Измеритель динамического давления потока жидкости или газа
Полезная модель относится к области измерения постоянного или медленно изменяющегося давления с помощью упруго деформируемых элементов, а именно, к устройствам, измеряющим динамическое давление. Задачей настоящего решения является разработка измерителя динамического давления потоков жидкостей и разреженных газов. В том числе, потоков низкотемпературной плазмы в вакуумных камерах технологических установок или других разреженных областях. Техническим результатом является повышение чувствительности устройства до 0,1 Па, уменьшение времени проведения измерений, возможность герметизации устройства и его функционирования в вакууме, высокая помехозащищенность, что позволяет производить измерения рядом с газовыми плазменными разрядами без потери точности. Указанный технический результат достигается тем, что измеритель динамического давления потока жидкости или газа, согласно решению содержит размещенные под герметичным колпаком 1 источник потока 4 и узел 3 измерения динамического давления потока, включающий неподвижную часть 6 и закрепленную на ней при помощи спиральных пружин 8 подвижную рамку 7 с тягой 9, снабженной флажком 10 на конце, узел измерения динамического давления потока снабжен шкалой 11 для индикации величины отклонения флажка и защитным экраном 12 со стороны источника потока, снабженным отверстием 13 для обеспечения прохождения потока от источника к флажку.
Полезная модель относится к области измерения постоянного или медленно изменяющегося давления с помощью упруго деформируемых элементов, а именно, к устройствам, измеряющим динамическое давление.
Известен датчик импульса высокоэнергетических частиц, включающий в себя первичный преобразователь (мембрана из алюминиевой фольги), поршень, камеру, и схему регистрации движения поршня по камере под воздействием потока частиц (см. патент CN 202548137, МПК G01P 3/36). Динамическое давление потока частиц оценивается здесь по величине отклонения поршня от положения равновесия под воздействием силы со стороны первичного преобразователя, которое, в свою очередь, оценивается интерферометрически.
К недостаткам данного прибора можно отнести его высокую сложность (большое количество преобразований физических величин), погрешности, вносимые статическим давлением, возможность наведения помех в электронные цепи при измерении давления вблизи газовых разрядов.
Известен измеритель полного импульса потока газа, включающий в себя входной и выходной трубопроводы, подвижный U-образный трубопровод и пьезодатчик (см. заявку WO 9702470, МПК G01F 1/20, G01F 1/80). Импульс газового потока здесь оценивается следующим образом: Струя газа через впускной трубопровод попадает в U-образный подвижный трубопровод, где меняет свое направление на противоположное, и выходит через выпускной трубопровод. При смене направления, газ передает свой импульс в виде динамического давления подвижному трубопроводу. Тот, в свою очередь, оказывает давление на пьезодатчик, который преобразует его с помощью пьезоэлектрического эффекта в напряжение, снимаемое записывающей аппаратурой.
Недостатком этой конструкции является высокое значение минимально измеримого импульса струи газа, поскольку трубопровод имеет большую массу, а в местах их соединения наблюдается значительное трение, либо значительные потери газа, что вносит погрешности в результаты измерения и ограничивает область применения таких приборов.
Известно устройство для измерения потока момента количества движения, позволяющее одновременно измерить динамическое давление и момент импульса потока газа (см. авторское свидетельство SU 924524, МПК G01L 1/08). Устройство имеет в своем составе: барабан из проницаемого для газа материала с радиальными и поперечными перегородками, закрепленный на вращающемся в подшипнике валу - элемент конструкции, воспринимающий воздействие струи контролируемого газа; рычаги, тяги, блоки и перекладины, реализующие преобразования колебаний барабана в удобную для измерений форму; четыре мерные чаши, размещая грузы в которых производится количественное измерение момента импульса струи и импульса струи газа; пружины и упоры, компенсирующие крутящий момент и осевое усилие вначале измерений (до того, как эти величины будут уравновешены грузами). Известное устройство имеет ряд преимуществ: возможность одновременного измерения импульса и момента импульса струи газа; большой динамический диапазон, ограниченный снизу трением в сочленениях механических подвижных деталей, а сверху - прочностью деталей и пропускной способностью измерительного барабана.
