УДК 533.6.013.12

ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА МАЛОГО АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СТЕНДА

 ГРАДУИРОВКИ И ИССЛЕДОВАНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ ТЕРМОАНЕМОМЕТРОВ

Кузнецов Д.Н., Лебедев В.Н., Левченко А.Н.

ДонНТУ, кафедра «Электронная техника»

ДонНУ, СКТБ «Турбулентность»

Источник: http://archive.nbuv.gov.ua/portal/natural/Npdntu_ota/2010_19/GEA_19%28171%29/17.pdf

Аннотация. Кузнецов Д.Н., Лебедев В.Н., Левченко А.Н. Электронная система малого аэродинамического стенда градуировки и исследований импульсных термоанемометров. В статье рассмотрены основные функциональные узлы электронной системы измерений и управления малым аэродинамическим стендом, приведены результаты исследований ее основных характеристик, даны рекомендации по применению спроектированного стенда при исследованиях импульсных термоанемометров и в лабораторном практикуме.

Актуальность. Для измерений скорости и расхода газовых потоков в настоящее время широко применяют термоанемометрические датчики, которые при всей своей простоте имеют большой диапазон измерений, высокую чувствительность, выходной электрический сигнал, не требующий дополнительного усиления. Кроме того, термоанемометры не содержат подвижных механических элементов, сразу измеряют массовую скорость и практически не вносят возмущений в поток. Большим недостатком классических термоанемометрических измерителей постоянного тока и постоянной температуры является зависимость их показаний от температуры потока газа, что существенно усложняет их градуировку.

Перспективными в плане нечувствительности показаний к изменениям температуры потока являются термоанемометры с, так называемым, нестационарным режимом разогрева термочувствительного элемента, к которым также относят импульсные термоанемометры. Принцип действия импульсных термоанемометров основан на зависимости тепловой постоянной времени термочувствительного элемента (пленки, проволоки, термистора) от скорости потока газа, которая по результатам исследований [1-3] является практически инвариантной к изменениям температуры рабочей среды.

Однако по импульсному режиму работы термоанемометров остается ряд нерешенных задач, в основном касающихся регистрации и обработки измерительных сигналов и повышения быстродействия, для решения которых необходимы дополнительные исследования.

Большой объем запланированных исследований предполагает активное использование аэродинамической трубы. Однако доступ к большим аэродинамическим стендам, как правило, строго ограничен, что зачастую является большой проблемой на пути изучения импульсных термоанемометров.

Для преодоления данной проблемы на кафедре физики неравновесных процессов, метрологии и экологии при участии специалистов СКТБ «Турбулентность» ДонНУ была разработана и сконструирована малая аэродинамическая труба и возникла задача, требующая разработки электронной системы для управления режимами ее работы и регистрации измерительных данных.

Постановка задач исследований.

Основными задачами работы являются:

1)          Разработка электронной системы управления и регистрации измерительных данных малого аэродинамического стенда.

2)          Градуировка и исследование основных метрологических характеристик малого аэродинамического стенда.

Разрабатываемая электронная система должна выполнять следующие функции:

- управлять скоростью потока путем регулировки частоты оборотов двигателя аэродинамической трубы;

- управлять тепловыми режимами импульсного термоанемометра;

- измерять температуру потока;

- регистрировать и визуализировать измерительные данные на персональном компьютере.

Решение поставленной задачи.

Конструкция малой аэродинамической трубы, для которой разрабатывается электронная система управления и измерения, представлена на рисунке 1. Согласно принятой классификации [4], труба относится к типу незамкнутых аэродинамических труб с открытой рабочей областью. Основными элементами ее конструкции являются: камера двигателя с двигателем постоянного тока, собственно труба с размещенным в ней хоником, конфузор и сопло. Двигатель нагнетает воздух в трубу, хонейком выравнивает и формирует воздушный поток, в конфузоре происходит его сжатие и на выходе сопла создается воздушный поток с необходимыми характеристиками.

