ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме магистерской работы

Содержание

Введение

Термоанемометры (ТА) получили широкое распространение для измерения различных физико-химических параметров газовых потоков. В частотности, 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. [4].

1. Актуальность темы

В настоящее время актуальной является задача разработки технических средств для экспериментального определения динамических характеристик измерителей скорости и температуры газовых потоков. На кафедре электронной техники ДонНТУ совместно с СКТБ «Турбулентность» ДонНУ начаты работы по созданию соответствующего испытательного оборудования в виде ряда специализированных аэродинамических стендов. В связи с этим возникла потребность в разработке образцового измерителя тонкой структуры турбулентности для выполнения работ по метрологической аттестации разрабатываемых стендов.   

Анализ показал, что одним из немногих приборов, удовлетворяющим требованиям, предъявляемым к средствам измерения характеристик турбулентных течений, является термоанемометр с нагретой нитью (далее – ТА). Чувствительный элемент ТА практически не вносит возмущений в поток, имеет высокую пространственную разрешающую способность для измерений микромасштабов турбулентности и малую инерционность при измерении пульсаций [9].

 

2. Цель и задачи исследований

Целью работы является разработка и исследование ниточного ТА для измерений тонкой структуры турбулентных газовых потоков в специализированных аэродинамических стендах. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы следующие основные задачи:

1.     Обзор методов и средств измерений локальных скоростей и температур газовых потоков;

2. Разработка ниточного термоанемометра постоянной температуры для исследования тонкой структуры турбулентности потоков газа;

3.     Статическая градуировка ниточного термоанемометра и уточнение уравнения теплового баланса;

4.     Оценка динамических характеристик термоанемометра;

5.     Обоснование структурной схемы электрической системы регистрации сигнала термоанемометра;

6.     Использование метода трех перегревов для разделения сигналов скорости и температуры.

3. Обзор исследований и разработок

В России  научно-производственное объединение «Турбулентность-ДОН»  создано в 1996 году и специализируется на разработке и производстве средств коммерческого учета газа, жидкости, тепловой энергии, систем телеметрии,  а также осуществляет метрологическое обслуживание расходомеров, широкий комплекс услуг по проектированию и строительству систем учета энергоресурсов. По объему выпускаемой продукции компания занимает лидирующие позиции в стране. ООО НПО «Турбулентность-ДОН» – разрабатывает и производит такие приборы учета: стационарные и переносные расходомеры газа термоанемометрические; коммунально-бытовые счетчики газа; струйные расходомеры газа; стационарные и переносные расходомеры жидкости (в том числе сточных вод); комплексы учета тепловой энергии; системы телеметрии; датчики давления; поверочное оборудование; а также оказывает широкий спектр услуг по поверке, обслуживанию, ремонту, испытанию всех типов расходомеров газа [6].

В Украине для решения целого ряда практических задач в промышленности, экологии, охраны труда и здоровья 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. тим требваниям 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 [2].

На локальном уровне в ДонНТУ похожими вопросами, связанные с разработкой термоанемометров для определения тонкой структуры турбулентности потоков газа, занимались такие магистранты как: Чуйко В.А., Морозов А.А., Цыбулька В.С., Тимошенко И.Н.


4. Текущие  результаты

Основной областью применения термоанемометров является изучение неустановившихся движений и турбулентности воздушных потоков. Турбулентность – это трехмерное нестационарное движение, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение пульсаций скорости в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями течения [1].

Понятие турбулентных и ламинарных потоков ввел в 1883 г. английский физик О. Рейнольдс, изучая движение жидкости в трубе. При небольших скоростях движение регулярно, но когда отношение сил инерции к вязким силам (число Рейнольдса Re=ud/v, где u – характерная скорость потока, d – характерный размер потока, в данном случае диаметр трубы, v – коэффициент  кинематической вязкости) превзойдет некоторое критическое значение (ReK =103), то движение теряет устойчивость и становится более или менее беспорядочным. При этом в потоке появляются беспорядочные вихри разных размеров, и скорость потока в каждой точке меняется случайным образом со временем. Эти вихри могут дробиться или иногда сливаться между собой. Чем больше число Re превышает ReK, тем интенсивнее идут эти процессы [7].

Чтобы непосредственно наблюдать турбулентность, нужно сделать видимым движение потока воды или воздуха. В воздухе это легко осуществить при помощи дыма. На рисунке 1 показано турбулентное движение газа [8].

Турбулентное движение газа (анимация: 7 кадров, 6 циклов повторения, 142 килобайт, задержка между кадрами – 100 мс, задержка между повторами – 200 мс)

Рисунок 1 – Турбулентное движение газа (анимация: 7 кадров, 6 циклов повторения, 142 килобайт, задержка между кадрами – 100 мс, задержка между повторами – 200 мс)

 Схемотехника ТА. Функциональная схема разрабатываемого ТА постоянной температуры представлена на рисунке 2. Основным элементом ТА является измерительный мост Уитстона с датчиком Rt, включенным в одно из его плеч, и усилитель с обратной связью, с высоким коэффициентом усиления. Для измерения турбулентных пульсаций потока усилитель должен обеспечивать равномерную частотную характеристику в полосе от 0 до 20 кГц. Принципиальная электрическая схема разработанного опытного образца ТА представлена на рисунке 3.

