Характеристики термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной теплоотдающей поверхностью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

-¡а правах рукописи

с-

ИИ4Ь156?0 лр

САХОВСКИЙ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОАНЕМОМЕТРА ПОСТОЯННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЕПЛООТДАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

СпециальностИ;01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 ЛЕК 2010

Казань, 2010

004615675

Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики Казанского научного центра РАН и Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева

Научный руководитель - доктор технических наук

Н.И. Михеев;

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Г. А. Глебов;

кандидат технических наук В.В. Леманов;

Ведущая организация - Всероссийский научно-

исследовательский институт расходометрии

Защита состоится чь» йШщМ 2010г. в -/£ часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань,ул. К.Маркса, 10. \

\ ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ им.А.Н. Туполева.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева (www.kai.ru).

Автореферат разослан ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ^Р^ / о -__

кандидат технических наук, доцент А.Г. Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Методы и средства измерения мгновенных значений гидродинамических и тепловых параметров потока играют важную роль в задачах управления различными технологическими процессами, а также находят широкое применение при проведении научных исследований в теплофизике, механике жидкости и газа, химии и других областях, где необходимо контролировать параметры текучей среды. Среди наиболее доступных и универсальных следует выделить термоанемометрический метод, используемый как при проведении фундаментальных исследований, так и в промышленности.

Одним из примеров применения термоанемометрического метода в промышленности служат вихревые расходомеры газа. Принцип их действия основан на эффекте формирования дорожки Кармана в следе за неподвижным телом обтекания. Поле скоростей за телом обтекания начинает пульсировать с частотой срыва вихрей. Термоанемометрический датчик скорости преобразует эти пульсации в выходной электрический сигнал, из которого в свою очередь выделяется частота срыва вихрей, которая в широком диапазоне скоростей пропорциональная объемному расходу через преобразователь.

В реальных условиях эксплуатации термоанемометра в научных исследованиях и в технике чувствительный элемент датчика часто находится в условиях загрязненного потока, в котором присутствуют частицы пыли, ржавчины, пары различных органических соединений и другие вещества. Эксплуатация термоанемометра в оборудовании, где невозможно обеспечить чистоту среды, ведет к постепенному загрязнению нити датчика.

Известно, что загрязнение чувствительного элемента неблагоприятно влияет на погрешность измерений и частотные характеристики термоанемометра. Учитывая, что в вихревом расходомере основным информативным параметром является частота пульсационной составляющей сигнала, некоторое ослабление амплитуды, связанное с загрязнением нити, допускается и никак не влияет на погрешность измерения расхода. Однако при сильном загрязнении нити амплитуда полезного сигнала уменьшается настолько критично, что становится одного порядка с амплитудой шумов различной природы. В этом случае достоверность выделения частоты срыва вихрей ставится под сомнение и погрешность измерения расхода не гарантируется.

До настоящего времени изучалось лишь влияние присутствия в потоке частиц загрязнения на работу термоанемометрического датчика скорости, без учета толщины и теплофизических свойств слоя загрязнения нити. Вопрос допустимой степени загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей в вихревом расходомере газа не ставился.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной диагностике загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере, представляется актуальной.

Цель работы состоит в разработке надежных методов диагностирования степени загрязнения нити термоанемометра постоянного сопротивления в процессе эксплуатации и прогнозирования последствий загрязнения нити на результат измерений.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера газа.

2. Провести численное и физическое моделирование влияния фактора загрязнения на статические и динамические характеристики термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной термоанемометрической нитью.

3. Разработать метод диагностирования степени загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере.

4. Выработать и обосновать критерий допустимого загрязнения термоанемометрической нити в процессе эксплуатации вихревого расходомера.

Научная новизна.

1. Разработана модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной теплоотдающей поверхностью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей в вихревом расходомере. Модель основана на решении двумерной задачи теплопроводности с учетом концевых утечек и зависимости тепловыделения от местной температуры нити. Адекватность модели подтверждена экспериментальными данными.

2. Оценено и обобщено влияние основных факторов загрязнения на статические и динамические характеристики работы термоанемометра с загрязненной нитью.

3. Предложен и апробирован метод диагностирования степени загрязнения термоанемометрический нити в процессе эксплуатации расходомера, основанный на связи ослабления амплитуды выходного сигнала со степенью загрязнения.

4. Предложен и обоснован критерий допустимой степени загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей, при котором обеспечивается измерение расхода газа без дополнительной погрешности от этого фактора.

Практическая и научная значимость.

Разработанные методы позволяют оценить влияние степени загрязнения чувствительного элемента термоанемометра, работающего в качестве датчика скорости и детектора вихрей расходомера газа, на изменение градуировочной зависимости и АЧХ.

Метод прогнозирования загрязнения нити термоанемометра в процессе эксплуатации вихревого расходомера позволяет заблаговременно предупредить о предпосылках появления дополнительной погрешности измерения расхода.

Результаты работы использованы в отчетах по гранту Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-4334.2008.8), грантам РФФИ (06-08-00521, 07-08-00330, 09-08-00597 и 08-08-12181 офи), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (проекты №02.740.11.0071 и П227). Ведется внедрение метода прогнозирования загрязнения чувствительного элемента в серийные расходомеры модельного рядаИРВИС.

Рекомендации по использованию результатов. Результаты исследований могут быть использованы при разработке вихревых расходомеров газа, а также при анализе причин дисбаланса при учете газа.

Автор защищает:

1. Математическую модель термоанемометра с загрязненным чувствительным элементом, работающего в режиме постоянного сопротивления.

2. Результаты экспериментальной оценки и моделирования статической и динамической характеристик термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера.

3. Метод диагностирования загрязнения термоанемометрического детектора вихрей в вихревом расходомере газа по амплитудно-частотной характеристике датчика.

4. Критерий предельно допустимого загрязнения нити термоанемометра вихревого расходомера без появления дополнительной погрешности измерений расхода от влияния этого фактора.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аттестованной экспериментальной установки и поверенных средств измерения, удовлетворительным согласованием результатов моделирования и экспериментальных данных между собой и с известными данными других авторов, хорошей воспроизводимостью опытных данных.

Личный вклад автора. Соискатель отработал технику искусственного загрязнения термоанемометрической нити, подготовил экспериментальную установку и провел все эксперименты, разработал метод моделирования термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью. Анализ полученных результатов исследований выполнен под руководством д.т.н. Н.И.Михеева.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на следующих конференциях и научно-технических семинарах: Итоговые научные конференции за 2008 и 2009 гг. Казанского научного центра Российской академии наук, Казань; Ежегодные научные аспирантские семинары Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, Казань, 20082010; VI и VII Школа-семинар молодых ученых и специалистов акад. В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в

энергомашиностроении», Казань, 2008, 2010 гг.; VIII, IX, X Международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», Евпатория, 2008-2010 гг.; X Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2008; XXI Всероссийская межвузовская научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках», Казань, 2009; XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» Жуковский, 2009; Научно-практическая конференция и выставка "Инновации РАН-2010", Казань, 2010 , Пятая российская национальная конференция по теплообмену, Москва, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе -2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Работа изложена на /¿/у страницах машинописного текста, содержит рисунков, J_ таблиц. Список литературы включает jW наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защшу.

