Чуйко Владимир Анатольевич

_vladimir_@list.ru

Руководитель ас. Д. Н. Кузнецов

Электронная версия статьи, опубликованной в
сборнике Научные работы Донецкого национального
технического   университета. Серия: Вычислительная
техника    и автоматизация. – Донецк, ДонНТУ, 2004.

        Основным недостатком термоанемометров построенных по классическим схемам (термоанемометр постоянного тока, термоанемометр постоянной температуры) является сильная зависимость показаний прибора от температуры рабочей среды [1,2]. Предполагается избавиться от этого недостатка, за счет использования импульсного режима работы, при котором измеряется тепловая постоянная времени чувствительного элемента (ЧЭ) термоанемометра. Известно, что при этом температура ЧЭ изменяется по экспоненциальному закону, причем тепловая постоянная времени является функцией скорости потока вещества и очень слабо зависит от его температуры.
        Целью исследования является оценка рабочих характеристик импульсного термоанемометра (ИТА) с термистором СТ3-19 в роли ЧЭ в диапазоне скоростей воздушного потока 1 … 100 м/с и температур от -40 до +50 °С.
        Целью моделирования градуировочной характеристики является:

• Оценка диапазона изменения тепловой постоянной времени t в рабочем диапазоне скоростей газа
• Определение допустимой погрешности измерения тепловой постоянной времени ЧЭ

        Как показано в [3], тепловая постоянная времени ЧЭ термоанемометра пропорциональна его теплоемкости и обратно пропорциональна коэффициенту рассеяния:

        где m и c – масса и удельная теплопроводность материала ЧЭ.
        l – теплоемкость газа, d – диаметр ЧЭ, r – плотность газа, v – скорость газа относительно ЧЭ.
        Формула (1) является градуировочной характеристикой ИТА. Выполним моделирование градуировочной характеристики в диапазоне скоростей воздушного потока 1..100 м/с и температуре газа 20 °С.
        В качестве исходных данных моделирования используем данные для бусинкового термистора СТ3-19 на воздухе: mc=1.32 Дж/°С, l=0.022 Вт/(м°С ), с=13200 Дж/(кг °С ), p=1.3 кг/ м3, d=0.003 мм. Полученный вид градуировочной характеристики представлен на рис. 1.

Рисунок 1 – Градуировочная характеристика ИТА

         Зададимся допустимой относительной погрешностью измерения скорости газа d_v=1% и построим зависимость допустимой погрешности измерения t скорости газа:

Рисунок 2 – График зависимости абсолютной допустимой погрешности измерения t от скорости газа v при d_v=1%

         Из результатов моделирования следует, что с увеличением скорости потока требования к точности измерения t возрастают. Определим максимально допустимую погрешность измерения постоянной времени dt :

         Таким образом, в результате моделирования определили, что для достижения необходимой точности измерения скорости потока 1% необходимо, чтобы абсолютная погрешность измерения t не превышала 0.247мс или 0.5 % в относительных единицах.
        Выполним моделирование переходной характеристики ИТА с целью оценки влияния температуры газа на точность измерений скорости газа. Считаем, что температура термистора при его остывании в потоке изменяется по экспоненциальному закону в соответствии с формулой:

        T_max – максимальная температура термистора, T_g – температура газа.
        Известно, что температурная зависимость сопротивления термистора имеет вид [4]:

         Построим графики изменения относительного сопротивления термистора в функции времени при различных температурах газа (Т_{g min}=-40 C T_{g max}=+50 C). Результат моделирования представлен на рис. 3.

Рисунок 3 – Графики изменения сопротивления термистора в функции времени

         Из результатов моделирования следует, что с изменением температуры газа существенно изменяется вид зависимости R_t(T)/R_{t max} , что обусловлено нелинейностью температурной характеристики термистора. Это обстоятельство определяет требования к точности измерения температуры газа. Сформулируем требования к точности измерения температуры газа, опираясь на результаты моделирования переходной характеристики ИТА. Из рис. 3 видно, что погрешность измерения температуры газа в 1°С приводит к погрешности определения постоянной времени в 1.5%, а так как необходимая точность измерения t составляет 0.5%, то погрешность измерения температуры газа не должна превышать 0.3 °С.

         1. В результате моделирования градуировочной характеристики ИТА с термистором СТ3-19 в роли ЧЭ в диапазоне скоростей воздушного потока от 1 до 100 м/с при температуре 20 °С определены диапазон изменения тепловой постоянной времени t ЧЭ от 0.049 до 0.491 с и допустимая погрешность измерения t 0.5% при которой обеспечивается точность измерения скорости в 1%.
         2. Из результатов моделирования переходной характеристики ИТА следует, что, по причине нелинейности температурной зависимости термистора, требования к точности измерения температуры газа остаются достаточно жесткими. Очевидным способом преодоления этого недостатка является использование ЧЭ с линейной зависимостью R(t).

         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.