CC BY
15
ления коэффициента конечных эффектов. Установлено, что высшую точность обеспечивает зависимость, в которую не входит диаметр проходного канала капилляра. Оценено влияние погрешности определения коэффициента на погрешность определения дозированного капилляром расхода газа.
Ключевые слова: капилляр, коэффициент концевых эффектов, расход газа.
Dilay I.V. The coefficient of end effects of capillary flow characteristics investigation
The dependences for coefficient of end effects of capillary flow characteristics determination based on parameters gas flow experimental research in throttle pass channel are obtained. The constituent dependences errors for coefficient of end effects determination are analyzed and coefficients of constituents influence are obtained. The valuation of limiting error for coefficient of end effects determination is fulfilled. Determined, that higher accuracy ensures dependence, which not include throttle pass channel diameter. The coefficient error influence on error of gas flow dosed by capillary determination is evaluated.
Keywords: the capillary, coefficient of end effects, gas flow.
УДК 658.1+536.5 Доц. В.О. Фединець, д-р техн. наук;
студ. О.В. Фединець - НУ "Львiвська полiтехнiка "
ТЕХН1КО-ЕКОНОМ1ЧНЕ ПОР1ВНЯННЯ МЕТОД1В ВИМ1РЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ГАЗОВИХ ПОТОК1В
Проведено аналiз традицшних та нових метсдав вимiрювання температури газо-вих потоюв. Наведено 1х переваги i недолжи та можливють застосування залежно вщ технолопчних особливостей об'екта дослщження. Технiко-економiчне ж^вняння ме-тодiв вимiрювання дало змогу вибрати оптимальний метод як за техшчними, так i за економiчними показниками.
Ключовг слова: температура, газовий потж, дослщження, термоперетворювач, технiко-економiчне порiвняння.
Вступ. Точнють вим1рювання температури газових потоюв залежить вщ вибраного методу вим1рювання, вщ метролопчних характеристик засоб1в вимь рювання, вщ умов 1 мюця вим1рювання, способу встановлення первинного тер-моперетворювача (ТП) та багатьох шших фактор1в. Виб1р методу вим1рювання для цього конкретного об'екта й умов його експлуатацп становить складну проблему, осюльки необхщно знайти оптимальний розв'язок, враховуючи вели-ку юльюсть чинниюв, як часто можуть бути суперечливими.
Ми провели анал1з метод1в вим1рювання температури газових потоюв та 1х техшко-економ1чне пор1вняння з метою використання для неперервного ви-м1рювання температури газових потоюв.
Аналiз методiв вимпрювашш. Сьогодш найбшьше поширення отрима-ли електричш контактш методи вим1рювання температури газових потоюв за допомогою термоперетворювач1в опору 1 термоелектричних перетворювач1в [1]. У вггчизнянш 1 заруб1жнш лггератур1 в останш роки з'явилися роботи, в яких дослщжено 1 розроблено нов1 методи вим1рювання температури газових потоюв.
Розроблено акустичш ТП, принцип ди яких побудовано на вим1рюванш швидкосп поширення акустичних хвиль у газь Швидюсть звуку в газовому по-тощ залежить вщ його стискуваносп 1 при вщомому х1м1чному склад1 е пропор-
цiйною кореню квадратному з абсолютно! температури. Ультразвуковi ТП е перспективними в високотемпературнш термометри i успiшно починають роз-роблятися як в Укра!т, так i за кордоном [2, 3].
Метод дае усереднене значення температури, що може бути неприйня-тим за наявносп iстотних перепадiв температури в дослщжуваному об'ектi. Спроби використання методу для вимiрювання температури полум'я показали, що внаслщок досить великих перепадiв густини дослiджуваного потоку значно втрачаеться потужтсть акустичного сигналу. В [4] описана рiзновиднiсть акус-тичного методу, зпдно з яким розподш температури в площинi вимiрювання видаеться двомiрним рядом Фур'е. Час, за який акустичний iмпульс пересiкае цю площину вимiрювання, може бути представлений лшшною функцiею коефь цiентiв Фур'е i координат точок розмiщення передавача i приймача акустичного iмпульсу. При цьому можна скласти систему лтшних рiвнянь i розрахувати вiдповiднi коефщенти Фур'е, що вiдображають проведенi вимiрювання i вщпо-вiднi !м траекторп акустичного сигналу. Показано, що цим способом можна досить точно визначити усереднену в просторi температуру, а температури в рiз-них точках площини вимiрювання (розподiл температур) можуть бути визначе-нi як середт значення на невеликих зонах у межах площини вимiрювання. Точ-нiсть i просторова роздiльна здаттсть залежить вiд числа проведених вимiрю-вань i вiд дисперсп розподшу температури.