В первой главе диссертации выполнен анализ предметной области. На основе работ (L.V. King, H. Kramers, R. Hilpert, H.H. Bruun, D.C. Collis, MJ. Williams, S. Corrsin, P. Bradshaw, J.O. Hinze, D. Freymuth, A.E. Репу, L.S.G. Kovasznay, A.A. Жукаускас, B.E. Алемасов, А.П. Козлов, Г.А. Глебов, Н.И. Михеев, Л.П.Ярин, Б.П. Устименко и др.) дано описание термоанемометрического метода. Выполнен сравнительный анализ термоанемометров постоянного напряжения, тока и сопротивления (температуры), показаны перспективы развития основных схем. Рассмотрены основные составляющие погрешности измерений.

Обзор методов математического моделирования термоанемометра базируется на работах А.И.Попова, А.Ф.Полякова, Ю.А. Кирсанова, P.Paranthoen, С. Petit, J.C. Lecordier. Отмечено, что в большинстве моделей вопросы частотной и пространственной разрешающей способностей, а также охлаждающего влияния державок нити рассматриваются по отдельности. Отмечается, что наиболее целесообразным является объединение этих факторов в одну передаточную функцию, что и выполнено в ряде работ. Общим недостатком известных работ является допущение о том, что распределение тепловыделения вдоль нити не связано с ее локальной температурой. Между тем, в термоанемометрии применяются нити с высокой чувствительности электрического сопротивления к температуре.

Рассмотрено применение термоанемометра в роли детектора вихрей промышленного вихревого расходомера. Известно, что применение термоанемометрического датчика позволяет существенно расширить динамический диапазон измерения расхода на область малых среднерасходных скоростей потока (Д.В. Кратиров, Н.И. Михеев).

Одной из проблем при эксплуатации термоанемометра как в качестве датчика скорости, так и в качестве детектора вихрей, является загрязнение его чувствительного элемента. Имеется крайне ограниченное количество публикаций, посвященных экспериментальному исследованию работы лишь термоанемометрических датчиков скорости в условиях загрязненного потока (К. Kawashima, Н. Jorgensen, R.W. Moss). Что касается вихревой расходометрии, вопрос диагностирования загрязнения чувствительного элемента в процессе эксплуатации расходомера в литературе не ставился. Производители приборов чаще всего стараются либо снизить темп загрязнения датчика конструктивными мерами, либо регламентируют периодическую очистку чувствительного элемента датчика вне зависимости от его фактического состояния.

Отмеченные обстоятельства позволили сформулировать цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе приведено описание и основные характеристики используемых в работе экспериментальных установок и объектов исследования, оборудования и средств измерения, а также методов исследования.

Экспериментальная установка №1 (рис.1) использовалась для оценю! характеристик вихревого расходомера с загрязненным термоанемометрическим детектором вихрей. Поток атмосферного воздуха создавался с помощью турбокомпрессора. Ресивер 1 с герметичным фланцем 2 позволял сгладить пульсации давления перед критическими соплами 3, с помощью которых задавался и контролировался расход. В качестве детектора вихрей использовался цифровой термоанемометр, входящий в состав расходомера ИРВИС РС-4 4, в тело обтекания которого устанавливался исследуемый датчик (рис.2, а).

Рис.1. Схема экспериментальной установки №1: 1 - ресивер; 2 - герметичный фланец; 3 -критические сопла; 4 - вихревой расходомер ИРВИС-РС4; 5 - выравнивающее устройство; 6 - поствключснный участок; 7 - предвкгаочешгый участок; 8 -манометры; 9 -персональный компьютер.

7

Выравнивающее устройство J, поствключенный 6 и предвключенный 7 участки обеспечивали корректную работу расходомера. Давление на поствкяюченном участке и перед соплами измерялось манометрами 8. Результаты измерения выводились на персональный компьютер 9 по интерфейсу RS-232. Для каждого значения объемного расхода фиксировалась частота срыва вихрей, среднее значение и амплитуда тока. Диаметр проходного сечения измерительной магистрали D составлял 50 и 150 мм. Толщина загрязняющего слоя 5 при диаметре нити d = 8 мкм варьировалась от 1 до 20 мкм. Расход и соответствующие ему средние скорости в экспериментах изменялись в диапазоне 12.32 - 2853.8 м3/ч и 0.797 - 44.859 м/с соответственно.

а б в

Рис.2. Объекты исследования: а - форма тела обтекания расходомера и схема расположения канала перетока в нем: 1- тело обтекания, 2- канал перетока, 3- нить термоанемометра; б - камера Эйфеля; в - нить, покрытая краской, 70-кратное увеличение.

Схема лабораторной установки №2, использовавшейся для исследования характеристик однониточного термоанемометрического датчика скорости, представлена на рис. 3. Установка включала турбокомпрессор 1, ресивер 2, заслонку 3 и вихревой расходомер-счетчик газа ИРВИС-К-300 5, с помощью которых соответственно регулировался и контролировался объемный расход воздуха в тракте, поствключенный участок 4, выравнивающее устройство б, координатное устройство 8 с термоанемометрическим зондом, установленным в рабочей части камеры Эйфеля 7 (рис.2,б) диаметром 50 мм. Последняя обеспечивала равномерность профиля скорости в измерительном участке. В экспериментах использовался цифровой термоанемометр ИРВИС ТА-5.

Первоначально фиксировались параметры выходного сигнала датчиков с чистой нитью. Затем на нить наносился слой искусственного загрязнения, и эксперимент повторялся. Характеристики сигнала в цифровом виде передавались по интерфейсу 118-232 на персональный компьютер для дальнейшей обработки.

Рис.3. Схема экспериментальной установки №2: 1 - турбокомпрессор; 2 - ресивер; 3 -регулятор расхода; 4 - поствключенный участок; 5 - вихревой расходомер ИРВИС-К300; 6 - выравнивающее устройство; 7 - поствключенный участок; 8 - термоанемометрический датчик; 9 - камера Эйфеля; 10 - цифровой термоанемометр ИРВИС ТА-5; 11 -персональный компьютер.

Отработаны методы нанесения покрытия, имитирующего загрязнение. Отмечается, что из нескольких апробированных технологий наилучшее качество покрытия обеспечил метод распыления краски на нить с последующей сушкой. Слой краски не проводил электрический ток, надежно крепился на нити и не уносился потоком, обладал достаточной термостойкостью (до 200°С при толщине загрязнения до 12 мкм). Реализация этого варианта осуществлялась с помощью одноцилиндрового компрессора, распыляющего нитроцеллюлозную краску НЦ-25 на датчик, равномерно вращаемый в струе аэрозоля. Фотография нити с нанесенным слоем краски представлена на рис.2,е.

В третьей главе представлен метод моделирования выходного сигнала (силы тока) термоанемометра постоянного сопротивления с нитью, находящейся как непосредственно в потоке, так и в канале перетока, расположенном внутри тела обтекания расходомера

Загрязнение нити считалось осесимметричным, а теплофизические и электрические свойства нити, загрязняющего слоя и газа - неизменными по длине. Коэффициент теплоотдачи а между текучей средой и нитью не изменяется по длине нити, но изменяется по времени. Считалось также, что загрязняющее вещество не проводит электрический ток.

В основе модели лежит уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат

дТ (дгТ 1 дТ д2Г) (5)

— = я—г- +---+ —- > У?)

дт г дг дг

из численного интегрирования которого определялось температурное состояние нити и слоя загрязнения. Здесь Т - температура, т - время, а -коэффициент температуропроводности, дг и г - продольная и поперечная координаты.

