Грюк Владимир Игоревич

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра электронной техники

Специальность Электронные системы

Разработка электронной системы для градуировки и исследования термоанемометров

Научный руководитель: к. т. н., доц. Кузнецов Дмитрий Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования
• 3. Обзор исследований и разработок
• 4. Текущие результаты
• Выводы
• Список источников

Введение

Термоанемометры (ТА) нашли широкое применение для измерения скоростей газовых потоков. Они имеют высокую чувствительность в широком диапазоне измеряемых скоростей, просты в изготовлении, не содержат дорогостоящих элементов и имеют выходной электрический сигнал, не требующий дополнительного усиления. В частности, ТА успешно применяют:

• для контроля скоростей и расходов вентиляционных потоков при строительстве различных архитектурных сооружений и в процессе их эксплуатации.
• для проведения исследовательских работ по изучению динамических параметров турбулентных течений.
• для измерения концентрации взрывоопасных газов.
• в автомобилестроении для оптимизации работы карбюраторных двигателей внутреннего сгорания.
• при исследовании и контроле обтекания сложных тел потоками газа.
• для измерения расхода газов в трубах большого диаметра и т. д. [1].

1. Актуальность темы

В настоящее время актуальной является задача измерения скорости воздушного потока в системах учета расхода, экологического мониторинга и в системах промышленной вентиляции. Поток воздуха в промышленных и вентиляционных каналах имеет преимущественно турбулентный, хаотический характер и трехмерную структуру; существенным является динамическая, пульсационной составляющей скорости. Это предъявляет все более высокие и жесткие требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам измерителей скорости воздуха.

В этой связи возникла необходимость разработки технических средств, позволяющих экспериментально определять статические и динамические характеристики датчиков скорости и оценивать влияние на метрологические характеристики условий проведения измерений, конструктивных особенностей и материалов измерительных преобразователей. Анализ показал, что одним из немногих приборов, удовлетворяющим требованиям, предъявляемым к средствам измерения характеристик турбулентных течений, является времяпролётный термоанемометр. Чувствительный элемент ТА практически не вносит возмущений в поток, малую инерционность и не зависит от изменения температуры среды [2].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является разработка и исследование времяпролётного термоанемометра, а так же оценка его метролагических характеристик. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие основные задачи:

1. Обзор методов и средств измерений локальных скоростей и температур газовых потоков;
2. Разработка времяпролётного термоанемометра, показания которого будут инвариантными к изминениям температуры потока газа;
3. Статическая градуировка времяпролётного термоанемометра;
4. Оценка динамических характеристик термоанемометра;
5. Обоснование структурной схемы электрической системы регистрации сигнала термоанемометра.

3. Обзор исследований и разработок

Вопрос опредиления скорости газовых потоков широко исследуеться и разрабатываеться во многих развитых странах, таких как:

• Россия (научно-производственное объединение «Турбулентность-ДОН»);
• Канада (компания ТрансКанада Пайплайнз);
• не исключением стала Украина (ООО "ДП УКРГАЗТЕХ" и специальное конструкторско-технологическое бюро «Турбулентность» Донецкого национального университета).

Перечисленные научные центры и промышленные компании специализируються на решения целого ряда практических задач в промышленности, экологии, охраны труда и здоровья. Для этого необходимо определять динамические и тепловые характеристики измерителей скорости и температуры воздушных потоков. Это и контроль параметров систем вентиляции и кондиционирования, микроклимата в жилых и производственных помещениях, кабинах и салонах транспортных средств, дымоотводящих каналах и трубах.

Приборы, используемые для таких измерений, должны обладать широким диапазоном, как по скорости (от десятых долей до нескольких десятков метров в секунду), так и по температуре (от десятых долей до нескольких сотен градусов), высокой чувствительностью в области малых перепадов давления (единицы Паскаль). Они должны быть просты и надежны в эксплуатации, обеспечивать индикацию измеряемого параметра в единицах физических величин. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют современные термоанемометры.

