Кузнецов Д.Н., к.т.н., доцент; Грюк В.И. студент - Исследование времяпролетного термоанемометра

Автор: Кузнецов Д. Н., к. т. н., доцент; Грюк В. И. студент
Источник: «Наукові праці ДонНТУ», 2014

Аннотация

Кузнецов Д.Н., Грюк В.И. Исследование авремяпролетного термоанемометра. Исследован опытный образец времяпролетного термоанемометра. Проведена оценка его метрологических характеристик.

Актуальность. Термоанемометры (ТА) нашли широкое применение для измерения скоростей газовых потоков. Они имеют высокую чувствительность в широком диапазоне измеряемых скоростей, просты в изготовлении, не содержат дорогостоящих элементов и имеют выходной электрический сигнал, не требующий дополнительного усиления. Однако существенным недостатком классических ТА постоянного тока и температуры является сильная зависимость их показаний от температуры потока газа, которая составляет 2..4 % / С. Поэтому при выполнении измерений в неизотермических потоках показания ТА корректируют с помощью функции температурной компенсации, для определения параметров которой ТА предварительно должен пройти градуировку при различных температурах потока, что существенно усложняет процедуру градуировки и затраты на ее проведение.

Таким образом, актуальной является проблема уменьшения температурной зависимости показаний ТА, что позволит упростить процедуру их градуировки и уменьшить затраты на ее проведение.

Для разрешения поставленной проблемы авторами был разработан ТА, реализующий времяпролетный принцип измерения скорости потока, заключающийся в определении времени преодоления тепловой меткой известного расстояния.

Целью работы является исследование времяпролетного ТА и оценка его метрологических характеристик.

Датчик разработанного времяпролетного ТА состоит из двух параллельных вольфрамовых проволочек диаметром 5 мкм и длиной 5 мм, расположенных перпендикулярно потоку газа на расстоянии L = 3 мм друг относительно друга (см. рис. 1).

Рисунок 1 — Расположение чувствительных элементов датчика в потоке

На первую проволочку Rt1 подаются импульсы напряжения, и она излучает тепловые метки, которые переноситься потоком газа и регистрируются при помощи второй проволочки Rt2. По времени запаздывания τ сигнала второй проволочки относительно первой определяют скорость потока.

При этом на время распространения тепловых меток не влияет температура потока и его компонентный состав. Т.е. показания времяпролетного ТА будут инвариантны к изменениям температуры и состава потока.

Функциональная схема разработанного времяпролетного ТА представлена на рисунке 2. Модуль микроконтроллера (МК) формирует сигнал нагрева заданной формы и частоты, который через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и усилитель мощности (УМ) подается на первую проволочку Rt1 датчика ТА. Тепловые метки переносятся потоком и регистрируются второй проволочкой Rt2, которая включена в измерительный мост термометра. Измерительный сигнал усиливается дифференциальным усилителем (ДУ) и через аналого-цифровой преобразователь вводится в модуль МК. Накапливаемые в результате измерений массивы данных передаются в персональный компьютер для цифровой обработки.

Рисунок 2 — Функциональная схема времяпролетного ТА

Авторами был изготовлен опытный образец времяпролетного ТА, реализующий описанный выше алгоритм функционирования. В качестве модуля МК использован стандартный микропроцессорный модуль Arduino Uno на базе микроконтроллера ATmega328. В состав данного МК входит 10-разрядный АЦП, однако нет встроенного ЦАП. Простейший ЦАП был реализован на базе 8-разрядного широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с добавлением к выходу ШИМ RC-фильтра нижних частот первого порядка.

В качестве исходного сигнала нагрева использовалось синусоидальное напряжение частотой 200 Гц с амплитудой и смещением 0,5 В. Частота дискретизации была выбрана равной 8 кГц.

Экспериментально определено, что для уверенной регистрации слабого сигнала от воздействия тепловых меток на Rt2 коэффициент усиления дифференциального усилителя ДУ по напряжению должен составлять порядка 1000.

В ходе экспериментальных исследований была выполнена градуировка разработанного ТА. Градуировка проводилась в аэродинамическом стенде АДС-200/250 в диапазоне скоростей от 1 до 4 м/с при температурах воздушного потока 25 и 40 С. В каждой точке по скорости выполнялась регистрация исходного сигнала нагрева и усиленного принятого сигнала. Типовой вид этих сигналов приведен на рисунке 3. Из результатов видно, что принятый сигнал искажен шумами и сдвинут по фазе относительно исходного сигнала.

Массивы измерительных данных накапливались и обрабатывались в компьютере. Для определения временного запаздывания принятого сигнала относительно исходного вычислялась корреляция сигналов

где n — объем выборки (10000 точек); xi и yi — массивы дискретных значений исходного и принятого сигналов соответственно; k — взаимное смещение сигналов.

Корреляция (2) вычислялась при различных смещениях k, строилась корреляционная функция (см. рис. 4) и определялось смещение kmax, соответствующее максимуму корреляционной функции.

Рисунок 3 — Вид исходного и принятого сигналов

Рисунок 4 — Типовой вид корреляционной функции сигналов xi и yi

В результате была найдена экспериментальная функция преобразования времяпролетного ТА — зависимость запаздывания τ от скорости воздушного потока v, представленная на рисунке 5. Из результатов следует, что с ростом скорости потока запаздывание τ стремиться не к 0, как ожидалось согласно формуле (1), а к некоторому значению τ(∞). Очевидно, это объясняется влиянием инерционности датчика и измерительных цепей ТА.

Для аппроксимации экспериментальных данных градуировки ТА была предложена функция вида:

где А и В — постоянные коэффициенты

Вычисление неизвестных коэффициентов А и В градуировочной функции (3) осуществлялось при помощи функции нелинейной регрессии GENFIT программы MathCad. В результате получили, что А = 16,1 мс; В = 14,8 мм. На рисунке 6 приведено распределение относительной погрешности аппроксимации по скорости потока в диапазоне исследуемых скоростей. Из результатов следует, что погрешность аппроксимации не превышает ± 2 %.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при изменении температуры потока с 25 до 40 С функция преобразования не смещается, а значит, показания разработанного ТА инвариантны к изменениям температуры потока.

Рисунок 5 — Экспериментальная функция преобразования времяпролетного ТА

Рисунок 6 — Распределение погрешностей аппроксимации в диапазоне скоростей

Выводы

1. Предложенное уравнение (3) градуировочной характеристики разработанного времяпролетного ТА обеспечивает аппроксимацию экспериментальных данных градуировки с относительной погрешностью по скорости не более ± 2 %.

2. Показания времяпролетного ТА инвариантны к изменениям температуры потока газа, что позволяет выполнять его градуировку при произвольной температуре.

Список использованной литературы

1. 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.