13 Конференция по гидроаэромеханике  Австралийского Университета Монаш, Мельбурн, Австралия 13-18 декабря 1998

Использование термоанемометра для измерения давления высокочастотным датчиком

Питер Д. Мюслей и Саймон Воткинс

Кафедре механики и технологии машиностроения
Мельбурнского королевского технологического института, Мельбурн, Виктория, Австралия

Email: pmousley@deakin.edu.au

Джон Д. Хупер

Турбулентное движение контрольно-измерительных приборов, с ограниченной имущественной ответственностью, 

Новый Южный Уэльс, Австралия

 Источник: http://www.afms.org.au/conference/13/Mousley.pdf

Автор перевода статьи: Руденко А.С.

Краткий обзор

Определения колебания полного и статического давлений от стенки в области турбулентного потока, является трудным. Для того чтобы проверить методологию, принятую датчиком давления Cobra, сигнал колебания давления центрального отверстия у четырех отверстного датчика давления был использован для измерения составляющей осевой  турбулентности скорости в свободной струе, с помощью небольшого приближения сигнала. Время, от которого зависит скорость, сравнивают с турбулентной осевой составляющей скорости, измеряемой термоанемометром, расположенным на оси струи на 10 мм выше по потоку относительно головки Cobra. Допустимое соответствие было продемонстрировано между двумя временными сигналами осевой турбулентной скорости.

Введение

Линеаризация колебаний сигнала давление передается через систему трубопроводов, корректирует изменение амплитуды и фазы, испытываемая различными частотами компонента исходного сигнала давления. Зонд Cobra  (Хупер и Масгрув, 1997) основан на линеаризации сигнала давления через каждую из своих труб, которые соединяют головку на преобразователе, чтобы обеспечить реконструкцию динамических полей скорости и давления, измеряемых на головке. Благодаря использованию калибровки поверхности, данные давления преобразуются в динамику изменения вектора мгновенной скорости, относительно угла наклона, относительно угол отклонения и местного статического давления. Сигналы давления зонда Cobra линеаризованы при помощи обратного преобразования метода Фурье, предложенные Ирвином (1979). Этот метод включает преобразование давления сигнала Фурье в частотную область, делением на комплексную передаточную функцию последующим обратным преобразования Фурье во временную область. Линеаризованные данные о давлении затем используются в калибровании поверхностей. Передаточная функция давления труб, касающиеся динамическое давление в головке зонда при датчиках давления важна для получения линеаризованных динамических сигналов давления. Требуемая передаточная функция может быть получена либо теоретически, либо экспериментально. Оба метода были использованы и сравнены в настоящем документе.

Целью этого эксперимента было принять одновременные измерения в области турбулентного потока, с термоанемометром и зондом Cobra так чтобы можно было получить колебания скорости сигнала и спектрального сравнения. Передаточная функция давление трубы зонда Cobra, определяемая с помощью небольшого анализа сигнала и скорости теплового сигнала проволоки, также в сравнении с передаточными функциями определяется теоретически и экспериментально с помощью других методов.

Экспериментальный метод

1.0 кВ центробежного вентилятора при условии средней интенсивности турбулентности, однофазный поток воздуха, который подается через сетку, сокращающую турбулентность последующим 8:01 снижением. Выход струи круглый, 40 мм диаметром трубы. Тесты проводились при средней скорости 25 м/с, с осевой интенсивностью турбулентности в размере 5% в точке измерения.

Однопроводной термоанемометром был размещен к среднему потоку, 90 мм к низу от выхода струи. Нагреваемый провод 25 мм общей длиной с зазором 2 мм в длину, 5 мм вольфрама диаметром активной части. Длина провода в 25 мм была использована для ослабления эффекта препятствия потока от горячего провода зонда вилки на поток с зондом Cobra. Нить накала была откалибрована с зондом Cobra, чтобы сократить погрешности, связанные с воздействием зонда Cobra на поток горячего провода. Нелинеаризованная выработка с мостовой схемы  горячей проволоки была использована для всех измерений. Данные были записаны при помощи 16-битного цифрового рекордера Sony (которая включает в себя сглаживание фильтров 8-го порядка) на цифровые аудио кассеты (DAT) в 12 кГц.

Головка зонда Cobra размещена вниз на 10 мм по потоку, непосредственно от активной части горячей проволоки (100 мм от выхода струи). Максимальные внешние размеры головки зонда 2.6 мм. Головка зонда была приведен в соответствие с потоком так, что давления на три внешние отверстия были все сбалансированы. Это показывает, что средний шаг и углы наклона были равны нулю и что центральное отверстие было приведено в соответствие со средним потоком. Каждый из четырех напорных труб присоединенных от головки зонда Cobra преобразователи были 270 мм в длину и с внутренним диаметром 0,5 мм. Все объемы преобразователя были 5 мм. Эти размеры были использованы при определении теоретической функции передачи трубки. Выход моста из центрального отверстия преобразователя зонда Cobra, был низкочастотной фильтрации (с -3 дБ в точке 2 кГц), и данные одновременно записывались с нити накала на счетчик контроля сбора данных.