В Специальном конструкторско-технологическом бюро «Турбулентность» Донецкого национального университета разработано и выпускается несколько модификаций таких термоанемометрических приборов:

- Термоанемометр АИСТ-5. Автономный измеритель скорости и температуры воздушного потока;

- Термоанемометр ИРИТ-4. Индикатор расхода и тяги;

- Термоанемометр ИСРВ-2. Расходомер газа термоанемометрический [3].

4. Текущие результаты

Основной областью применения термоанемометров является опредиление малых скоростяей воздушных потоков. Это связанно с тем, что другие анемометры в данной области не могут дать однозначных показаний, которые бы не зависили от изменения температуры самого потока.

Датчик разработанного времяпролетного ТА состоит из двух параллельных вольфрамовых проволочек диаметром 5 мкм и длиной 5 мм, расположенных перпендикулярно потоку газа на расстоянии L = 3 мм друг относительно друга (см. рис.1).

На первую проволочку Rt1 подаются импульсы напряжения, и она излучает тепловые метки, которые переноситься потоком газа и регистрируются при помощи второй проволочки Rt2. По времени запаздывания τ сигнала второй проволочки относительно первой определяют скорость потока.

При этом на время распространения тепловых меток не влияет температура потока и его компонентный состав. Т. е. показания времяпролетного ТА будут инвариантны к изменениям температуры и состава потока.

Схемотехника ТА. Функциональная схема разработанного времяпролетного ТА представлена на рисунке 2. Модуль микроконтроллера (МК) формирует сигнал нагрева заданной формы и частоты, который через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и усилитель мощности (УМ) подается на первую проволочку Rt1 датчика ТА. Тепловые метки переносятся потоком и регистрируются второй проволочкой Rt2, которая включена в измерительный мост термометра. Измерительный сигнал усиливается дифференциальным усилителем ДУ и через аналого-цифровой преобразователь вводится в модуль МК. Накапливаемые в результате измерений массивы данных передаются в персональный компьютер для цифровой обработки [4].

Опытный образец времяпролетного ТА, реализующий описанный выше алгоритм функционирования был изготовлен с помощью модуля Arduino Uno на базе микроконтроллера ATmega328. В состав данного МК входит 10-разрядный АЦП, однако нет встроенного ЦАП. Простейший ЦАП был реализован на базе 8-разрядного широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с добавлением к выходу ШИМ RC-фильтра нижних частот первого порядка [5].

В качестве исходного сигнала нагрева использовалось синусоидальное напряжение частотой 200 Гц с амплитудой и смещением 0,5 В. Частота дискретизации была выбрана равной 8 кГц.

Экспериментально определено, что для уверенной регистрации слабого сигнала от воздействия тепловых меток на Rt2 коэффициент усиления дифференциального усилителя ДУ по напряжению должен составлять порядка 1000.

Экспериментальная градуировка ТА проводилась в аэродинамическом стенде АДС-200/250 в диапазоне скоростей от 1 до 4 м/с при температурах воздушного потока 25 и 40 С. В каждой точке по скорости выполнялась регистрация исходного сигнала нагрева и усиленного принятого сигнала. Типовой вид этих сигналов приведен на рисунке 3. Из результатов видно, что принятый сигнал искажен шумами и смещён по фазе относительно исходного сигнала [6].

Массивы измерительных данных накапливались и обрабатывались в компьютере. Для определения временного запаздывания принятого сигнала относительно исходного вычислялась корреляция сигналов.

где n — объем выборки (10000 точек); xi и yi — массивы дискретных значений исходного и принятого сигналов соответственно; k — взаимное смещение сигналов.

Корреляция (2) вычислялась при различных смещениях k, строилась корреляционная функция (см. рис. 4) и определялось смещение kmax, соответствующее максимуму корреляционной функции [7], [8].

