CS233290B1 - Snímač měřidla obtékání stěny tekutinou - Google Patents

Abstract

Vynález se týká snímače měřidla obtékání stěny tekutinou s vírovou komůrkou (3) vytvořenou pod povrchem (1) stěny a propojenou s prostorem nad povrchem (1) stěny komunikačním okénkem (2) umístěným na obvodu (31) vírové komůrky (3), která je uspořádána jako plochá, nízká válcová dutina s výškou nižší než průměr a její osa (301) rotační symetrie je rovnoběžná s povrchem (1) stěny. Ve vírové komůrce (3) je umístěn nejméně jeden termistor, například první termistor (4), jehož teplotně citlivá část je umístěna mezi osou (301) rotační symetrie vírové komůrky (3) a obvodem (31) vírové komůrky (3) a první termistor (4) je napojen na elektrické vyhodnocovací obvody, spojené s výstupem měřidla. Ve vírové komůrce (3) může být umístěn druhý termistor (5), jehož teplotně citlivá část leží v oblasti osy (301) rotační symetrie vírové komůrky (3) . První termistor (4) je napojen svými vývody na elektrický napájecí » zdroj spolu v sérii s nim zapojeným prvním pracovním resistorem (6) a druhý termistor (5) je zapojen na elektrický napájecí zdroj spolu se sériovým druhým * pracovníkem resistorem (7), přičemž k elektrickému napájecímu zdroji jsou paralelně připojeny první termistor (4) a druhý termistor (5) i první pracovní resistor (6) a druhý pracovní resistor (7).

Description

Vynález se týká snímače měřidla ebtěkání stěny tekutinou, jehož úkolem je zjiálovat, zda a jak je ebtékána tekutinou určitá stěna, přičemž může jíž · stanovení směru neb· charakteru obtékání, například zda jde · proudění laminární nebe turbulentní. Jde · taková zařízení, u nichž okolnosti, například «hled na energetické ztráty při «Vtékání neb· požadavek možnosti pohybu těles nad ebtékaným povrchem zabraňují ternu, aby nad obtékanou stěnu vystupovala sonda k měření rychlosti a zmíněné zjiělování se převádí měřením tečaáno napětí v tekutině těsmě u obtékané stěny, předmět vynálezu se týká takevých zařízení k měření tečněli· napětí, které mají generevat elektrický výstupní signál.

Úloha měření tečnéhe napětí byla d· nedávné deby převážně výlučnou záležitestí laboratorních experimentů v oboru aerodynamiky neb· hydrodynamiky. Byl· přitom typické, že použité snímače měly charakter laboratorních·přístrojů, nevhodných pro upotřebení v provozu. Ukazuje se věak, Že 8 vhodným snímačem může být měřidlo obtékání stěny založené na vyhodnocování tečného napětí velmi vhodným vstupním členem řídicích systémů nebo systémů pro provozní diagnostiku funkce strojů za chodu. Měřením tečného napětí je možné získat například informace o tom, zda proudění vykazuje tendenci k separaci, to je odtržení od obtékané stěny, což jsou rozhodující informace pro řídící systém ovládající průtok v difusorech, ftinkci lopatkových čerpadel nebe let letadel, nebol separace v difuzoru na lopatkách lopatkových strojů nebo na křídle letadla vede k nežádoucím a nebezpečným provozním stavům, jímž takový řídicí systém musí zabránit.

Dnes se měření tečného napětí při požadavku elektrického výstupního signálu provádí obvykle na principu tepelné analogie.

