ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи


Зміст

Вступ


Термоанемометри (ТА) отримали широке поширення для вимірювання різних фізико-хімічних параметрів газових потоків. У частотності, 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 турбентних течій; для вимірювання концентрації вибухонебезпечних газів; в автомобілебудуванні для оптимізації роботи карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння; при дослідженні та контролі обтікання складних тіл потоками газу; для вимірювання витрати газів у трубах великого діаметра і т.д. [4].

1. Актуальність теми

У цей час актуальною є задача розробки технічних засобів для експериментального визначення динамічних характеристик вимірювачів швидкості і температури газових потоків. На кафедрі електронної техніки ДонНТУ спільно з СКТБ "Турбулентність" ДонНУ розпочато роботи зі створення відповідного випробувального обладнання у вигляді ряду спеціалізованих аеродинамічних стендів. У зв'язку з цим виникла потреба у розробці зразкового вимірювача тонкої структури турбулентності для виконання робіт з метрологічної атестації розроблюваних стендів.

Аналіз показав, одним з небагатьох приладів, що задовольняє вимогам, які пред'являються до засобів вимірювання характеристик турбулентних течій, є термоанемометр з нагрітою ниткою (далі – ТА). Чутливий елемент ТА практично не вносить збурень в потік, має високу просторову роздільну здатність для вимірювань мікромасштабів турбулентності та малу інерційність при вимірюванні пульсацій [9].

2. Мета і задачі досліджень


Метою роботи є розробка та дослідження ниткового ТА для вимірювань тонкої структури турбулентних газових потоків у спеціалізованих аеродинамічних стендах. Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовані такі основні задачі:

1. Огляд методів та засобів вимірювань локальних швидкостей і температур газових потоків;

2. Розробка ниткового термоанемометра постійної температури для дослідження тонкої структури турбулентності потоків газу;

3. Статичне градуювання ниткового термоанемометра та уточнення рівняння теплового балансу;

4. Оцінка динамічних характеристик термоанемометра;

5. Обґрунтування структурної схеми електричної системи реєстрації сигналу термоанемометра;

6. Використання методу трьох перегрівів для розділення сигналів швидкості і температури.

3. Огляд досліджень та розробок


У Росії науково-виробниче об'єднання "Турбулентність-ДОН" створено в 1996 році і спеціалізується на розробці і виробництві засобів комерційного обліку газу, рідини, теплової енергії, систем телеметрії, а також здійснює метрологічне обслуговування витратомірів, широкий комплекс послуг з проектування та будівництва систем обліку енергоресурсів. За обсягом продукції, що випускається компанія займає лідируючі позиції в країні.

ТОВ НВО "Турбулентність-ДОН" – розробляє і виробляє такі прилади обліку: стаціонарні і переносні витратоміри газу термоанемометричні; комунально-побутові лічильники газу; струменеві витратоміри газу; стаціонарні і переносні витратоміри рідини (у тому числі стічних вод); комплекси обліку теплової енергії; системи телеметрії; датчики тиску; повірочне обладнання; а також надає широкий спектр послуг з повірки, обслуговування, ремонту, випробування всіх типів витратомірів газу [6].

В Україні для вирішення цілого ряду практичних завдань у промисловості, екології, охорони праці та здоров'я необхідно визначати динамічні та теплові характеристики 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, що використовуються 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), високою 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 повною мірою задовольняють сучасні термоанемометри.

У Спеціальному конструкторсько-технологічному бюро "Турбулентність" Донецького національного університету розроблено і випускається декілька модифікацій таких термоанемометрический приладів:

- Термоанемометр АВШТ-5. Автономний вимірювач швидкості і температури повітряного потоку.

- Термоанемометр ІВІТ-4. Індикатор витрати і тяги.

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

На локальному рівні в ДонНТУ схожими питаннями, пов'язані з розробкою термоанемометров для визначення тонкої структури турбулентності потоків газу, займалися такі магістранти як Чуйко В.А., Морозов О.О., Цибулька В.С., Тимошенко І.М.

4. Поточні результати

Основною областю застосування термоанемометров є вивчення несталих рухів і турбулентності повітряних потоків. Турбулентність – це тривимірний нестаціонарний рух, в якому внаслідок розтягування вихорів створюється безперервний розподіл пульсацій швидкості в інтервалі довжин хвиль від мінімальних, визначених в'язкими силами, до максимальних, що визначаються граничними умовами течії [1].

Поняття турбулентних і ламінарних потоків ввів в 1883 р. англійський фізик О. Рейнольдс, вивчаючи рух рідини в трубі. При невеликих швидкостях рух регулярний, але коли відношення сил інерції до в'язких сил (число Рейнольдса Re = ud / v, де u – характерна швидкість потоку, d – характерний розмір потоку, у даному випадку діаметр труби, v – коефіцієнт кінематичної в'язкості) перевершить деяке критичне значення (Reк = 103), то рух втрачає стійкість і стає більш-менш безладним. При цьому в потоці з'являються безладні вихори різних розмірів, і швидкість потоку в кожній точці змінюється випадковим чином з часом. Ці вихори можуть дробитися або інколи зливатися між собою. Чим більше число Re перевищує ReK, тим інтенсивніше йдуть ці процеси [7].

