Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра

Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра относится к измерительной аппаратуре для аэродинамических испытаний и может быть использовано во всех областях использующих электрогазодинамику. Предлагаемое устройство для измерения давления и скорости электрического ветра, включающее трубки Пито, одна из которых воспринимает полное давление, а другая статическое, которые подсоединены к микроманометру, в котором для измерения потока газа в электрическом поле трубки изготовлены из диэлектрика, а концы изготовлены из металла, при этом дополнительно устройство оснащено двумя электродами, один из которых игольчатый, зафиксирован соосно с центральным отверстием трубки, воспринимающей полное давление и с возможностью изменения расстояния от торца трубки до острия иглы и подсоединен с помощью провода к высоковольтному источнику электрического тока, а другой электрод подсоединен к металлическим концам трубок Пито позволяет прямым путем осуществлять измерение давления потока газов, а зная его рассчитывать по эмпирической формуле скорость электрического ветра. Фиг.4

Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра относится к измерительной аппаратуре для аэродинамических испытаний и может быть использовано во всех областях использующих электрогазодинамику.

Известно устройство [Б.С.Бабакин Электротехнология в холодильной промышленности / М. Агропромиздат 1990, с.11] для приближенного расчета скорости потока газов при коронном разряде. Такой поток газов в технической литературе называют электрическим ветром. В этом устройстве предусмотрено измерение напряжения с помощью киловольтметра и измерение расстояния между электродами, с последующим расчетом скорости электрического ветра с помощью эмпирической расчетной формулы.

Недостатком этого устройства является то, что измерения скорости электрического ветра осуществляются не прямым, а косвенным способом, с целым рядом допущений, которые не позволяют оперативно измерять величину давления потока газов и скорости электрического ветра, создаваемого в условиях несамостоятельного (темного) и самостоятельного (коронного) разряда. Кроме того, ошибка такого измерения достигает 100% и более.

Известно устройство, предназначенное для измерения скорости воздушного потока, термоанемометр ТТМ-2-01М состоящее из измерительного блока включающего корпус, выполненный из металла с отсеком питания и измерительного зонда. В качестве чувствительных элементов для измерения температуры и скорости потока воздуха применены миниатюрные платиновый терморезистор и полупроводниковый термистор. Принцип работы термоанемометра основан на измерении теряемой мощности нагретого термистора при охлаждении его воздушным потоком. [Руководство по эксплуатации и паспорт ТФАП.407282.005 рэ и пс; Изготовитель: ЗАО ЭКСИС, 124460, Москва, Зеленоград, а/я 146. Тел./факс (499) 731-77-00, 731-10-00, 731-76-76, 731-38-42, E-mail:, Web: www. ].

Недостаток этого устройства, заключается в том, что работа ТТМ-2-01М основана на использовании миниатюрных платиновых терморезистора и полупроводникового термистора. Градуировка термоанемометра ТТМ-2 осуществлена заводом - изготовителем без учета воздействия электрического поля, поэтому использование его в электрическом поле неизбежно приводит к грубейшим ошибкам, процент которой может доходить до 1000%. Кафедрой «Технологическое оборудование и процессы отрасли» был сделан запрос на завод-изготовитель ЗАО «ЭКСИС» о возможности использования прибора ТТМ-2-01М в научно-исследовательских работах, при следующих условиях: 1. В электрических полях напряженностью от 10 до 400 кВ/м; 2. Давление в трех режимах 202650 Па, 101325 Па и 1013,25 Па. Из ответа специалиста завода и заместителя начальника отдела маркетинга и сбыта следует, что применение прибора ТТМ-2-01М в этих условиях не представляется возможным. Поэтому следует однозначный вывод, что применение прибора ТТМ-2-01М в сильных электрических полях не допустимо.

За прототип выбираем наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату устройство для измерения давления и скорости потока газа включающее трубки Пито (ГОСТ 15528-86; ГОСТ 8.361-79; ГОСТ 17.2.4.06-90) и микроманометр.