- 2 233 290

Na povrch stěny, která musí být z elektricky a ebvykle i tepelně izolujícího materiálu, je vakuevě napařen kevevý film e nepatrné tleuštce, který se epatří kentakty a je pak edperevě ohříván průchodem elektrického preudu. Obtékání tekutineu způeebuje edved tepla z filmu, který je v seuvislesti a hedneteu působícího tečnéhe napětí v tekutině těsně u stěny. Změna tečnéhe napětí tedy způsobí změnu teplety filmu a tím i změnu elektrickéhe edperu mezi kentakty. Tate změna edperu se vyhednecuje ebvyklými prestředky nebe je film svými kentakty zapejen ve zpětnevazební smyčce servekempensáteru, v takevém zapájení je naepak tepleta filmu udržována na konstantní hednetě a výstupním signálem je pak velikest přecházejícíhe elektrickéhe preudu, který tute stáleu tepletu zajistí. Ochlazevání ehřívanéhe kevevéhe filmu v zásadě způsobuje jen nepatrné změny edperu, řádu setin ehmu. Měření takte malých změn je mimeřádně ebtížneu úleheu, nebal se prejevi rušivými vlivy, například změny kentaktních odporů ve spějich ebvedů. Zejména jseu prehlémy s převedením přívedů, jimiž se de kevevéhe filmu přivádí jím přecházející elektrický preud. Film sám je mechanicky velice cheulestivý, při prevezních měřeních mime laberateř by snadné mehle dejít k jehe peruěení, tedy i nepatrné perušení znamená evšem změnu jehe edperu, při náhedném detyku pevných těles. Ostatně měření mime laberateř je ebtížné již tím, že k vyhednecevání malých edperevých změn vyžaduje nérečneu a draheu aparaturu. Při převezu se snadné může stát, že se na film nalepí částice nečistet unášených tekutinou, cež evšem ihned vede ke zkreslení měřeného údaje, nebol se změní podmínky přestupu tepla z filmu. Jde-li například e organické nečistoty, například textilní prach a hmyz, může vzhledem k teplotě filmu dejít k jejich změknutí a přilepení k povrchu, při laboratorních měřeních se může počítat s «čistěním, provozní podmínky te však neumožňují. Problémy jsou ostatně již s tím, že analogie mezi sdílením tepla a tečným napětím, o níž se takový přístup opírá, je komplikovaná a vyžaduje dodržení určitých podmínek. Například při měření tekutin, jejichž složení ee za provozu mění nebe při měřeních během nichž se mění teplota tekutiny nebe stěny vyžadují zvláštní měření poruchových vlivů a zavedení korekcí, což celou otázku dále ještě více komplikuje.

233 290

- 3 Podle autorova dřivějšíha návrhu byl problém řešen uspořádáním převážně použitelného snímače a kuličkou obíhající ve víravé komůrce. Teta řešení má avšem nevýhody, které přináší použití pohyblivých součástek: údaj snímače se bude měnit podle polohy snímače v gravitačním poli nebo při zrychleném pohybu tělesa, na jehož stěně mé být obtékání tekutinou měřeno. Také nelze zcela vyloučit možné zaseknutí nebo ulpění kuličky třeba účinkem nečistot, které se dostanou mezi kuličku a stěnu vírové komůrky. Vzhledem k etrvačnosti pohybu kuličky nelze takovým uapařédéním také měřit nestacionární proudění, ale pouze proudění ustálené.

Uvedené nedostatky odstraňuje snímač měřidla obtékání stěny podle vynálezu, který aá rovněž vírovou komůrku vytvořenou pod povrchem stěny a propojenou s prostorem nad stěnou, kde proudí tekutina, prostřednictvím komunikačního okénka, zejména s komůrkou uspořádanou jako nízká válcové dutina β výškou menší než průměr, jejíž osa rotační symetrie je rovnoběžná s povrchem stěny. Podstata vynálezu spočívá v tom, že ve vírové komůrce je umístěn nejméně jeden termistor, například první termistor, jehož teplotmě'citlivá část je umístěna mezi osou rotační symetrie vírové komůrky a obvodem komůrky a první termistor je napojen na elektrické vyhodnocovací obvody, spojené s výstupem měřidla. Výhodné je uspořádání: podle vynálezu, u kterého je ve vírové komůrce umístěn ještě druhý termistor, jehož teplotně citlivá část leží v oblasti osy rotační symetrie vírové komůrky. Výhodné je uspořádání se dvěma termistory, při němž je první termistor napojen svými vývody na elektrický napájecí zdroj spolu v sérii β ním zapojeným prvním pracovním resistorem a druhý termistor je zapojen na elektrický napájecí zdroj spolu se sériovým druhým pracovním resistorem, přičemž k elektrickému napájecímu zdroji jsou paralelně připojeny první termistor a druhý termistor, i první pracovní resistor a druhý pracovní resistor.