Пiд час практично! реалiзацil акустичного методу виникають похибки, пов'язаш iз змiною хiмiчного складу потоку, густини, питомо! теплоемносп то-що. Крiм цього, виникають i специфiчнi джерела похибок - згин траекторп сигналу, похибка вимiрювань iнтервалiв часу, наявнiсть iмпульсiв, що рухаються з рiзною швидкiстю. Похибка за рахунок згину траекторп сигналу е систематичною i може бути врахована розрахунковим шляхом. Крiм цього, тд час використання методу необхщно, щоб був доступ до точок, що лежать на периметрi зони вимiрювання.
Але так! переваги методу як ширший вибiр матерiалiв для чутливих еле-ментiв, включаючи керамiчнi композицп, можливiсть безпосереднього контакту з вимiрюваним потоком, iнварiантнiсть до градiента температур вздовж тдвщ-них лшш, роблять обгрунтованими дослiдження акустичних термоперетворю-вачiв з метою використання для вимiрювання температури газових потоюв га-зотурбiнних двигунiв у широкому дiапазонi змiни швидкостей i тисюв.
Для вимiрювання температури плазми запропоновано магшто-пдроди-намiчний метод (МГД - метод) [5]. Суть методу полягае в тому, що тд час про-пускання iонiзованого газу через зовшшне магнiтне поле виникае електрору-шiйна сила (ЕРС) Е , значення i напрямок яко! визначаються векторним добут-ком швидкостi газового потоку V i магнiтноl шдукцп В:
Е =[V -Б ]. (1)
Залежнiсть (1) показуе, що тд час руху газового потоку перпендикулярно до напрямку тдукцп зовнiшнього магнiтного поля (V ±Б) ЕРС, що виникае, напрямлена перпендикулярно як до V, так i до Б. Отже, можна утворити елек-
тричне коло з допомогою пари електродiв, поверхш яких повинш бути пара-лельними до напрямку руху потоку i лiнiй магнiтного поля. Наведена ЕРС Е визначаеться рiвнянням:
Е ^ Б - а, (2)
де а - вщстань мiж електродами. Внаслiдок взаемоди зовнiшнього магштного i наведеного електричного полiв значно зростае отр плазми К мiж електродами, який визначаеться залежнiстю
(3)
А -а
де: А - площа поверхш електродiв, м2 (А > а2); а - питома провщнють плазми в схрещених електричному i магнiтних полях, См/м. Ошр плазми К е функщею температури плазми К=/(Г) i, вимiрюючи його при певному постiйному тиску, можна визначити температуру газового потоку. У перюдичнш лiтературi роз-глядаються питання щодо використання оптичних вимiрювань для температурного контролю газових потоюв. Будучи безконтактними, вони мають ту перевагу, що не втручаються в межi зони вимiрювання.
Вщома розроблення способу вимiрювання температури газових потоюв з допомогою лазерних промешв, яю забезпечують високу роздшьну здатнiсть як у часi, так i в просторi (голографiчний споиб, спосiб комбiнацiйного розсь ювання) [6]. 1нтенсившсть комбiнацiйного розсiювання дуже мала i тому необ-хiдна висока потужнють джерела лазерного випромiнення. Бшьш потужнi сиг-нали дае когерентне антистокшвське комбiнацiйне розсiювання. Цей метод пот-ребуе скерування в об'ем газового потоку промешв двох лазерiв. При цьому вiд-буваеться рамашвське змiщення частот. Потiк комбiнацiйного розшювання ви-дiляеться ультравузькосмуговими фiльтрами. Система потребуе ретельного на-лагоджування, яке дуже легко може порушуватися внаслщок виникнення тур-булентностi в газовому потощ, а також за наявносп в ньому градiента густини. Описаш методи використовуються переважно в лабораторних умовах. Спроби використати щ прилади в промислових умовах устху не мали.
