RU2390783C1

RU2390783C1 - Zemlyakov's method of measuring gas flow rate

Info

Publication number: RU2390783C1
Application number: RU2008144442/28A
Authority: RU
Inventors: Николай Васильевич Земляков (RU); Николай Васильевич Земляков
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-05-27

Abstract

FIELD: instrument making. ^ SUBSTANCE: thermocouple with thermojunction 2 and two conductors is placed into gas flow. Stabilised current to heat said thermojunction is fed via wire element representing nichrome coils 3 which embraces said thermojunction or at least one of said conductors 8. Thermocouple e.m.f is measured, proportional to cooling gas flow rate. Generated e.m.f., amplified and transformed into electric signal, is sent to multimetre data display in units of gas flow rate. Proposed method is implemented using simple and cheap transducer, a probe, with diametre reduced to needle sizes. ^ EFFECT: gas flow rate measurement in wide range. ^ 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике приборостроения и может быть использовано в научно-исследовательских лабораториях, в учебных лабораториях, в промышленном производстве, в вентиляционной службе, в коммунальном хозяйстве. Преимущественно, изобретение может найти применение для измерения скорости напорных газовых потоков, но может использоваться и для измерения безнапорных газовых потоков.The invention relates to techniques for instrumentation and can be used in research laboratories, in educational laboratories, in industrial production, in the ventilation service, in public utilities. Advantageously, the invention can find application for measuring the velocity of pressure gas flows, but can also be used for measuring pressureless gas flows.

Известен способ измерения скорости газового потока с помощью насадка Пито-Прандтля [I], который представляет собой изогнутую под углом 90° трубку. В изогнутом конце, имеющем длину от 8 до 20 значений размера ее диаметра, в его торце имеется отверстие для приема полного давления потока, а на длине трех диаметров от торцевого отверстия имеются отверстия в боковой стенке изогнутого конца, предназначенные для приема статического давления потока. Канал от отверстия и канал от боковых отверстий выведены в два отдельных, независимых патрубка, соединенных с дифференциальным манометром.A known method of measuring the velocity of a gas stream using a Pitot-Prandtl nozzle [I], which is a tube bent at an angle of 90 °. At the curved end, having a length of 8 to 20 times the size of its diameter, at its end there is an opening for receiving the full flow pressure, and on the length of three diameters from the end opening there are openings in the side wall of the curved end, designed to receive the static pressure of the flow. The channel from the hole and the channel from the side holes are brought into two separate, independent pipes connected to a differential pressure gauge.

Недостатком известного способа является то, что датчик в виде насадка Пито-Прандтля является жесткой конструкцией, имеющей значительные размеры как по его диаметру, так и по длине насадка. Таким датчиком невозможно измерить скорость потока газа в участке короткой трубы, имеющей длину меньше длины изогнутого конца насадка Пито-Прандтля. Кроме того, таким датчиком невозможно измерить скорость потока газа, вращающегося в пристенной области цилиндрической камеры с вертикальной осью симметрии, если ее радиус соизмерим с изогнутым концом насадка Пито-Прандтля.The disadvantage of this method is that the sensor in the form of a Pitot-Prandtl nozzle is a rigid structure having significant dimensions both in its diameter and in the length of the nozzle. With such a sensor, it is impossible to measure the gas flow rate in a section of a short pipe having a length less than the length of the curved end of the Pitot-Prandtl nozzle. In addition, with such a sensor it is impossible to measure the flow rate of a gas rotating in the wall region of a cylindrical chamber with a vertical axis of symmetry if its radius is commensurate with the curved end of the Pitot-Prandtl nozzle.

