Предыстория термоанемометра. Рождение прибора

Как ни странно, история термоанемометра до сих пор не была в сколько-нибудь удовлетворительной степени освещена в русскоязычной литературе. Вероятно, частично это связано с труднодоступностью западных публикаций по этой теме и с языковым барьером. В этой связи уместно привести характерное замечание профессора У.Джорджа из его рецензии на отечественную монографию по термоанемометрии [Смоляков А.В., Ткаченко В.М. Измерение турбулентных пульсаций. - Л.: Энергия, 1980. - 264 с.], кстати, переведенную на английский язык под редакцией П.Брэдшоу и изданную на Западе издательством "Springer" [Smol'yakov A.V., Tkachenko V.M. The Measurement of Turbulent Fluctuations: An Introduction to Hot-wire Anemometry and Related Transducers. Springer, 1983. 298 pp.]:

"Если главной целью авторов было написать книгу о пространственном разрешении датчиков, это у них получилось. К сожалению, они не были столь же успешны в отношении других вопросов... Разделы, посвященные термоанемометру и лазерной доплеровской анемометрии, написаны плохо, запутывают читателя, и лучше было бы их вообще опустить. Например, из градуировок термоанемометра упомянут лишь закон Кинга, и нет ни единой ссылки хоть на одну из ряда прекрасных обзорных статей, написанных за последние десять лет (сразу приходит на ум обзор Комте-Белло 1976 г.). Обсуждение лазерной доплеровской анемометрии сосредоточено почти исключительно на эффектах броуновского движения, которые почти никогда не бывают проблемой. И снова нет ссылок на имеющиеся отличные книги и обзорные статьи по этой теме (обзор Buchhave, George и Lumley 1979 г. лишь один из многих)" [George W.K. The Measurement of Turbulent Fluctuations: An Introduction to Hot-wire Anemometry and Related Transducers. By A. V. SMOL'YAKOV and V. M. TKACHENKO (translated by S. CHOMET, edited by P. BRADSHAW). Springer, 1983. 298 pp. DM.98.00 // J. Fluid Mech.- 1985.- Vol.152.- P.502-503].

А, может быть, причина и в другом? На память приходят пушкинские слова о покойном А.Грибоедове: "Написать его биографию было бы делом его друзей; но замечательные люди исчезают у нас, не оставляя по себе следов. Мы ленивы и нелюбопытны..." (А.Пушкин. Путешествие в Арзрум).




То, что движущаяся жидкость охлаждает/нагревает обтекаемые ею тела и тем сильнее, чем выше ее скорость, было известно от начала времен. Еще в седой древности люди, идущие с караваном через пустыню, могли сказать как де Сент-Экзюпери: "... ветер обжег меня словно бы предсмертной лаской", или: "Под жгучим солнцем держишь путь к вечеру, когда прохладный ветер освежит и омоет от пота усталое тело" (А. де Сент-Экзюпери. Планета людей).

Тепловые ощущения вполне достоверно информируют человека через органы чувств о движении окружающей среды. И хотя провести количественные измерения таким способом затруднительно, в XIX веке опытные горнорабочие именно так определяли, достаточен ли данный поток воздуха для вентиляции в шахте или нет [Smyth W.W. Thе ventilаtiоn of minеs // Cоlliеrу Guаrdiаn.- 1858.- Vоl.1.- No.12.- P.180].