Také snímač podle vynálezu je založen na měření změn elektrického odporu. Namísto choulostivého napařeného tenkého kovového filmu se však vyšetřují odporové změny v běžných, dostupných., hromadně vyráběných, levných termistorech. Ty jsou dalek» citlivěj

- 4 233 290 čí než kovový materiál a jsou mechanicky nesrovnatelně odolnější. Využívá se uspořádání s vírovou komůrkou, ve které jsou termistory umístěny, nevystupují nad povrch obtékaný tekutinou a nenarušují tedy proudění, například u snímače použitého k detekci přechodu mezně vrstvy do turbulence nebo k detekci tendence této vrstvy k odtržení jakékoliv i drobné součástky vystupující nad obtékaný povrch mohou vzhledem k nestabilitě proudění v těchto situacích vyvolat předčasný přechod nebo předčasné odtržení, jaká by nenastaly bez přítomnosti snímače nebo sondy vystupující nad povrch. U uspořádání podle vynálezu žádné takové nad povrch vystupující součástky nejsou, není zde ani nic, co by bylo překážkou pohybu nějakých součástek podél povrchu. Ve vírové komůrce jsou termistory poměrně dobře chráněny před různými nepříznivými vlivy. Přitom na rozdíl od dříve známého snímače s vírovou komůrkou a kuličkou má snímač podle vynélezu výhody plynoucí z toho, že nemá žádné mechanické pohybující se součástky. Jaou také známé snímače tečného napětí s vírovou komůrkou, u nichž indukovaný vírový pohyb v komůrce je detekován papříklad piezometrickým čidlem. Ovšem při uvažovaném provozním použití jako vstupního členu diagnostického nebo řídicího systému má takové uspořádání nevýhodu, že ke generaci elektrického signálu pre centrální obvody takového systému jsou nezbytné pneumatickoelektrické nebo obecně fluidoelektrické převodníky. Výhodou uspořádání podle vynálezu naproti tomu je, že signál z termistorů je přímo k dispozici v žádoucí elektrické formě, což znamená větší jednoduchost a z ní vyplývající větší spolehlivost a nižší cenu.

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny na popisu příkladu jeho provedení pomocí výkresu, na němž obr. 1 představuje v Částečném řezu prostorový pohled na snímač měřidla obtékání stěny tekutinou podle vynélezu a obr. 2 představuje snímač měřidla obtékání stěny tekutinou podle vynálezu, opatřený dvěma termistory, včetně elektrického propojení termistorů.

Snímač měřidla obtékání stěny tekutinou podle vynálezu má vytvořenou vírovou komůrku 2. pod povrchem 1 stěny. Vírová komůrka 2 je propojena s prostorem nad povrchem 1 stěny komunikačním

- 5 233 290 okénkem 2» umístěný· na «bradu 51 vírové keaůrky 2» která je uspořádána například jak· plechá, nízká válcové dutina a výškou nižší než průměr a je například umístěna tak, že její esa 501 retační symetrie je rovnoběžná s povrchem 1 stěny. Ve vírové komůrce 2 je umístěn nejméně jeden termistor, například první termistor 4, jehož teplotně citlivá část je umístěna mezi oseu 501 rotační symetrie vírevé keaůrky 2 · ebvedem 51 vírevé komůrky 2 v oblasti napojení prvního termistoru £ na elektrické vyhodnocovací obvody spojené s výstupem měřidla.

Ve vírevé kemůrce 2 může být umístěn druhý termistor 2» jehež teplotně citlivá část leží v oblasti esy 501 retační symetrie vírevé komůrky 2· ^Paic první termistor 4 je napojen svými vývody na elektrický napájecí zdroj spolu v sérii s ním zapojeným prvním pracovním, resistorem 6 a druhý termistor 2 J® zapojen na elektrický napájecí zdroj spolu se sériovým, druhým pracovním resistorem 2· K elektrickému napájecímu zdroji jsou paralelně připojeny první termistor 4 a druhý termistor 2» i první pracovní resistor 6 a druhý pracovní resistor 2·