Щоб безпосередньо спостерігати турбулентність, потрібно зробити видимим рух потоку води чи повітря. У повітрі це легко здійснити за допомогою диму. На рисунку 1 показано турбулентний рух газу [8].


Турбулентний рух газу (анімація: 7 кадрів, 6 циклів повторення, 142 кілобайт, затримка між кадрами – 100 мс, затримка між повторами – 200 мс)

Рисунок 1 – Турбулентний рух газу (анімація: 7 кадрів, 6 циклів повторення, 142 кілобайт, затримка між кадрами – 100 мс, затримка між повторами – 200 мс)


Схемотехніка ТА. Функціональна схема ТА постійної температури, що розробляється представлена ​​на рисунку 2. Основним елементом ТА є вимірювальний міст Уітстона з датчиком Rt, включеним в одне з його плечей, і підсилювач зі зворотним зв'язком, з високим коефіцієнтом посилення. Для вимірювання турбулентних пульсацій потоку підсилювач повинен забезпечувати рівномірну частотну характеристику в смузі від 0 до 20 кГц. Принципова електрична схема розробленого дослідного зразка ТА представлена ​​на рисунку 3.

Результати експериментальних досліджень

Рисунок 2 – Функціональна схема  ниткового ТА постійної температури, що розробляється

Результати експериментальних досліджень

Рисунок 3 – Принципова електрична схема дослідного зразка ТА

Вимірювальний міст ТА побудований за класичною схемою. В одне з плечей включений дротяний датчик Rt термоанемометра. Чутливий елемент датчика виготовлений з вольфрамового дроту діаметром 8 мкм. Нитка приварена до державок, що розташовані на відстані 4,5 мм за допомогою точкового зварювання для забезпечення надійного електричного контакту і механічної міцності з'єднання. Датчик закріплений на супорті, що забезпечує жорсткість конструкції.

Для балансування нуля моста і завдання перегріву датчика на етапі експериментальних досліджень використаний магазин опорів Rvar. Після підбору оптимального значення опору він повинен бути замінений постійним резистором. Співвідношення плечей Rt і Rvar вибрано 1:10. Харчування вимірювального моста здійснюється постійним струмом.

Підсилювач ТА виконаний за схемою вимірювального підсилювача на трьох операційних підсилювачах (далі – ОП). Таке схемотехнічне рішення дозволило забезпечити великий коефіцієнт посилення, високий вхідний опір і хороше придушення синфазної перешкоди [3]. При рівності R7/R6 = R5/R4 вихідна напруга даного підсилювача визначається виразом:

                                      f1,                                                                                                              (1)

  Використання дискретних ОП дозволило здійснити підбір пасивних елементів для забезпечення оптимальних параметрів схеми. Зокрема реалізована можливість частотної корекції приладу.

Відмінною особливістю даного ТА є застосування в ланцюзі зворотного зв'язку польового транзистора IRF840 з ізольованим затвором, що має низький опір стік-витік у включеному стані (0,850 Ом) і малий час перемикання (21-35 нс), що дозволило поліпшити частотну характеристику ТА в цілому.

 

Методика початкового настроювання ТА. При виконанні початкового настроювання ТА необхідно виконати наступні операції:

1) Для переходу в режим налаштування ключ S1 переводять у розімкнутий стан, розмикаючи ланцюг зворотного зв'язку. При цьому вимірювальний міст харчується постійним струмом через резистор R15.

2) Проводять балансування нуля вимірювального моста за допомогою магазину опорів Rvar і стрілочного індикатора балансу.

3) Визначають опір "холодної" нитки при кімнатній температурі за формулою

Rt=Rvar/10,                                                                                                                           (2)

4) Перекладають ТА в режим роботи, замкнувши ключ S1.

5) Задають значення перегріву, використовуючи залежність температурного коефіцієнта опору (ТКО) вольфраму і опір нитки датчика при відомій кімнатній температурі.

6) Виконують корекцію частотної характеристики ТА. Для цього за допомогою вбудованого генератора прямокутних імпульсів, виконаного на мікроконтролері ATiny2313, подають на датчик тестове вплив у вигляді прямокутних імпульсів з частотою порядку 2 кГц і шпаруватістю 2 [4]. Потенціометром Rf регулюють постійну часу приладу. Оптимальною вважають настройку, коли піки вихідних сигналів найбільш гострі, але зрив генерації ще не спостерігається.

Отримані в ході натурних випробувань результати дозволили оцінити електричну постійну часу вимірювальної схеми ТА, яка склала близько 20 мкс, що забезпечує необхідну смугу пропускання від 0 до 20 кГц.

Статична градуювання ТА виконувалася в аеродинамічному стенді АДС-200/250 з використанням спеціалізованої інформаційно-вимірювальної системи градуювання термоанемометрический датчиків [3]. Градуювання здійснювалася в діапазоні швидкостей повітряного потоку від 1,5 до 10 м / с при температурах потоку від 20 до 45 0С. Для підвищення достовірності результатів вимірювань градуювання була виконана для трьох однотипних ниткових датчиків (далі – датчики № 1 – № 3) при трьох різних перегрівах нитки: Tw = 100, 140 і 180 0С.