Вiдомi методи пов'язанi з вимiрюванням густини газового потоку. Ос-кiльки густина одноатомних газiв обернено пропорцшна абсолютнiй темпера-турi, а для багатоатомних газiв таку залежшсть спостерiгаемо до точки дисоцi-аци, то за змiнами густини можна опосередковано визначати температуру потоку. Для вимiрювання густини газiв запропоновано методи поглинання рентге-нiвського випромшення, електронних потокiв i а-частинок. Описана лазерна система [7], в якш промшь лазера розщеплений i "розтягнутий" з утворенням системи смуг, вщстанню до кiлькох метрiв. Змiна густини в цш зонi призводить до рефракцп i спотворення смуг, за якими можна визначити температуру. Метод використовували тшьки в лабораторних умовах. Для створення фокусова-них смугових систем можна використати оптововолоконну техшку, але при цьому необхщно вводити оптику безпосередньо в дослщжуваний газовий потiк, що може негативно позначитися на його витжанш.
Необхщно звернути увагу на емнiснi та шдуктивш методи вимiрювання [8]. Принцип дп емнiсних термоперетворювачiв побудовано на залежносп влас-
тивостей дiелектрика, що роздiлюe обкладки конденсатора (газового потоку), вщ температури. Вимiрювання температури з допомогою iндуктивних термопе-ретворювачiв засновано на залежностi магнiтних властивостей вщ температури.
Вiдомi також методи вимiрювання, заснованi на поглинаннi газовим потоком пучка 5-частин, використанш електронно-променевих флуоресцентних зондiв, термошумовий метод та iншi [9].
Техн1ко-економ1чне пор1вняння метод1в вим1рювання. Пiд час техш-ко-економiчного порiвняння зiставлялися тiльки допустимi за технiчними вимо-гами варiанти, тобто такi, в яких споживач отримуе продукт задано! якостi при заданих основних техшчних характеристиках i показниках надiйностi [10]. Ос-новними чинниками, як враховували пiд час технiко-економiчного порiвняння методiв вимiрювання температури газових потоюв, е: неперервнiсть вим!рю-вання, допустима похибка вимiрювання температури вибраним способом; тер-мiчна шерщя ТП; хiмiчний склад i швидюсть газового потоку, температуру яко-го необхщно вимiрювати; ступiнь взаемодп газового потоку i матерiалiв конструкцп, зануреного в нього ТП; взаемодiя матерiалiв самого ТП; його на-дшшсть.
Важливою вимогою, яку треба враховувати, е наявшсть необхiдних конструкцiйних матерiалiв, технологiчного обладнання та висока технолопч-нiсть пiд час !х сершного виробництва на приладобудiвному пiдприемствi, зручшсть при монтажi на технологiчному обладнанш, простота в експлуатацп i профшактищ, а також висока метрологiчна надшшсть.
На приладобудiвних пiдприемствах уже е вщпрацьована технологiя ви-готовлення ТП на основi термоперетворювачiв опору i термоелектричних пе-ретворювачiв, е в наявносп необхiднi конструкцiйнi матерiали та кадровий по-тенцiал. Цi чинники дають змогу забезпечити певний рiвень рентабельностi тд-приемства. Застосування ж нових методiв вимiрювання для розроблення ТП пов'язане iз необхiднiстю проведення науково-дослщних та дослщно-конструк-торських робгг, що пов'язано iз необхiднiстю залучення додаткового фшансу-вання. Крiм цього, необхщно розробляти новi технологи !х виготовлення, на по-чаткових етапах таю ТП будуть виготовлятися в одиничних екземплярах, що значно шдвищить !х собiвартiсть, для них також необхщно розробляти метро-логiчне забезпечення.
Термоперетворювачi повиннi витримувати також i термоциклiчнi режи-ми роботи за умови збереження необхщно! стабiльностi метролопчних характеристик i мехашчно! мщносп за задану кiлькiсть циклiв на^вання i охолоджен-ня, що е дуже важливим для змiнних i особливо для короткотривалих теплових процеив. Аналiз нових методiв вимiрювання показуе, що тшьки деякi з них мо-жуть забезпечити такi вимiрювання з необхiдною точнiстю.
