Грюк Володимир Ігорович

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра електронної техніки

Спеціальність Електронні системиі

Розробка електронної системи для градуювання і дослідження термоанемометрів

Науковий керівник: к. т. н., доц. Кузнєцов Дмитро Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі досліджень
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 4. Поточні результати
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Термоанемометри (ТА) знайшли широке застосування для виміру швидкостей газових потоків. Вони мають високу чутливість у широкому діапазоні вимірюваних швидкостей, прості у виготовленні, не містять дорогих елементів і мають вихідний електричний сигнал, який не потребує додаткового підсилення. Зокрема, ТА успішно застосовують:

• для контролю швидкостей і витрат вентиляційних потоків при будівництві різних архітектурних споруд і в процесі їх експлуатації;
• для проведення дослідницьких робіт з вивчення динамічних параметрів турбулентних течій;
• для вимірювання концентрації вибухонебезпечних газів;
• в автомобілебудуванні для оптимізації роботи карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння;
• при дослідженні і контролі обтікання складних тіл потоками газу;
• для вимірювання витрати газів в трубах великого діаметру та тощо. [1].

1. Актуальність темы

В даний час актуальною є завдання вимірювання швидкості повітряного потоку в системах обліку витрати, екологічного моніторингу і в системах промислової вентиляції. Потік повітря в промислових і вентиляційних каналах має переважно турбулентний, хаотичний характер і тривимірну структуру; істотним є динамічна, пульсационной складової швидкості. Це висуває все більш високі і жорсткі вимоги до метрологічних і експлуатаційних характеристиках вимірників швидкості повітря.

У цьому зв’язку виникла необхідність розробки технічних засобів, що дозволяють експериментально визначати статичні і динамічні характеристики датчиків швидкості і оцінювати вплив на метрологічні характеристики умов проведення вимірювань, конструктивних особливостей і матеріалів вимірювальних перетворювачів. Аналіз показав, що одним з небагатьох приладів, що задовольняє вимогам, що пред’являються до засобів вимірювання характеристик турбулентних течій, є времяпролетного термоанемометр. Чутливий елемент ТА практично не вносить збурень у потік, має малу інерційність і не залежить від зміни температури середовища [2].

2. Мета і задачі досліджень

Метою роботи є розробка і дослідження времяпролетного термоанемометра, а так само оцінка його метролагіческіх характерістік.Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані наступні основні завдання :

1. Огляд методів і засобів вимірювань локальних швидкостей і температур газових потоків.
2. Розробка  термоанемометра, свідчення якого будуть інваріантними до змін температури потоку газу.
3. Статична градуювання  термоанемометра.
4. Оцінка динамічних характеристик термоанемометра.
5. Обгрунтування структурної схеми електричної системи реєстрації сигналу термоанемометра.

3. Огляд досліджень та розробок

Питання визначення швидкості газових потоків широко досліджуєте і разроблюється в багатьох розвинених країнах, таких як:

• Росія (науково-виробниче об’єднання Турбулентність-ДОН);  
• Канада (компанія ТрансКанада Пайплайнз);
• не винятком стала Україна (ООО ДП УКРГАЗТЕХ і спеціальне конструкторсько-технологічне бюро Турбулентність Донецького національного університету).

Перераховані наукові центри і промислові компанії спеціалізіруються на вирішення цілого ряду практичних завдань у промисловості, екології, охорони праці та здоров’я. Для цього необхідно визначати динамічні та теплові характеристики вимірювачів швидкості і температури повітряних потоків. Це і контроль параметрів систем вентиляції та кондиціонування, мікроклімату в житлових і виробничих приміщеннях, кабінах та салонах транспортних засобів, димовідвідних каналах і трубах.

Прилади, використовувані для таких вимірювань, повинні володіти широким діапазоном, як за швидкістю (від десятих часток до декількох десятків метрів в секунду), так і по температурі (від десятих часток до декількох сотень градусів), високої чутливістю в області малих перепадів тиску (одиниці Паскаль). Вони повинні бути прості і надійні в експлуатації, забезпечувати індикацію вимірюваного параметра в одиницях фізичних величин. Цим вимогам в повною мірою задовольняють сучасні термоанемометри.

У спеціальному конструкторсько-технологічному бюро Турбулентність Донецького національного университета розроблено і випускається декілька модифікацій таких термоанемометрический приладів:

- Термоанемометр АИСТ-5. Автономний вимірювач швидкості і температури повітряного потоку;

- Термоанемометр ИРИТ-4. Індикатор витрати і тяги;

- Термоанемометр ИСРВ-2. Витратомір газу термоанемометрический [3].

4. Поточні результати

Основной областю застосування термоанемометрів є визначеня малих шуидкостей повітряних потоків. Це пов’язано з тим, що інші анемометри в даній області не можуть дати однозначних свідчень, які б не залежали від зміни температури самого потоку.

Датчик розробленого  ТА складається з двох паралельних вольфрамових дротиків діаметром 5 мкм і довжиною 5 мм, розташованих перпендикулярно потоку газу на відстані L = 3 мм один щодо іншого (див. рис.1).