Snímač je použit v měřidle tečného napětí na obtékané stěně, které je částí řídícího systému ovládajícího proudění tekutiny. Hodnota tečného napětí se například podstatně, téměř skokem zvětšuje nastévá-li v daném místě, kde je snímač umístěn, přechod de turbulence, a naopak tečné napětí klesá k nule, blíží-li se k danému místu poloha bodu odtržení. Také změna směru 10 proudění se projeví změnou výstupního signálu vzhledem k výrazné směrové citlivosti snímače. Snímač je vestavěn pod povrch 1 obtékané stěny. Jeho nej důležitější částí je vírová komůrka 2» ¹¹⁰ obrázku provedená jak· nízká, plochá dutina válcového tvaru, orientovaná tak, že její osa (retační symetrie^QlJ.ig rovné běžně s tečnou k povrchu 1 obtékané stěny v daném místě. Vírová komůrkáfje propojena s prostorem nad povrchem 1 obtékané stěny komunikačním okénkem 2, což je jednoduše výřez na obvodě vířivé komůrky 2· •li proudění směr 10 naznačený na obr. 1 šipkami, vytvoří se ve vírevé komůrce 2 indukované vírevé proudění 50: jde · retační pohyb tekutiny kolem osy 501 v rotační symetrie. Na ose 501 retač- 6 233 290 ní symetrie je evšem rychlest teheto pohybu nulové a zvětšuje se směrem k obvodu 51 vírové komůrky 2» V blízkosti obvodu 21 vírové komůrky 2 evšem rychlost tohoto indukovaného vírového proudění 50 zase klesá s tím, jak jo tekutina brzděna třením o obvodovou stěnu·

Je naznačeno uspořádání se dvěma termistory, prvním termistorem £ a druhým termisterem 2· Přitom první termistor £ je určen k vlastní detekci intensity indukovaného vírového proudění 50» Druhý termistor 2 slouží ke kompensaci různých parasitních vlivů, a tím umožňuje zvětšit citlivost snímače bez zatížení signálu chybovými složkami, jako je například změna edperu prvního termistoru vlivem změny sležení tekutiny nebe změny teploty tektutiny ve vírové komůrce 2· Samozřejmě pre jednodušší aplikace, kde třeba nejde e měření velikosti působícího tečného napětí, ale pauze e detekci přítomnosti výrazných změn způsobených odtržením proudění, by postačil termistor jediný· Termistory jsou evšem levné součástky a zvětšení ceny použitím dvou termistorů není nijak výrazné. První termistor £ je umístěn mezi osou 501 rotační symetrie vírové komůrky 2 * obvodem 51 vírové komůrky 2» tedy v místech, kde má indukované vírevé proudění 50 největší rychlost a projevuje se nejvyšším echlazevacím účinkem na první termistor £, mírně ohřívaný průchodem elektrického proudu. Vzhledem κ velké teplotní závislosti polovodičového materiálu, z něhož jsou termistory zhotoveny, může být zvýšení teploty oproti tekutině velmi nízké, půjde e tak nízkou teplotu, že nevyvolá měknutí a tím nalepování eventuálních organickýcn částie, které by se při unášení tekutinou dostaly až do blízkosti termistoru. Nepředpokládá se evšem, že by docházelo k. nějakému hromadění nečistet ve vírevé komůrce 2> nebol při rotaci tekutiny v ní působí na unášené částice odstředivé zrychlení, které má naopak tendenci vymrštit nečistoty ven komunikačním okénkem 2. Druhý termistor 2 je umístěn na ose 501 rotační symetrie indukovaného vírového proudění 50. které se přete u něj teplotními změnami neprojeví.

První termistor £ a druhý termistor 2 jsou zapojeny tak, že jaké výstupní napěíový rozdíl Uy na ©br. 2 se projeví rozdíly

- 7 233 290 způsobené změnou teploty obou termistorů. Jak je naznačeno, je v použitém zapojení první termistor £ i druhý termistor 2 jedním svým vývodem uzeaěn, druhým je připejen na napájecí napětí Ug a eice první termieter £ je připejen přes první pracevní resister

6, kdežto druhý termieter £ je tímto vývedem připejen na napájecí zdrej přes druhý pracevní resieter J.

