Experimental testing of sensitive elements and external heating systems for milk flow rate's thermodynamic sensor | Экспериментальная апробация чувствительных элементов и внешних систем подогрева для термодинамического датчика скорости потока молока

English. The results of a study devoted to the analysis of the characteristics of various heaters and sensitive elements of a thermodynamic sensor for measuring the flow velocity of a liquid medium are presented. Special attention is paid to the operation of the device in conditions of changing the parameters of the milk-air mixture, which places increased demands on the stability of the temperature regime and reproducibility of the results. This study purpose was to find an optimal sensor design capable of providing simultaneously high sensitivity, thermal stability and long operational reliability. A multi-stage experimental technique was developed and implemented, including the heaters' manufacture and sequential testing differ in geometric parameters, used materials, method of configuring and mounting conducting paths. During the experiments, data on the magnitude of the voltage drop across a measuring shunt connected to an electrical circuit with thermocouples of various temperature resistance coefficients were processed. The measurements were carried out with sensitive components strictly controlled temperature changing, which allowed minimizing the extraneous factors' influence. The data analysis showed the insufficient effectiveness of previously used design solutions, in particular due to the uneven distribution of heat in the measuring zone. The numerical simulation of heat flows was carried out with constructing heat maps for two alternative schemes. Based on the comparison of experimental and calculated data, an improved sensor design is proposed, justified theoretically and experimentally providing increased accuracy and operation stability. The optimal design of the thermodynamic milk flow sensor is regarded to be a design with a distributed heater in the form of four low-power resistors located around the perimeter of the NTC thermistor for creating a more uniform thermal field.

Russian. Представлены результаты исследования, посвященные анализу характеристик различных подогревателей и чувствительных элементов термодинамического датчика для измерения скорости потока жидкой среды. Особое внимание уделено работе устройства в условиях изменения параметров молочно-воздушной смеси, что предъявляет повышенные требования к стабильности температурного режима и воспроизводимости результатов. Цель исследования - выявление оптимальной конструкции датчика, способной одновременно обеспечить высокую чувствительность, термическую устойчивость и долговременную надежность эксплуатации. Разработана и реализована многоэтапная экспериментальная методика, включающая изготовление и последовательное тестирование подогревателей, различающихся по геометрическим параметрам, используемым материалам, способу крепления и конфигурации токопроводящих дорожек. В ходе экспериментов осуществляли сбор и обработку данных о величине падения напряжения на измерительном шунте, подключенном к электрической цепи с термоэлементами различного температурного коэффициента сопротивления. Измерения проводились при строго контролируемом изменении температуры чувствительных компонентов, что позволило минимизировать влияние посторонних факторов. Анализ данных показал недостаточную эффективность ранее применяемых конструктивных решений, в частности, по причине неравномерного распределения теплоты в зоне измерения. Проведено численное моделирование тепловых потоков с построением тепловых карт для двух альтернативных схем. На основании сопоставления экспериментальных и расчетных данных предложена усовершенствованная конструкция датчика, теоретически обоснованная и экспериментально подтверждённая, обеспечивающая повышенную точность и стабильность работы. Оптимальной конструкцией термодинамического датчика скорости потока молока считается конструкция с распределенным подогревателем в виде четырех резисторов небольшой мощности, расположенных по периметру NTC-термистора для создания более равномерного теплового поля.