Известен способ измерения скорости потока газа с помощью термоанемометра [2], принятый в качестве прототипа. Датчик по данному способу выполнен из очень тонкой вольфрамовой или платиновой проволоки диаметром от 2,5 до 12 микрон. Такая проволока, закрепленная на вилкообразных контактах, вводится в поток газа, при этом по проволоке подают постоянное электрическое напряжение с определенной величиной постоянного тока, проволока при этом нагревается и ее сопротивление изменяется, а так как она включена в мостовую электрическую схему, то изменение сопротивления датчика ведет к изменению напряжения на вольтметре, шкала которого проградуирована в единицах скорости потока газа.A known method of measuring the gas flow rate using a hot-wire anemometer [2], adopted as a prototype. The sensor according to this method is made of a very thin tungsten or platinum wire with a diameter of 2.5 to 12 microns. Such a wire, mounted on fork-shaped contacts, is introduced into the gas stream, while a constant voltage is applied to the wire with a certain constant current, the wire heats up and its resistance changes, and since it is included in the bridge electrical circuit, the sensor resistance changes leads to a change in voltage on the voltmeter, the scale of which is calibrated in units of gas flow rate.

Недостатком известного способа является то, что сам датчик является дорогостоящим и сложным в изготовлении устройством. Датчик (вольфрамовая или платиновая проволока - нить) подвержен разрушению при попадании на него в потоке твердой частицы или перегоранию от всплеска величины напряжения. Кроме того, оформление такого датчика в измерительный инструмент представляет собой стержень с минимальным диаметром 12 мм, а такая большая его толщина, введенная в напорный поток, даже в трубе уже своими габаритами изменяет гидродинамическую структуру полей скоростей по сечению трубы, не говоря уже о том, чтобы такой датчик ввести в рабочую камеру с внутренним диаметром 100 мм аппарата со встречными закрученными потоками, в которой обеспечивается создание взвешенного закрученного слоя сушимого либо гранулируемого продукта.The disadvantage of this method is that the sensor itself is an expensive and difficult to manufacture device. The sensor (tungsten or platinum wire - thread) is subject to destruction when a solid particle enters it in the stream or burns out due to a surge in voltage. In addition, the design of such a sensor in a measuring tool is a rod with a minimum diameter of 12 mm, and such a large thickness, introduced into the pressure flow, even in the pipe already changes the hydrodynamic structure of the velocity fields along the pipe section, not to mention so that such a sensor is introduced into the working chamber with an inner diameter of 100 mm of the apparatus with oncoming swirling flows, in which the creation of a suspended swirling layer of a dried or granulated product is ensured.

Известен также промышленный способ измерения скорости потока газа с помощью нагреваемого зонда («струны») [3]. Принцип действия такого способа аналогичен [2].Also known is an industrial method for measuring the gas flow rate using a heated probe ("string") [3]. The principle of operation of this method is similar [2].

Недостатком такого зонда является ограниченный диапазон измерения скорости от 0,1 до 10 м/с. Диаметр зонда от 12 мм и более.The disadvantage of this probe is the limited speed measurement range from 0.1 to 10 m / s. The diameter of the probe is from 12 mm or more.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в снижении диаметра датчика до игольчатого размера, в расширении диапазона измеряемой скорости потока, в снижении стоимости измерительного датчика и прибора в целом.The problem to which the invention is directed is to reduce the diameter of the sensor to a needle-shaped size, to expand the range of the measured flow rate, to reduce the cost of the measuring sensor and the device as a whole.

