом, а заполнителем является теплоизоляционный материал или воздух.
Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстраций, на которых изображено: фиг. 1 - общий вид заявленного измерителя с приподнятой крышкой; фиг. 2 - диаграммы направленности четырех подогреваемых датчиков температуры и соответствующие им значения температур в зависимости от направления потока V (иллюстрации а, б, в, г); фиг. 3 - зависимость направления потока α от разности температур датчиков в первой и второй парах; фиг. 4 - зависимость разности температур датчиков в первой и второй парах от направления потока а.
Заявленный термоанемометрический датчик скорости и направления потока (фиг. 1) содержит контактирующий с исследуемым потоком выполненный, например, из алюминия или меди тонкостенный корпус 1 в виде цилиндра, посадочное место которого установлено в корпус 2 измерительного прибора. Полость корпуса 1 наполнена теплоизоляционным заполнителем 3, в качестве которого в данном случае использован жесткий пенопласт для создания жесткости корпуса. В заданной поперечной плоскости корпуса 1, то есть в рабочей зоне измерителя, в двух ортогональных плоскостях расположены две пары датчиков температуры 4-7, которые имеют непосредственный тепловой контакт с внутренней стенкой корпуса 1. Выводы датчиков 4-7 подключены к измерительному блоку прибора. В данном случае датчики температуры 4-7 закреплены в заполнителе 3 и их контактные поверхности технологически доработаны под поверхность внутренней стенки цилиндра 1. Измеритель содержит нагреватель 8, который непосредственно установлен на корпусе 1 в его части, установленной в прибор. В данном случае нагреватель 8 выполнен в виде проволочной намотки. Цилиндр 1 закрыт крышкой 9, которая выполнена куполообразной для ослабления паразитной траектории через крышку, что приводит к увеличению разницы температур в парах подогреваемых датчиков 4, 6 и 5,7, а, следовательно, к увеличению чувствительности. С этой же целью и для исключения температурного шунтирования датчиков 4-7 крышка 9 изготовлена из теплоизоляционного материала, например, из пластмассы или оргстекла. В центре крышки 9 установлен контактирующий с исследуемым потоком датчик 10 температуры, вывод которого подключен к измерительному блоку прибора. Для уменьшения пространственной ошибки датчик 10 расположен в непосредственной близости от датчиков 4-7 и, кроме того, он дополнительно ослабляет паразитный поток через крышку 9.
1
2
3
4
5
Устройство работает следующим образом. Нагреваемый нагревателем 8 корпус 1 при обтекании его потоком, например, жидкости, охлаждается, при этом фронтальная поверхность корпуса охлаждается интенсивнее по сравнению с его экранируемой тыльной частью. Неравномерность охлаждения рабочей зоны корпуса 1, зависящая от скорости и направления потока, фиксируется парами противолежащих датчиков температуры 4, 6 и 5, 7 - обозначим значения температур датчиков в этих парах соответственно Т, Т и Т, Т (фиг. 2). Температура окружающей среды фиксируется неподогреваемым датчиком температуры 10 - обозначим значения температур этого датчика как Т (на иллюстрациях не показано).
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Для определения скорости потока фиксируют значения Т, Т, Т, Т (фиг. 2) температуры корпуса 1 соответственно датчиками 4, 6, 5, 7 и значения Т температуры среды, окружающей корпус 1, неподогреваемым датчиком 10. Разница между среднеарифметическим значением температур Т, Т, Т, Т и температурой Т является информативным параметром, необходимым для вычисления скорости V обтекающего потока, причем, чем выше скорость обтекания, тем меньше эта разность
Принцип определения направления потока основан на разности температур корпуса 1, измеренной парами противолежащих датчиков: 4, 6 и 5, 7. Обозначим разность температур датчиков 4 и 6 первой пары как ΔΤ1, а разность температур датчиков 5 и 7 второй пары как ΔΤ2, то есть,
Для задания различных углов обтекания измеритель помещают в поток жидкости, задаваемых, например, гидролотком. Выбирают направление, проходящее через одну из пар подогреваемых датчиков, например, через пару датчиков 4 и 6, в качестве нулевого и, вращая измеритель вокруг собственной оси, задают угол обтекания измерителя.
Для измерения направления потока φ в абсолютных географических координатах измеритель необходимо дополнительно снабдить компасом для текущего измерения ориентации оси измерителя в пространстве
где α - угол обтекания измерителя;
β - угол между нулевой осью измерителя и направлением на север. На фиг. 2 представлены диаграммы направленности подогреваемых датчиков температуры 4, 5, 6, 7. Соответствующие векторы  численно равны значениям температур этих датчиков и зависят от направления потока V (иллюстрации а, б, в, г). Стрелки указывают направление потока. На этих иллюстрациях видно, что определенному направлению потока V соответствуют определенные значения  температур датчиков 4, 6, 5, 7 в соответствии с их диаграммами направленности.
Для определения направления потока в качестве информативного параметра используют разность температур, измеренных противоположными датчиками, то есть, парой датчиков 4, 6 и парой датчиков 5, 7. За нулевое направление потока возьмем, например, ось, проходящую через первую пару датчиков 4 и 6, которым соответствует разность температур
На фиг. 3 представлена зависимость направления потока α от разности  температур первой пары датчиков и от разности  температур второй пар датчиков. Отрезок OA численно равен разности  температур, измеренных термодатчиками 4 и 6 первой пары, отрезок ОВ численно равен разности ΔΤ2 температур, измеренных термодатчиками 5 и 7 второй пары, откуда направление α потока будет описываться выражением (1):
1
2
3
4
Диаграммы направленности первой и второй пар датчиков носят косинусный характер и представлены на фиг. 4: отрезку OA соответствует AT1 = Т-Т, а отрезку ОВ соответствует ΔΤ2 = Т-Т.
Заявителем был изготовлен макетный образец измерителя со следующими. линейными размерами корпуса 1: диаметр - 16 мм; длина - 12 мм; длина части, находящейся в контакте с исследуемым потоком, составляет 3,5 мм.
В качестве датчиков 4-7 использованы терморезистивные датчики HEL 700, сопротивлением 1000 Ом (при 0°С). Мощность нагревателя 8 составляет 0,7 Вт.
Заявленная группа изобретений обеспечивает повышение чувствительности измерений, а также значительное снижение энергозатрат благодаря непосредственному тепловому контакту нагревателя и корпуса.