Тот факт, что скорость ветра можно определить по результатам измерения скорости охлаждения нагретого термометра, был подмечен в начале XIX в., возможно впервые, сэром Джоном Лесли, известным шотландским математиком и физиком [Leslie J. An experimental inquiry into the Nature and Propagation of Heat. London, 1804]. В одном из своих опытов по изучению распространения тепла он раскручивал над головой привязанный к веревке жестяной шар с горячей водой. Ему удалось получить эмпирическую формулу, связывающую скорость охлаждения жидкости в шаре с относительной скоростью воздуха. Лесли предложил использовать этот принцип для создания анемометра. Предполагалось, что предварительно нагретый спиртовый термометр (с увеличенным диаметром колбы ок. 38 мм) будет помещаться в исследуемый поток и по скорости его охлаждения можно будет оценивать скорость движения воздуха. Судя по всему, свою идею термометрического анемометра Лесли на практике так и не реализовал [Unwin I.D. The Measurement of Air Flow in British Coal Mines: A Historical Review.- 2007.- 88 p.].

В 1849 г. английское правительство обратилось к профессору Королевского колледжа (Лондон) Дж. Филлипсу с просьбой провести обследование вентиляции в британских угольных шахтах. Убедившись, что потоки воздуха там слишком слабы, чтобы их можно было регистрировать с помощью свечей, порохового дыма или механических анемометров, он решил воспользоваться идеями Лесли. Созданный Филлипсом прибор представлял собой обыкновенный спиртовой термометр, который сначала нагревали, а затем помещали в воздушный поток и измеряли время, за которое температура снижается от 10 до 5°F выше температуры окружающей среды. Для вычисления искомой скорости потока применялась эмпирическая формула, из которой следовало, что скорость воздуха обратно пропорциональна квадрату измеренного времени охлаждения [Рhilliрs J. Contributions tо anemometry - thе thеrm-anemometer / Report of thе 19th mееting of thе Вritish Аssосiаtiоn fоr thе Аdvаncement оf Science, Вirmingham, 1849. London.- 1850.- Р.28].

Работы Филлипса и Лесли, однако, были либо забыты, либо игнорировались следующим поколением исследователей [Unwin I.D. The Measurement of Air Flow in British Coal Mines: A Historical Review.- 2007.- 88 p.].

В 1916 г. Л.Хилл и др. [Hill L., Griffith O.W., Flack M. The Measurement of the Rate of Heat Loss at Body Temperature by Convection, Radiation and Evaporation // Phil. Trans. Roy. Soc. B.- 1916.- Vol.207.- P.183] опубликовал описание кататермометра ("ката-" по-гречески означает "вниз", вероятно, намек на падение температуры в ходе измерения) - прибора, который используется и по сей день для оценки суммарного теплового влияния окружающей среды (температуры, влажности и движения окружающего воздуха) на человека. Кататермометру посвящен ряд публикаций, например [Winslow C.-E.A. The Kata Thermometer as a Measure of the Effect of Atmospheric Conditions upon Bodily Comfort // Science.- 19 May 1916.- P.716-719; Measuring Personal Comfort with the Kata Thermometer // Am. J. Public Health.- 1924.- 14(11).- P.978-979; Glover P.W. The Kata-Thermometer Applied to the Investigation of the Physical Conditions of Schoolroom Atmosphere // Transactions and Proceedings of the Royal Society of New Zealand.- 1928.- Vol.58.- P.285-294; Huovila S. Hot Body Anemometers // Geophysica.- 1957.- Vol.6.- No.1.- P.45-51], в том числе и на русском языке [Техническая энциклопедия в 26 т. (под ред. Л.К.Мартенса) / Т.10.- М.: Советская энциклопедия, 1930.- 926 с.- Статья "Кататермометр"].

Этот прибор представляет собой спиртовой термометр со стеклянным резервуаром цилиндрической формы длиной ок. 4 см и диаметром ок. 2 см. Капиллярная трубка длиной ок. 18 см снабжена шкалой, имеющей только две отметки - 35° и 38°С (разметка шкалы может быть и иной). Верхний конец капиллярной трубки имеет небольшое овальное вздутие для компенсации расширения спирта при перегреве.

Средняя скорость охлаждения связана со скоростью ветра v следующим уравнением:

H=(a+b\sqrt{v})(36.5-t),

где H - общая потеря тепла при охлаждении от 38° до 35°, деленная на площадь поверхности охлаждения и на время охлаждения; t - температура окружающего воздуха; a и b - константы.