Однако каждое измерение занимает длительное время, что делает невозможным контроль сколько-нибудь быстро изменяющихся потоков, оператору необходимо иметь доступ к устройству, что не позволяет располагать его в герметичных трубопроводах или рабочей камере, и габариты устройства, вкупе с силами трения всех механических частей ограничивают нижнюю границу величины измеряемого динамического давления в несколько сотен Па.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является измеритель динамического давления потока (см. патент CN 202033055 U, МПК G01F 1/075). Принцип действия основан на раскручивании потоком жидкости или газа крыльчатки, расположенной непосредственно трубе, по которой протекает поток. Вращение крыльчатки передается на индикаторную стрелку, снабженную возвратной пружиной, посредством магнитного взаимодействия между двумя постоянными магнитами. Один магнит неподвижно закреплен на верхнем торце крыльчатки, другой неподвижно закреплен на оси индикаторной стрелки.
К недостаткам описанного выше измерителя можно отнести невозможность измерения потоков малой интенсивности. Необходимость наличия вращательного движения крыльчатки накладывает ограничения на минимальную измеряемую интенсивность потока из-за наличия механического трения в подшипниках вала крыльчатки. Другим недостатком является необходимость размещения измерителя непосредственно в трубе с измеряемым потоком, что не позволяет измерять динамического давление потоков, существующих в открытом пространстве.
Задачей настоящего решения является разработка измерителя динамического давления потоков жидкостей и разреженных газов, в том числе потоков низкотемпературной плазмы в вакуумных камерах технологических установок или других разреженных областях.
Техническим результатом является упрощение конструкции устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что измеритель динамического давления потока жидкости или газа, согласно решению содержит размещенные под герметичным колпаком источник потока и узел измерения динамического давления потока, включающий неподвижную часть и закрепленную на ней при помощи спиральных пружин подвижную рамку с тягой, снабженной флажком на конце, узел измерения динамического давления потока снабжен шкалой для индикации величины отклонения флажка и защитным экраном со стороны источника потока, снабженным отверстием для обеспечения прохождения потока от источника к флажку.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показано взаимное расположение измерительного узла и источника потока в рабочей камере технологической установки, образованной внутренним пространством колпака, а на фиг.2 показана схема измерительного узла. На фиг.3 и 4 приведено схематичное изображение эксперимента.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - колпак;
2 - крепежная штанга;
3 - узел измерения динамического давления потока;
4 - источник потока;
5 - крепление узла измерения;
6 - неподвижная часть подвеса флажка;
7 - подвижная рамка;
8 - спиральные пружины;
9 - тяга;
10 - флажок;
11 - шкала;
12 - защитный экран;
13 - отверстие.
В заявляемом устройстве в качестве первичного преобразователя использован флажок из алюминиевой фольги, имеющий на несколько порядков меньшую массу, кинематическая схема минимизирована для уменьшения трения, метод регистрации отклонений изменен на непосредственный (с помощью шкалы), введен экран, защищающий компоненты устройства от воздействии со стороны измеряемого потока. Заявляемое устройство смонтировано под герметичным колпаком 1 вакуумной установки ВУП-5 и содержит узел 3 измерения динамического давления потока, зафиксированный на крепежной штанге 2, и источник 4 измеряемого потока. На крепежной штанге 2 при помощи крепления 5 зафиксирован узел измерения, включающий неподвижную часть 6 подвеса флажка и подвижную рамку 7. Части 6 и 7 соединены между собой при помощи спиральных пружин 8, к подвижной рамке 7 прикреплена тяга 9, на конце которой размещен флажок 10. Узел измерения содержит шкалу 11, предназначенную для визуального определения величины отклонения флажка под воздействием измеряемого потока жидкости или газа. Узел измерения со стороны источника потока закрыт защитным экраном 12, в котором выполнено отверстие 13, обеспечивающее доступ частиц потока к флажку.