Работа термоанемометра в режиме постоянного сопротивления описывается как

где I - ток, протекающий через нить, к - коэффициент усиления в цепи обратной связи термоанемометра, Д^д - заданное сопротивление нити, Ян -

текущее сопротивление, определяемое как

д; (7)

о да/2

здесь / - длина нити, рг - удельное электрическое сопротивление нити, а, -температурный коэффициент сопротивления. Закон теплообмена нити с окружающей средой описывался критериальным соотношением

М/ = а,+в2(11е)вз-в4Ыге (8)

с коэффициентами а\, а2, а3 и а4, принятыми на основе литературных данных. Для случая термоанемометрического датчика скорости изменение скорости потока и в расчетах задавалось по гармоническому закону:

и = и0+Аи ¿т{2ф + <р), (9)

где и0 - средняя скорость потока, А„ - амплитуда скорости, / - частота пульсационной составляющей скорости потока, ф - фазовый угол.

Для моделирования работы детектора вихрей в составе расходомера модель дополнена уравнениями, учитывающими связь между параметрами потока, набегающего на тело обтекания, и течения в канале перетока. Полагалось, что перепад давления на противоположных поверхностях обтекаемого тела в области отверстий отбора в канал перетока (рис.2,а), связанный с формированием вихрей Кармана, пропорционален скоростному напору набегающего потока и изменяется по гармоническому закону

РГ2

ЬР = Кр рг —-эт^я/т), (10)

где рг - плотность газа; IV - среднерасходная скорость в трубопроводе, Кр -коэффициент амплитуды пульсаций давления, Кр=1.

Частота срыва вихрей связана со скоростью внешнего потока IV через число Струхаля БИ и диаметр тела обтекания Г>г (множитель 2 связан с принятым определением частоты для пары вихрей):

/ = 2Sl.il (П)

В уравнении движения газа в канале перетока

(12)

учтено гидравлическое сопротивление канала {^пр, которое оценивалось по известным соотношениям для ламинарного режима течения. Канал перетока принимался ступенчатым (рис.2,а) с участками длиной /,отв и ¿,ан и соответствующими им площадями сечений Ртъ и

Для нити и загрязняющего вещества использовалось два типа граничных условий на торцах: теплоизоляция (нулевой тепловой поток в продольном направлении) и постоянство температуры (температура в месте крепления к державке равна температуре окружающей среды). На продольной оси и в центральном поперечном сечении принималось условие теплоизоляции. На границе нити и слоя загрязнения задавалось граничное условие 4 рода:

В качестве начальных условий принималось Т- Гг.

Для численного интегрирования уравнений был выбран метод конечных элементов. Использовался переменный шаг сетки по оси абсцисс со сгущением сетки вблизи державки. Пример расчетной сетки с началом координат в центре нити показан на рис.5.

а = т

0 = 0

0 = 0

Рис.5. Пример расчетной сетки.

I, А

0,09 0.08 0,07 0,06 0,05 0.04 0,03' 0,02 0,01 0,00-

-\Л/, м/с

Рис.6. Градуировочная характеристика датчика скорости, линия - расчет, точки - эксперимент.

В конце главы приведены результаты тестовых расчетов для термоанемометрического датчика скорости с чистой нитью диаметром й = 8 мкм и длиной / -2,5 мм. Показано, что расчетные данные при различных скоростях потока хорошо согласуются с экспериментом (рис.6), что свидетельствует об адекватности математической модели.

Незначительные отличия (до 3,5%) градуировочных характеристик могли быть вызваны

погрешностью задания тепло- и

электрофизических свойств нити.

В четвертой главе представлены результаты физического и численного моделирования статической (градуировочной) и динамической (амплитудно-частотной) характеристик термоанемометрического датчика скорости с

загрязненной нитью. Глава начинается с характеристик термоанемометра с чистой нитью как базы для оценки влияния загрязнения.

Градуировочные характеристики для датчиков с чистой нитью разной длины приведены на рис.7. Среднее значение выходного сигнала (тока) выше у коротких нитей вследствие большей доли утечек тепла (рис.8), которая и определяет смещение статической характеристики термоанемометрического датчика скорости.

Рис.7. Влияние длины нити на статическую Рис.8. Влияние относительной длины нити характеристику: 1-/=1 мм;2-/=2мм; и скорости потока на долю концевых 3 - / = 3 мм; 4 - /=4 мм; 5 - нить без утечек. утечек.

Показано, что для термоанемометра постоянной температуры тепловой поток с боковой поверхности не зависит от утечек через ножки датчика. Градуировочная характеристика реального термоанемометра отличается от градуировочной характеристики с бесконечно длинной нитью только наличием концевых утечек.

Под АЧХ чистой нити понималась зависимость отношения относительных амплитуд пульсаций тока для реальной нити с концевыми утечками и идеальной нити без утечек от частоты пульсаций скорости потока. Результаты моделирования АЧХ для разных скоростей потока и длин нити (рис.9) показали, что на низких частотах пульсаций скорости наблюдается ослабление относительной амплитуды пульсаций тока для коротких нитей, связанное со смещением их статических характеристик (рис.7). Ослабление амплитуды в среднем диапазоне частот связано с изменением амплитуды и фазового сдвига концевых утечек (рис.10). При высоких частотах (5 кГц и более) дальнейший рост/ существенного влияния на утечки не оказывает, т.к. температурное состояние нити не успевает меняться, и в каждой точке Т^сопб! (рис.11).

кл"[

0,9 . 0,8

0,61.

10 100 1000

-1=1 мм---1=2 мм

-----1=4 мм ------1=5 мм

I Гц

10000 — 1=3 мм

0,9

0,8

0.7

Ь Гц

10 100 1000 10000

-У\/=1м/с---№5 м/с----№10 м/с

----№=20 м/с.....№40 м/с

Рис.9. АЧХ чистых датчиков скорости: а - различные длины нитей, (1 = 6 мкм, XV = 10 м/с, б -скорости потока, <1 = 6 мкм, 1 = 2 мм.

0,00576

0 1 80 360 540 720 ф,

--10Гц.....160Гц

—■ Ч ,[»2560Гц ------»=20480Гц

\Л/, м/с 10,1

10,0

83,478

83,477

-V/ .

63,476

--—— А0

180 270 360 ф|

----(

Рис.10. Влияние частоты пульсаций на концевые утечки.

Рис. 11. Связь скорости потока и температуры нити при/= 20 кГц.

Следует отметить, что динамическая характеристика чистой нити, рассчитанная по амплитуде пульсаций скорости, на низких частотах ослабления практически не претерпевает и близка к единице (рис.12) вследствие того, что Цу, пропорционален <7„ов (рис.10). С Рис.12. Зависимость коэффициента ростом / появляется фазовый сдвиг, ослабления пульсаций скорости от частоты который является причинои

ослабления К„.

В случае термоанемометрического датчика скорости с загрязненной нитью на статическую характеристику влияет ие только доля концевых утечек, зависящая от длины нити (рис. 13,а), но и толщина загрязняющего слоя (рис.13,б). Расчет хорошо согласуется с результатами эксперимента (рис.13, в).

Расхождение не превышало 5 % и могло быть вызвано погрешностью закона теплообмена и измерений толщины загрязняющего слоя, отклонениями формы нити от цилиндрической.

I, А

0,10 0,08 0.06 0.04 0,02 0,00 -

0

-5=0 5=0

10 20 30

......5=4 мкм

■ 6=4 мкм

— \Л/, М/С

- 5=10 МКМ 5=мкм

Рис.13. Градуировочныс характеристики датчиков скорости с загрязненными нитями: а - разные длины при (1 = 6 мкм и 8 = 10 мкм; б- разные степени загрязнения при 6 мкм и 1 = 2 мм; в - сопоставление расчета с экспериментом, <1= 8 мкм, /=2,5 мм.

