тепловой дистанционный способ измерения и контроля расстояния между телами

Формула изобретения

Тепловой способ измерения и контроля расстояния между телами, заключающийся в том, что чувствительный элемент датчика, выполненный в виде тонкой проволоки - резистивной нити, устанавливают параллельно поверхности тела, определяют реперную точку «y_о»=0, размещают чувствительный элемент в зоне отсутствия теплового взаимодействия с телом, нагревают до заданной температуры t _w, т.е. сопротивления R_wo, посредством электрического тока, измеряют соответствующие величины сигналов чувствительного элемента при нескольких расстояниях «у» от поверхности в зоне отсутствия E_o=R_wo J_wo и наличия E=f(y) теплового взаимодействия между чувствительным элементом и телом с последующей подачей этих сигналов в измерительно-вычислительный блок, отличающийся тем, что дополнительно используют второй чувствительный элемент, последовательно включенный с первым так, что постоянно обеспечивается равенство их токов нагрева J_wo, затем один из чувствительных элементов устанавливают в разные точки «у» в зоне теплового взаимодействия с телом, измеряют соответствующие величины сигналов чувствительных элементов E_о и E=J _wo R_w (y)=f(у), получают зависимость вида по которой затем осуществляют контроль и определяют расстояние «y».

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения неэлектрических величин электрическим методом и может быть использовано в авиационной технике, в частности в экспериментальной аэрогидродинамике, например, при исследованиях пограничного слоя на различных элементах летательных аппаратов и их моделей.

Известен визуальный способ определения расстояния «у» чувствительного элемента нити от поверхности тела с помощью оптических приборов (Wills J.A.B. The correction of hot-wire readings for proximity to a solid boundary. 1962, J.Fluid Mech., v.12, pp.388-396; Van Think N. On some measurements made by means of hot-wire in a turbulent flow near a wall. 1969, DISA Info., №7, pp.13-18).

Недостатками данного способа являются:

а) необходимость прозрачности пространства от прибора до тела (модели);

б) сложность (невозможность) размещения прибора возле тела (модели) и ограниченность его фокусного расстояния;

в) трудность проведения непрерывного контроля расстояния «у» в ходе плавного перемещения датчика по модели.

Наиболее близким из известных технических решений определения и контроля расстояния «у» в настоящее время можно считать тепловой способ, который имеет широкое применение в течение нескольких десятков лет (Zaric Z. Wall turbulence studies. 1972. Adv.Heat Transfer, vol.8, pp.285-350; Bhatia J.C., Durst F., Jovanovic J. Corrections of hot-wire anemometer measurements near walls. 1982. J.Fluid Mech. V.122, pp.411-413; Durst F. and others. In situ calibration of hot-wires close to highly heat conducting walls. 2001. Experiments in Fluids, v.31, pp.103-110).

При осуществлении этого способа проводят специальную калибровку, в ходе которой чувствительный элемент - нить датчика термоанемометра устанавливают параллельно поверхности тела, определяют реперную точку «y_о»=0, т.е. нулевое расстояние между нитью и поверхностью тела, электрически нагревают нить до заданной температуры, т.е. сопротивления R _wo, измеряют соответствующие величины сигналов при нескольких расстояниях «у» чувствительного элемента в зоне отсутствия Е _о=R_wo J_wo и наличия Е=R_wo J_w (у)=f(y) теплообмена между чувствительным элементом и телом, получая калибровочную зависимость в виде Е-Е_о =R_wo [J_w(y)-J_wo]=f(lgy). При этом расстояние «у» измеряют микроскопом.

В ходе работы значение «у» определяют по соответствующим измеренным величинам Е и Е_о.

Калибровка и работа проводятся в спокойной среде при неизменных ее параметрах: температуре нити и теплопроводности материалов тел. Так, в упомянутом выше прототипе опыты проводились в воздушной среде, температура которой сохранялась неизменной в пределах ±0,2°С, при перегреве нитей где R_wo, R_e сопротивления нагретой и холодной нити соответственно. Постоянство сопротивления R _wo=const, т.е. фактически температуры достигалось посредством специальной электронной схемы (аппаратуры).

Недостатками способа являются:

а) требование сохранения неизменными окружающих условий в течение калибровки, а затем и при работе, что особенно трудно выполнить относительно температурного режима;

б) необходимость поддержания постоянного сопротивления чувствительного элемента (R_wo=const) требует применения специальной уникальной аппаратуры;

в) используемая в способе зависимость сигналов в виде Е - Е_о=f(lgy) имеет (для металлических тел) нелинейный характер: темп возрастания значений Е-Е_о непрерывно повышается с приближением к поверхности. Представление реальной нелинейной зависимости Е-Е_о=f(lgy) для некоторого диапазона «у» линейной в виде Е-Е_о=А+Blgy, где А и В - соответствующие постоянные, снижает точность способа и исключает возможность экстраполяции калибровки за пределы диапазона: 0,03 мм y 0,150 мм.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расстояния между телами и расширение области измерений при использовании более простых вседоступных технических средств.