Недостатком этого устройства является то, что без внесения конструктивных изменений его невозможно использовать для измерения давления и скорости электрического ветра.

Задача полезной модели направлена на разработку устройства позволяющего прямым путем осуществлять измерение давления потока газов, а зная его рассчитывать по эмпирической формуле скорость электрического ветра.

Поставленная задача решается в предлагаемом устройстве для измерения давления и скорости электрического ветра, включающее трубки Пито, одна из которых воспринимает полное давление, а другая статическое, которые подсоединены к микроманометру, в котором для измерения потока газа в электрическом поле трубки изготовлены из диэлектрика, а концы изготовлены из металла, при этом дополнительно устройство оснащено двумя электродами, один из которых игольчатый, зафиксирован соосно с центральным отверстием трубки, воспринимающей полное давление и с возможностью изменения расстояния от торца трубки до острия иглы и подсоединен с помощью провода к высоковольтному источнику электрического тока, а другой электрод подсоединен к металлическим концам трубок Пито.

Целесообразно радиус кривизны торца поверхности стенки трубки выполнять в 10 раз больше радиуса кривизны острия игольчатого электрода.

Возможность изменения расстояния от торца трубки до острия иглы, связано с необходимостью изменения напряженности электрического поля, поскольку E=U/L, где U - разность потенциалов, В; L - расстояние, м.

Для измерения давления и скорости электрического ветра трубки выполнены из диэлектрика, а концы их из металла, что связано с необходимостью изменения полярности электрического тока высокого напряжения, подводимого коронирующим электродом.

Выбор микроманометра основан на том, что у механического чашечного анемометра МС-13 небольшая разрешающая способность, и он не реагирует на электрический ветер. Другие приборы, основанные на измерении электрическим методом неэлектрических величин, недопустимо использовать, поскольку произойдет наложение как минимум двух электрических полей, приводящее к недостоверным результатам измерения.

Трубки Пито позволяют осуществить прямое измерение давления, а не косвенно как это осуществлялось в прототипе и аналогах. Под прямым измерением понимают непосредственно измерения давления с помощью градуированной трубки с жидкостью, то есть давление, оказываемое на столб жидкости, соответственно величину измеряем в Паскалях. А косвенное - искомую величину давления определяют через другие параметры по аналогу электрические. В связи с этим возможны погрешности при необходимой градуировки датчиков, основанных на косвенных методах. А если еще используется при этом наложение дополнительного электрического поля, которое при изготовлении датчиков с косвенным измерением заводом - изготовителем не учитывалось, то становится понятным недостоверность измерений при косвенном методе.

Нами экспериментально установлено, что максимальное расстояние действия электрического ветра при напряженности электрического поля 147 кВ/м при соответствующем напряжении 20 кВ составляет всего 136 мм. Для сравнения отметим, что в книге Б.С.Бабакин Электротехнология в холодильной промышленности / М. Агропромиздат 1990, с.11 расстояние действия электрического ветра при напряженности электрического поля 750 кВ/м составляет свыше 800 мм. Представленные в этой книге, по нашему мнению, недостоверные результаты объясняются тем, что прибор ТТМ-2-01М для измерения скорости нельзя использовать в зоне действия электрического поля, ввиду того, что на датчик (зонд) наводится дополнительный электрический заряд.

Полезная модель поясняется чертежами и графиками.

На фиг.1 представлена схема устройства для измерения давления и скорости электрического ветра; на фиг.2 представлена схема взаимодействия игольчатого электрода и трубки Пито; на фиг.3 представлен график зависимости давления потока газа от напряженности электрического поля; на фиг.4 представлен график зависимости скорости электрического ветра от напряженности электрического поля.

Устройство выполнено в виде двух штативов 1 и 2, на которых соответственно смонтированы на электро изоляторах 3 игольчатый электрод 4 и трубки Пито 5 и 6, изготовленные из диэлектрика с металлическими наконечниками. Игольчатый электрод 4 подсоединен с помощью провода 7 к высоковольтному источнику электрического тока 8, а металлические наконечники трубок Пито 5 и 6 с помощью резиновых шлангов 9 и 10 подсоединены к микроманометру ММН-240 11.