В случае загрязненной нити под АЧХ понималась зависимость КА от /, где КА - отношение относительной амплитуды пульсаций тока для загрязненной нити к соответствующей амплитуде для чистой нити. С увеличением толщины загрязняющего слоя 6 наблюдается типичное для интегрирующего звена первого порядка ослабление амплитуды (рис.14, а). Кривые хорошо обобщаются при использовании в качестве аргумента безразмерного комплекса ]Ъ21а (рис. 14,6), их расслоение в данном случае происходит из-за отсутствия геометрического подобия (изменение 6 при постоянном диаметре нити).

К,

Д1 -

0.1 "\\ч

0,01

1Е-3

К,

А 1

0,1

10 100 1000 10000 Гц

5=2 мкм ......6=3 мкм ..........5=5 мкм

0,01

\

-6=10 мкм

6=15 мкм —.....6=20 мкм

1Е-3 0,01 0,1 1 10

— 6=2 мкм ......6=3 мкм .....

--6=10 мкм.........-6=15 мкм —

=5 мкм 5=20 мкм

Рис. 14. АЧХ датчика скорости с толщиной загрязнения 5: а -по частоте/, б - по приведенной частоте /52/а.

Получены экспериментальные данные по ослаблению амплитуды пульсаций сигнала загрязненного термоанемометрического датчика скорости (рис.15). Определялось отношение спектров выходного сигнала, оцененных по результатам измерений, выполненных в турбулентном потоке в трубе при одинаковых условиях датчиками с загрязненной и чистой нитями. Обнаружено, что при небольших значениях 6 на низких частотах происходит не ослабление, а усиление относительной амплитуды сигнала. Расчет также хорошо согласуется с результатами эксперимента.

На рис. 16 представлена зависимость коэффициента чувствительности выходного сигнала к скорости потока (числу Рейнольдса) от Ле, объясняющая выявленный эффект. Как видно, с увеличением Яе коэффициент чувствительности увеличивается. Поэтому повышение числа Рейнольдса из-за увеличения диаметра загрязненной нити способствует усилению амплитуды пульсаций тока по сравнению с чистой нитью (при одинаковых пульсациях скорости потока). При больших частотах и толщинах загрязнения это усиление амплитуды подавляется более сильным ослаблением из-за тепловой инерционности слоя загрязнения и уменьшения температуры его наружной поверхности.

Рис.15. АЧХ термоанемометра с загрязненной Рис.16. Зависимость коэффициента нитью: расчет и эксперимент. чувствительности выходного сигнала

к скорости потока от Яе.

В петой главе представлены результаты физического и численного моделирования статической и динамической характеристик термоанемометрического детектора вихрей с загрязненной нитью.

Течение в канале перетока вихревого расходомера обладает несколькими особенностями. Скорость газа в нем изменяется по близкому к синусоидальному закону, а среднее ее значение за период срыва пары вихрей близко к нулю. Смена направления движения происходит не одновременно по всей длине нити, расположенной поперек канала перетока, поэтому уровень минимального тока несколько выше, чем в покоящемся газе. Направление потока для сигнала детектора роли не играет.

Расчет показал, что в расходомере воспроизводится эффект роста относительной амплитуды пульсаций сигнала при загрязнении детектора в

области низких частот (рис.17). Как видно из рис.18, значение передаточного коэффициента Кд в области низких частот превышает единицу.

—6 -5

= 0

2 мкы «Змкм

7 мкм

8 мкм = 11 мкм к 12 мкм

0

з 2 мкм

3 мкм - 7 мкм

8 мкм * 11 мкм " 12 мкм

600

800 1000

Ч Гц

Рис.17. Относительная амплитуда сигнала, линия -расчет, символы -эксперимент, <1 = 8 мкм, / = 4 мм.

'.Гц

-&*?мш

.....8«7мш

-----8>8*мх

------8-11ЫКМ

- та

а б

Рие. 18. Расчетная АЧХ детектора вихрей с загрязненной нитью: а -по частоте/, б - по приведенной частоте/Ь21а.

Отклонение результатов расчетов от экспериментальных данных не превышало 12%. Математическая модель адекватно воспроизводит физические процессы, происходящие при обтекании чистой и загрязненной термоанемометрической нити в канале перетока вихревого расходомера. На рис.19 представлены результаты экспериментов в виде зависимостей

относительной амплитуды от модифицированного числа Рейнольдса ^ = —,

которое часто применяется для вихревых расходомеров и практически пропорционально классическому числу Рейнольдса. Для всех точек по толщине

А „0,24 0,20 0,16

• 2 ■ 3

• 4

• 5

• 6 • 7

^ Рис.19. Экспериментальные

0,12

5 значения Аотя при различных

0,08-

8

6 толщинах загрязнения: 1 - чистый 8 датчик; 2 - 5 = 2мкм; 3 - Змкм; 4 -

0,00

0,04

•э 7мкм; 5- 8мкм; 6- 11мкм, 7-12мкм; 8 - 20мкм; 9 - минимальное допустимое значение А^

1000

10000 Не,

загрязнения и расходу, представленных на рис.19, влияния на погрешность измерения вследствие ослабления амплитуды сигнала не обнаружено. Полученные экспериментальные данные позволили сформулировать четкий критерий допустимой степени загрязнения нити - относительная амплитуда по сравнению с чистой нитью должна ослабляться не более чем в 3 раза и быть не менее 0.04 (по принятому методу ее определения).

По отношению фактической относительной амплитуды к ее значению для чистой нити при определенной частоте пульсаций можно оценить толщину загрязнения, точнее, комплекс /52/а. Это позволит при эксплуатации расходомера автоматически диагностировать степень загрязнения нити и своевременно формировать сообщение о необходимости промывки датчика.

Наиболее критичным загрязнение нити является в области высоких расходов (частот вихреобразования). Из-за частотно-зависимого влияния загрязнения на амплитуду сигнала для расходомеров с большим условным диаметром (меньшими частотами формирования вихрей) допускается большая толщина загрязнения. Например, для прибора с условным диаметром 200 мм частота вихрей при одинаковой скорости потока в 4 раза ниже по сравнению с Ду50 и допустимая толщина загрязнения, оцененная из равенства /52/а, составит порядка 40 мкм.

1. Разработана математическая модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающей в качестве датчика скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера газа. Модель основана на решении методом конечных элементов двумерной задачи теплопроводности с учетом концевых утечек и зависимости тепловыделения от местной температуры нити.

2. На основе предложенной модели и экспериментально получены и обобщены амплитудно-частотные и градуировочные характеристики термоанемометра с загрязненной нитью в качестве датчика скорости и детектора вихрей, оценено влияние факторов загрязнения, подтверждена адекватность модели.

Выводы:

3. Выявлен эффект усиления амплитуды низкочастотных пульсаций термоанемометрическим датчиком с загрязненной нитью, установлен механизм этого явления

4. Предложен метод диагностирования степени загрязнения нити в процессе эксплуатации вихревого расходомера, основанный на выявленной зависимости относительной амплитуды пульсаций тока от этого фактора.

5. Предложен и обоснован критерий допустимого загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей, обеспечивающий измерение расхода без дополнительной погрешности от этого фактора. Даны рекомендации по практическому использованию результатов в расходометрии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Саховский A.B. Закономерности теплообмена термоанемометрической нити / Н.И. Михеев, A.B. Саховский, K.P. Хайрнасов и др. // Теплофизика и аэромеханика, 2010 Т. 17, №.2, стр. 189-196.