Рис.1 – Конструкция малой аэродинамической трубы

Структурная схема разрабатываемой электронной системы представлена на рисунке 2. Для выдачи команд управления режимами работы импульсного термоанемометра и для регистрации и визуализации измерительных данных используется персональный компьютер ПК.

Рис.2 – Структурная схема электронной системы малого аэродинамического стенда

Обмен данными между ПК и микропроцессорным блоком управления и измерения МБУИ осуществляется посредством стандартного интерфейса RS-232, дополненного блоком оптической развязки сигналов ОР. Кроме обеспечения обмена данными с ПК микропроцессорный блок управления и измерения МБУИ коммутирует режимы работы импульсного термоанемометра, входящего в состав блока первичных измерительных преобразователей ПИП, выполняет функции измерения уровней токовых сигналов термометра (I_t) и термоанемометра (I_ТА), а также управляет частотой оборотов двигателя аэродинамической трубы посредством ШИМ. ШИМ-сигнал поступает в блок управления двигателем БУД, на выходе которого формируется управляющее напряжение постоянного тока в диапазоне от 0 до +40 В. Для контроля напряжения на двигателе используется цифровой вольтметр ЦВ. В качестве чувствительных элементов термоанемометра (Rt1) и термометра (Rt2) используются малогабаритные бусинковые термисторы фирмы «Epcos».

Функциональная схема термометра приведена на рисунке 3. В термометре реализована следующая цепочка измерительных преобразований. Температура потока изменяет сопротивление термистора Rt; измерительный преобразователь на операционном усилителе (ОУ) DA1 преобразует изменения сопротивления Rt в пропорциональные изменения напряжения U_t; второй измерительный преобразователь на ОУ DA2 формирует токовый сигнал в нагрузке I_t.

Рис.3 – Функциональная схема термометра

Общая функция преобразования схемы термометра имеет вид

                                                                                                                           (1)

На рисунке 4 представлена функциональная схема импульсного термоанемометра. Переключение между режимами большого и малого токов (нагрев и остывание) осуществляется посредством контактов реле К1..К3. Исходное положение контактов на схеме соответствует режиму термоанемометра постоянной температуры. Для преобразования измерительного сигнала к токовому виду используется преобразователь напряжение-ток ПНТ, аналогичный схеме термометра. Микропроцессорный блок управления и измерений выполнен на базе микросхемы микроконвертера ADuC834 от «Analog Device». Данная микросхема содержит высококачественный 24-разрядный сигма-дельта АЦП, высокопроизводительный микроконтроллер и модуль ШИМ.

Итоговое конструктивное оформление малого аэродинамического стенда представлено на фото рис.5. Все элементы стенда кроме ПК закреплены на листе ДСП размерами 100х50х1,5 сантиметров. Небольшие габариты и масса стенда позволяют без особых усилий переносить его из аудитории в аудиторию и использовать как в горизонтальной, так и в вертикальной (настенный вариант) ориентации, что значительно расширяет возможные области его применения.

Рис.4 – Функциональная схема импульсного термоанемометра

Рис.5 – Фото конструкции аэродинамического стенда

Полученные результаты.

В ходе экспериментальных исследований малого аэродинамического стенда была выполнена его градуировка, снят профиль скорости на выходе сопла и осуществлена регистрация измерительных данных от импульсного термоанемометра.

Градуировка аэродинамического стенда заключалась в экспериментальном определении зависимости скорости воздушного потока на выходе сопла v от напряжения, приложенного к двигателю U. При градуировке в качестве образцовых средств измерения скорости воздушного потока использовалась трубка Пито, аттестованная ФГУП «ВНИИМ им. Менделеева» с погрешностью 1 % и водяной микроманометр МКВ-2500-0,02 с пределом измерений 2500 Па и приведенной погрешностью 0,02 %. Результаты градуировки приведены на рисунке 6.