Поскольку кататермометр предназначался в основном для оценки того, насколько комфортно будет чувствовать себя человек в тех или иных условиях (скажем, горняки под землей в угольной шахте или дети в школьном классе), а на самочувствие человека влияет не только тепловой режим, но и влажность воздуха, то прибор используют для измерения скорости и в "мокром" виде, для чего на резервуар одевается колпачок из намоченной ткани. В этом случае скорость охлаждения начинает зависеть и от испарения, а в приведенной выше формуле квадратный корень меняется на кубический. Для сравнения результатов измерений, проведенных в разных условиях, можно использовать поправки, учитывающие изменение температуры окружающей среды, атмосферного давления и влажности [Glover P.W. The Kata-Thermometer Applied to the Investigation of the Physical Conditions of Schoolroom Atmosphere // Transactions and Proceedings of the Royal Society of New Zealand.- 1928.- Vol.58.- P.285-294].

Кататермометр - простой и надежный инструмент. В "сухом" виде его можно применять для определения очень малых скоростей движения воздуха, до десятых и сотых долей метра в секунду [Техническая энциклопедия в 26 т. (под ред. Л.К.Мартенса) / Т.10.- М.: Советская энциклопедия, 1930.- 926 с.- Статья "Кататермометр"]. Это безусловные достоинства. Из недостатков можно указать на некоторую сложность использования прибора. В старые времена, когда не было калькуляторов, данные, полученные под землей, можно было обсчитать только на поверхности. Кроме того, в некоторых глубоких шахтах температура воздуха была такой же, как у нагретого кататермометра, что затрудняло его применение [Hancock W. The MacGregor-Morris hot wire anemometer // Colliery Guardian.- Oct.8, 1926.- P.776]. И, конечно, кататермометр позволяет измерять только средние скорости.

Сейчас трудно сказать наверняка, почему на рубеже XIX и XX вв. возник интерес к размещению в потоке воздуха тонких проволочек, нагреваемых электричеством. А. ван Дийк объяснял это (со ссылкой на работы Обербека и Буссинеска) желанием найти средство для борьбы с перегревом проводников при пропускании через них электрического тока [van Dijk A. Aliasing in one-point turbulence measurements: theory, DNS and hotwire experiments. PhD thesis, 1999.- Delft University of Technology, The Netherlands]. Но, так или иначе, в начале XX столетия несколько исследователей независимо пришли к идее электрического термоанемометра и реализовали ее на практике.

Официально изобретателем термоанемометра считают американского профессора Артура Эдвина Кеннелли [Kennelly A.E., Wright C.A., Van Bylevelt T.S. The Convection of Heat from Small Copper Wires // Trans. AIEE.- 1909.- Vol.28.- P.363-397], за что он в 1917 г. и получил от Института Франклина в Филадельфии золотую медаль Ховарда Поттса [Bush V. Biographical Memoir of Arthur Edwin Kennelly 1861-1939 / National Academy of Sciences of the USA.- Biographical Memoirs.- Vol.XXII - Fifth Memoir; presented to the Academy at the Autumn meeting, 1940]. Кеннелли - человек, на самом деле, очень заслуженный. Одно время он был главным помощником Эдисона, преподавал в Гарвардском университете и Массачусетском технологическом институте. Независимо от Хевисайда Кеннелли предсказал существование в атмосфере Земли ионизированного слоя, отражающего радиоволны (слой Кеннелли-Хевисайда).