2. Саховский A.B. Прогнозирование числа Рейнольдса по сигналу термоанемометрического детектора вихрей вихревого расходомера / Михеев Н.И., Саховский A.B., Кратиров Д.В. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010 №2, стр. 14-17.

Работы, опубликованные в других изданиях:

3. Саховский A.B. Теоретические основы термоанемометрических измерений загрязненным датчиком / Н.И. Михеев Н.И., Д.В. Кратиров Д.В., Саховский A.B. и др.// Материалы VI Школы-семинара молодых ученых и специалистов акад. В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 16-18 сентября 2008 г. -С. 197-200.

4. Саховский A.B. Термоанемометрические измерения при загрязнении нити датчика / Михеев Н.И., Кратиров Д.В., Саховский A.B., Хайрнасов K.P. // Материалы VIII Международной школы-семинара «Модели и методы аэродинамики». Евпатория, 4-13 июня 2008 г. -М.:МЦНМО, 2008.-С.110-111.

5. Саховский A.B. Термоанемометрические измерения датчиком с загрязненным чувствительным элементом // X Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 18-21 ноября 2008. -С.131-132.

6. Саховский A.B. Термоанемометрический прибор для измерения скорости и температуры потока одним датчиком / Хайрнасов K.P., Михеев Н.И., Саховский A.B. // Сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской

научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках». Казань, 12-14 мая 2009 г.- Казань: Изд-во «Отечество», 2009. Ч.1.-С.38-39.

7. Саховский A.B. Закономерности теплообмена тонких нитей и их использование в цифровом термоанемометре / Саховский A.B., Михеев Н.И., Кратиров Д.В. и др. // Сборник материалов XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках». Казань, 12-14 мая 2009 г.- Казань: Изд-во «Отечество», 2009. Ч.1.-С.40-41.

8. Саховский A.B. Закономерности теплообмена термоанемометрической нити / Саховский A.B., Хайрнасов K.P., Михеев Н.И. и др. // Труды XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» 25-29 мая 2009 г .Жуковский, Россия. М.: Издательский дом МЭИ. Т.1.2009 - С.141-144.

9. Саховский A.B. Термоанемометрические измерения без градуировки датчика на основе закономерностей теплообмена термоанемометрической нити / Михеев Н.И., Саховский A.B., Хайрнасов K.P. // Модели и методы аэродинамики. Материалы Девятой Международной школы-семинара. Евпатория, 4-13 июня 2009. - М.: МЦНМО - 2009. С.126-127.

10. Саховский A.B. Прогнозирование числа Рейнольдса и загрязнения нити термоанемометра в вихревом расходомере / Михеев Н.И., Кратиров Д.В., Саховский A.B. // Модели и методы аэродинамики. Материалы Десятой Международной школы-семинара. Евпатория, 3-12 июня 2010. -М.: МЦНМО-2010. С.114-115.

11. Саховский A.B. Двумерное моделирование термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненным чувствительным элементом / Кратиров Д.В., Саховский A.B. // Материалы VII Школы-семинара молодых ученых и специалистов акад. В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 15-17 сентября 2010 г. -С. 176-179.

12. Саховский A.B. Цифровой термоанемометр / Саховский A.B., Михеев Н.И., Хайрнасов K.P. и др. // Материалы Ежегодной научно-практической конференции "Инновации РАН-2010", 1 -4 июня 2010 г. -С. 183-186.

13. Саховский A.B. Диагностика загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере / Кратиров Д.В., Михеев Н.И., Сайкин А.К., Саховский A.B. // Материалы Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 25 - 29 октября 2010 г. - С. 119-122.

14. Саховский A.B. Прогнозирование числа Рейнольдса по теплообмену термоанемометрической нити в канале перетока вихревого расходомера / Кратиров Д.В., Саховский A.B., Стинский Г.В. и др. // Материалы Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 25 - 29 октября 2010 г. - С. 123-126.

с

Подписано в печать 09.11.10 г. Форм. бум. 60x801/16. Печ. л. 1,0. Тираж 130. Заказ № 356. Отпечатано с готового оригинал - макета в ООО «Вестфалика» г. Казань, ул. Б. Красная, 67. Тел.: 236-62-72

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД В ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕТРИИ. ПРОБЛЕМА ДИАГНОСТИКИ

ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЕТЕКТОРА

ВИХРЕЙ.

1.1. Анализ термоанемометрического метода и схем термоанемометров.

1.2. Анализ основных погрешностей измерений и численных работ.

1.3. Загрязнение термоанемометрического датчика скорости в процессе использования и его последствия.

1.4. Применение термоанемометра в роли детектора вихрей промышленного вихревого расходомера, загрязнение чувствительного элемента.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Экспериментальные стенды.

2.2. Экспериментальное оборудование и средства измерения.

2.2.1. Камера Эйфеля.

2.2.2. Многофункциональный термоанемометр ИРВИС ТА-5.

2.2.3. Однониточный термоанемометрический датчик.

2.2.4. Климатическая камера.

2.2.5. Термоанемометрический детектор вихрей.

2.3. Методика искусственного загрязнения датчиков.

2.4. Градуировка однониточного термоанемометрического датчика с загрязненным чувствительным элементом.

2.5. Методика проведения исследований.

2.6. Статистическая обработка данных.

2.7. Оценка погрешностей измеряемых величин.

ГЛАВА 3. МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ТЕРМОАНЕМОМЕТРА ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ С ЗАГРЯЗНЕННЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ.

3.1. Математическая модель функционирования термоанемометрического датчика вихревого расходомера.

3.2. Тестовые задачи.

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА СКОРОСТИ С ЧИСТОЙ И ЗАГРЯЗНЕННОЙ НИТЬЮ.

4.1. Исследование статической характеристики термоанемометрического датчика скорости с чистым чувствительным элементом.

4.2. Исследование динамической характеристики термоанемометрического датчика скорости с чистым чувствительным элементом.

4.3. Моделирование работы термоанемометрического датчика скорости с загрязненной нитью.

ГЛАВА 5. ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОАНЕМОМЕТРА С ЗАГРЯЗНЕННОЙ НИТЬЮ В СОСТАВЕ ВИХРЕВОГО РАСХОДОМЕРА.

5.1. Моделирование работы термоанемометрического детектора вихрей вихревого расходомера с загрязненной нитью.

5.2. Диагностирование загрязнения термоанемометрического детектора вихрей в вихревом расходомере газа по амплитудночастотной характеристике датчика.

Методы и средства измерения мгновенных значений гидродинамических и тепловых параметров потока играют важную роль в задачах управления различными технологическими процессами, а также находят широкое применение при проведении научных исследований в теплофизике, механике жидкости и газа, химии и других областях, где необходимо контролировать параметры текучей среды. Среди наиболее доступных и универсальных следует выделить термоанемометрический метод, используемый как при проведении фундаментальных исследований, так и в промышленности.

Одним из примеров применения термоанемометрического метода в промышленности служат вихревые расходомеры газа. Принцип их действия основан на эффекте формирования дорожки Кармана в следе за неподвижным телом обтекания. Поле скоростей за телом обтекания начинает пульсировать с частотой срыва вихрей. Термоанемометрический датчик скорости преобразует эти пульсации в выходной электрический сигнал, из которого в свою очередь выделяется частота срыва вихрей, которая в широком диапазоне скоростей пропорциональная объемному расходу через расходомер.

