Измерение скорости потока

В практике достаточно широкое распространение получили газодинамические методы измерения осредненных по времени скоростей потока, характерные тем, что по результатам измерения значений температуры потока, его полного и статического давлений рассчитывается значение скорости. Для измерения быстро изменяющихся во времени скоростей и исследования турбулентных характеристик потоков применяются термоанемометры с нагретой нитью (рис. 3.12).

Нить термоанемометра представляет собой тепловой преобразователь. Ее температура определяется соотношением между количествами теплоты, выделяющейся при прохождении электрического тока и отводящейся газом вследствие конвективной теплоотдачи. При изменении температуры нити будет изменяться ее электрическое сопротивление, являющееся выходным сигналом данного преобразователя. Поскольку коэффициент теплоотдачи зависит от скорости потока, то при постоянной силе тока температура нити будет функцией скорости, а при постоянной температуре нити такой функцией будет потребное значение силы тока (или напряжения).

Рис. 3.12. Схема первичного преобразователя термоанемометра:

1 - нить; 2 - несущие стерженьки: 3 - державка; 4 - электрические выводы

Нить выполняется из проволоки (платина, вольфрам) диаметром 5...20 мкм и имеет длину 2...10 мм. При измерениях ее температура составляет 200...600°С. Благодаря малой тепловой инерции нити (постоянная времени порядка 0,6 мс) термоанемометром можно измерять турбулентные пульсации скорости. Поскольку нить термометра в соответствии с законами теплопередачи воспринимает в основном составляющие пульсаций скорости, лежащие в перпендикулярной нити плоскости, то устанавливая в потоке нить под разными углами или применяя первичные преобразователи с несколькими нитями, можно с использованием электронной аппаратуры измерять средние квадратические значения пульсаций скорости по координатам, осредненные значения произведений пульсационных скоростей, пространственные и временные корреляции и др. Измерения достаточно надежны, если среднее квадратическое значение пульсаций скорости не превышает 0,3 от средней скорости. Однако и в этом случае необходимо применение линеаризаторов для компенсации нелинейности градуировочной характеристики нити.

Для измерения скоростей и характеристик турбулентности потоков применяются также оптические методы, базирующиеся на использовании лазеров - лазерные доплеровские измерительные системы.

В схеме с опорным пучком (гетеродинная схема) луч света от лазера 1 (рис. 3.13) проходит через поток, в который специально вводятся частицы диаметром 1...2 мкм, способные рассеивать свет (например, окись алюминия), а свет, рассеянный частицами, воспринимается фотоприемником 2, расположенным под некоторым углом к исходному лучу. В соответствии с эффектом Доплера воспринимаемое детектором излучение будет иметь частоту n, измененную по отношению к исходной n₀ на величину, пропорциональную проекции вектора скорости рассеивающей частицы с на вектор К_с, равный разности волновых векторов[1] рассеянной К_р и падающей К_п волн: n= n₀(1±cos jс/С₀), где С₀ - скорость света. Так как сдвиг частот чрезвычайно мал, то для его измерения рассеянный свет «смешивается» с опорным лучом, который получается путем расщепления исходного луча на полупрозрачном зеркале 3. Системой зеркал и линз опорный луч направляется на вход в фотоприемник. При смешении двух лучей различной частоты происходит их интерференция. Сигнал фотоприемника будет содержать частоту биений, равную частоте доплеровского сдвига и пропорциональную скорости потока.

В дифференциальной (интерференционной) схеме в точку измерений направляются два лазерных пучка, полученных путем расщепления исходного пучка, которые образуют в области потока при «смешении» интерференционную картину с периодическим пространственным распределением интенсивности освещения (измерительный объем около 1 мм³). Излучение, рассеянное частицей, движущейся в этом поле, также будет иметь переменную интенсивность, частота которой пропорциональна скорости движения частицы.

Рис. 3.13. Схемы ЛДИС:

а - с опорным пучком; б - дифференциальная: 1 - лазер; 2 -фотоприемник; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - расщепляющая призма

В системах измерения, как правило, используются газовые лазеры непрерывного действия (аргоновые, гелий-неоновые, углекислотные и др.). Преимущества оптических методов состоят в том, что отпадает необходимость введения в поток зонда, а также в том, что эти методы не требуют градуировки и позволяют измерять компоненту скорости в некотором строго выделенном направлении. Измерения возможны в потоках с очень высоким уровнем турбулентности в широком диапазоне изменения скоростей. Нет принципиальных ограничений для использования данного метода при одновременном измерении всех трех компонент скорости.