Это достигается тем, что способ измерения величины скорости газового потока, заключающийся в том, что в газовый поток вводят термопару со сплавной точечной головкой и двумя проводниками, снабженную проволчным элементом, подают по проволочному элементу стабилизированный ток для нагрева сплавной точечной головки термопары, снимают генерируемую ею ЭДС, пропорциональную скорости газового охлаждающего потока, которую подают в виде электирческого сигнала на усилитель, при этом ток нагрева подают по проволочному элементу в виде витка из нихрома, которым обматывают сплавную точечную головку или по крайней мере один из двух проводников термопары, а генерируемую ЭДС, после усиления, подают в виде электрического сигнала на табло (шкалу) отображения информации мультиметра, преобразованную в единицах скорости.This is achieved by the fact that the method of measuring the velocity of the gas stream, which consists in introducing a thermocouple with an alloy point head and two conductors equipped with a wire element into the gas stream, feeds a stabilized current through the wire element to heat the alloy point head of the thermocouple, and removes the generated by it EMF proportional to the speed of the gas cooling stream, which is supplied as an electrical signal to the amplifier, while the heating current is supplied through the wire element in the form of a coil of them ohm which is wrapped floatable dot head or at least one of the two conductors of the thermocouple, and the generated emf, after amplification, is fed as an electric signal the score (scale) display multimeter converted into velocity units.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен первый элемент - виток проволоки и второй элемент - сплавная головка термопары, на которой размещен виток проволоки. На фиг.2 изображен второй возможный вариант размещения первого элемента относительно второго элемента - виток проволоки обмотан вокруг одного проводника термопары. На фиг.3 изображен третий возможный вариант размещения первого элемента относительно второго элемента - виток проволоки обмотан вокруг двух проводников термопары. На фиг.4 изображена технологическая схема измерения скорости газового потока по новому способу, с помощью термопары и проволочного витка, размещенных в датчике, вблизи друг от друга.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the first element is a coil of wire and the second element is the alloy head of the thermocouple, on which the coil of wire is placed. Figure 2 shows the second possible variant of the placement of the first element relative to the second element - a coil of wire is wound around one conductor of the thermocouple. Figure 3 shows the third possible variant of the placement of the first element relative to the second element - a coil of wire is wound around two conductors of the thermocouple. Figure 4 shows the technological scheme for measuring the gas flow velocity according to the new method, using a thermocouple and a wire coil, placed in the sensor, close to each other.

Способ измерения величины скорости газового потока осуществляется следующим образом.The method of measuring the magnitude of the gas flow rate is as follows.

Берут мультиметр 1, снабженный функцией измерения температуры с помощью термопары, сплавная головка 2 которой (элемент 2) имеет диаметр порядка 1,0 мм, обматывают сплавную головку 2 термопары одним витком, например нихромовой проволоки 3 (элемент 1), имеющей диаметр 0,1 мм. Такой датчик 4 (с четырьмя проволочными выводами) вводят, например, во внутреннюю цилиндрическую полость 5 аппарата со встречными закрученными потоками, в которую по тангенциальному патрубку 6 вводят воздушный поток 7. Головка такого нового датчика 4 имеет размер менее 2-х мм, что обеспечивает измерение скорости потока 7 без существенного нарушения структуры его полей скоростей. Два вывода 8 от датчика 4 подключают к мультиметру 9, а два вывода 10 от нихромовой проволоки 3 подключают к стабилизированному источнику напряжения 11. На проволоку 3 подают стабилизированное напряжение от источника 11 и поднимают температуру на головке 2, например, до 300°С, при этом стрелка 12 прибора 9 откланяется на определенное деление на шкале 13 (в приборах с цифровым табло отображения информации, перепрограммируют такое табло на показания значений скорости газового потока в цифровой форме). Введенный поток 7 с определенной скоростью охлаждает головку датчика 4, и стрелка 12 прибора 9 откланяется влево (происходит понижение температуры датчика 4) на определенное деление на шкале 13, которое соответствует этой скорости газового потока. Для измерения малых величин скорости газового потока до 10 м/с на первый элемент 3 (проволочный виток) подают малое значение стабилизированного напряжения, обеспечивающего подъем температуры вблизи сплавной головки термопары от 40 до 60°С, а при измерении больших скоростей газового потока до 50 м/с, на первый элемент 3 (проволочный виток) подают большее значение стабилизированного напряжения, обеспечивающего подъем температуры вблизи сплавной головки термопары до 600°С. Чувствительность датчика 4 зависит от инертности охлаждения проволочного витка 3 (первого элемента), то есть от толщины проволоки 3 первого элемента (витка).Take a multimeter 1, equipped with a temperature measuring function using a thermocouple, the alloy head 2 of which (element 2) has a diameter of about 1.0 mm, wrap the alloy head 2 of the thermocouple in one turn, for example, nichrome wire 3 (element 1), having a diameter of 0.1 mm Such a sensor 4 (with four wire leads) is introduced, for example, into the internal cylindrical cavity 5 of the apparatus with counter-swirling flows, into which air flow 7 is introduced through the tangential pipe 6. The head of such a new sensor 4 has a size of less than 2 mm, which ensures measurement of flow rate 7 without significant violation of the structure of its velocity fields. Two leads 8 from the sensor 4 are connected to the multimeter 9, and two leads 10 from the nichrome wire 3 are connected to a stabilized voltage source 11. A stabilized voltage from the source 11 is supplied to the wire 3 and the temperature on the head 2 is raised, for example, to 300 ° C, In this case, the arrow 12 of the device 9 bends to a certain division on the scale 13 (in devices with a digital display panel information is reprogrammed such a display on the values of the gas flow velocity in digital form). The introduced stream 7 cools the head of the sensor 4 with a certain speed, and the arrow 12 of the device 9 bends to the left (the temperature of the sensor 4 decreases) by a certain division on the scale 13, which corresponds to this gas flow velocity. To measure small values of the gas flow velocity up to 10 m / s, the first element 3 (wire coil) is supplied with a small value of the stabilized voltage, providing a temperature rise near the alloy head of the thermocouple from 40 to 60 ° C, and when measuring high gas flow velocities up to 50 m / s, the first element 3 (wire coil) serves a greater value of the stabilized voltage, providing a temperature rise near the alloy head of the thermocouple to 600 ° C. The sensitivity of the sensor 4 depends on the inertia of the cooling of the wire coil 3 (first element), that is, on the thickness of the wire 3 of the first element (coil).