Рассмотрим силы, приложенные к флажку перед проведением измерений. Флажок с пружиной находятся в состоянии равновесия, следовательно, сумма всех приложенных к ним сил равна нулю. В отсутствии потока газа на флажок действуют лишь сила тяжести и сила упругости пружины, следовательно, они являются равными по величине и противоположными по направлению. Выберем ось X как показано на фиг.3 и нулевую отметку на ней так, чтобы она соответствовала положению флажка без воздействия потока.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда на флажок действует струя газа, сонаправленная с осью OX. Флажок под действием потока отклоняется, что вызывает увеличение силы упругости со стороны пружины, и система приходит в новое равновесное состояние на удалении x от положения равновесия. Уравнение суммы действующих на флажок сил примет вид:
На фиг.3 приведена иллюстрации происходящего. Все силы в данных условиях можно перенести в центр масс флажка, совпадающий с его геометрическим центром. Пренебрежем изменением давления и плотности потока газа в направлениях осей, отличных от OX и перепишем векторное уравнение (1) в проекции на ось X, помня о равенстве силы тяжести и начальной силы упругости, действующих на флажок:
Теперь определимся с силами давления, действующими на флажок. Согласно уравнению Бернулли для идеального сжимаемого газа (3), можно записать (4):
где U - скорость потока газа, g - ускорение свободного падения, h - высота относительно начала координат, P - статическое давление, 
- адиобатическая постоянная газа. При этом первое слагаемое уравнения - динамическое давление, второе - весовое давление, третье - статическое давление.
Теперь рассмотрим давления, действующие на флажок и силы, им создаваемые. Ситуация проиллюстрирована на фиг.4. На схеме показан поток налетающих частиц газа, флажок, и силы, действующие на его верхнюю и нижнюю границы. Силы перенесены в центр масс флажка. Сумма сил, действующих на верхнюю и нижнюю поверхности флажка со стороны газа образует Fдавл. Поэтому можно записать уравнение:
Зная, что F=PS, где F - сила, действующая со стороны газа с суммарным давлением Р на площадку S, можно записать:
Затем в (6) можно подставить (4) и получить:
Вспомнив, что толщина флажка пренебрежимо мала, а плотности и статические давления по обе стороны от флажка в первом приближении равны, можно провести значительное сокращение уравнения (7) и получить (8), добавив к которому соображение об отсутствии потока газа непосредственно за флажком (т.е. U верхн=0), получим вывод (9), в которое входит динамическое давление потока газа (Pдин).
Теперь вернемся к формуле (2), подставив в нее (9), а также знание о линейном законе изменения силы упругости (Fупр=kпруж·X) получим:
Отсюда легко получить динамическое давление:
Таким образом, полученная формула показывает, что заявленная авторами модель измеряет величину отклонения флажка, прямо пропорциональную с некоторым коэффициентом динамическому давлению. Конечно, в работе сделан ряд допущений и приближений, значительно снижающий интервал отклонений флажка, для которого уравнение (11) точно, однако эту проблему можно снять с помощью градуировочной кривой, полученной на эталонной установке, создающей поток газа с известными характеристиками.
Полезная модель работает следующим образом. Под воздействием потока появляется сила, отклоняющая флажок 10 от состояния равновесия. При отклонении флажка, момент силы распространяется по тяге 9 и передается закрепленной на двух осях подвижной рамке 7. С другой стороны, к подвижной рамке 7 приложены силы упругости со стороны двух спиральных пружин 8, изменяющихся по линейному закону в случае отклонения рамки из положения равновесия. В результате, под воздействием потока происходит отклонение стрелки, сопровождающееся ростом противодействующих сил упругости со стороны пружин 8 до момента установления нового равновесного состояния. При этом величина угла отклонения флажка оказывается взаимно однозначно связанной с величиной динамического давления контролируемого потока. Отклонение фиксируется с помощью шкалы 11. Экран 12 с отверстием 13 защищает измерительный узел от прямого воздействия потока на случай его агрессивности. Поскольку с остальных сторон узел не закрыт, ничто не препятствует установлению статического давления в области за флажком, таким образом, нивелируя его воздействие.
Заявляемая полезная модель обладает чувствительностью до 0,1 Па, характеризуется малым временем проведения измерений, имеет возможность герметизации устройства и его функционирования в вакууме, является помехозащищенной, что позволяет производить измерения рядом с газовыми плазменными разрядами без потери точности.
Измеритель динамического давления потока жидкости или газа, характеризующийся тем, что содержит размещенные под герметичным колпаком источник потока и узел измерения динамического давления потока, включающий неподвижную часть и закрепленную на ней при помощи спиральных пружин подвижную рамку с тягой, снабженной флажком на конце, узел измерения динамического давления потока снабжен шкалой для индикации величины отклонения флажка и защитным экраном со стороны источника потока, снабженным отверстием для обеспечения прохождения потока от источника к флажку.