Уточнение функции определения скорости потока. С помощью экспериментальных данных определили, что с ростом скорости потока запаздывание τ стремиться не к 0, а к некоторому значению τ(∞). Это объясняется влиянием инерционности датчика и измерительных цепей ТА.

Вычисление неизвестных коэффициентов А и В градуировочной функции (3) осуществлялось при помощи функции нелинейной регрессии GENFIT программы MathCad. В результате получили, что А = 16,1 мс, В = 14,8 мм. На рисунке 6 приведено распределение относительной погрешности аппроксимации по скорости потока в диапазоне исследуемых скоростей. Из результатов следует, что погрешность аппроксимации не превышает ± 2 %.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при изменении температуры потока с 25  до 40 С функция преобразования не смещается, а значит, показания разработанного ТА инвариантны к изменениям температуры потока.

Выводы

1. В ходе выполнения работы было предложенно уравнение (3) градуировочной характеристики разработанного времяпролетного ТА, который обеспечивает аппроксимацию экспериментальных данных градуировки с относительной погрешностью по скорости не более ±2 %.
2. На основании экспериментальных результатов градуировки определены основные метрологические характеристики термоанемометра и сформулированы требования к АЦП схемы обработки сигналов.
3. Показания времяпролетного ТА инвариантны к изменениям температуры потока газа, что позволяет выполнять его градуировку при произвольной температуре.
4. При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Кузнецов Д. Н. Исследование ниточного термоанемометра постоянной температуры при различных перегревах нити / Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: “Обчислювальна техніка та автоматизація”. Випуск № 1 (24). — Донецьк: ДонНТУ, 2013 — c. 225–231.
2. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение — Москва, 1974 г. — 278 с.
3. ДонНУ СКТБ «Турбулентность» [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://turbulence.uaprom.net/
4. Зори А. А., Кузнецов Д. Н. Методы и программно-аппаратные средства автоматизированной системы градуировки первичных измерительных преобразователей термоанемометров. Известия ТРТУ. Тематический выпуск: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные технологии в инженерной и управленч. деятельности». Таганрог: ТРТУ. — 2002 — № 2 (25). — c. 148–150.
5. Кузнецов Д. Н., Зори А. А., Кочин А. Е. Измерительные микропроцессорные системы скорости и температуры потоков газа и жидкости — Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2012 — 226 c.: ил. 125, табл. 16, библиогр. 95.
6. Раннев Г. Г. Информационно-измерительная техника и электроника. — М.: Академия, 2006. — 512 c.
7. Турбулентность — Дон [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://turbo-don.ru/
8. Турбулентность [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1188737
9. Ярин Л. П., Генкин А. Л., Кукес В. И. Термоанемометрия газовых потоков. — Л.: Машиностроение, 1983. —198 с.
10. Повх И. Л. Техническая гидромеханика. 2-е изд., доп. / Повх. И. Л. — Л.: Машиностроение, 1976. — 504 с.
11. Ярин Л. П., Генкин А. Л., Кукес В. И. Термоанемометрия газовых потоков. — Л.: Машиностроение, 1983. — 198 с.
12. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. ленингр. отд-ние. 1989. — 701 с.
13. Измерения в промышленности Справ. изд. В 3-х кн. Кн.2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем. / Под ред. Профоса П.– 2-е изд., перекраб. и доп. — М.: Металлургия, 1990. — 384 с.
14. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с франц. — М.: Мир, 1992. — 480 с.
15. Горлин С. М. и Слезингер И. И. “Аэромеханические измерения. Методы и приборы”, М. : Наука, 1964 г. — 720 с.
16. Ференец В. А. Полупроводниковые струйные термоанемометры. – М., «Энергия», 1972. — 112 с., іл.
17. Кузнецов Д. Н. Исследование ниточного термоанемометра постоянной температуры при различных перегревах нити / Кузнецов Д. Н., Чупис Д. А., Руденко A. C. / Зб.наук.пр. ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. — 2013. — Вип. 2 (25). — с. 225–231.