3333 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭЛЕКТРОДЫ

Лабораторная работа № 1

ТЕРМОРЕЗИСТИВНЫЙ АНЕМОМЕТР

Цель работы: ознакомление с различными видами анемометров, исследование работы терморезистивного анемометра.

 

1.1. Теоретическая часть

В измерительной технике часто требуются точные методы определения скорости потока (течения) жидкости или газа. Измерители скорости потока называются анемометрами. По гречески «anemos» означает «ветер», т. е.  в буквальном смысле анемометр - это «измеритель ветра». Существует большое количество различных методов измерения скорости потока. При выборе конкретного метода большое значение имеет вид измеряемого течения.

 

Виды течений

В анемометрии используется классификация  в зависимости от характера распределения скорости по площади поперечного сечения потока. Так, скорость потока по площади может быть либо постоянной, либо изменяться. В первом случае течение называется ламинарным, во втором – турбулентным.

В турбулентном течении измерение таких величин, как средняя скорость, является трудной задачей из-за наличия случайных пульсаций, амплитудой которых нельзя пренебрегать.

Для облегчения описания и сравнения различных течений в механике жидкости обычно пользуются безразмерными комплексами (критериями), позволяющими уменьшить число параметров, которыми определяется рассматриваемое течение. Так, в случае изотермического течения несжимаемой жидкости (плотность и температура постоянны) единственным безразмерным параметром, достаточным для определения этого течения, является число Рейнольдса:

(1.1)

где Uхарактерная скорость течения (например, если речь идет о трубе, то это средняя по поперечному сечению потока скорость U=Q/S, Qобъемный расход, S – площадь поперечного сечения); D – характерная длина (например, в упомянутом выше случае – диаметр трубы); v – кинематическая вязкость жидкости. В аналогичных геометрических условиях два изометрических течения несжимаемой жидкости подобны, если их числа Рейнольдса одинаковы. Каков режим течения – ламинарный или турбулентный – зависит от величины числа Рейнольдса. Например, в трубе кругового сечения течение становится турбулентным, когда число Рейнольдса превышает 2200.

 

Датчики и методы измерения скорости потока

Принцип действия лазерного анемометра показан на рис.1.1. Два лазерных луча фокусируются на одном и том же объеме жидкости (~ 0,1 мм), где образуются интерференционные полосы. Выражение для ширины полосы имеет вид:

,                                           (1.2)

где  - длина световой волны; Q – угол между двумя лучами лазера.

 

Лазерный анемометр

 

Рис. 1.1

Когда частицы, увлекаемые потоком, пересекают зону интерференции, они поочередно проходят через темные и светлые области. Поэтому рассеянный ими свет, воспринимаемый оптическим датчиком (фотодиодом или фотоумножителем), модулируется с частотой fD (доплеровская частота), зависящей от скорости частиц и ширины интерференционных полос d:

,                           (1.3)

где U – компонента скорости жидкости по нормали к полосам. Частота fD является линейной функцией скорости U. Таким методом можно измерять скорости U в диапазоне от 10-3 до 103 м/с.

 

Ультразвуковой анемометр

Акустическая волна распространяется в данной среде со скоростью звука  с, зависящей от свойств среды и от температуры. Для воздуха с = 331,4 м/с при 8 оС и  с = 342,9 м/с при 20 оС. Скорость звука в жидкостях больше, чем в газах. Для воды при 8 оС с = 1435 м/с. Если среда, в которой распространяется волна, движется со скоростью U относительно наблюдателя, то измеренная им скорость  с' выражается формулой:

,                                     (1.4)

где a – угол между скоростью U и направлением распространения волны (рис.1.2).

 

Принцип действия звукового анемометра

 

Рис. 1.2

Система для измерения скорости состоит из излучателя ультразвуковых импульсов и приемника, находящегося на расстоянии L. Длительность распространения импульсов между излучателем и приемником равна

.                                         (1.5)

Излучатель и приемник представляют собой пьезоэлектрические пластинки. Излучатель возбуждается электрическим напряжением, создающим серию волн высокой частоты (например, 1 МГц). Приемник выдает сигнал в форме изменений акустического давления, действию которого он подвергается. Такая система редко используется для измерения скорости, так как ее пространственное разрешение невелико (скорость интегрируется по расстоянию L). Такую измерительную установку чаще применяют при измерении расхода.

Крыльчатые анемометры

Анемометры этого типа снабжены чувствительным элементом в виде системы крыльчаток, приводимых во вращение движущейся жидкостью или газом. Ось крыльчатого анемометра располагается вдоль скорости течения. Скорость вращения крыльчатки, измеренная соответствующим тахометрическим устройством, пропорциональна скорости потока. Пренебрегая трением, можно приближенно оценить скорость по частоте вращения крыльчатки в потоке. Получим соотношение:

,                                               (1.6)

где U – скорость течения, N – число оборотов в секунду, h – постоянная, определяемая для конкретного устройства экспериментально.

Недостатком крыльчатого анемометра является то, что его характеристики могут изменяться с течением времени, например из-за износа подшипников. Кроме того, эти анемометры непригодны для измерения потоков, меняющих свое направление, и очень медленных потоков из-за наличия порога страгивания (т. е. крыльчатка начинает вращаться при достижении потоком определенной скорости).

Анемометры с тормозящим элементом

Принцип действия анемометра с тормозящим элементом показан на