Рис.6 – Зависимость скорости воздушного потока на выходе сопла от напряжения на двигателе

Результаты снятия профиля средней скорости на выходе аэродинамической трубы представлены на рисунке 7. Из результатов следует, что профиль скорости в ядре потока равномерный, симметричный и не имеет провалов. Таким образом, данная аэродинамическая труба, несмотря на простоту конструкции, формирует в рабочей области воздушный поток вполне пригодный для градуировки точечных измерителей скорости.

Рис.7 – Профиль средней скорости воздушного потока на выходе трубы (а)

 и расположение точек при снятии профиля (б)

В заключении был выполнен эксперимент по регистрации измерительных данных от импульсного термоанемометра. Драйвер программного обеспечения для ПК написан на Delphi 7. Программа позволяет управлять скоростью потока, выбирать режим работы импульсного термоанемометра, измерять температуру потока и регистрировать измерительные данные с выводом на график и в файл. Результаты работы программы приведены на рисунке 8. Данные выводятся на график и накапливаются в виде массива с возможностью сохранения в файл для дальнейшей компьютерной обработки. Период дискретизации составляет 50 мс. Окно программы отображает одновременно 200 точек, что по длительности соответствует 10-ти секундам. Кроме того, в программе реализована функция масштабирования графика, что позволяет оперативно детализировать интересующие участки.

Рис.8 – Окно программы управления режимами и регистрации измерительных данных

малого аэродинамического стенда

Выводы.

1.    Разработанная электронная система малого аэродинамического стенда за счет высокой степени автоматизации процесса измерений и регистрации экспериментальных данных позволяет существенно упростить и ускорить исследования импульсных термоанемометров.

2.    Разработанный малый аэродинамический стенд в виду простоты его конструкции, несложного обслуживания, мобильности, безопасности и малого энергопотребления является разумной альтернативой большим аэродинамическим трубам в лабораторном практикуме и научно-исследовательских работах студентов и аспирантов.

Литература.

1. Перспективы термоанемометрических методов измерения расхода газа или жидкости / М.А. Ураксеев, А.Ф. Романченко, Д.Р. Абдрашитова, С.А. Шилова // Электронный журнал "Исследовано в России". – 2001. – Вып. 51. – c. 587-593.
2. Чуйко В.А. Экспериментальные исследования градуировочной характеристики импульсного терманемометра / В.А. Чуйко, Д.Н. Кузнецов // Вычислительная техника и автоматика: сб.  науч. труд. Нац. тех.  ун-та. «ДонНТУ». – Вып. 3. – Донецк., – 2005. – c. 312-317.
3. Кузнецов Д.Н., Украинский Ю.Д.,  Морозов А.А. Особенности градировки термоанемометров с нестационарным режимом разогрева термочувствительного элемента. Науково-технічний журнал «Радіоелектронні і комп’ютерні системи». Випуск 3(30). – Харків: ХАІ, 2008. – c. 23–28.
4. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1974, – 480 с.

Abstract. Kuznetsov D., Lebedev V., Levchenko A. Electronic system of small aerodynamic stand calibration and studies of pulsed hot-wire anemometers. The article considered the basic functional nodes of electronic measurement systems and management of small aerodynamic stand, the results of research of its basic characteristics are given recommendations on the application of the stand designed for studies of pulsed hot-wire anemometers in the laboratory workshop.

Аннотація. Кузнецов Д.М., Лебедєв В.М., Левченко А.М. Електронна система малого аеродинамічного стенда градуювання і досліджень імпульсних термоанемометрів. У статті розглянуті основні функціональні вузли електронної системи вимірювань і управління малим аеродинамічним стендом, приведені результати досліджень її основних характеристик, дані рекомендації по застосуванню спроектованого стенда при дослідженнях імпульсних термоанемометрів і в лабораторному практикумі.