Peklee teploty termisteru, například prvního termistoru způsebený echlazeváním rychleji proudící tekutinou, se prejeví poklesem jeho elektrického odporu. Spolu s prvním pracovním resisterem 6 ovšem první termistor £ vytváří napěťový dělič a pokles jeho odporu ovšem vede k ternu, že napětí na první výstupní sverce 46 klesne. Druhý termistor £ se ovšem nachází na eee 301 rotační symetrie a tedy v klidné tekutině, jeho edper se nezmění a tak na druhé výstupní sverce 57 bude vyšší napětí než na první výstupní sverce 46. Dostává se tak určitá velikest výstupníhe napěťového rozdílu Zl Uy.

Samotný první teraister £ by ovšem reagoval změnou svéhe elektrického odporu i na změnu teploty tekutiny, i kdyby so detekované tečné napětí na povrchu obtékané stěny 1 nezměnilo. Zde se pak uplatní paralelně připojená druhá dvojice druhého termistoru 2 a druhého pracovního resisteru 2· Ohřátím prvníhe termistoru £ a druhého termisteru 2» způsobeným zvýšením teplety tekutiny se totiž sníží napěťový potenciál první výstupní svorky £6 a druhé výstupní svorky 57 a v principu by nemělo dojít ani ke změně výstupníhe napěťového rozdílu Δ Όχ. Vzhledem k faktorům, jako je nelinearita charakteristik prvníhe termisteru 4 a druhého termisteru aice k jisté nepatrné změně dojde, ale ta je zcela zanedbatelná ve srovnání 8 odezvou samotného jediného prvníhe termisteru £.

Předpokládá se, že snímač reagující na tečné napětí na stěně způsobené při obtékání stěny tekutinou se může uplatnit jednak v aerodynamickém výzkumu, a to vzhledem k jeho sdělnosti proti dosavadním známým snímačům a» jména v průmyslovém výzkumu či při provozních měřeních, jednak nůže nalézt uplatnění jako čáet mě8 233 290 řidel průtoků procházejících potrubím, přičemž je výhodou, že vzhledem k tomu, že nevyčnívá nad obtékaný povrch, vykazuje naproste minimální tlakovou ztrátu, neporovnatelně menší než například průřezová měřidla průtoku· zejmána se však předpokládá, že bude použit v měřidlech tvořících vstupní členy mikroprocesorových řídicích a diagnostických systémů pro měření poměrů na křídlech letadel, na lopatkách turbin nebe kompresorů, v difuoořech a podobně·

Claims (3)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU 233 290

1. Snímač měřidla obtékání stěny tekutinou s vírovou komůrkou vytvořenou pod povrchem stěny a propojenou s prostorem nad povrchem stěny komunikačním okénkem uhístěnýn na obvodu vírové komůrky, která je uspořádána jako plochá, nízká válcové dutina β výškou nižší než průměr a její osa rotační symetrie je rovnoběžná s povrchem stěny, vyznačující se tím, že ve vírové komůrce /3/ je umístěn nejméně jeden termistor, například první termistor /4/, jehož teplotně citlivá část je umístěna mezi osou /501/ rotační symetrie vírové komůrky /3/ a obvedem /31/ vírové komůrky /3/ a první termister /4/ je napojen na elektrické vyhodnocovací obvody, spojené s výstupem měřidla.

2. Snímač padle bodu 1, vyznačující se tím, že ve vírové komůrce /5/ je umístěn druhý termistor /5/, jehož teplotně citlivá část leží v oblasti |(301/ýžsy) retační symetrie vírové komůrky /5/.

3· Snímač podle bodu 2, vyznačující se tím, že první termister /4/ je napojen svými vývody na elektrický napájecí zdroj spolu v sérii β ním zapojeným prvním pracovním resistorem /6/ a druhý termistor /5/ je zapojen na elektrický napájecí zdroj spolu se sériovým druhým pracovním resifctorem /7/, přičemž k elektrickému napájecímu zdroji jsou paralelně připojeny první termistor /4/ a druhý termistor /5/ i první pracovní resistor /6/ a druhý pracovní resistor /7/.