Патент ссср 308363

О П И С А Н И Е 308363

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВКДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 18.Х1.1968 (PL 1282241/18-10) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 01.VII.1971. Бюллетень ¹ 21

Дата опубликования описания ЗОЛ 111.1971

1 МПК G Olp 5/10

Комитет по делам изобретений и открытий при Спеете Министров

СССР

УДК 533-6.08(088.8) Автор изобретения

Заявитель

В. Б. Эткин

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт им. Ф. Э. Дзержинского

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА

ГАЗА И ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к измерительному приборостроению.

Известны устройства для измерения скорости потока газа и жидкости, основанные на измерении разности между температурой тела, помещаемого продольно в поток и обогреваемого источником тепла постоянной мощносги, и температурой потока.

Для этих устройств характерны значительные неучитываемые потери тепла в окружающее пространство, сильное влияние на результат измерения нестабильности ряда параметров потока, что понижает точность и надежность; допустимость измерений лишь в условиях, соответствующих условиях тарировкл; влияние неравномерности поля измеряемого потока на точность при проведении измерений средней скорости потока в трубопроводах, недостаточная надежность и сложность устройств при измерении интегрального расхода, в особенности двухфазных потоков, содержащих твердые взвешенные частицы.

Цель изобретения — снижение влияния на результат измерения изменений температуры, давления, неравномерности поля потока, упрощение конструкции при интегральных изменениях, обеспечение возможности тарировки в условиях, сильно отличающихся от рабочих условий, повышение чувствительности, расширение диапазона измеряемых скоростей и обеспечение возможности измерения запыленных потоков.

Для этого корпус выполнен составным и имеет носовую часть, среднюю рабочую часть и хвостовую часть, разделенные между собой теплоизолирующимп вставками. Средняя рабочая часть представляет собой металлический блок, в котором размещен нагреватель и горячий спай датчика температуры. Носовая

10 часть выполнена в виде тела с обтекаемым ребром атаки из стойкого против эрозии материала, например каменного литья, н содержит холодный спай датчика температуры.

Нагреватель выполнен в виде цилиндрическо1s ro тела и у.становлен с зазором в канале средней части корпуса. Корпус устройства может иметь форму пластины или цилиндра с обтекаемыми торцами.

20 На фиг. 1 схематически изображено плоское устройство для измерения скорости потока жидкости или газа, предназначенного для установки в трубопроводах; на фиг. 2 †вариант выполнения устройства с цилиндрическим

2з корпусом; на фиг. 3 приведена экспериментальная зависимость, являющаяся рабочей характеристикой одного из испытанных плоских устройств; на фиг. 4 †схе установки в трубопроводе устройства, выполненного в ви30 де решетки из трех пластин.

308363

Устройство содержит располагаемый вдоль потока корпус, состоящий из носовой части 1, средней рабочей части 2 и хвостовой части 3, р азделенных между собой теплоизолирующими вставками 4. Средняя рабочая часть выполнена в виде металлического блока, заключающего нагреватель б и горячий спай датчика температуры б, измеряющий температуру поверхности раздела сред. Холодный спай датчика температуры 7 вмонтирован в носовую часть и измеряет температуру потока, Нагреватель выполнен в виде цилиндрического тела и центрируется с зазором в средней рабочей части с помощью втулок 8 и 9. К нагревателю подводится постоянная мощность от внешнего источника энергии. Выполнение рабочей части в виде блока и положение нагревателя обеспечивают передачу всего выделяемого тепла к стенкам блока и хорошее выравнивание температуры стенок, чему способствует изготовление блока и втулок из материала с высокой теплопроводностью, например меди.

Теплоизолирующие вставки не имеют контакта с передней и задней стенкой рабочего участка по всей поверхности. Таким образом, подавляющая часть выделяемого теплового потока отдается через неизолированные стенки измеряемому потоку.

