Исследование датчиков скоростей течения, основанных на принципе теплообмена

Предложены схемы и разработанные конструкции тепловых датчиков для открытых каналов оросительных систем и рассмотрены их основные технические характеристики.

Ключевые слова: гидрометрические вертушки, поплавки, тепловые датчики, термогидрометр

В настоящее время при гидрометрических работах на реках, водохранилищах, каналах измерение скоростей течения производится чаще всего гидрометрическими вертушками. Реже применяются поплавки, но следует отметить, что в последнее время поплавки получили широкое применение для измерения скоростей течения аэрометодами [1,2].

Существует большое количество методов для измерения скоростей течения воды и приборов, действие которых основано на различных физических принципах:

1.Метод, основанный на регистрации числа оборотов лопастного винта (ротора);

2.Метод, основанный на регистрации скорости плывущего тела;

3.Метод, основанный на регистрации скоростного напора;

4.Метод, основанный на регистрации силового воздействия потока;

5.Метод, основанный на принципе теплообмена;

7.Метод, основанный на применении ультразвука.

В настоящее время в Республике Узбекистан и за рубежом проводятся исследования и разрабатываются тепловые датчики для измерения скоростей течения и расходов воды как в лабораторных лотках, так и в реках и каналах [3÷7].

Между телом, введенным в поток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого зависит от скорости течения; эта зависимость положена в основу действия рассматриваемых приборов.

Впервые эта зависимость была использована для прибора, измеряющего скорость ветра (термоанемометр). Затем принцип теплообмена был использован для измерения скорости течения воды. Рабочим органом употребляемого для этой цели прибора — термогидрометра — была тонкая платиновая проволока, по которой пропускался электрический ток, нагревающий проволоку. В потоке проволока охлаждается в зависимости от скорости течения, вследствие чего измеряется ее сопротивление электрическому току. Измеритель скорости присоединяется к одному из плеч измерительного моста, в диагональ которого включается регистрирующий прибор; по нему определяется скорость течения. Прибор предварительно должен тарироваться.

Описанная схема термогидрометра теперь не применяется ввиду существенных недостатков: платиновая проволока требует частой тарировки, обладает недостаточной механической прочностью.

Теплообменные измерительные преобразователи в зависимости от типа применяемых условий эксплуатации могут работать с несколькими видами измерительных схем. Это разомкнутые и замкнутые измерительные схемы на основе потенциометрических и мостовых схем, логометрические схемы, схемы двойных мостов, с микропроцессорами и другие [8].

Возможны два принципиально различных режима работы тепловых приборов: 1) при постоянной мощности нагревателя, когда измеряется разность температур потока до и после нагревателя и 2) измеряется переменная мощность нагревателя, изменением которой автоматический регулятор стабилизирует разность температур потока до и после нагревателя.

В современных термогидрометрах вместо проволоки применяется, например, платиновая пленка, наносимая в виде очень тонкого слоя платины на стеклянное или кварцевое основание в виде клина. Такой клиновой пленочный зонд, как его называют, отличается большой механической прочностью и лучшими характеристиками при измерении скоростей по сравнению с платиновой проволокой. Электрическая схема прибора значительно усовершенствована, в частности применяется автоматическая стабилизация температуры датчика. В таком виде теромогидрометр позволяет производить точные измерения скорости. Обладая малой инерцией, он дает возможность изучать пульсацию скоростей с большой разрешающей способностью. Начальная скорость прибора 1–2 мм/с.

Другой разновидностью прибора, основанного на рассматриваемом принципе, являются датчики с полупроводниковыми термосопротивлениями. Датчики состоят из термосопротивления и подогревателя. Электрическая схема состоит из двух самостоятельных цепей: измерительной 1 и подогревной 2 (рис. 1). Термосопротивление 3 включается в одно из плеч измерительного моста. Подогревная цепь предназначена для создания температурного перепада между поверхностью датчика и потоком.

Основным элементом тепловых приборов является тепловой преобразователь (ТП) термоанемометрического типа. Конструкция преобразователя термоанемометрического типа на базе ТП (рис.2) состоит из термочувствительного элемента (термистора) 1 с нагревателем 2, капсулы (кармана) 3 из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь), бобышки 4 и гайки 5 из стали и штепсельного разъема 6. Нагреватель 2 выполняется из нихромового, манганинового или константанового провода диаметром 0,07–0,1 мм, который равномерно наматывается на тело термистора 1 через слой слюды толщиной 0,5–0,7 мм.

Такой нагреватель создает равномерный тепловой поток вдоль тела термистора, который остается постоянным во время измерения. Для улучшения теплопроводности внутренняя полость кармана заливается эпоксидной смолой с графитовым или цементным наполнителем.

Преобразователи термоанемометрического типа успешно применяются не только в тепловых приборах, но и в преобразователях нестационарного режима, а также для измерения расходов газов или жидкостей в больших трубопроводах [9].

Статические и динамические характеристики рассматриваемых тепловых преобразователей могут быть легко получены на основе математических моделей теплового четырехполюсника.

Рис. 2. Конструкция преобразователя скорости потока термоанемометрического типа

На основе описанного прибора были разработаны тепловые расходомеры для открытых каналов гидромелиоративных систем типа ТРК.

Следует отметить, что предлагаемый расходомер имеет простую конструкцию, изготовление прибора не требует больших материальных затрат. Отличительной особенностью расходомера является надёжность в работе, не требуется специальной подготовки обслуживающего персонала.

Описанные выше датчики применяются в основном в лабораторных условиях. В натурных условиях их можно использовать только при проведении научных исследований.

1. Быков В. Д., Васильев А. В. Гидрометрия. — Л.: «Гидрометеоиздат», 1977.
2. Алтунин В. С., Белавцева Т. М. Приборы и устройства в гидромелиорации. — М.: ВО «Агропромиздат», 1989.
3. А.с.№ 517819 СССР. Датчик направления и скорости потока газа или жидкости /Р. К. Азимов и другие// Бюл.-1976.- № 22.
4. А.с.№ 712761 СССР. Индикатор направления и скорости потока /Р. К. Азимов и другие// Бюл.-1980.-№ 4.
5. А.с.№ 539275 СССР. Датчик наличия и направления потока. /Р. К. Азимов и другие// Бюл.-1976.-№ 46.
6. Азимов Р. К., Азимов А. Тепловые преобразователи направления потока и расхода газов и жидкостей. — М.: «Энергоатомиздат», 1993.
7. Азимов Р. К., Ташматов Х. К., Жабборов Х. Ш. Тепловые преобразователи для неразрушающего контроля параметров потоков газа и жидкости. // Standart — № 2–2010. С. 26–27.
8. Коротков П. А., Беляев Д. В., Азимов Р. К. Тепловые расходомеры. — Л.: «Машгиз», 1969.
9. Ташматов Х. К. Расходомер воды в трубопроводе на основе тепловых преобразователей термоанемометрического типа // Датчики и системы.-2006.-№ 4.-С.37–39.