2

Рисунок 2 –Функциональная схема разрабатываемого ниточного ТА

 постоянной температуры.

 

3

Рисунок 3 – Принципиальная электрическая схема опытного образца ТА

Измерительный мост ТА построен по классической схеме. В одно из плеч включен проволочный датчик Rt термоанемометра. Чувствительный элемент датчика изготовлен из вольфрамовой проволоки диаметром 8 мкм. Нить приварена к державкам, расположенным на расстоянии 4,5 мм при помощи точечной сварки для обеспечения надежного электрического контакта и механической прочности соединения. Датчик закреплен на суппорте, обеспечивающим жесткость конструкции.

Для балансировки нуля моста и задания перегрева датчика на этапе экспериментальных исследований использован магазин сопротивлений Rvar. После подбора оптимального значения сопротивления он должен быть заменен постоянным резистором. Соотношение плеч Rt и Rvar выбрано 1:10. Питание измерительного моста осуществляется постоянным током.

Усилитель ТА выполнен по схеме измерительного усилителя на трех операционных усилителях (далее – ОУ). Такое схемотехническое решение позволило обеспечить большой коэффициент усиления, высокое входное сопротивление и хорошее подавление синфазной помехи [3]. При равенстве R7/R6=R5/R4 выходное напряжение данного усилителя определяется выражением:

                                                                                   f1  .                                                                                         (1)


      Использование дискретных ОУ позволило осуществить подбор пассивных элементов для обеспечения оптимальных параметров схемы. В частности реализована возможность частотной коррекции прибора.

   Отличительной особенностью данного ТА является применение в цепи обратной связи полевого транзистора  IRF840 с изолированным затвором, имеющим низкое сопротивление сток-исток во включенном состоянии (0,850 Ом) и малое время переключения (21-35 нс), что позволило улучшить частотную характеристику ТА в целом.

     Методика начальной настройки ТА. При выполнении начальной настройки ТА необходимо выполнить следующие операции:

  1.  Для перехода в режим настройки ключ S1 переводят в разомкнутое состояние, размыкая цепь обратной связи. При этом измерительный мост питается постоянным током через резистор R15.
  2. Производят балансировку нуля измерительного моста при помощи магазина сопротивлений Rvar и стрелочного индикатора баланса.
  3. Определяют сопротивление «холодной» нити при комнатной температуре по формуле (2).                                                                      
  4. Переводят ТА в режим работы, замкнув ключ S1.      
  5. Задают значение перегрева, используя зависимость температурного коэффициента сопротивления (ТКС) вольфрама и сопротивление нити датчика при известной комнатной температуре.
  6. Выполняют коррекцию частотной характеристики ТА. Для этого при помощи встроенного генератора прямоугольных импульсов, выполненного на микроконтроллере ATiny2313, подают на датчик тестовое воздействие в виде прямоугольных импульсов с частотой порядка 2 кГц и скважностью 2 [4]. Потенциометром Rf регулируют постоянную времени прибора. Оптимальной считают настройку, когда пики выходных сигналов наиболее острые, но срыв генерации еще не наблюдается.
Rt = Rvar / 10.                                                                                                                  (2)

Полученные в ходе натурных испытаний результаты позволили оценить электрическую постоянную времени измерительной схемы ТА, которая составила порядка 20 мкс, что обеспечивает требуемую полосу пропускания от 0 до 20 кГц.

Статическая градуировка ТА выполнялась в аэродинамическом стенде АДС-200/250 с использованием специализированной информационно-измерительной системы градуировки термоанемометрических датчиков [3]. Градуировка осуществлялась в диапазоне скоростей воздушного потока от 1,5 до 10 м/с при температурах потока от 20 до 45 0С. Для повышения достоверности результатов измерений градуировка была выполнена для трех однотипных ниточных датчиков (далее – датчики №1-№3) при трех различных перегревах нити: Tw = 100, 140 и 180 0С.

    

4

Рисунок 4 – Семейство зависимостей выходного напряжения ТА от скорости потока

 при различных температурах потока

Полученные результаты исследований позволили определить диапазоны изменений выходного напряжения ТА и чувствительности по скорости при различных температурах нити (см. табл. 1). На основании анализа полученных результатов сформулированы требования к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) схемы обработки сигналов ТА:

         - диапазон рабочих напряжений от 0 до 2,5 В;

         - разрядность при определении статических характеристик –  не менее 10;

         - разрядность при определении динамических характеристик – не менее 12.