Анализ малого сигнала зонда Cobra. Сигнал давление и сравнение с термоанемометрическим сигналом скорости.

Так как скорость и давление связаны по квадратичному закону, то обычно невозможно непосредственно сравнить термоанемометрические сигнала скорости с динамическим сигналом  давления, используя линейные методы идентификации сигнала. Однако, используя анализ малого сигнала из сигнала давления и составляет некоторые приблизительные значения, поэтому можно составить линейную зависимость между сигналом скорости и сигналом динамического давления. При формировании линейной зависимостью, подразумевается, что средний поток в осевом направлении, т.е. статическое давление в струе равно атмосферному статическому давлению и, что статическое давление колебаний значительно меньше по величине, чем общие колебания давления. С этих приблизительных данных и допущений, можно показать, что время, от которого зависит сигнал давления связано со скоростью сигнала, уравнение 1, где: р(Т) время колебаний давления, р – плотность воздуха, U(Т) осевая составляющая скорости колебания временного ряда, а U является средней скоростью в осевом

P(t) = pUu(t).                                                                                           (1)

 Уравнение 1 можно переделать, чтобы выяснить за какое время скорость получает сигнал колебания давления

u(t) = p(t) / pU,                                                                                          (2)

 Для этих тестов средняя скорость принимается за среднюю скорость нити накала.

 На Рисунке1. указано движение сигнала колебания скорости зонда Cobra (показан малый сигнал анализа не линеаризованного сигнала давления) с сигналом колебания скорости нити накала.

Рисунок1 – Сравнение нити накала и не линеаризованного сигнала колебания скорости зонда Cobra

Для ясности, только очень короткий период времени отображается, но протекание продолжаются в рекордно короткие сроки. Следует отметить, что скорость зондирующего сигнала Cobra была сдвинута во времени. Это корректирует временной лаг из-за потока, движущегося от горячего провода к контактной головке Cobra и для передачи волны давления через трубопровод системы зонда Cobra к зонду преобразователей.

На рисунке 1 показано, что скорость сигнала от зонда Cobra как правило, следует,  с нагретой проволоки, но более высокие частотные компоненты были ослаблены. Спектральный анализ подтверждает, что с диапазоном частоты зонда Cobra происходит резкий спад, начиная с 200 Гц, в то время как термоанемометрической спектр не падает до 350 Гц. На рисунке 2 показано сравнение мощности сигнала скорости спектра от горячего провода, и зонд Cobra. Резкий спад в термоанемометрическом спектре мощности показывает, что поток не был полностью разработан и не содержали широкополосной турбулентности.

Рисунок 2 – Сравнение спектров мощности

Рисунок 3 – Сравнение колебаний скорости сигнала нити накала и линеаризованного зонда Cobra

Используя  экспериментальную передаточную функцию, созданную с источником равномерного спектрального шума (см. следующий раздел) давление сигнала зонда Cobra был линеаризован, и использован в анализе малого сигнала для линеаризованного сигнала скорости. Та же последовательность сигнала времени, указанная на рисунке 1 показана на рисунке 3, с линеаризованной сигналом скорости зонда Cobra на месте не линеаризованного сигнала. Очевидно, что более высокие частотные составляющие сигнала скорости были расширены и сигнал как правило, лучше прослеживает высокочастотные компоненты термоанемометрической сигнала, чем нелинеаризованными сигнала. Это наблюдается на Рисунке.3, что нижний частотный компонент сигнала коррелирует достаточно хорошо. Следует также отметить, что выше частота  достигнута во временном сигнале, который не коррелируют также как и низкочастотные компоненты, происходят с периодами примерно равными по времени, необходимому для перенесения потока с горячей проволоки к головке зонда Cobra. Это означает, что структуру турбулентного потока изменили в 10 мм пространственного  перевода и повлияло на результаты. Степень модификации структуры потока в пространственный перевод от горячего провода к контактной головке Cobra может быть определена путем повторения эксперимента со вторым термоанемометром вместо зонда Cobra. Кроме того, неосевые составляющие переносят жидкую массу, как видно, по горячей проволоке на расстоянии от головки зонда Cobra, который также влияет на время, зависящее от сигнала скорости.

Сравнение передаточных функций

Используя анализ малого сигнала, можно было непосредственно сравнивать передаточную функцию между горячей проволокой и сигналом зонда Cobra  к передаточным функциям напорной трубы зонда Cobra вычисляемые теоретически и из других экспериментальных данных.

