Аналітична модель вимірювача термоанемометричного типу кінематичних параметрів двофазного пульсуючого потоку

Abstract

Наведено структурну і функціональну схеми сенсора термоанемометричного типу для вимірювання одно- і двофазних (рідина + газ) середовищ за пульсуючого характеру потоку. На основі рівняння теплового балансу отримано рівняння для моделювання температури сприймальних елементів сенсора залежно від споживаної потужності, характеристик матеріалу елементів сенсора, їх маси і конструкційних розмірів, теплотехнічних характеристик і кінематичних параметрів вимірювального середовища. Розглянуто процес поширення теплового потоку із внутрішнім джерелом теплоти від сприймального елемента сенсора із радіусом поперечного перерізу rЕ, описаний дифенціальним рівнянням інтенсивності поширення температури з урахуванням теплопровідності вимірювального середовища і матеріалу сприймального елемента сенсора. Моделювання температури сприймальних елементів сенсора і розподілу температурного поля у вимірювальному середовищі виконано з урахуванням коефіцієнта тепловіддачі елементів сенсора і коефіцієнта теплопровідності середовища. Інтенсивність потоку вимірювального середовища приймали від 16,7 до 58,3 г/с, залежно від діаметра корпусу сенсора розраховували середню швидкість потоку. Коефіцієнт тепловіддачі α був у межах від 60000 до 130000 Вт/(м2·°С) за діапазону швидкостей вимірювального середовища від 2,125 до 4,0 м/с і внутрішніх діаметрів корпусу сенсора 12, 14 і 16 мм. Наведено результати моделювання зміни температури на межі температурного поля і її віддаль від елементів залежно від швидкості потоку вимірювального середовища. Вимірювальним середовищем було молоко зі швидкістю потоку у межах 2,125–4,0 м/с, внутрішній діаметр корпусу сенсора 14 мм і потужність живлення 15 Вт. Температура на межі температурного поля сприймальних елементів сенсора коливалася у межах від 29,97 град. до 28,38 град, за зміни віддалі межі від холоднішого сприймального елемента сенсора у межах 5,02–6,29 мм. Температура на межі температурних полів і віддаль межі поля від сприймальних елементів сенсора є змінною залежно від інтенсивності потоку (швидкості) вимірювального середовища і його характеристик, віддалі між елементами, потужності живлення елементів сенсора. Обґрунтована віддаль між сприймальними елементами термоанемометричного сенсора становить 10 мм.

The structural and functional diagrams of the thermoanemometric type sensor for measuring the mono- and biphasic (liquid + gas) medium by the pulsating nature of the flow are presented. The temperature distribution in the sensor environment is considered and the sensing elements are not in contact with the inner surface of the sensor body. On the basis of the heat balance equation, the equations were obtained to simulate the temperature of the sensing elements of the sensor, depending on the power consumption, the characteristics of material of the sensor elements, their mass and design dimensions, the thermal and technical characteristics and the kinematic parameters of the measuring environment. The results of temperature modeling of the sensing elements for measuring the flow of milk and water are presented. The process of heat flux propagation with an internal heat source from the sensing element of the sensor with a cross-sectional radius is considered, described by the differential equation of the intensity of the temperature propagation taking into account the thermal conductivity of the measuring medium and the material of the sensing element of the sensor. The equation for modeling the temperature at the boundary of the temperature field distribution of the sensing elements of the thermoanemometric sensor was obtained. The results of temperature modeling at the boundary of the temperature fields of sensor elements are presented. The simulation of the temperature of the sensing elements of the sensor and the distribution of the temperature field in the measuring environment is made taking into account the coefficient of heat transfer of the sensor elements and the coefficient of thermal conductivity of the medium. The results of modeling the temperature change at the boundary of the temperature field and its distance from the elements depending on the flow velocity of the measuring medium are presented.