Методы измерения расхода газа

Кингом впервые была поставлена и решена задача теплообмена для неограниченного цилиндра. В результате получено выражение для количества тепла Ф на единицу длины цилиндрического провода в единицу времени [28]:

где Тw, Тg – температура  проволоки и газа; d – диаметр  проволоки; hg – теплопроводность газа; сg – плотность и удельная теплоемкость газа; V – скорость газа.

Определяющей в термоанемометрии является зависимость числа Нуссельта от числа Рейнольдса (в критериях подобия). Представление зависимости в числах подобия позволяет результаты отдельных опытов распространять на все подобные ему процессы. Выражение (5) в безразмерном виде записывается следующим образом:

где Nu, Re – соответственно числа Нуссельта и Рейнольдса; А и В – безразмерные коэффициенты.

Число Нуссельта характеризует  интенсивность конвективного теплообмена:

где a – коэффициент  теплоотдачи, r – характерный геометрический размер, Hg – коэффициент теплопроводности газа.

Число Рейнольдса определяет гидромеханическое подобие течений теплоносителей:

где p, v, fg – соответственно плотность, скорость и вязкость газа; d – диаметр чувствительного элемента.

Обилие критериальных  соотношений обусловлено наличием большого числа конструкций преобразователей, различным качеством эксперимента и различными методиками обработки  данных. Однако все они, в итоге, сводятся к общепринятому для проволочных  и пленочных ТА выражению вида

Распишем число Нуссельта, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПО СКОРОСТИ В ОДНОЙ ТОЧКЕ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ТРУБОПРОВОДА

ГОСТ 8.361-79 устанавливает  правила измерения расхода для  труб диаметром от 300 мм путем определения  скорости потока в характерных точках.

Существуют 3 способа  измерения расхода по скорости в  одной точке поперечного сечения:

1. Способ непосредственного  измерения средней скорости в  месте ее существования.

2. Способ измерения  максимальной скорости вдоль  оси круглой трубы с последующим определением по ней средней скорости.

3. Способ измерения  местной скорости в произвольной  точке сечения, в которой известно  соотношение местной и средней  скорости.

При выполнении измерений  должны быть соблюдены следующие  условия:

– поток в трубопроводе должен быть сформировавшимся и турбулентным, а движение – установившимся;

– площадь измерительного сечения в течение всего периода  измерений должна оставаться постоянной;

– на стенках трубы  не должно быть отложений и наростов измеряемой среды или продуктов коррозии;

– измеряемая среда должна быть однофазной или по своим физическим свойствам близка к однофазной;

– при измерении расхода  число Маха не должно превышать 0,25.

При определении расхода  данным методом необходимо измерить первичным преобразователем местную скорость в одной точке поперечного сечения трубы и площадь данного поперечного сечения. Расход Q, м3/с определяют по формуле

где Кv – отношение средней скорости потока в данном сечении к скорости потока в точке измерения;

v – местная скорость  потока, м/с;

S – площадь поперечного  сечения трубы, м2.

При измерении скорости потока на оси трубы значение коэффициента К зависит от гидравлических характеристик труб (шероховатости поверхности, числа Рейнольдса – Re) и его необходимо предварительно определять экспериментально для каждого измерительного сечения.

При измерении в точках средней скорости коэффициент К? остается постоянным и равным единице во всем диапазоне турбулентного течения. Точки средней скорости при развитом турбулентном течении измеряемой среды расположены на расстоянии (0,242?0,013)r от внутренней поверхности стенки трубы, где r – внутренний радиус трубы в измерительном сечении (рис.5).

5. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ  ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА.

Основываясь на собранном  материале можно сделать вывод, что основным недостатком термоанемометров построенных по классическим схемам (термоанемометр постоянного тока, термоанемометр постоянной температуры) является сильная зависимость показаний прибора от температуры контролируемой среды. Поэтому градуировка этих приборов выполняется при различных температурах, а, следовательно, представляет собой трудоемкий процесс и связана с большими временными затратами.