Полезность изобретения заключается в том, что такой способ (технология) измерения скорости газового потока, реализованный в приборное, оформление значительно дешевле способа прототипа. Измерительный датчик (зонд) по заявляемому способу может в десятки раз меньший диаметр, чем у прототипа. Способ позволяет измерять скорость газового потока в более широком диапазоне, чем у способа прототипа.The usefulness of the invention lies in the fact that such a method (technology) for measuring the gas flow rate, implemented in the instrument, the design is much cheaper than the prototype method. The measuring sensor (probe) according to the claimed method can be tens of times smaller in diameter than that of the prototype. The method allows to measure the speed of the gas stream in a wider range than that of the prototype method.

Источники информацииInformation sources

1. Н.Ф. Краснов. Прикладная аэродинамика. Под ред. Краснова Н.Ф. Учебн. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1974 (с.70).1. N.F. Krasnov. Applied aerodynamics. Ed. Krasnova N.F. Training allowance for technical colleges. M.: Higher School, 1974 (p. 70).

2. Н.Ф. Краснов. Прикладная аэродинамика. Под ред. Краснова Н.Ф. Учебн. пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1974 (с.71).2. N.F. Krasnov. Applied aerodynamics. Ed. Krasnova N.F. Training allowance for technical colleges. M.: Higher School, 1974 (p. 71).

3. http://www.energotest.ru/tam.html.3. http://www.energotest.ru/tam.html.

Claims

A method of measuring the gas flow velocity, which consists in introducing a thermocouple with an alloy point head and two conductors equipped with a wire element into the gas stream, stabilized current is supplied through the wire element to heat the alloy point head of the thermocouple, and the emf generated by it is proportional to the gas velocity cooling stream, which is supplied in the form of an electrical signal to an amplifier, characterized in that the heating current is supplied through a wire element in the form of a nichrome coil, which They are wrapped around an alloy point head or at least one of two thermocouple conductors, and the generated EMF after amplification is fed as an electrical signal to a display panel (scale) displaying multimeter information converted in units of speed.