 

Таблица 1 – Диапазоны изменений выходного напряжения ТА и чувствительности по скорости при минимальном и максимальном перегревах нити

Температура нити

Tw, 0С

Выходное напряжение ТА UТА, В

Чувствительность по

скорости S, В·с/м

100

1,05..1,65

0,03..0,085

180

1,55..2,25

0,08..0,125

 

Уточнение уравнения теплового баланса ТА. В качестве базового уравнения теплового баланса ТА для аппроксимации полученных при градуировке экспериментальных измерительных данных было выбрано рекомендованное в [5] выражение вида 

                                                                                                       P / (Tw – Tg) = (A + B(ρv)n) · (Tw / Tg)m,                                                                                 (3) 
   

где Р – мощность, подводимая к ЧЭ, Вт; Tw, Tg – температура ЧЭ и потока соответственно, К; ρυ – массовая скорость потока, кг/(м2·с); A, B, n и m – постоянные коэффициенты, определяемые при индивидуальной градуировке датчика.

         При обработке данных градуировки датчиков и анализе полученных в результате решения задачи нелинейной регрессии градуировочных коэффициентов было установлено, что степенная функция температурной коррекции 

                                                                                                                        (Tw / Tg)m ,                                                                                                          (4)


входящая в базовое уравнение (3) недостаточно точно описывает температурные зависимости коэффициентов А и В. На рисунке 5 приведен типовой вид зависимостей коэффициентов А и В от температуры потока Tg. Установлено, что для коэффициента А экспериментальная температурная зависимость хорошо аппроксимируется квадратичной функцией вида  

 

                                                                                                         A(Tg) = a2Tg2 + a1Tg + a0 ,                                                                                         (5)

 

а для коэффициента В – линейной функцией

B(Tg)=b1Tg+b0  .                                                                                                        (6)

 

Таким образом, уточненное уравнение теплового баланса принимает вид

P / (Tw – Tg) = A(Tg) + B(Tg) · (ρv)n.                                                                                   (7)

                                                     
                            
5

                                                                                   а)                                                                  б)

Рисунок 5 – Типовой вид зависимостей коэффициентов А и В от температуры потока Tg:

а) A(Tg); б) B(Tg)

 

         Предложенная методика расчета градуировочных коэффициентов для уточненного уравнения (7) заключается в следующем:

1)    Для базового уравнения (3) определяют значение коэффициента n.

2)    При фиксированном коэффициенте n=const определяют значения коэффициентов Ai и Bi соответствующих i-ой температуре потока (i=1..4).

3)    Аппроксимируют зависимость B(Tg) функцией (6).

4)    Уточняют значения Ai и аппроксимируют зависимость A(Tg) функцией (5).

5)    Выполняют оценку погрешностей аппроксимации экспериментальных данных градуировки уточненным уравнением (7).

За оценку погрешности аппроксимации данных градуировки выбрано относительное среднеквадратическое отклонение (СКО)

 8,                                                                                                (8)

 

где n – число точек градуировки; ρυапр и ρυ – значения массовой скорости, найденные соответственно при аппроксимации и экспериментально.

    Результаты расчета погрешностей градуировки при использовании базового и уточненного уравнений теплового баланса сведены в таблицу 2 и графически представлены на рисунке 6. Из результатов следует, что во всех случаях для разных датчиков и при разных перегревах уточненное уравнение теплового баланса ТА (7) обеспечивает уменьшение погрешности градуировки по сравнению с базовым уравнением (3) в среднем в 1,7 раза.

        

6

Рисунок 6– СКО аппроксимации экспериментальных данных градуировки базовым (3) и уточненным уравнениями (7)

Таблица 2 – Результаты расчета погрешностей градуировки при использовании простого и уточненного уравнений теплового баланса

 

Датчик №1

Датчик №2

Датчик №3

Tw, 0С

СКО_1, %

СКО_2, %

СКО_1, %

СКО_2, %

СКО_1, %

СКО_2, %

100

3

1,5

6,7

5,8

2,5

1,7

140

2,6

1,3

4,9

3,1

1,9

1,3

180

2,4

1,2

4

1,7

1,9

1,1

Выводы

В ходе выполнения работы было установлено, что электрическая постоянная времени измерительной схемы разработанного термоанемометра составляет 20 мкс, что обеспечивает требуемую полосу пропускания до 20 кГц необходимую для исследований тонкой структуры турбулентных тений.

На основании экспериментальных результатов градуировки определены основные метрологические характеристики термоанемометра и сформулированы требования к АЦП схемы обработки сигналов.

 Предложенное уточненное уравнение теплового баланса термоанемометра за счет учета температурной зависимости коэффициентов А и Вобеспечило увеличение точности градуировки примерно в 1,7 раза.

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. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение – Москва, 1974. – 278 с. 
  2. ДонНУ СКТБ «Турбулентность» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://turbulence.uaprom.net/
  3. 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.
  4. 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.     
  5. Раннев Г.Г. Информационно-измерительная техника и электроника. – М.: Академия, 2006.– 512 с.
  6. Турбулентность – Дон [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://turbo-don.ru/
  7. Турбулентность [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1188737
  8. Турбулентность в потоке жидкости или газа [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.physel.ru/mainmenu-4/eainmenu-15/198-s-193---.html 
  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. / И.Л. Повх. – Л.: Машиностроение, 1976. – 504 с.