Висновки. Результати технiко-економiчного порiвняння показують, що сьогодш для вимiрювання температури газових потоюв доцшьно застосовувати ТП на основi термоперетворювачiв опору i термоелектричних перетворювачiв, якi мають так! переваги: конструктивну простоту; дешевизну (порiвняно з ш-шими методами); високу надiйнiсть; можливють значного пiдвищення локально! роздшьно! здатностi при зменшеннi дiаметра ТП; можливють локального
вимiрювання температури. KpiM цього, вони в принцип дають змогу проводити неперервш вимiрювання, що важливо пiд час використання ТП у системах автоматичного вимiрювання, контролю та регулювання. Новi методи вимiрюван-ня ще не отримали достатньо широкого розповсюдження через високу вартiсть обладнання i складшсть вимiрювань пiд час практично! реатзацп. Бiльшiсть i3 цих методiв перебувають тiльки на стадi! науково-дослiдних розробок i тiльки пiсля бiльш глибоких дослщжень можуть бути використанi для вимiрювання температури газових потокiв.
Л1тература
1. Луцик Я.Т. Вим1рювання температури: теор1я та практика / Я.Т. Луцик, О.П. Гук, О.1. Лах, Б.1. Стадник. - Льв1в : Вид-во "'Бескид Бгг'', 2006. - 560 с.
2. Луцык Я.Т. Ультразвук в контрольно-измерительной технике и приборах / Я.Т. Луцык // Датчики и методы повышения их точности. - К. : Вид-во "Вища шк.", 1989. - С. 165-215.
3. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения / Алексей Евгеньевич Колесников. - М. : Изд-во "Стандартов", 1982. - 248 с.
4. Green, S.F. Acoustic temperature and velocity measurement in combustion gases / S.F. Green // 8th International Heat Transfer Conference. - San Francisco, 1986. - Pp. 17-22.
5. Луцик Я.Т. Енциклопед1я термометрп / Я.Т. Луцик, Л.К. Буняк, Ю.К. Рудавський, Б.1. Стадник. - Львiв : Вид-во НУ "Львiвська полггехнжа". - 2003. - 428 с.
6. Dils R. High temperature optical fibre pуrometry / R. Dils // Journal of Applied Physics. -1983. - Vol. 54. - Pp. 1198.
7. Green S.F. Temperatures in flames and gases / S.F. Green // Meas. & Contr. - 1997. - Vol. 20, № 6. - Pp. 19-22.
8. Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин : пер. с нем. / Р. Тиль, И.П. Кужекина. - М. : Энергоатомиздат, 1987. - 192 с.
9. Venkatramani N. Simplifield of high-stream temperature using dynamic thermocouples / N. Venkatramani, Р. Satyamyrny, N.S. Dixit // Inter. J. of Heat and Mass Transfer. - 1983. - Vol. 26, № 5. - Pp. 663-669.
10. Гейк П. Вчись анашзувати ринок : пер. з англ. / П. Гейк, П. Джексон. - Львiв : Вид-во "Сейбр-Свггло", 1995. - 270 с.
Фединец В.А., Фединец А.В. Технико-экономическое сравнение методов измерения температуры газовых потоков
Проведен анализ традиционных и новых методов измерения температуры газовых потоков. Приведены их преимущества и недостатки и возможность использования в зависимости от технологических особенностей объекта исследования. Технико-экономическое сравнение методов измерения позволило выбрать оптимальный метод как по техническим, так и по экономическим показателям.
Ключевые слова: температура, газовый поток, исследования, термопреобразователь, технико-экономическое сравнение.
Fedynets V.O., Fedynets O.V. The technical and economic comparison оf methods of measuring of temperature of gas streams
The analysis of traditional and new methods of measuring of temperature of gas streams is conducted. Their advantages, disadvantages and possibility of application are brought depending on the technological features of research object. The technical and economic comparison of measuring methods enabled to choose an optimal method both on technical and economic indexes. The analysis of methods of measuring of temperature of gas streams is conducted and their technical and economic comparison with the purpose of the use for the continuous measuring.
Keywords: temperature, gas stream, materials, researches, receivers of temperature, technical and economic comparison.