Выполнение корпуса устройства в виде пластины (цилиндра), установленной вдоль потока, обеспечивает безотрывное, безвихревое обтекание его потоком. При работе устройства имеет место вынужденная конвективная передача тепла от среднего рабочего участка, являющегося частью пластины установленной вдоль потока, к потоку омывающей эту пластину жидкости или газа. В общем случае вынужденного конвективного теплообмена реализуется зависимость:

Nu = А Яе" Рт Тр, где Nu, Re, Pr — соответственно критерии

Нуссельта, Рейнольдса и

Прандтля, т„6 — температурный фактор, отт. ношение температуры рабочего участка к температуре потока, А, т, и р — коэффициенты. величина корых определяется статической обработкой многочисленных экспериментальных данных.

В нашем случае имеет место безотрывное, безвихр евое продольное обтекание полубесконечной пластины стабилизированным в гидродинамическом отношении потоком. Чрезвычайно важным является тот факт, что параллельная потоку пластина единственна, в то время как тела любой иной формы, например цилиндрические, могут иметь бесчисленное множество диаметров, что определяет различный характер их обтекания и, следовательно, 5

15 г0 г5

65 количественное изменение теплоотдачи от них потоку.

Таким образом, статистические коэффициенты, входящие в приведенную выше формулу, наиболее точны и наиболее стабильны именно для устройства — пластины, расположенной вдоль потока. Учитывая также, что благодаря конструкции рабочего участка и теплоизолирующих вставок, подавляющая часть теплового потока передается измеряемому потоку через стенки рабочего участка, а тепловой поток потерь очень мал, появляется возможность наиболее точного расчета устройства и достигается максимальная точность и стабильность показаний по сравнению с аналогичными устройствами любых других форм и положений.

Раскрыв в приведенном уровнении для вынужденного конвективного теплообмена критерии подобия, использовав степенные апроксимации для коэффициентов переноса получим, например, для массовой скорости (удельного расхода) воздушного потока выражение:

D то.226 п где (Тр,6.— Т„) — измеряемая величина.

Коэффициент D постоянен для конкретного плоского устройства и определяется его геометрическими размерами и мощностью нагревателя. т0,226

Изменение отношения "6 при нестабильтра б. ности температуры измеряемого течения определяет температурную погрешность измерения. Легко показать, что, например, при номинальной температуре измеряемого потока

80 С и температуре рабочего участка 180 С (характерный случай при измерении массовой скорости пылеугольной аэросмеси, подаваемой к горелкам котлоагрегатов на электростанциях) температурная погрешность составит всего 0,005 /о на 1 С. Причем с ростом температуры потока относительная погрешность измерения падает.

На фиг. 3 приведены экспериментальные зависимости, полученные при тарировке одного из образцов плоского термодатчика скорости при различных мощностях нагревателя и различных статических давлениях в воздушном потоке. Чувствительность устройства составляет, например, в диапазоне скоростей

15 — 25 м/сек в среднем около 5 на 1 м/сек при мощности нагревателя 19,75 вт. Высокая чувствительность объясняется тем, что, вследствие малых тепловых потерь от рабочего участка к носовой и хвостовой частям устройства, достигаются значительные температурные градиенты (Тр,6 — Т„) при минимальных затратах энергии. Чувствительность растет с повышением мощности нагревателя и уменьшением скорости потока. При наличии ламинарного пограничного слоя у теплопередающей поверхности чувствительность выше, чем при турбулентном пограничном слое, Лами308363 нарный пограничный слой дольше держится у плоской поверхности ввиду отсутствия турбулирующих поток факторов. Поэтому у плоского устройства расширяется диапазон высокой чувствительности. Вообще длина носовой части при обычных для пневмотранспорта скоростях потока 10 — 50 м/сек позволяет выбрать режим работы плоского устройства, обеспечивающий достаточную чувствительность и, при необходимости, квазилинейность рабочей характеристики устройства. Возможность проведения инженерного расчета плоского устройства и показанная выше слабая зависимость результата измерения от нестабильности температуры потока, а также независимость от статического давления в потоке позволяют проводить тарировку устройства в условиях сильно отличающихся от рабочих условий.

