Тепловой способ измерения и контроля расстояния между телами

Тепловой способ измерения и контроля расстояния между телами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в аэродинамическом эксперименте для измерения и контроля расстояния между телами при термоанемометрических исследованиях, например, пограничного слоя.

Известен контактный способ определения расстояния (y) чувствительного элемента нити от поверхности тела, в котором при касании нитью поверхности тела (что соответствует расстоянию y₀=0) замыкается электрическая цепь. При этом другие значения расстояний "y" определяют по соответствующим показаниям "n" координатного устройства (Конт-Белло Ж. Турбулентное течение в канале с параллельными стенками. М.: Мир, 1968, 176 с; Демин B.C., Кураев А.А. Экспериментальное исследование влияния стенки на показания термоанемометра. Изв. СО АН СССР, серия технических наук, выпуск 1, № 3, 1969, c.51).

Недостатками способа являются:

а) невозможность использования в случае неметаллических тел,

б) сложность применения при непрерывном контроле расстояния "y" при исследованиях ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, когда датчик термоанемометра перемещают на значительные расстояния "x" по поверхности модели при расположении чувствительного элемента нити в непосредственной близости от стенки (y≤0,1 мм), когда малейшие неконтролируемые изменения расстояния "y" могут привести к ошибочным толкованиям значений выходного сигнала термоанемометра Е=f(x).

Известен также визуальный способ определения расстояния "y" с помощью оптических приборов, для чего, например, часто используют микроскопы. (Wills. J.A.B. 1962. The correction of hot-wire readings for proximity to a solid boundary. J. Fluid Mech., v.l2, p.388-396; Van Thinh, N. 1969. On some measurements made by means of hot wire in a turbulent flow near a wall. DJSA Info., № 7, p.13-18).

Недостатками этого способа являются:

а) необходимость прозрачности пространства от прибора до тела (модели);

б) сложность (невозможность) размещения оптической системы вблизи модели и ограниченность ее фокусного расстояния;

в) трудность проведения непрерывного контроля расстояния "у" в ходе плавного перемещения датчика по модели.

Наиболее близким к предлагаемому способу из известных технических решений определения и контроля расстояния является тепловой способ, который имеет широкое применение уже в течение нескольких десятков лет (Zaric, Z 1972. Wall turbulence studies. Adv. Heat Transfer, v.8, 285-350; Bhatia J.C., Durst F. and Jovanovic J. Corrections of hot-wire anemometer measurements near walls. J. Fluid Mech. 1982, v.122, pp.411-431; Durst F. and others. Exper. in Fluids 31 (2001). P. 103-110, Fig 2, 3).

При осуществлении этого способа используется зависимость Е=f(y), где Е - текущее значение сигнала термоанемометра. В том случае, когда необходимо учесть расстояние от чувствительного элемента - нити до тела, используют зависимость Е-Е₀=f(y), которую получают в ходе специальной калибровки, где Е_0- - сигнал термоанемометра в зоне отсутствия теплового взаимодействия между телами. Значение реперной точки, т.е. нулевого расстояния между нитью и поверхностью тела (y₀=0), определяют по заранее полученной калибровочной кривой вида Е-Е₀=f(y) при известной связи расстояния "y" с показаниями "n" координатного устройства: y=kn, где k - цена деления координатного устройства.

Чувствительный элемент, например, нить датчика термоанемометра, устанавливают параллельно поверхности тела, выполненного из материала рабочей модели, определяют реперную точку y₀=0, электрически нагревают нить до заданной температуры t_w (с перегревом Q_w=t_w-t_e, где t_e температура окружающей среды), измеряют соответствующие значения сигналов термоанемометра при нескольких расстояниях от нити до поверхности тела в зоне отсутствия теплового взаимодействия, Е₀, и его наличия, Е=f(y), подают эти сигналы в измерительно-вычислительный блок, а затем в процессе работы по полученной калибровочной зависимости вида Е-Е₀=f(y) определяют расстояние "y".

В ходе калибровки расстояние "y" обычно измеряют микроскопом.

К недостатку способа относится неотъемлемое требование сохранения неизменными окружающих условий в течение калибровки, а затем и при работе, что особенно трудно выполнить в отношении температурного режима. Например, в упомянутых выше работах температура среды t_e при калибровке и во время работы сохранялась постоянной с точностью 0,2°, что трудно достижимо даже в специальных лабораторных условиях и практически невозможно выполнить при работе в больших аэродинамических установках и длительных экспериментах, когда температура t_e может изменяться на несколько десятков градусов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и расширение возможностей измерения и контроля расстояния между телами.