Перспективными в этом отношении являются ТА с, так называемым, нестационарным режимом разогрева  термочувствительного элемента (ТЧЭ). Их принцип действия основан на зависимости  постоянной времени ТЧЭ от скорости потока газа (жидкости). По некоторым данным эта зависимость является очень слабой функцией температуры. Однако метод измерений скорости газа, основанный на зависимости ТПВ ЧЭ от скорости потока газа пока не нашел широкого распространения вследствие сложности его аппаратной реализации. В настоящее время благодаря успехам в развитии микроэлектроники и микропроцессорной техники реализация данного метода измерений стала реальной и доступной.

Рассмотрим некоторые  варианты построения ТА нестационарным режимом разогрева ТЧА на основе термоанемометра постоянной температуры. Структурная схема измерителя представлена на рисунке 5. Измеритель работает в двух режимах: режиме больших токов (режим термоанемометра постоянной температуры) и режиме малого тока (режим термометра). Для переключения режимов используется блок коммутации режимов. Режим термоанемометра используется для разогрева ЧЭ до заданной температуры, режим термометра – для измерения текущей температуры ЧЭ. Способ измерения ТПВ заключается в реализации следующих действий (рис.6):

1) ИТА переводится в режим термоанемометра постоянной температуры и ЧЭ разогревается до заданной температуры Tw;

2) ИТА переключается  в режим термометра и снимается  переходная характеристика остывания  ЧЭ; выполняется комплексная микропроцессорная  обработка полученных результатов с целью определения ТПВ ЧЭ.

Рисунок 5 - Структурная  схема ТА.

 

* Анимация выполнена  в Photoshop 7.0, колличество кадров - 4.

Рисунок 6 - Диаграммы, поясняющие работу ТА .

 

Варианты построения аналоговой части ТА, включающей в  себя термоанемометр постоянной температуры, термометр и блок коммутации режимов, представлены на рисунках 7 и 8. Первый вариант отличается простотой реализации т.к. содержит только один операционный усилитель (ОУ), а для коммутации режимов термоанемометр/термометр используется единственный ключ S1.

Рисунок 7 - Аналоговая часть  ИТА на базе мостовой схемы термоанемометра  постоянной температуры

Рисунок 8 - Усовершенствованная  аналоговая часть ИТА на двух операционных усилителях

 

В СКТБ «Турбулентность» был изготовлен опытный образец  ИТА с аналоговой частью построенной  по схеме рис.8. Для коммутации режимов термоанемометр/термометр использован коммутатор аналоговых сигналов КР590КН4 .В роли ЧЭ использован миниатюрный термистор фирмы Epcos в стеклянной оболочке. На рис.9 представлены градуировочные зависимости ИТА полученные экспериментально на воздухе в аэродинамическом стенде АДС200/250 в диапазоне скоростей от 1 до 15 м/с при температурах 20 ?С и 45 ?С. Результаты экспериментальных исследований хорошо сочетаются с результатами мат. моделирования и подтверждают, что ТПВ ЧЭ слабо зависит от температуры газа.

Рисунок 9 - Экспериментальные  градуировочные характеристики опытного ИТА

Как выяснилось, данная схема  не обладает достаточной помехозащищенностью, что приводит к скачкам градуировочной характеристики на начальном этапе.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ярин Л.П. и др. Термоанемометрия газовых потоков/  Л.П.Ярин, А.Л.Генкин, В.И.Кукес. –  Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983, – 198 с., ил.

2. Брэдшоу П. Введение  в турбулентность и ее измерение.  Пер. с англ. – М.: Мир, 1974. –  278 с.        

3. Ференец В.А. Полупроводниковые  струйные термоанемометры. –  М., "Энергия", 1972, – 112 с., ил.        

4. Зори А.А, Коренев  В.Д., Хламов М.Г. Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред. – Донецк: РИА ДонГТУ, 2000. – 338 с.: ил.

5. Средства измерения расхода и количества – Общие сведения о различных типах расходомеров 
Кратко изложены принцыпы построения самых разнообразных видов устройств измерения массы и расхода газов и жидкостей, а также счетчиков штучных изделий

6. ГОСТ 12.3.018-79 – Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний  
Приведен метод выбора точек измерения, приведены требования к аппаратуре, описан порядок подготовки, проведения испытания и обработки результатов.