В реальных условиях эксплуатации термоанемометра в научных исследованиях и в технике чувствительный элемент датчика часто находится в условиях загрязненного потока, в котором присутствуют частицы пыли, ржавчины, пары различных органических соединений и другие вещества. Эксплуатация термоанемометра в оборудовании, где невозможно обеспечить чистоту среды, ведет к постепенному загрязнению нити датчика.

Известно, что загрязнение чувствительного элемента неблагоприятно влияет на погрешность измерений и частотные характеристики термоанемометра. Учитывая, что в вихревом расходомере основным информативным параметром является частота пульсационной составляющей сигнала, некоторое ослабление амплитуды, связанное с загрязнением нити, допускается и никак не влияет на погрешность измерения расхода. Однако при сильном загрязнении нити амплитуда полезного сигнала уменьшается настолько критично, что становится одного порядка с амплитудой шумов различной природы. В этом случае достоверность выделения частоты срыва вихрей ставится под сомнение и погрешность измерения расхода не гарантируется.

До настоящего времени изучалось лишь влияние присутствия в потоке частиц загрязнения на работу термоанемометрического датчика скорости, без учета толщины и теплофизических свойств слоя загрязнения нити. Вопрос допустимой степени загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей в вихревом расходомере газа не ставился.

В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной диагностике загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере, представляется актуальной.

Цель работы - разработка надежных методов диагностирования степени загрязнения нити термоанемометра постоянного сопротивления в процессе эксплуатации и прогнозирование последствий загрязнения нити на результат измерений.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера газа.

2. Провести численное и физическое моделирование влияния фактора загрязнения на статические и динамические характеристики термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной термоанемометрической нитью.

3. Разработать метод диагностирования степени загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере.

4. Выработать и обосновать критерий допустимого загрязнения термоанемометрической нити в процессе эксплуатации вихревого расходомера.

Научная новизна.

1. Разработана модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной теплоотдающей поверхностью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей в вихревом расходомере. Модель основана на решении двумерной задачи теплопроводности с учетом концевых утечек и зависимости тепловыделения от местной температуры нити. Адекватность модели подтверждена экспериментальными данными.

2. Оценено и обобщено влияние основных факторов загрязнения на статические и динамические характеристики работы термоанемометра с загрязненной нитью.

3. Предложен и апробирован метод диагностирования степени загрязнения термоанемометрический нити в процессе эксплуатации расходомера, основанный на связи ослабления амплитуды выходного сигнала со степенью загрязнения.

4. Предложен и обоснован критерий допустимой степени загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей, при котором обеспечивается измерение расхода газа без дополнительной погрешности от этого фактора.

Практическая и научная значимость.

Разработанные методы позволяют оценить влияние степени загрязнения чувствительного элемента термоанемометра, работающего в качестве датчика скорости и детектора вихрей расходомера газа, на изменение градуировочной зависимости и АЧХ.

Метод прогнозирования загрязнения нити термоанемометра в процессе эксплуатации вихревого расходомера позволяет заблаговременно предупредить о предпосылках появления дополнительной погрешности измерения расхода.

Результаты работы использованы в отчетах по гранту Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-4334.2008.8), грантам РФФИ (06-08-00521, 07-08-00330, 09-08-00597 и 08-08-12181 офи), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (проекты №02.740.11.0071 и П227). Ведется внедрение метода прогнозирования загрязнения чувствительного элемента в серийные расходомеры модельного ряда ИРВИС.

Рекомендации по использованию результатов. Результаты исследований могут быть использованы при разработке вихревых расходомеров газа, а также при анализе причин дисбаланса при учете газа. Автор защищает:

1. Математическую модель термоанемометра с загрязненным чувствительным элементом, работающего в режиме постоянного сопротивления.

2. Результаты экспериментальной оценки и моделирования статической и динамической характеристик термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающего в качестве измерителя скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера.

3. Метод диагностирования загрязнения термоанемометрического детектора вихрей в вихревом расходомере газа по амплитудно-частотной характеристике датчика.

4. Критерий предельно допустимого загрязнения нити термоанемометра вихревого расходомера без появления дополнительной погрешности измерений расхода от влияния этого фактора.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием аттестованной экспериментальной установки и поверенных средств измерения, удовлетворительным согласованием результатов моделирования и экспериментальных данных между собой и с известными данными других авторов, хорошей воспроизводимостью опытных данных.

Личный вклад автора. Соискатель отработал технику искусственного загрязнения термоанемометрической нити, подготовил экспериментальную установку и провел все эксперименты, разработал метод моделирования термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью. Анализ полученных результатов исследований выполнен под руководством д.т.н. Н.И.Михеева.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на следующих конференциях и научно-технических семинарах: Итоговые научные конференции за 2008 и 2009 гг. Казанского научного центра Российской академии наук, Казань; Ежегодные научные аспирантские семинары Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН, Казань, 20082010; VI и VII Школа-семинар молодых ученых и специалистов акад. В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», Казань, 2008, 2010 гг.; VIII, IX, X Международная школа-семинар «Модели и методы аэродинамики», Евпатория, 2008-2010 гг.; X Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 2008; XXI Всероссийская межвузовская научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках», Казань, 2009; XVII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях» Жуковский, 2009; Научно-практическая конференция и выставка "Инновации РАН-2010", Казань, 2010 , Пятая российская национальная конференция по теплообмену, Москва, 2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ[77-79, 83-85, 89-91, 95-98, 107], в том числе - 2 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы. Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель термоанемометра постоянного сопротивления с загрязненной нитью, работающей в качестве датчика скорости потока и детектора вихрей вихревого расходомера газа. Модель основана на решении методом конечных элементов двумерной задачи теплопроводности с учетом концевых утечек и зависимости тепловыделения от местной температуры нити.

2. На основе предложенной модели и экспериментально получены и обобщены амплитудно-частотные и градуировочные характеристики термоанемометра с загрязненной нитью в качестве датчика скорости и детектора вихрей, оценено влияние факторов загрязнения, подтверждена адекватность модели.

3. Выявлен эффект усиления амплитуды низкочастотных пульсаций термоанемометрическим датчиком с загрязненной нитью, установлен механизм этого явления

4. Предложен метод диагностирования степени загрязнения нити в процессе эксплуатации вихревого расходомера, основанный на выявленной зависимости относительной амплитуды пульсаций тока от этого фактора.

5. Предложен и обоснован критерий допустимого загрязнения чувствительного элемента детектора вихрей, обеспечивающий измерение расхода без дополнительной погрешности от этого фактора. Даны рекомендации по практическому использованию результатов в расходометрии.

1. Andrews G.E., Bradley D., Hardy G.F. Hot-wire anemometer calibration for measurements of small gas velocities // Int. Journal of Heat and Mass Transfer, 1972, Vol. 15, pp. 1765-1786.

2. Baldwin L.Y., Sandborn V.A., Laurence J.C. Heat transfer from transverse and yawed cylinders in continuum, slip, and free molecule air flows. // Journal of Heat Transfer, Transaction of ASME, 1960, C82, pp. 77-86.

