Термодинамический метод

Термодинамический метод основан ка зависимости теплообмена между измерительным зондом и средой от значения скорости течения. В этом случае используется либо теплопередача от зонда

i: c потоку (термоанемометр), либо от зонда к зонду через поток. Термодинамический метод используется в основном для исследования пульсадиоыных характеристик течений. Между зондом, введенным и п оток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого в основном зависит от скорости течения.

I (первые эта зависимость была иепользо- нана для прибора, измеряющего скорость петра (термоанемометр Кинга, 1913 г.).

Ипм'ем принцип теплообмена был использован для измерения скорости водного потока.

Наибольшее распространение в океано- логической практике нашли проволочные, пленочные и гидрорезисторные термоанемометры. В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) проволочного датчика исполь- нуотся тонкая (диаметром 2—10 мкм) нить из платины или сплава платины с иридием и вольфрамом. По принципу работы различаю?: термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. В первых приборах электрический ток поддерживается постоянным, при этом температура, а следовательно, и электрическое сопротивление изменяются в зависимости от пульса- п, ионной скорости. Во вторых — постоянными остаются температу- рп, а значит, и сопротивление, при этом изменяющейся величиной является электрический ток. Здесь ЧЭ можно включить в мостовую сх ому (рис. 8.6). Второй: способ наиболее распространен в океанологии.

В поток помещают ЧЭ в виде нити и пропускают через него ток, ми гревающий его. В потоке нить охлаждается в зависимости от скорости потока, что изменяет ее электрическое сопротивление. Пусть пить перпендикулярна потоку, жидкость несжимаема, разность температур нити бесконечно мала, число Прандтля постоянно, тогда, коми чество тепла Q, теряемого нитью в единицу времени, оценивается уравнением Кинга

Q - LAT(k + 42nkpcPUd),

где L — длина нити; А'Г = Ти — Т; Тн — температура нити; Т — темпе- рптура воды в потоке; k — коэффициент теплопроводности; р — плот-ность воды; сР — коэффициент теплоемкости; d — диаметр нити. В безразмерной форме эта зависимость примет вид

Nu = Ал/Re + В,

где А и В — константы; Nu = Q/(nLkAT) —1 число Нуссельта; Ко — Upd/\i — число Рейнольдса. Тепло, теряемое нитью, компенсируется электроподогревом, который контролируется и служит сред

ством измерения количества этого тепла. В практических расчетах потерю тепла находят из уравнения теплового равновесия

I'iR = Sa& T,

где 1Е — ток через ЧЭ с сопротивлением R; S — площадь поверхности охлаждаемого тела; а — коэффициент теплопередачи, являющийся функцией скорости потока, показатель теплового воздействия среды на тело. Для проволочных датчиков

а - c(kc/d)dn(l/\^)U,

где с и т. — коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса и гео-метрических размеров датчиков; v— коэффициент молекулярной вязкости. Для скорости потов: а до 80 м/с кс = 0, С115—0, 08; с = 0, 82 и т = 0, 64.

В современных термоанемометрах вместо проволоки широко ис-пользуется платиновая пленка, наносимая тонким слоем на подложку из кварцевого стекла в виде конуса или клина. Протекаемый через пленку ток, поддерживаемый постоянным, нагревает ее и создает определенную разность температур между датчиком и окружающей средой. В воде эта разность обычно составляет 10—20 °С. Термоанемометры пленочного типа отличаются малым уровнем шумов. Среднеквадратический уровень шумев, приведенный к единице скорости, в диапазоне частот от 1 до 250 Гц составляет 12 ■ 10 5 м/с.

В другом типе термоанемометрического измерителя используется гидрорезисторный датчик, ЧЭ которого является объем воды, за-ключенный между центральным (точка диаметром 0, 5 мм) и кольцевым (диаметр до 9 мм) электродами. Электроды расположены: на полусферической поверхности и включены в схему измерительного генератора, обеспечивающего передачу через пространство между электродами мощности, достаточной для нагрева измерительного объема. Этот объем нагревается непрерьпшо, и изменение температуры некоторого эквивалентного объема воды вблизи точечного электрода вызывает соответствующее изменение электропроводимости. Изменение добротности измерительного генератора при флуктуациях электропроводимости объема воды между электродами модулирует амплитуду напряжения на выходе измерительного генератора. Таким образом, амплитудная модуляция этого напряжения содержит в себе информацию о скорости набегания потока на ЧЭ датчика, включая пульсации набегающего потока. Минимальный размер пульсаций, измеряемых подобной аппаратурой, составляет около 2 • 10 3 м/с. Подобный датчик обладает широким частотным диапазоном (1— 1000 Гц). Подобно термоанемометрическим измерителям с пленочным ЧЭ, гидрорезисторные датчики помимо пульсаций скорости потока одновременно могут измерять пульсации температуры и в меньшей степени пульсации электропроводимости.

С помощью термоанемометров при скоростях набегаюш; его потока до 3-10-1 м/с удается получить чувствительность 7-10'4 м/с. Приборы подобного типа могут измерять скорости течений в широких

пределах от 0, 01 до 0, 15 м/с с погрешностью 2—5 %, а их информа-тивность в принципе не зависит от средней скорости потока. К недо-статкам термоанемометров следует отнести нелинейность градуиро-вочной характеристики; влияние геометрических размеров датчиков на результаты измерений; зависимость результатов измерений от коррозии, обрастания, поляризационных эффектов и тому подобных причин, что снижает надежность термоанемометров и ограничивает иногда до нескольких часов время их использования.