Absolutny pomiar bardzo małych prędkości przepływu gazu metodą fal cieplnych

• Autorzy: Rachalski A.

Warianty tytułu

EN

Absolute measurement of very low gas flow velocity by means of thermal wave technique

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono metodę absolutnego pomiaru prędkości przepływu gazu za pomocą fal cieplnych, w zakresie bardzo małych prędkości. Na podstawie rozwiązania analitycznego zjawiska propagacji fali cieplnej w płynącym gazie, prędkość przepływu wyznaczono metodą estymacji nieliniowej uprzednio zmierzonych przesunięć fazowych składowych harmonicznych fali w funkcji częstotliwości. Metoda umożliwia pomiar prędkości przepływu gazu rzędu kilku cm/s, bez uprzedniego wzorcowania czujnika.

EN

The phenomenon of thermal wave propagation in a flowing gas is described by the equation of energy conservation (Eq. 1). Kiełbasa [1] solved this equation using the Green's function technique and he obtained the phase shift for a linear periodic heat source (Eq. 9). This formula expresses that the wave velocity depends not only on the gas velocity but also on the thermal diffusion. If the condition of Eq. 11 is fulfilled, Eq. 10 becomes Eq. 12., so the thermal wave velocity is equal to the flow velocity, and the method can be considered as absolute. Otherwise, the probe needs to be calibrated. As can be seen from Eq. 10, the less flow velocity, the bigger difference between the flow velocity and the wave velocity. Fig. 2 shows that the lower limit of the flow velocity is about 30cm/s for air flow. Instead of a sinusoidal wave we apply a complex signal described by Eq. 12. After decomposing detectors signal into harmonics, we obtain the phase shift related to each harmonic. The phase shift obeys the system of equations (Eq. 14), where flow velocity VG and thermal diffusivity  are unknown parameters. The system can be solved by means of nonlinear estimation. Fig. 3 shows exemplary signals from the first and second detector. The results of estimation are presented in Fig. 4 and Tab. 1. The estimated values of both velocity and diffusivity are correct for the velocity equal to 7cm/s, while for the velocity of 50cm/s only the velocity value is correct. It is obvious that for this velocity the expression of Eq. 10 is insensitive to the thermal diffusivity, so the estimating procedure cannot find a proper value of the parameter. The presented method enables measurements of the gas flow velocity in the range of several cm/s without previous calibration of the probe. Further investigations will include searching an objective criterion of proper determination of the thermal diffusivity and improvement of the method accuracy.

Słowa kluczowe

PL

anemometria; fale cieplne; metoda absolutna

EN

anemometry; thermal waves; absolute method

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 59, nr 7
• Strony: 618--620
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Rachalski A.

• Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia Nauk, Reymonta 27, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Kovasznay L. S. G.: Hot-wire investigation of the wake behind cylinders at low Reynolds numbers, Proc. Roy. Soc. A 198, 174 (1949).
• [2] Walker R. E., Westenberg A. A.: Absolute Low Speed Anemometer, Rev. Sci. Instrum. 27, 844 (1956).
• [3] Bauer A. B.: Direct measurement of velocity by hot-wire anemometry, AIAA J. 3, 1189 (1965).
• [4] Bradbury L. J. S., Castro I. P.: A Pulsed Wire Technique for Turbulence Measurements, J. Fluid Mech. 49, 657 (1971).
• [5] Skinner G. T., Dunn M. G., Hiemenz R. J.: Low-speed heat-pulse anemometer, Rev. Sci. Instrum. 53, 342 (1982).
• [6] Lambert D. K., Harrington C. R.: An air flow sensor based on interface thermal wave propagation, J. Appl. Phys. 59, 59 (1986).
• [7] Berthet H., Jundt J., Durivault J., Mercier B., Anglescu D.: Time-of-flight thermal flowrate sensor for lab-on-chip applications, Lab Chip 11, 181 (2011).
• [8] Shoji S., Esashi M.: Microflow devices and systems, J. Micromech. Microeng. 4, 157 (1994).
• [9] Kiełbasa J.: Fale cieplne w metrologii powolnych przepływów, Wyd. AGH, Kraków, 1976.
• [10] Kiełbasa J.: Measurements of Steady Flow Velocity Using the Thermal Waves, Arch. Min. Sci. 50, 191-208 (2005).
• [11] Rachalski A.: High-precision anemometer with thermal wave, Rev. Sci. Instr. 77 (9), 095107 (2006).