3. Betchov R. L'influence de la conduction thermique sur les anémomètres à fils chauds. // Proc. K Ned. Akad. Wet., 1948, Vol. 51, 721-730

4. Bruun H. H. The performance of normal and yawed hot wires. // Univ. Southampton I.S.V.R. Tech. Rep. No. 21 (1969).

5. Bruun H.H. Hot-wire anemometry, principles and signal analysis. // New York: Oxford University Press, 1995.

6. Bruun, H.H. Interpretation of a hot-wire signal using a universal calibration law. //Journal of Physics, 1971, Vol. 4, pp. 225-231.

7. Churchill S. W., Bernstein M. A correlating equation for forced convection from gases and liquids to a circular cylinder in crossflow. // J. Heat Transfer, 99, 300-306, 1997.

8. Churchill S. W., Brier J. C. Convective heat transfer from a gas stream at high temperatures to a circular cylinder normal to the flow. // Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. Vol. 51, No. 17, 1955, pp. 57-66.

9. Collis D.C., Williams M.I. Two-dimensional convection from heated wires at low Reynolds numbers // J. Fluid Mech., 1959. N 6. p. 357-384.

10. Corrsin S. Extended Applications of the Hot-Wire Anemometer // NACA-TN-1864, 1949.

11. Corrsin, S. Turbulence: Experimental Methods, Handbook of Physics. // 1963, 8/2, pp. 523-590.

12. Davies P.O.A.L., Fisher M.J. Heat transfer from electrically heated cylinders. // Proceedings of the Royal Society, Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1964, Vol. 280, No. 1383, pp. 486-527.

13. Dockery D. W., Pope C. A., Xiping Xu. An association between air pollution and mortality in six U.S. cities. //N. Engl. J. Med. 1993, 329:1753-1759.

14. Douglas W. J. M., Churchill S. W. Recorrelation of data for convective heat transfer between gases and single cylinders with large temperature differences. // Chem. Engng Prog. Symp. Ser. No. 18, 52, 23-28 (1956).

15. Eckert E. R. G., Soehngen E. Distribution of heat-transfer coefficients around circular cylinders in crossflow at reynolds numbers from 20 to 500 // ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 74, pp. 343-347, 1952.

16. Flow Measurement. // CRC Press LLC, Stamford, Connecticut, USA, 211 pp., 1993.

17. Frenkiel F.N. Effect of wire length in turbulence investigation with hot-wire anemometer. // The Aeronautical Quarterly, 1954, Vol. V, pp. 1-24.

18. Freymuth P. Calculations of square wave test for frequency optimised hot-film anemometers. // Journal of Physics E.: Scientific Instruments 1981 Volume 14, 238-240.

19. Freymuth P. Frequency response and electronic testing for constant-temperature hot-wire anemometers. // Journal of Physics E.: Scientific Instruments 1977 Volume 10, 705-710.

20. Freymuth P. Interpretations in the control theory of thermal anemometers. // Meas. Sci. Technol., 1997, 174-177.

21. Freymuth P. Second or third order control theory for constant-temperature hotwire anemometers. //Experiments in Fluids 1997, 23, 175-170.

22. George W. K., Beuther P. D., Shabbir A. Polynomial calibrations for hot wires in thermally varying flows. // Experimental Thermal and Fluid Science 1989; 2:230-235.

23. Glawe G. E., Johnson R. C. Experimental study of heat transfer to small cylinders in a subsonic high-temperature gas stream. // NACA TN 3934 (1957).

24. Hilpert R. Experimental study of heat dissipation of heated wire and pipe in air current. // Forschungsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens Ausgabe A, 1933, 45, pp. 215-224.

25. Hughes, J. A. The cooling of cylinders in a stream of air. // Philos. Mag., 1916, 31, pp. 118-130.

26. Jorgensen F.E. The response of DISA flowmeter in flows of air-C02 mixtures. // DANTEC Measurement Technology A/S private communication, 1977.

27. Kawashima K., Nakanishi S. Analytical consideration regarding influence of hot-wire contamination on flow-speed measurement // Japanese Journal of Applied Physics, vol. 15, Apr. 1976, p. 731, 732.

28. Kawashima K., Nakanishi S. Experimental consideration regarding influence of hot-wire contamination on flow-speed measurement // Japanese Journal of Applied Physics, vol. 14, Oct. 1975, p. 1639, 1640.

29. Kennely, A. E., Sanborn, H. S. The influence of atmospheric pressure upon the forced thermal convection from small electrically heated platinum wires. // Proceedings of the American Philosophical Society, 1914, Vol. 53, pp. 55-77.

30. Khan W. A, Culham J. R., Yovanovich M. M. Fluid flow around and heat transfer from an infinite circular cylinder. // Journal of Heat Transfer, JULY 2005, Vol. 127 / 785

31. King L. V. The convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry. // Philos. Trans. R. Soc. London, 1914, Ser. A, 214, pp. 373-433.

32. Kjellstrom B., Hedberg S. Calibration of a DISA hot wire anemometer and measurements in a circular channel for contirrnahon of the calibration. // DISA Information No. 9, 8-21 (1969).

33. Koch F.A., Gartshore I.S. Temperature effects on hot wire anemometer calibrations. // Journal of Physics E: Scientific Instruments 1972 Volume 5, pp. 58-61

34. Kovasznay, L.S.G. The hot-wire anemometer in supersonic flows. // Journal of the Aeronautical Sciences, 1950, Vol. 17, No. 9, pp. 565-584.

35. Kovasznay, L.S.G. Turbulence in supersonic flow // Journal of the Aeronautical Sciences, 1953, Vol. 20, No. 10, pp. 657-674.

36. Kovasznay, L.S.G. Turbulence measurements // Applied Mechanics Reviews, 1959, Vol. 12, No. 6, pp. 375-380.

37. Kramers H. Heat transfer from spheres to flowing media // Physica, 1946. N 12. p. 61-80.

38. Larsen S., Hojstrap J. Spatial and temporal resolution of a thin-wire resistance thermometer//J.Phys. E: Sci. Instrum., 1982, v.15, 417-477.

39. Laufer J., McClellan R. Measurements of heat transfer from fine wires in supersonic flows // J. Fluid Mech., 1, 276-289 (1956)

40. Laurence J. C., Sandborn V. A. Heat transfer from cylinders // ASME Symposium on Measurement in Unsteady Flow, 36-43 (1962).

41. Lecordier J.C., Dupont A., Gajan P. and Paranthoen P. Correction of temperature fluctuation measurements using cold wires // J. Phys. E:Sci. Instrum. 1984, v.l7, 307-311.

42. Mangalam, S.M., Sarma, G.R., Kuppa, S., and Kubendran, L.R. A new approach to high-speed flow measurements using constant voltage anemometry // AIAA-92-3957, 1992.

43. Martinez-Val, R., Jimenez, J., Rebollo. Sensor contamination effects in hotwire anemometry in air // DISA Information 1982, No.27, pp. 12-14.

44. McAdams W. H. Heat Transmission, third edition // McGraw-Hill, New York (1954).

45. Millon F., Paranthoen P., Trinite M. Influence des lchanges thermiques entre le capteur et ses supports sur la mesune des fluctuations de temperature dans un eculement turbulent // Int.J. Heat Mass Transfer, 1978, v.21, N1, 1-6.

46. Morkovin, M.V. Fluctuations and hot-wire anemometry in compressible flows // AGARDograph 24, 1956.

47. Morris S.C., Foss J.F. Transient thermal response of a hot-wire anemometer // Meas. Sci. Technol. 14 (2003) 251-259

48. Moss, R.W. The effects of turbulence length scale on heat transfer. D.Phil. Thesis, University of Oxford, 1992

49. Owen, F.K., Horstman C.C. Turbulence measurements in an equilibrium hypersonic boundary layer // AIAA-74-0093, 1974.

50. Paranthoen P., Lecordier J.C., Petit C. Dynamic sensitivity of the constant-temperature hot-wire anemometer to temperature fluctuations // J. TSI quarterly, 1983, v.9, 3-8.