Техническим результатом является обеспечение независимости калибровки и результатов измерений от температурных условий, получение калибровочной кривой, проведение измерений при нескольких температурах t_w (перегревах) чувствительного элемента датчика и возможность нахождения реперной точки y₀=0 (соответствующих показаний координатника - n₀) без предварительных калибровок.

Технический результат достигается тем, что в тепловом способе измерения и контроля расстояния между телами чувствительный элемент, например, нить датчика, устанавливают параллельно поверхности тела, определяют его реперную точку "y₀"=0, нагревают до заданной температуры t_w, измеряют соответствующие значения электрических сигналов чувствительного элемента при нескольких его расстояниях "y" до поверхности тела в зоне отсутствия, Е₀, и наличия, Е=f(y), теплового взаимодействия между чувствительным элементом и телом, а затем подают эти сигналы в измерительно-вычислительный блок. При этом применяют два датчика - № 1 и № 2, в частности, с идентичными чувствительными элементами, установленные первоначально на расстоянии "y", при котором отсутствует их тепловое взаимодействие с телом (Е₀). Один из датчиков, например, датчик № 2, устанавливают на разных расстояниях "y", ближе к поверхности тела, при этом измеряют величину сигналов с обоих датчиков: E₂=f(y) и E₀₁, при нескольких заданных одинаковых значениях температуры нити, t_w2=t_w1, и вычисляют зависимость вида E₂/E₀₁=f(y), которой затем при работе ведут контроль и определяют расстояние "y" по измеренным при нескольких температурах t_w значениям E₂/E₀₁, а реперную точку у₀=0 определяют как величину "y", дающую минимальную дисперсию значений E₂/E₀₁=f(y) для зависимостей вида lg[(E₂/E₀₁)²-1]=А+Blg(y) - в случае металлического тела и Е₂/Е₀₁=А+Blg(y) - для диэлектрика в зоне непосредственной близости от тела, где А и В - соответствующие постоянные коэффициенты, определяемые по методу наименьших квадратов.

Техническая эффективность и новизна предлагаемого теплового способа измерения и контроля расстояния "у" между телами иллюстрируются графическими материалами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 приведена зависимость тепловых потерь платиновой нити термоанемометра диаметром d=7,3 мкм с относительной длиной L/d≈170 от расстояния lg(у) до тела из алюминия при трех температурных нагрузках: Q_w=t_w-t_e=86°, 172°, 258° и t_e≈22°-24°. Исследования показали, что металл, из которого изготовлены тела (сталь, алюминий, медь), не оказывает какого-либо заметного влияния на результаты опытов. На графике фиг.1 видно, что зависимость для металлических тел в непосредственной близости от тела, y≤0,1 мм, имеет вид lg[(Е₂/Е₀₁)²-1]=А+Blg(y), который сохраняется практически неизменным независимо от температурной нагрузки. В диапазоне 150°≤Q_w≤250° эта зависимость хорошо описывается соотношением lg[(Е₂/Е₀₁)²-1]=0,66[1-lg(y, мкм)]. Например, при lg(y)≈1,2, где lg[(Е₂/Е₀₁)²-1]=-0,14, отклонения экспериментальных точек в диапазоне (y=14,5-16,5 мкм) от расчетного значения (y≈15,5 мкм) составляли не более 1 мкм. С удалением от поверхности некоторые заметные отклонения "y" отмечаются только при наименьшей температурной нагрузке. Так, для lg[(Е₂/Е₀₁)-1]=-0,49 и Q_w≈90° эксперимент дает значение y=46,8 мкм, а при Q_w=150°÷250°-y=53,7 мкм, т.е. отклонения от среднего значения составляют уже ±3,5 мкм. Отсутствие влияния температуры на значения E/E₀ подтверждено многочисленными опытами. Например, при работе с платиновой нитью d=8,20 мкм, L/d=523 вблизи медной пластины в точке y=27 мкм и Q_w=100; 125; 150; 175; 200; 225; 250; 275 и 300° значения Е/Е₀ соответственно равны 1,243; 1,238; 1,242; 1,241; 1,243; 1,250; 1,244; 1,250; 1,250 при среднем значении Е/Е₀=1,2446 и максимальном отклонении ΔЕ/Е₀≤0,6% при среднем квадратичном отклонении σ=0,0120.

