Способ определения скорости потока жидкости

Способ определения скорости потока жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения скорости однофазного потока жидкости при ламинарных и турбулентных режимах течения.

Известен способ определения скорости потока жидкости, заключающийся в том, что нагревают спай термопары от отдельного нагревателя, измеряют температуру спая термопары, определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости W=f(T), где W - скорость потока, Т - температура спая термопары (Б.И.Леончик, В.П.Маякин. Измерение в дисперсных потоках. М.: Энергоатомиздат. 1981. С.92).

Недостатки способа заключаются в следующем: измерение температуры указанным способом имеет большую инерционность, в том числе и за счет наличия электроизоляционного слоя между спаем термопары и отдельным нагревателем. Конструкция датчика сложна из-за наличия элементов электроизоляции, отдельного нагревателя. Рабочие температуры датчика ограничены свойствами электроизоляции и не превышают 200-250°С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ определения скорости однофазного потока жидкости, заключающийся в том, что подводят от источника переменного тока к спаю измерительной термопары фиксированную мощность, нагревают спай измерительной термопары, отделяют полезный сигнал, сформированный спаем измерительной термопары, от сигнала генерируемого источником переменного тока, измеряют температуру спая измерительной термопары, определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости W=f(T),

где W - скорость потока, Т - температура спая термопары (Б.И.Леончик, В.П.Маякин. Измерение в дисперсных потоках. М.: Энергоатомиздат. 1981. С.92).

В известном способе отделение полезного сигнала, сформированного спаем измерительной термопары, от сигнала генерируемого источником переменного тока достигается с помощью фильтра нижних частот, состоящего из конденсатора и дросселя. Основной недостаток способа заключаются в том, что с помощью фильтра нижних частот не удается полностью отстроиться от помех, проходящих от источника переменного тока. Вследствие прохождения помех и невозможности их количественной оценки измерение температуры, и соответственно скорости проводится с большой погрешностью.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности определения скорости потока жидкости, что обеспечивается тем, что к спаю термопары мощность подводят импульсно, измеряют мощность и время импульса, измеряют температуру спая на нисходящем участке зависимости T_сп=f(τ), определяют темп охлаждения спая на нисходящей ветви зависимости T_сп=f(τ), m=-(dT_сп/dτ)/(T_сп-Т_ж), определяют коэффициенты теплоотдачи α_в и α_н, на основе зависимостей α_н=mcρV/F и α_в=N/(F(T_сп-Т_ж)), определяют среднее значение коэффициента теплоотдачи α_ср=(α_в+α_н)/2 определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости W=f(α_cp), причем время импульса τ_m выбирается из условия достижения регулярного режима τ_р нагрева спая, определяемое на основе условия - m_в=-((dTсп/dτ)/(Т_сп-Т_ж)=idem с течением времени, а максимальная температура спая не превышает температуру насыщения при давлении теплоносителя в сечении измерения скорости, где с, ρ, V, F - соответственно теплоемкость, плотность, объем, поверхность спая -определяются предварительно в процессе отладочных опытов, N - мощность импульса, W - скорость потока жидкости в месте размещения спая, м/с, Т_cп, Т_ж - соответственно температура спая (средняя по объему), температура жидкости °С, m=-(dT_cп/dτ)/(T_сп-Т_ж) - темп охлаждения (нагрева) спая, α_в и α_н коэффициенты теплоотдачи на восходящей и нисходящей участках кривой Т_сп=f(τ)

Достижение технического результата, заключающегося в повышении точности определения скорости однофазной жидкости, обеспечивается тем, что, определение скорости потока достигается на основе величин не требующих отделения полезного сигнала термопары от питающего сигнала, идущего на вход измерительной цепи. Действительно, темп охлаждения m_в, на основе которого определяется α_н, определяется при отключенном источнике, а коэффициент теплоотдачи α_в для своего определения не требует использования отстроенной от помех зависимости вида T_сп=f(τ). Технический результат достигается также тем, что дополнительно к определению коэффициента теплоотдачи на нисходящей части зависимости T_сп=f(τ) используется восходящий участок, на котором определяется среднее значение коэффициента теплоотдачи на восходящей части зависимости T_сп=f(τ). Использование восходящей и нисходящей ветвей зависимости для определения коэффициентов теплоотдачи и соответственно скорости потока позволяет устранить погрешности, связанные с зависимостью теплоотдачи от направления теплового потока (нагрев, охлаждение) и уменьшить погрешности, обусловленные начальными условиями.

На фиг.1 показана схема для осуществления способа.

