Сканирующие зонды

По очевидным  причинам  в непрозрачных средах, которыми являются жидкие металлы, неприменимы бесконтактные лазерные и другие оптические методы измерений. Поэтому мы применяем  методы, основанные на использовании  зондов различных конструкций, позволяющих  помещать датчики или первичные преобразователи измеряемых величин, в принципе, в любую точку потока и проводить подробные, в том числе  трёхмерные (3D) измерения.

Приведём  примеры двух наиболее часто применяемых  в  наших  экспериментах   конструкций зондов, каждая из которых имеет много модификаций.

Зонд Шарнирный

Шарнирный зонд

Обычно на первом этапе экспериментов используется рычажный зонд со сферическим шарниром.  Одно плечо рычага связано с координатным механизмом. Другое плечо – стержень переменного сечения – вводится через герметичное уплотнение в трубу навстречу потоку. На конце зонда устанавливается датчик температуры или скорости. В случае температурных измерений в потоках жидких металлов  вне конкуренции – микротермопары, то есть миниатюрные термопары.  Действительно, чувствительность термопары зависит только от материалов выбранных электродов и не зависит от размера спая, который можно сделать весьма малым.  Координатный механизм позволяет устанавливать микротермопару в любую точку сечения трубы. При этом температура стенки определяется экстраполяцией показания микротермопары в  момент касания стенки. Такой способ определения температуры стенки позволяет избежать погрешности, связанной с наличием термического контактного сопротивления плёнки окислов на  границе жидкого металла и стенки. Основным недостатком  рычажного зонда  является то, что он позволяет проводить измерения только в одном выбранном сечении канала и не даёт возможности проводить измерения по длине трубы. То есть данный зонд не позволяет проводить 3D измерения, необходимые для  тестирования трёхмерных кодов.

 

 

Зонд Продольный

Продольный зонд

Для 3D-измерений полей температуры весьма эффективным оказался продольный термопарный зонд типа  «гребёнка». Основные элементы зонда: державка, стержни с микротермопарами, полый  стержень на оси трубы, центрирующие кольца, а также  уплотнение и координатный механизм (на схеме не показаны). Державка служит для крепления нескольких (от 5-ти до 10-ти) стержней, представляющих собой капиллярные  полые трубки уменьшающегося  диаметра, на концах которых установлены  микротермопары. На примере зонда «гребёнка» рассмотрим общую принципиальную особенность конструирования зондов для  электропроводных  сред в  магнитном поле. Принципиальной особенностью является то, что геометрические размеры державки и стержней выбираются с целью преодоления  проблемы ухудшенного обтекания твёрдых тел жидким металлом в магнитном поле. При этом  образуется так  называемый  «передний след» —  возмущение, вносимое обтекаемым телом,  которое  распространяется  вверх по потоку. Характерный размер δ области возмущения  в направлении навстречу потоку определяется выражением:

δ/dT ⁓ NT0,5 ,

где dT – характерный размер обтекаемого тела, NT= σdTВ2/ρU – параметр МГД-взаимодействия, В-индукция магнитного поля,  σ, ρ,  U – электропроводность, плотность, скорость жидкого металла, соответственно.

С учётом этого обстоятельства поперечный размер державки и длина стержней должны выбираться так, чтобы  «передний» след от  обтекания державки не достигал области измерений микротермопарами. Спаи термопар целесообразно устанавливать в одной радиальной плоскости, с убывающим шагом  от  оси к стенке. Для фиксации зонда в радиальном направлении используются притёртые по внутренней поверхности трубы центрирующие кольца , закреплённые  на  полом стержне  соосно с ним. Термопарные провода выводятся  через капилляры  и полый стержень на разъём  для подключения   к измерительной аппаратуре.

Координатный   механизм позволяет  перемещать зонд по длине трубы  и  поворачивать его на  любой угол поворотом стержня   вокруг своей оси. Таким образом, микротермопары зонда сканируют температурное поле в продольном, радиальном  и азимутальном направлениях. Как известно, плавное изменение температуры в жидком металле позволяет компьютерной аппроксимацией по термопарным измерениям в дискретных точках пространства  восстановить  непрерывное  трёхмерное  поле   температуры в  потоке.

Вышеописанные  зонды и  их  модификации  служат для  ввода  тех  или  иных датчиков  в поток  жидкости. Используемые  нами  миниатюрные  датчики скорости и температуры:

  • микротермопары ,  в том  числе  «контактные  микротермопары», в которых  одним  из  электродов  является  сам  жидкий  металл  —  ртуть;
  • специальные  пленочные  датчики  термоанемометра  для  жидких  металлов;
  • электромагнитные  (кондукционные)  датчики  скорости,  в  том  числе  —  датчики с  температурной  компенсацией  для  неизотермических  потоков;
  • волоконно-оптические  измерительные  преобразователи  скорости;
  • корреляционные  датчики  скорости;
  • многоэлектродные  датчики  для  измерений  пульсаций  температуры  и  различных    компонент  пульсаций  скорости,  корреляций  между  ними.