На фиг.2 приведены результаты этих же опытов (без изменения обозначений) в виде традиционной зависимости: E₂-E₀₁=f[lg(y)]. Этот график иллюстрирует невозможность использования известного способа измерения и контроля расстояния между телами при изменении температуры в ходе калибровок и опытов.

Замена металлического тела на тело из диэлектрика приводит к существенному ослаблению его влияния на теплоотдачу от нити Е=f(y) при сохранении независимости величины Е₂/Е₀₁=f(y) от температуры t_w, но при этом изменяется характер этой зависимости, которая в случае диэлектрика имеет вид: Е₂/Е₀₁=А+Blg(y). На фиг.3 приведены результаты двух опытов, проведенных с применением вольфрамовой нити (d≈4,5 мкм, L/d≈735) и Q_w≈80°, вблизи тела из плексигласа.

При прочих одинаковых условиях увеличение длины нити приводит к некоторому усилению зависимости теплоотдачи Е₂/Е₀₁ от расстояния "у".

Светлые символы на фиг.3 соответствуют результатам опытов, проведенных в один день, флажками отмечены результаты повторных испытаний. Темные символы соответствуют результатам опытов, проведенных спустя два дня. Материалы фиг.3 демонстрируют хорошую воспроизводимость результатов измерения, т.е. высокую точность способа и в случае изготовления тела из диэлектрика. Например, при Е₂/Е₀₁=1,2 имеем y=(34,0±1,1) мкм.

Графики на фиг.4а, б, в наглядно иллюстрируют эффективность способа при определении реперной точки y₀=0 - момента касания нити с поверхностью тела - при работе с платиновой нитью (d≈22 мкм, L/d≈250) вблизи тела из плексигласа Е₂/Е₀₁=А+Blgf(y). Осуществление в предлагаемом способе процесса определения реперной точки y₀=0 проходит следующим образом: как обычно, первоначально прямая нить подводится к телу и устанавливается параллельно его поверхности. Малейшая непараллельность нити и ее изображения легко наблюдаются через микроскоп или другую оптическую систему. В приведенном иллюстрационно-пояснительном примере на фиг.4 по оси абсцисс отложены заданные значения отклонения расстояний Δy от истинного значения y, измеренного посредством микроскопа с высокой точностью. При этом была получена зависимость Е₂/Е₀₁=f(y) - достаточное количество экспериментальных "точек" в диапазоне y≤0,1 мм. Для прямой E₂/E₀₁=А'+В'lg(y₀+Δy) по методу наименьших квадратов определяли значения постоянных А' и В' (фиг.4а и фиг.4б соответственно), а затем значение σ. Варьируя значения Δy, находили минимум σ=f(Δy), соответствующий значению y=y₀=0. В приведенном примере погрешность определения реперной точки (y₀=0) составляет менее одного микрона (фиг.4в). Многочисленные подобные измерения показали, что погрешность определения значений у₀=0 в отдельных случаях может достигать 1÷2 мкм. По данным научно-технической литературы погрешность других способов определения у₀ составляет не менее 5÷10 мкм.

Тепловой способ измерения и контроля расстояния между телами, заключающийся в том, что чувствительный элемент, например нить датчика, устанавливают параллельно поверхности тела, определяют его реперную точку y₀=0, нагревают до заданной температуры t_w, измеряют соответствующие значения электрических сигналов чувствительного элемента при нескольких его расстояниях y в зоне отсутствия Е₀ и наличия E=f(y) теплового взаимодействия между чувствительным элементом и телом, затем подают эти сигналы в измерительно-вычислительный блок, отличающийся тем, что используют два датчика - №1 и №2, установленные первоначально на расстоянии y, при котором отсутствует их тепловое взаимодействие с телом (Е₀), один из датчиков, например датчик №2, устанавливают на разных расстояниях y ближе к поверхности тела, при этом измеряют величину сигналов с обоих датчиков Е₂=f(y) и E₀₁ при нескольких одинаковых значениях температуры чувствительных элементов t_w и вычисляют зависимость вида E₂/E₀₁=f(y), по которой затем при работе ведут контроль и определяют расстояние y по измеренным при нескольких температурах чувствительного элемента t_w значениям Е₂/E₀₁, а реперную точку y₀=0 определяют как величину y, дающую минимальную дисперсию значений E₂/E₀₁=f(y) для зависимостей вида

lg[(E₂/E₀₁)²-1]A+Blg(y) - в случае металлического тела

и E₂/E₀₁=A+Blg(y) - для диэлектрика в зоне непосредственной близости от тела, где А и В - соответствующие постоянные коэффициенты.