Скорее всего, Кеннелли действительно был первым, собственно Кинг так и пишет: "То что измерение тока, необходимого для поддержания заданной температуры проволочки (измеряемой по ее сопротивлению) может быть использовано в качестве метода измерения скорости воздуха, по-видимому, впервые было предложено Кеннелли в 1909 г." [King L.V. On the Convection of Heat from Small Cylinders in a Stream of Fluid: Determination of the Convection Constants of Small Platinum Wires with Applications to Hot-Wire Anemometry // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A.- 1914.- Vol.214.- P.373-432]. Но, идея термоанемометра, что говорится, носилась в воздухе. По свидетельству того же Кинга, этот метод почти одновременно с Кеннелли независимо открыли итальянец Бордини [Bordini U. "Un procedimento per la misura della velocita dei gas", прочитано перед Società Italiana per il Progresso delle Scienze 13 октября 1911 г.; опубликовано в "Nuovo Cimento", Series VI, vol.III, pp.241-283, апрель 1912 г.; см. также "Electrician", 70, p.278, 22 ноября 1912 г.] и англичанин Моррис [Morris J.T. The Electrical Measurement of Wind Velocity // The Electrician.- Oct. 4, 1912.- Pp.1056-1059]. Комте-Белло [Comte-Bellot G. Hot-Wire Anemometry // Annual Review of Fluid Mechanics.- 1976.- Vol.8.- Pp.209-231] добавляет к этому списку русского Рябушинского [Riabouchinsky D. // Bull. Inst. Aerodyn. Koutchino.- 1909.- Vol.2.- Pp.115-120], немцев Речи [Retschy C. Beitrage zur Herstellung und Untersuchung Annahernd Geordueter Luftstrome // Der Motorwagen.- Vol.15.- 1912.- Pp.463-468, 524-528] и Гердина [Gerdien H. Der Luftgeschwindigkeitsmesser der Siemens and Halske A.-G. // Ber. Deutsch. Phys. Ges.- 1913.- Vol.20.- Pp.961-968], а также канадца Кинга [King L.V. On the Convection of Heat from Small Cylinders in a Stream of Fluid: Determination of the Convection Constants of Small Platinum Wires with Applications to Hot-Wire Anemometry // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A.- 1914.- Vol.214.- P.373-432]. Причем, первые эксперименты по электрической термоанемометрии пытался провести еще в 1902 г. некий Шекспир из Бирмингема, но это ему не удалось по техническим причинам [Comte-Bellot G. Hot-Wire Anemometry // Annual Review of Fluid Mechanics.- 1976.- Vol.8.- Pp.209-231]. Первые теоретические работы по этой теме принадлежат Буссинеску [Boussinesq J. Calcul du pouvoir refroidissant des fluides // Journal de Mathématiques Pures et Appliquées.- 1905.- Série 6.- Tome 1.- Pp.285-332] и Расселу [Russell A. The convection of heat from a body cooled by a stream of fluid // Philosophical Magazine.- 1910.- Vol.20.- Issue 118.- Pp.591-610], а первым экспериментатором, показавшим, что отвод тепла за счет вынужденной конвекции пропорционален разнице температур и квадратному корню скорости, был, по мнению Кинга [King L.V. On the Convection of Heat from Small Cylinders in a Stream of Fluid: Determination of the Convection Constants of Small Platinum Wires with Applications to Hot-Wire Anemometry // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A.- 1914.- Vol.214.- P.373-432], француз Сер [Ser L. Traité de physique industrielle, production et utilisation de la chaleur. Vol.1.- Paris: Masson G., 1888.- 896 p.- Pp.142-162].

Что же представляли собой первые термоанемометры?

Рассмотрим прибор, созданный в Англии профессором Дж.Т.Моррисом, или как он стал себя именовать впоследствии, Макгрегором-Моррисом. (Описание взято из [Unwin I.D. The Measurement of Air Flow in British Coal Mines: A Historical Review.- 2007.- 88 p.]). Вначале он использовал систему, в которой поддерживалась постоянной температура помещенной в поток нагретой нити [Morris J.T. The Electrical Measurement of Wind Velocity // The Electrician.- Oct. 4, 1912.- Pp.1056-1059]. Измеряя сопротивление нагретой нити, можно было судить о ее температуре. Компенсировать изменения температуры нити можно было, по-видимому вручную [van Dijk A. Aliasing in one-point turbulence measurements: theory, DNS and hotwire experiments. PhD thesis, 1999.- Delft University of Technology, The Netherlands], повышая или понижая силу тока и напряжение. Произведение напряжения питания и силы тока было пропорциональным квадратному корню из скорости воздушного потока.