Передаточные функции напорной трубы зонда Cobra были рассчитаны теоретически с помощью теории Берга и Тиждермана (1965), используемые Холмсом и Льюисом (1987), и показанные на рисунке 4. Экспериментальные функции передачи была определена путем размещения головки зонда Cobra в канале со встроенным усилителем на одном конце и открытую на другом. Уровень громкости B & K  был помещен рядом с головкой зонда (в течение одной четверти длины волны самой высокой частоты) и использован в качестве ссылки. Громкоговоритель подавался белый шум и одновременно брались измерения от датчика и микрофона для вычисления передаточной функции. Экспериментальные белый шум передаточной функции показано на Рисунке 4.

Передаточную функцию между горячей проволокой и зондом  Cobra определяли с помощью небольшого анализа сигнала с центрального отверстия сигнал давления зонда Cobra и горячей проволоки сигнала скорости. Как подробно описано в предыдущем разделе, анализ малого сигнала  давления зонда Cobra может обеспечить колебания сигнала скорости, которые будут использоваться в линейном анализе сигнала. Экспериментальные термоанемометрические передаточные функции также показаны на Рисунке 4.

Рисунок 4 – Сравнение трубных передаточных функций

Сравнение передаточных функций давления трубки зонда Cobra от различных методов показывает значительные различия. Экспериментальные передаточные функции шума с равномерным спектром значительно меньше величины, чем теоретическая функция передачи, но это, как полагают за счет геометрических признаков давление трубки. Резкий правый угол сгибается возле головы зонда и другого относительно меньшего по радиусу изгибу около преобразователей, что производят больше ослабление сигнала, чем прогнозируется, используя теорию Берга и Тиждермана (1965), который выполняется по отношению к прямой трубе или трубе с большим изгибом радиусов. Подробные геометрические признаки трубы не были учтены в теоретическом расчете передаточной функции.

Передаточная функция прогнозируемая от горячего провода и центральное отверстие сигнала давления зонда Cobra (обозначенный «Горячий провод» на рис.2) имеет последовательно более низкую величину, чем другие возможные значения. Наиболее вероятной причиной этого несоответствия является то, что колебания статического давления значительно меньшей величины. Таким образом, предположение о том, что компонент колебания сигнала статического давления был незначительным, и может быть не убедительным, то Уравнение 2 признается недействительным. Спектр мощности сигнала статического давления определяется от поверхностей калибровки датчика Cobra, используя все четыре сигнала давления от датчика, что показывает в частях спектра значительное колебание статического давления (рис. 5).

Рисунок 5 – Спектр статической мощности давления

Сигнал Последовательности

Участок последовательности между анализом малого сигнала с центральным отверстием сигнала давления зонда Cobra, сигнал давления и сигналом скорости горячей проволоки  показано на рисунке 6. Отмечено, что когерентность на спаде всего лишь до 0,4 на 100 Гц (что соответствует неожиданному провалу в передаточной функции, образованному с данных горячей проволоки) и, что когерентность меньше 0,3 выше 480 Гц. Эти регионы низкокогерентное соответствуют областям малой мощности сигнала (см. спектры мощности показаны на рисунке 2) и предлагается, что сигнал отклонения слишком мал, чтобы быть точно измеренным, используя измерительное оборудование. Повторив тест с более развитым потоком может привести к большей когерентности в более широком диапазоне. Кроме того, как обсуждалось в предыдущих разделах, турбулентный поток структурных изменений между горячей проволокой и головки зонда Cobra, таким образом уменьшает уровень сигнала когерентности, особенно на высоких частотах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Термоанемометр был использован, чтобы сравнить частотную характеристики трубной системы зонда Cobra с теоретическими и экспериментальными данными полученными ранее. Анализ в режиме малого сигнала давления зонд Cobra производит колебание сигнала скорости, если сравнивать с сигналом скорости горячей проволоки.

Спектральный анализ сигнала скорости, показал, что более высокие частотные компоненты сигнала датчика Cobra были ослабляется больше, чем при тестировании теоретического и белого шума. Было обнаружено, что некоторые частотные компоненты колебаний статического давления были достаточно большими по величине, чтобы привести к ошибкам, связанными с принятием анализа малого сигнала, чем колебаний статического давления, что значительно меньше по величине, чем общие колебания давления.

Значительная взаимосвязь между горячей проволокой и временного сигнала зонда Cobra   скорости осевой турбулентности.

Ссылки

1. Берг Х., и Тиждерман, H., «Теоретические и экспериментальные результаты для динамических характеристик систем измерения давления», доклад Нац. Авиационного, и научно-исследовательского института NLR-TRF 238, 1965. Жд. Холмс, и Ре. Льюис, «Оптимизация динамических систем измерения давления 1: отдельное измерение точки», Аэродинамика, 25, 1987. – с. 249-273.

2. Жд. Хупер,  и Ар. Масгрув, «Напряжений Рейнольдса, средняя скорость и динамические измерения статического давления по четырем отверстиям датчика давления», Экспериментальные тепловые и жидкостные науки, 15/4, 1997. – с. 375-383.

3. Ирвин H.P.A.H., Купер, К.Р. и Жирар, Р., «Численные поправки давления по полю через трубку системы», Аэродинамика, 5, 1979. – с. 93-102.