51. Paranthoen P., Petit C., Lecordier J.C. The effect of the thermal prong-wire interaction on the response of a cold wire in gaseous flows (air, argon and helium) // J. Fluid Mech., 1982, v. 124, 457-473.

52. Paranthoen, P., Lecordier, J.C., Petit C. Influence of dust contamination on frequency response of wire resistance thermometers // DISA Information No. 27, 1982, pp. 36-37.

53. Perkins H. C., Leppert G. Local heat-transfer coefficients on a uniformly heated cylinder // Heat Mass Transfer, 1964, Vol. 7, pp. 143-158.

54. Perry A.E. Hot-Wire Anemometry // Oxford: Clarendon Press, 1982.

55. Richardson P. D. Convection from heated wires at moderate and low Reynolds numbers // AIAA Journal, 1965, №8, 537-538.

56. Scadron M.D., Warshawsky I. Experimental determination of time constants and Nusselt numbers for bare-wire thermocouples in high velocity air streams // NACATN2599, 1952.

57. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics (edited by Tropea C., Yarin A.L., Foss J.F.) // Springer, 2007.- 1557 p.

58. Stainback P.C., Nagabushana K.A. Review of hot-wire anemometry techniques and the range of their applicability for various flows // Electronic Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 1989, 54 pp.

59. Steinhilber R., Wagner P. M. A digital signal processor for anemometer control // Experiments in Fluids 17 (1994) pp. 302-306.

60. TSI Incorporated Fluid Mechanics Instrument, www.tsi.com.

61. Ulsamer J. Die warmeabgabe eines drahtes oder rohres an einen senkrecht zur achse strcmenden gasoder fliissigkeitsstrom // Forsch. Geb. Ing. 3, 94 (1932).

62. Wyngard J.S. Measurement of small-scale turbulence structure with hot-wires //J.Phys. E: Sei. Instrum. 1968, v.l, 1105-1108.

63. Алемасов В. E., Глебов Г. А., Козлов А. П. Термоанемометрические методы исследований отрывных течений // Казанский филиал АН СССР, 1989, 178 с.

64. Большая техническая энциклопедия под ред. JI.K. Мартенса // Изд.: Мосполиграф, 1928, 2250с.

65. Брэдшоу П. и др. Введение в турбулентность и ее измерение // М. Машиностроение, 1980, 343с.

66. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа // М.: Мир, 1986, 184 с.

67. Вопросы термо- и лазерной анемометрии. Тематический сборник под ред. А.Ф. Полякова // М.: ИВТАН, 1985, 140с.

68. Гнатюк В.В. Измерение характеристик трехмерного турбулентного потока // Тезисы докладов 2-го Всесоюзного совещания "Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности" // Новосибирск: Ит СО АН СССР, 1976, с.52-55.

69. Жукаускас A.A. Конвективный перенос в теплообменниках // М.: Наука, 1982, 473 с.

70. Кирсанов Ю.А. Двумерные температурные поля в нити, обтекаемой потоком с пульсирующей температурой // Труды Академэнерго. 2009. № 1. С. 23-32.

71. Козлов А.П., Михеев Н.И., Молочников В.М., Сайкин А.К. Термоанемометрические измерения поверхностного трения в отрывныхтечениях, под. ред. Акад. В.Е.Апемасова // Казань: Издательство АБАК, 1998, 134с.

72. Кратиров Д.В. Структура течения и процесс вихреобразования вблизи обтекаемого тела вихревого расходомера // Дисс. канд. техн. наук. Казань, 2000.

73. Кратиров Д.В., Мекешкин С.М., Михеев Н.И., Молочников В.М. Измерение расхода вихревым расходомером в условиях неравномерности потока // Материалы докладов национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ — 2006. Казань, Россия, 4-8 сентября 2006, с.

74. Кратиров Д.В., Мекешкин С.М., Михеев Н.И., Молочников В.М., Огарков A.A. Вихревой расходомер с улучшенными характеристиками в области малых среднерасходных скоростей // Известия РАН. Энергетика.-1998.-С.71-80.

75. Кратиров Д.В., Михеев Н.И., Сайкин А.К., Саховский A.B. Диагностика загрязнения термоанемометрической нити в вихревом расходомере // Материалы Пятой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 25-29 октября 2010 г. С. 119-122.

76. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества // Ленинград: Машиностроение. 1989. 701 с.

77. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа, изд. 5-е // М.: Наука, 1978, 736 с.

78. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики // М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980.

79. Михеев Н.И., Молочников В.М., Кратиров Д.В., Фасхутдинов Р.Э. Подход к устранению влияния местных сопротивлений на структуру потока перед расходомером // Изв. РАН Энергетика. 2008. №5- С.28-33.

80. Михеев Н.И., Саховский A.B., Кратиров Д.В. Прогнозирование числа Рейнольдса по сигналу термоанемометрического детектора вихрей вихревого расходомера // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2010 №2, стр. 14-17.

81. Михеев Н.И., Саховский A.B., Хайрнасов K.P., Кратиров Д.В. Закономерности теплообмена термоанемометрической нити // Журнал «Теплофизика и аэромеханика», 2010 Т. 17, №.2, стр. 189-196.

82. Попов А.И. Влияние неравномерности распределения чувствительности вдоль проволочного датчика термоанемометра на измерение турбулентности //Инженерно-физический журнал, 1974, 26, №5, с. 832-838.

83. ПРОМА-ИДМ руководство по эксплуатации В407.020.000.000 РЭ

84. Руководство по эксплуатации ИРВИС РС-4

85. Саховский A.B., Михеев Н.И., Хайрнасов K.P. Кратиров Д.В. Цифровой термоанемометр // Материалы Ежегодной научно-практической конференции "Инновации РАН-2010", 1 4 июня 2010 г. С. 183-186.

86. Смоляков А. В., Ткаченко В. М. Измерение турбулентных пульсаций // JL: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. 264 с.

87. Справочник по теплообменникам: В 2 т. Т. 1. Пер. с англ. под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова//М.:Энергоатомиздат, 1987, 560 с.

88. Термостат электрический камера тепла и холода КТХ, паспорт 610-0020 ПС, М. 2007

89. Тимошенко В.И., Лиманский A.A. Технология решения на ЭВМ задач газовой динамики // Киев: Наукова думка, 1985. — 232 с.

90. Устименко Б. П., Змейков В. Н., Шишкин А. А. Термоанемометрические методы исследования турбулентности в газовых потоках и факелах // АЛМА-АТА- 1983, Издательство «Наука» Казахской ССР, 179 с.

91. Фагт И.Д. Экспериментальные методы исследования трехмерных турбулентных пограничных слоев // Трехмерные турбулентные пограничные слои. М.: Мир, 1985.- С.27-51.

92. Физическая энциклопедия, под ред. А. М. Прохорова // М., 1988.

93. Физические величины, справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова//М: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.

94. Хинце Н. О. Турбулентность. Пер. с англ. // М.: Физматгиз, 1963, 680 стр.

95. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // М., 1969 г., 744 с.

96. Ярин Л. П., Генкин А. JL, Кукес В. И. Термоанемометрия газовых потоков // Ленинград: Машиностроение, 1983, 199с.