Однако, вскоре Моррис обнаружил, что градуировка его прибора постоянной температуры меняется с изменением условий окружающей среды. Чтобы решить эту проблему, он начал использовать анемометр постоянного напряжения. Новый инструмент был описан в статье 1920 г. [ MacGregor-Morris J.T. A Portable Direct Reading Anemometer for the Measurement of Ventilation in Coal Mines // The Electrician.- 1920.- Vol.85.- P.227], и предназначался он для угольной промышленности. В новом устройстве мощность, рассеиваемая на нити, помещенной в поток, а следовательно и сила тока, поступающего от источника питания, могла быть привязана к скорости движения воздуха. Или же, можно было поддерживать постоянной величину тока через нагретую нить и в качестве меры входной мощности и скорости потока использовать напряжение.


Схема термоанемометра Морриса 1920 г.

В состав прибора Морриса входили четыре нагреваемые никелевые нити, соединенные друг с другом по схеме моста Уитстона. Две из них были экранированы от потока воздуха, а две другие - соприкасались с ним. Любое колебание температуры воздуха воздействовало в равной степени на все четыре нагреваемые нити, так что соотношение сопротивлений обеих ветвей моста не менялось. Если же изменялась скорость воздушного потока, это оказывало влияние лишь на сопротивление нитей, расположенных в потоке, что вело к расбалансировке моста. Как раз этот сигнал разбалансировки и выводился на измеритель. Все нагреваемые нити монтировались на детекторной головке, соединенной с блоком индикации, включающем измеритель и батареи питания.

Прежде чем воспользоваться этой аппаратурой нужно было сначала выставить температуру перегрева нитей относительно окружающей среды на заданную величину в неподвижном воздухе. Только после этого датчик можно было помещать в поток и начинать фиксировать показания. Для того чтобы получить по ним численное значение скорости ветра, пользовались градуировочной диаграммой. Прибор мог измерять скорости в диапазоне 0,22-2,2 м/с и предназначался для работы в угольных шахтах.

Позднее конструкция Морриса была доработана, превратившись в термоанемометр Макгрегора-Морриса [Rees J.P. The Measurement of Low Air Velocities in Mines. 14th Report to the Committee on 'The Control of Atmospheric conditions in Hot and Deep Mines' // Trans. Inst. Min. Eng.- 1927-8.- Vol.74.- P.358]. Говоря о недостатках этого измерительного инструмента, отмечали, что его нити слишком легко повредить, и их необходимо предохранять от загрязнения, которое изменяет градуировочную характеристику [Rees J.P. The Measurement of Low Air Velocities in Mines. 14th Report to the Committee on 'The Control of Atmospheric conditions in Hot and Deep Mines' // Trans. Inst. Min. Eng.- 1927-8.- Vol.74.- P.358]. Тем не менее, прибор был в продаже до 1932 г.

Итак, уже в первых конструкциях были задействованы все основные составляющие метода измерения скорости с помощью термоанемометра, как-то [van Dijk A. Aliasing in one-point turbulence measurements: theory, DNS and hotwire experiments. PhD thesis, 1999.- Delft University of Technology, The Netherlands]:



Оглавление

Автор документа: Ф.С.Занько

Разрешается свободное распространение и использование настоящего документа для любых целей при условии сохранения текста в неизменном виде и указании имени автора.

О замеченных ошибках, неточностях, опечатках просьба сообщать по электронному адресу:
zanko_philipp@mail.ru