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 :
- Огляд методів і засобів вимірювань локальних швидкостей і температур газових потоків.
- Розробка термоанемометра, свідчення якого будуть інваріантними до змін температури потоку газу.
- Статична градуювання термоанемометра.
- Оцінка динамічних характеристик термоанемометра.
- 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:
Турбулентність-ДОН
);
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
- 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 %.
- На підставі експериментальних результатів градуювання визначені основні метрологічні характеристики термоанемометра і сформульовані вимоги до АЦП схеми обробки сигналів.
- Показання ТА інваріантні до змін температури потоку газу, що дозволяє виконувати його градуювання при довільній температурі.
- 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
- 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.
- Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение — Москва, 1974. — 278 с.
- ДонНУ СКТБ «Турбулентність» [Електронний ресурс]. — Режим доступа: http://turbulence.uaprom.net/
- 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.
- 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.
- Раннев Г. Г. Информационно-измерительная техника и электроника. — М.: Академия, 2006. — 512 с.
- Турбулентність — Дон [Електронний ресурс]. — Режим доступа: http://turbo-don.ru/
- Турбулентність [Електронний ресурс]. — Режим доступа: http://www.astronet.ru/db/msg/1188737
- Ярин Л. П., Генкин А. Л., Кукес В. И. Термоанемометрия газовых потоков. — Л.: Машиностроение, 1983. — 198 с.
- Повх И. Л. Техническая гидромеханика. 2-е изд., доп. / Повх И. Л. . — Л.: Машиностроение, 1976. — 504 с.
- Ярин Л. П., Генкин А. Л., Кукес В. И. Термоанемометрия газовых потоков. — Л.: Машиностроение, 1983 — 198 с.
- Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение. ленингр. отд-ние. 1989. — 701 с.
- 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.
- Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с франц. — М.: Мир, 1992. — 480 с.
- Горлин С. М. и Слезингер И. И. “Аэромеханические измерения. Методы и приборы”, М. : Наука, 1964 г. — 720 с.
- Ференец В. А. Полупроводниковые струйные термоанемометры. — М., «Энергия», 1972, — 112 с., іл.
- 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.