На перший дротик Rt1 подаються імпульси напруги, і вона випромінює теплові мітки, які переноситися потоком газу і реєструються за допомогою другої зволікання Rt2. За часом запізнювання τ сигналу другого зволікання щодо першої визначають швидкість потоку.

При цьому на час поширення теплових міток не впливає температура потоку і його компонентний склад. Тобто показання ТА будуть інваріантні до зміни температури і складу потоку.

Схемотехніка ТА. Функціональна схема розробленого ТА представлена ​​на рисунку 2. Модуль мікроконтролера (МК) формує сигнал нагріву заданої форми і частоти, який через цифроаналоговий перетворювач (ЦАП) і підсилювач потужності (ПП) подається на перший дротик Rt1 датчика ТА. Теплові мітки переносяться потоком і реєструються другим дротиком Rt2, який включений в вимірювальний міст термометра. Вимірювальний сигнал посилюється диференціальним підсилювачем (ДП) і через аналого-цифровий перетворювач вводиться в модуль МК. Накопичуються в результаті вимірювань масиви даних передаються в персональний комп’ютер для цифрової обробки [4].

Дослідний зразок ТА, який реалізує описаний вище алгоритм функціонування був виготовлений за допомогою модуля Arduino Uno на базі мікроконтролера ATmega328. До складу даного МК входить 10-розрядний АЦП, проте немає вбудованого ЦАП. Найпростіший ЦАП був реалізований на базі 8-розрядного широтно-імпульсного модулятора (ШІМ) з додаванням до виходу ШІМ RC-фільтра нижніх частот першого порядку [5].

В якості вихідного сигналу нагріву використовувалося синусоїдальна напруга частотою 200 Гц з амплітудою і зміщенням 0,5 В. Частота дискретизації була обрана рівної 8 кГц.

Експериментально визначено, що для впевненої реєстрації слабкого сигналу від впливу теплових міток на Rt2 коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача ДП по напрузі повинен складати близько 1000.

Экспериментальне градуювання ТА проводилося в аеродинамічному стенді АДС-200/250 в діапазоні швидкостей від 1 до 4 м/с при температурах повітряного потоку 25 і 40 С. У кожній точці по швидкості виконувалася реєстрація вихідного сигналу нагріву і посиленого прийнятого сигналу. Типовий вид цих сигналів наведений на рисунку 3. З результатів видно, що прийнятий сигнал спотворений шумами і зміщенний по фазі щодо вихідного сигналу [6].

Масиви вимірювальних даних накопичувалися і оброблялися в комп’ютері. Для визначення тимчасового запізнювання прийнятого сигналу щодо вихідного обчислювалася кореляція сигналів.

де n — обсяг вибірки (10000 точек); xi и yi — масиви дискретних значень вихідного і прийнятого сигналів відповідно; k — взаємне зміщення сигналів.

Кореляція (2) обчислювалася при різних зміщеннях k, будувалася кореляційна функція (див. рис. 4) і визначалося зміщення kмах, відповідне максимуму кореляційної функції [7], [8].

Уточнення функції визначення швидкості потоку. З допомогою експериментальних даних визначили, що із зростанням швидкості потоку запізнювання τ приравнюється не к 0, а до деякого значенням τ(∞). Це пояснюється впливом інерційності датчика і вимірювальних ланцюгів ТА.

Обчислення невідомих коефіцієнтів А і В градуировочной функції (3) здійснювалося за допомогою функції нелінійної регресії GENFIT програми MathCad. У результаті отримали, що А = 16,1 мс; В = 14,8 мм. На малюнку 6 наведено розподіл відносної похибки апроксимації за швидкістю потоку в діапазоні досліджуваних швидкостей. З результатів випливає, що похибка апроксимації не перевищує ± 2 %.

Результати експериментальних досліджень показали, що при зміні температури потоку з 25 С до 40 С функція перетворення не зміщується, а значить, свідчення розробленого ТА інваріантні до змін температури потоку.

Висновки

1. У ході виконання роботи було запропонованого рівняння (3) градуювальної характеристики розробленого времяпролетного ТА, який забезпечує апроксимацію експериментальних даних градуювання з відносною похибкою за швидкістю не більше ± 2 %.
2. На підставі експериментальних результатів градуювання визначені основні метрологічні характеристики термоанемометра і сформульовані вимоги до АЦП схеми обробки сигналів.
3. Показання ТА інваріантні до змін температури потоку газу, що дозволяє виконувати його градуювання при довільній температурі.
4. При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

1. Кузнецов Д. Н., Чупис Д. Н., Руденко А. С. 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. — 278 с.
3. ДонНУ СКТБ «Турбулентність» [Електронний 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). — С. 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 с.: ил. 125, табл. 16, библиогр. 95.
6. Раннев Г. Г. Информационно-измерительная техника и электроника. — М.: Академия, 2006. — 512 с.
7. Турбулентність — Дон [Електронний ресурс]. — Режим доступа: http://turbo-don.ru/
8. Турбулентність [Електронний 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 А. С. / Зб. наук. пр. ДонНТУ. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація. — 2013. — Вип. 2 (25). — с. 225–231.