На фиг.2 показана качественная зависимость T_сп=f(τ).

На фиг.3 показана градуировочная зависимость W=f(α_cp), на основе которой определяется скорость потока предлагаемым способом. Схема для осуществления способа, фиг.1, включает в себя следующие элементы 1 - Регулируемый источник переменного тока, 2 - электронный ключ - служит для управления источником питания, 3 - разделительная емкость, 4 - термопара, 5 - фильтр нижних частот, 6 - измеритель мощности переменного тока, тактовый генератор, 8 - АЦП, аналого-цифровой преобразователь, 9 - ПВМ, персональный компьютер.

Способ определения скорости потока жидкости осуществляется следующим образом.

Помещают спай термопары в канал, где производят измерение скорости жидкости. Измеряют температуру жидкости. Подводят от источника переменного тока к спаю термопары мощность. Далее нагревают спай термопары. Нагрев проводят импульсно. Измеряется мощность импульса, время нагрева и температура спая. Термопара выполнена по 4-х проводной схеме, т.е. подвод мощности к спаю осуществлен с помощью медных изолированных проводов, а выходной сигнал (измерительный) с помощью изолированных хромель-копелевых проводов (использовалась термопара типа ХК). После нагрева термопары до определенной температуры спая (температура спая не должна превышать температуру насыщения при давлении теплоносителя в сечении измерения скорости) источник отключается и спай охлаждается. Время нагрева и охлаждения равны, причем это время превышает время выхода на регулярный режим нагрева и охлаждения спая термопары. Далее определяют темп охлаждения спая на нисходящей ветви зависимости T_сп=f(τ), m=-(dT_сп/dτ)/(T_сп-Т_ж), определяют коэффициенты теплоотдачи α_в и α_Н на основе зависимостей α_н=mcρV/F и α_в=N/(F(T_сп-Т_ж)), определяют среднее значение коэффициента теплоотдачи αср=(α_в+α_н)/2, определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости W=f(α_cp). Поскольку определение скорости правомерно в стационарных режимах, вышеописанные действия можно проводить как в реальном времени, так и после получения соответствующих данных.

В качестве примера рассмотрим определение расхода воды в трубе диаметром 10 мм. Режимные параметры: давление 16.0 МПа, температура 200°С, расход воды варьировался в пределах 180 - 360 кг/час. Зависимость W=f(α_cp) предварительно была получена на проливочном (градуировочном) стенде на идентичном канале. Скорость, используемая для градуировки, определялась с помощью трубки Пито, установленной в центре трубы. Термопара устанавливалась в центре трубы. При проведении измерений на измерительном стенде скорость в центре трубы определялась с помощью термопары и сравнивалась со скоростью, определенной с помощью трубки Пито. Сравнение скоростей в указанном диапазоне расходов показало совпадение в диапазоне 5-7%.

Способ определения скорости потока жидкости, заключающийся в том, что подводят от источника переменного тока к спаю измерительной термопары мощность, нагревают спай измерительной термопары, измеряют температуру спая термопары, отличающийся тем, что к спаю термопары мощность подводят импульсно, измеряют мощность и время импульса, измеряют температуру спая на нисходящем участке зависимости T_сп=f(τ), определяют темп охлаждения спая на нисходящей ветви зависимости T_сп = f(τ), m = - (dT_cп/dτ)/(T_cп-Т_ж), определяют коэффициенты теплоотдачи α_в и α_н, на основе зависимостей α_н=mcρV/F и α_в=N/(F(T_сп-Т_ж)), определяют среднее значение коэффициента теплоотдачи α_ср=(α_в+α_н)/2, определяют скорость потока жидкости на основе предварительно полученной зависимости W=f(α_cp), причем время импульса τ_m выбирается из условия достижения регулярного режима τ_р нагрева спая, определяемое на основе условия

-m_В = - (dT_сп/dτ)/(T_сп-Т_ж)=idem

с течением времени, а максимальная температура спая не превышает температуру насыщения при давлении теплоносителя в сечении измерения скорости, где с - теплоемкость материала спая; ρ - плотность материала спая; V - объем спая; F - поверхность спая – определяются предварительно в процессе отладочных опытов, N - мощность импульса, W - скорость потока жидкости в месте размещения спая, м/с, Т_сп, Т_ж - соответственно температура спая (средняя по объему), температура жидкости, °С, m = - (dT_cп/dτ)/(T_cп-Т_ж) - темп охлаждения (нагрева) спая, коэффициенты теплоотдачи α_в, α_н на восходящей и нисходящей участках кривой T_сп=f(τ).