Техническим результатом является обеспечение независимости калибровки и измерений от температурных условий, получение и использование линейной зависимости комбинации величин измеряемых сигналов Е(y), Е_о от lgy в более широкой области «y» (y 0,5 мм).

Этот технический результат достигается тем, что в тепловом способе измерения и контроля расстояния «y» между телами, заключающемся в том, что чувствительный элемент датчика, выполненный, например, в виде тонкой проволоки - резистивной нити, устанавливают параллельно поверхности тела, определяют реперную точку «y_о»=0, размещают чувствительный элемент в зоне отсутствия теплового взаимодействия с телом, нагревают до заданной температуры t_w, т.е. сопротивления R _wo посредством электрического тока J_w, измеряют соответствующие величины сигналов при нескольких расстояниях «у» от поверхности в зоне отсутствия Е_о=R_wo J_wo и наличия E=R_wo J_w(y)=f(y) теплового взаимодействия между чувствительным элементом и телом с последующей подачей этих сигналов в измерительно-вычислительный блок, в рабочую схему включают последовательно, по крайней мере, не менее двух чувствительных элементов датчиков так, что постоянно обеспечивается равенство их токов нагрева J_wo, затем один из чувствительных элементов устанавливают в разные точки «у» ближе к телу, измеряют соответствующие величины сигналов Е_o и Е=J_wo R_w(y)=f(y), получают зависимость вида по которой затем осуществляют контроль и определяют расстояние «у», а реперную точку у_о=0 находят посредством полученной зависимости

где А и В соответствующие постоянные.

На фиг.1 приведен пример принципиальной электрической схемы, иллюстрирующей технические возможности осуществления способа в случае применения двух одинаковых чувствительных элементов, где показано:

1 - источник питания;

2 - амперметр;

3 - регулируемое омическое сопротивление;

4 - чувствительный элемент №1;

5 - чувствительный элемент №2;

6 - электропереключатель;

7 - вольтметр;

8 - измерительно-вычислительный блок.

При осуществлении способа один из чувствительных элементов, например №1-(4), устанавливают параллельно поверхности тела. Его нагревают и выводят из зоны теплового взаимодействия с телом, что отмечается наступающим постоянством напряжения на нем и в обычных условиях имеет место при расстоянии у 1,5-2,0 мм.

Регулируют величину тока нагрева нити J_w посредством буферного сопротивления 3 и устанавливают заданную температуру t_w, т.е. сопротивление R _wo. При отсутствии теплообмена напряжения (сигналы) 7 на обоих чувствительных элементах 4 и 5 будут одинаковыми: E ₄=J_wo R_wo4=E₅=J_wo ·R_wo5. Последующее перемещение чувствительного элемента №1-(4) в зону теплового взаимодействия с телом приведет к падению его сопротивления. При достаточно большой величине сопротивления 3 величина тока J_wo остается практически неизменной и всегда равной для обоих чувствительных элементов: Е₅=Е_о5, Е₄=J_wo·R _w4(у)=f(y). Соответствующие значения Е_о5, Е ₄(y) измеряют вольтметром 7.

На фиг.2 приведен пример предлагаемой калибровки в виде графической зависимости

Калибровка была проведена у алюминиевой пластины с чувствительным элементом из платиновой нити-проволоки диаметром 22 мкм, длиной около 250 калибров и током J_wo=190,45 мА, R_ow=2,84 Ом, R_e=1.33 Ом. Видно, что зависимость имела вид с различными величинами коэффициентов А и В для двух диапазонов «у»:

(1) при у 50_мкм А=0,4587, В=0,1629 и

(2) 50 мкм y 500 мкм А=0,387, В=0,205.

В зоне у 500_мкм зависимость нелинейная.

На фиг.3 приведены результаты калибровки в известном - традиционном виде Е-Е_о=f(lgy), (Durst F. and others. 2001. Exp. Fluids. V.31, pp.103-110).

Для работы использовалась часть калибровочной зависимости 1,68 lg (y) 2,3, интерпретируемой линейной зависимостью:

(3) Е-Е_о=2,9748-1,10241g (y), где Е и Е_о - сигнал датчика в В., у - расстояние в мкм.

(4) проведенные специальные исследования показали, что зависимость вида Е-Е _о=f(lgy) не имеет линейного диапазона; темп возрастания величины Е непрерывно увеличивается с уменьшением расстояния чувствительного элемента до поверхности тела - «у».

На фиг.4 приведена зависимость коэффициента «К» (в%), характеризующего точность измерения расстояния «у»: для прототипа - ромбовидные символы ( ) и для предлагаемого способа - темные кружки ( ):

где y_р - расчетные, y_u - измеренные значения расстояния.

Из графиков фиг.4 видно, что для прототипа ( ) разброс К=K_max-К_min 14%, а в случае предлагаемого способа ( ) - К 4%, то есть предлагаемый способ обеспечивает 3-4-кратное повышение точности при более чем трехкратном расширении диапазона - области измерений и без применения какой-либо специальной аппаратуры.