Устройство работает следующим образом. Игольчатый электрод 4 устанавливаем в штативе 1 на электро изоляторах 3, предварительно проверив их работу соосно центральному отверстию трубки Пито 5. Включаем высоковольтный источник электрического тока 8 и добиваемся получения коронного разряда на острие игольчатого электрода 4 в виде струи плазмы длинной L 12. Возникает электрический ветер, направляемый в трубку Пито 5, по шлангу 9 к микроманометру ММН-240 11, осуществляем измерения показаний давления на шкале микроманометра ММН-240 11. Затем осуществляем расчет значений скоростей электрического ветра. Изменяя расстояние L и величину подаваемого напряжения от высоковольтного источника электрического тока 8 на игольчатый электрод 4, определяем давление, по шкале микроманометра ММН-240 11 и скорость электрического ветра, рассчитываемого по формуле , где g - ускорение силы тяжести, H - динамический напор, - удельный вес газа, протекающего воздуха в зависимости от напряженности электрического поля, которую рассчитываем по формуле E=U/L, где U - напряжение, L - расстояние.

График зависимости давления потока газа от напряженности электрического поля показывает, что при самостоятельном и несамостоятельном разряде имеется линейная зависимость без экстремальных переходов. При несамостоятельном разряде давление изменяется от 0 до 0,77 Па, при изменении напряженности электрического поля от 290 до 317,46 кВ/м. При самостоятельном разряде давление от 0,77 до 15,5 Па, при изменении напряженности электрического поля от 317,46 до 909,1 кВ/м.

График зависимости скорости электрического ветра от напряженности электрического поля показывает, что при переходе от несамостоятельного к самостоятельному разряду имеет место экстремум в районе 317,46 кВ/м, при этом скорость потока газа изменяется от 0 до 0,06 м/с, при изменении напряженности электрического поля от 290 до 317,46 кВ/м.

Под самостоятельным разрядом понимают разряд сопровождающийся свечением в виде плазмы образуемой ионизированным газом.

Под несамостоятельным разрядом (темным) понимают разряд с меньшей напряженностью электрического поля и не сопровождающимся образованием короны (плазмы).

Предложенное устройство создано и апробировано в лаборатории кафедры «Технологическое оборудование процессы и отрасли» МГУПБ и может быть использовано не только для измерения давления и скорости электрического ветра, но и в жидкой среде, допускающей использования в ней самостоятельного (несамостоятельного) коронного разряда.

Список литературы:

1. ГОСТ 27.302-86 Надежность в технике. Методы определения допускаемого отклонения параметра технического состояния и прогнозирования остаточного ресурса составных частей агрегатов машин.

2. Техническая эксплуатация сельскохозяйственных машин (с нормативными материалами). - М.: ГОСНИТИ. 1993. - 195 с.

3. Илюхин В.В., Тамбовцев И.М., Бурлев М.Я. Монтаж, наладка, диагностика, ремонт и сервис оборудования предприятий молочной промышленности, Санкт-Петербург, ГИОРД, 2006.

4. Иванов О.П., Мамченко В.О. Аэродинамика и вентиляторы, Машиностроение, Ленинград, 1986.

1. Устройство для измерения давления и скорости электрического ветра, включающее трубки Пито, одна из которых воспринимает полное давление, а другая статическое, которые подсоединены к микроманометру, отличающееся тем, что для измерения давления струи потока газа в электрическом поле трубки изготовлены из диэлектрика, а концы изготовлены из металла, при этом дополнительно устройство оснащено двумя электродами, один из которых, игольчатый, зафиксирован соосно с центральным отверстием трубки, воспринимающей полное давление, и с возможностью изменения расстояния от торца трубки до острия иглы и подсоединен с помощью провода к высоковольтному источнику электрического тока, а другой электрод подсоединен к металлическому концу трубки Пито, воспринимающей полное давление.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиус кривизны торца поверхности трубки в 10 раз больше радиуса кривизны острия игольчатого электрода.