В результаті експерименту для кожного датчика були визначені залежності вихідної напруги ТА від швидкості потоку при чотирьох температурах: Tg = 23, 30, 38 і 45 0С (див. рис. 4).

5u

Рисунок 4 – Сімейство залежностей вихідної напруги ТА від швидкості потоку при різних температурах потоку

    Отримані результати досліджень дозволили визначити діапазони змін вихідної напруги ТА і чутливості за швидкістю при різних температурах нитки (див. табл. 1). На підставі аналізу отриманих результатів сформульовані вимоги до аналого-цифрового перетворювача (АЦП) схеми обробки сигналів ТА:

- Діапазон робочих напруг від 0 до 2,5 В;

- Розрядність при визначенні статичних характеристик – не менше 10;

- Розрядність при визначенні динамічних характеристик – не менше 12.

 

Таблиця 1 – Діапазони змін вихідної напруги ТА і чутливості за швидкістю при мінімальному і максимальному перегрівах нитки

 

Температура нитки

Tw, 0С

Вихідна напруга ТА UТА, В

Чутливість по

швидкості S, В·с/м

100

1,05..1,65

0,03..0,085

180

1,55..2,25

0,08..0,125

Уточнення рівняння теплового балансу ТА. В якості базового рівняння теплового балансу ТА для апроксимації отриманих при градуюванні експериментальних вимірювальних даних було вибрано рекомендоване в [5] вираз виду

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


де Р – потужність, що підводиться до ЧЕ, Вт; Tw, Tg – температура ЧЕ і потоку відповідно, К; ρυ – масова швидкість потоку, кг/(м2·с); A, B, n і m – постійні коефіцієнти, що визначаються при індивідуальному градуюванні датчика.

При обробці даних градуювання датчиків та аналізі отриманих в результаті рішення задачі нелінійної регресії коефіцієнтів, що градуюють було встановлено, що ступенева функція температурної корекції

 (Tw / Tg)m ,                                                                                                                 (4)

       

що входить в базове рівняння (3) недостатньо точно описує температурні залежності коефіцієнтів А і В. На малюнку 5 наведено типовий вид залежностей коефіцієнтів А і В від температури потоку Tg. Встановлено, що для коефіцієнта А експериментальна температурна залежність добре апроксимується квадратичної функцією виду

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

а для коефіцієнта В – лінійною функцією

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

Таким чином, уточнене рівняння теплового балансу приймає вигляд

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

5
   а)                                                                 б)

Рисунок 5  – Типовий вид залежностей коефіцієнтів А і В від температури потоку Tg:

а) A (Tg), б) B (Tg)

Запропонована методика розрахунку градуювальних коефіцієнтів для уточненого рівняння (7) полягає в наступному:

1) Для базового рівняння (3) визначають значення коефіцієнта n.

2) При фіксованому коефіцієнті n = const визначають значення коефіцієнтів Ai і Bi відповідних i-ой температурі потоку (i = 1 .. 4).

3) Апроксимується залежність B (Tg) функцією (6).

4) Уточнюють значення Ai і апроксимують залежність A (Tg) функцією (5).

5) Виконують оцінку похибок апроксимації експериментальних даних градуювання уточненими рівнянням (7).

За оцінку похибки апроксимації даних градуювання вибрано відносне середньоквадратичне відхилення (СКВ)

f8u,                                                                                                 (8)

де n – число точок градуювання; ρυапр і ρυ – значення масової швидкості, знайдені відповідно при апроксимації та експериментально.

Результати розрахунку похибок градуювання при використанні базового і уточненого рівнянь теплового балансу зведені в таблицю 2 і графічно представлені на малюнку 6. З результатів випливає, що у всіх випадках для різних датчиків і за різних перегрівах уточнене рівняння теплового балансу ТА (7) забезпечує зменшення похибки градуювання в порівнянні з базовим рівнянням (3) в середньому в 1,7 рази.

6u

Рисунок 6 - СКВ апроксимації експериментальних даних градуювання базовим (3) і уточненими рівняннями (7)

Таблиця 2 - Результати розрахунку похибок градуювання при використанні простого і уточненого рівнянь теплового балансу

 

Датчик №1

Датчик №2

Датчик №3

Tw, 0С

СКВ_1, %

СКВ_2, %

СКВ_1, %

СКВ_2, %

СКВ_1, %

СКВ_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

Висновки


У ході виконання роботи було встановлено, що електрична постійна часу вимірювальної схеми розробленого термоанемометра становить 20 мкс, що забезпечує необхідну смугу пропускання до 20 кГц необхідну для досліджень тонкої структури турбулентних течій.

На підставі експериментальних результатів градуювання визначено основні метрологічні характеристики термоанемометра і сформульовані вимоги до АЦП схеми обробки сигналів.

Запропоноване уточнене рівняння теплового балансу термоанемометра за рахунок обліку температурної залежності коефіцієнтів А і В забезпечило збільшення точності градуювання приблизно в 1,7 рази.

Перелік посилань

  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.