Принцип термоанемометрических измерений (CTA)

Введение

Термоанемометрия постоянной температуры (CTA) является методикой измерения, хорошо подходящей для исследования микроструктур в турбулентных потоках.

Принцип работы основан на охлаждающем эффекте потока, контактирующего с нагретым телом.
Метод CTA измеряет скорость в точке и выдает временные ряды постоянной скорости, которые могут быть преобразованы в статистические данные об амплитуде и временных интервалах. Примерами таких данных являются средняя скорость, интенсивность турбулентности, моменты высшего порядка, автокорреляции и энергетические спектры.

Теплопередача от проволоки

Конвективная теплопередача Q от проволоки является функцией скорости U, повышенной температуры проволоки Tw -T0 и физических свойств (k,r,m) текучей среды. Основное уравнение зависимости между Q и U для проволоки, помещенной перпендикулярно потоку, предложил L.V. King (в 1914 г.). В простой форме оно имеет следующий вид:

где Aw – это площадь поверхности проволоки, h – коэффициент теплопередачи, учтенные в калибровочных постоянных A и B.

Принципы CTA

Проволока  Rw соединена с одним плечом измерительного моста Уитстона и нагревается электрическим током.

Сервоусилитель поддерживает баланс моста путем регулировки тока через датчик, чтобы сопротивление и, следовательно, температура, оставались постоянными, независимо от охлаждения, вызываемого текучей средой. Напряжение моста E представляет собой теплопередачу и, следовательно, является прямой мерой скорости. Сочетание низкой тепловой инерции датчика и высокого коэффициента усиления усилителя с контуром сервоуправления обеспечивает очень быстрый отклик на флуктуации в потоке.

Анемометры

Анемометры CTA обычно имеют датчики с вольфрамовой проволокой длиной 1 мм и диаметром 5 мкм, установленной на двух иглообразных штырьках. Анемометры бывают с 1, 2 и 3 проволоками. Для потоков жидкости рекомендуется использовать пленочные анемометры с датчиками из тонкой пленки.

Амплитудно-частотная характеристика

Полоса пропускания системы fc определяется как частота, при которой амплитуда сигнала уменьшается на -3 дБ. Она увеличивается с уменьшением временной константы проволоки, при увеличении коэффициента усиления сервоконтура и скорости потока. Полоса пропускания для CTA с 5-мм проволочным анемометром составляет около 100 кГц при 30 м/с. Система оптимизирована приложением напряжения прямоугольного сигнала к верхней части моста и корректировкой коэффициента усиления сервоконтура.

Чувствительность к скорости

Связь между напряжением моста и скоростью может быть описана с помощью экспоненциальной функции или полинома:

Относительная чувствительность к скорости 1/U · dE/dU является практически постоянной в широком диапазоне скоростей. Подбор кривой, используемой для преобразования напряжений анемометров в скорости (линеаризации), осуществляется на основе калибровки с помощью потока с известными параметрами.

Чувствительность к направлению

Поскольку проволока чувствительна и к скорости потока, и к его направлению, ортогонально расположенные проволоки дают информацию об обоих этих параметрах. Скорость эффективного охлаждения для проволоки в трехмерном потоке можно выразить следующим образом:

Для 2- и 3-проволочных анемометров для нахождения компонент скорости можно решить уравнения скорости эффективного охлаждения. Коэффициенты изменения шага и угла наклона k и h определяются с помощью калибровки направления.

Чувствительность к температуре

Напряжение моста зависит как от скорости, так и от температуры. Изменение температуры на 1 K приводит к погрешности скорости примерно 2%. Напряжение можно скорректировать до линеаризации, используя отношение между повышенными температурами во время калибровки и измерения:

Преобразование и обработка данных

Сбор данных о напряжениях моста выполняется с помощью высокоскоростных плат АЦП (до 1 МГц или выше) после соответствующей низкочастотной фильтрации. Эти данные преобразуются в технические единицы измерения в три этапа:

• Коррекция температуры
• Линеаризация
• Разложение на компоненты скорости

Затем преобразованные данные обрабатываются для получения статистики потока.