Описанные устройства могут с успехом применяться для продолжительных измерений в потоках, содержащих твердую взвесь. Носовая и хвостовая части корпуса, обеспечивающие гидродинамическую стабилизацию потока у поверхности рабочего участка, предохраняют последний от износа твердыми частицами. Основную ударную нагрузку воспринимает носовая часть, которая выполнена из износостойкого материала, например каменного литья, и имеет ребро атаки. Ни датчик температуры, ни нагреватель не имеют непосредственного контакта с потоком, что устраняет возможность их загрязнения и износа.

Как показали эксперименты, на теплопередающих поверхностях рабочего участка, даже при средней чистоте обработки (76 †: 77) явлений в результате термофореза не оседают частицы из потока и таким образом стабильность показаний не нарушается.

Согласно литературным данным, подтвержденным проведенными экспериментами, коэффициент теплоотдачи практически не изменяется при содержании в газовом потоке дисперсного твердого вещества в количестве до нескольких грамм твердого вещества на килограмм газа. При более высокой концентрации твердых частиц в потоке вводят поправку в результат измерения скорости потока.

Использование плоских устройств, выполненных в виде одной или нескольких пластин (решетки пластин) для измерения интегральной массовой скорости неравнОмерного потока в трубопроводах (см. фиг. 4) значительно повышает представительность и точность измерения. В этом случае происходит осреднение выходного сигнала путем выравнивания температуры по объему рабочего участка, изготовленного из материала с хорошей теплопроводностью. Решетчатое исполнение устройства способствует лучшему осреднению скорости по всему полю потока и выравниванию потока, текущего вдоль пластин. Одновременно достигается существенное упрощение конструкции измерительного устройства по сравнению с другими типами термодатчи5

Зо

65 ков, предназначенных для интегральных измер=ний в трубопроводах. Для большего выходного сигнала в этом случае предпочтительно последовательное соединение датчиков температуры отдельных пластин.

При измерении потоков, имеющих равномерное поле скоростей, вместо плоских устройств (см. фиг. 1) могут с успехом использоваться цилиндрические (см. фиг. 2), конструкция которых в этом случае оказывается проще. Для того, чтобы цилиндрическое устройство обладало всеми преимуществами плоского, толщина пограничного слоя потока у поверхности устройства должна быть в несколько раз меньше диаметра цилиндра.

Наличие зазора между нагревателем и средней рабочей частью корпуса, обладающего высоким термическим сопротивлением, позволяет получить практически постоянное электрическое сопротивление нагревателя, независимо от интенсивности охлаждения рабочей части потоком в диапазоне измеряемых скоростей. Это дает возможность отказаться от необходимости регулирования тока для сохранения постоянства теплового потока от нагревателя, что характерно для схем термоанемометров.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения скорости потока газа и жидкости, содержащее нагреватель, помещенный внутри корпуса, располагаемого продольно в потоке, и датчик температуры, отличаю цееся тем, что, с целью снижения влияния на результат измерения изменений температуры, давления, неравномерности поля потока, упрощения конструкции при интегральных измерениях, обеспечения возможности тарировки в условиях сильно отличающихся от рабочих условий, повышения чувствительности, расширения диапазона измеряемых скоростей и обеспечения возможности измерения запыленных потоков, корпус выполнен составным и имеет носовую часть, среднюю рабочую часть и хвостовую часть, разделенные между собой теплоизолирующими вставками, где средняя рабочая часть представляет собой металлический блок, в котором размещен нагреватель и горячий спай датчика температуры, носовая часть выполнена в виде тела с обтекаемым ребром атаки из стойкого против эррозии материала, например, каменного литья и содержит холодный спай датчика температуры, а нагреватель †виде цилиндрического тела, установленного с зазором в канале средней рабочей части корпуса.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус имеет форму пластины.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра с обтекаемыми торцами.

308363

Фиг 3

Фиг.

1гЮ

Fnn -Fn /МЮ

ЩР

008

007

0Ì

00S

00Е

003

0,0Z

001 о -Рсл = ama х — Pcm 1ama о — Pcm oo 1, 5ama

o — Pcm Ро 1,1.7а а