close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

СТРУЙНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОСЦИЛЛЯТОРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ГАЗОВ

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Хитрово Алексей Александрович Шифр научной специальности: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления Шифр диссертационного совета: Д 002.226.03 Название организации: Институт проблем управления им.В.А
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления имени В.А.Трапезникова
Российской академии наук
_________________________________________________________________________
УДК 62.522
На правах рукописи
ХИТРОВО Алексей Александрович
СТРУЙНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОСЦИЛЛЯТОРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ГАЗОВ
Специальность: 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и
систем управления.
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении
науки Институте проблем управления имени В.А.Трапезникова Российской
академии наук
Научный руководитель: доктор технических наук
Касимов Асим Мустафаевич
Официальные оппоненты:
Совлуков Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИПУ РАН.
Белуков Анатолий Анатольевич, кандидат технических наук, ведущий конструктор ОАО «НПП «Темп» им.Ф.Короткова».
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет
им. М.Т.Калашникова
Защита состоится «____»_____________2012г. в_____часов
на заседании Диссертационного совета №3 (Д 002.226.03) Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем управления
им. В.А.Трапезникова РАН по адресу: 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 65.
Телефон Совета: (495)334-93-29.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской
академии наук Института проблем управления им. В.А.Трапезникова РАН
Автореферат разослан «_____»_______________2012г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета Д002.226.03
кандидат технических наук
А.А.Кулинич
2
Общая характеристика работы
Актуальность работы. Развитие техники и технологии вызывает потребность повышения технических характеристик приборов измерения параметров потока газов, а именно, скоростей, перепадов давления и расходов. Особый интерес проявляется к измерителям малых скоростей газов, которые применяются при работе вентиляционных систем и трубопроводов, при контроле
объемов с контролируемой атмосферой – металлургических и стеклоплавильных печей, «чистых помещений», а также в навигационных задачах при малых
перепадах давления, например, при медленных относительных перемещениях
объекта, и в других приложениях.
Серьезность и актуальность проблемы таких измерений подтверждает наличие на рынке большого числа измерителей, охватывающих диапазон малых
скоростей газов, создание ряда установок для тестирования и калибровки таких
измерителей, которые показали, что исследованные приборы имеют значительные величины погрешности (до 20 % и более) при скоростях менее 0,2 м/с.
Внимание к измерителям малых скоростей газов подтверждается разработкой и применением международных стандартов JIS T8202-1997, JIS M76061994, ISO 7726, IES-RP-CC013-86-T и российских стандартов ГОСТ Р ИСО
11399-2007 и ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007.
Оценка технических характеристик имеющихся на рынке измерителей
скоростей газов, проведенная автором, показывает, что далеко не все указанные
образцы приборов соответствуют требованиям упомянутых стандартов.
В связи с этим представляется актуальным проведение работы по разработке и исследованию новых альтернативных методов измерения параметров
потока газов (ППГ), особенно в области измерения малых величин этих параметров, обладающих расширенными техническими характеристиками.
Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании научных основ нового метода измерения ППГ с расширенными характеристика3
ми, охватывающего измерения малых скоростей, перепадов давления и расходов газов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
- разработать новый струйный дифференциальный осцилляторный метод
измерения ППГ, обеспечивающий достижение поставленной цели;
- разработать математические модели разработанного метода измерения
ППГ;
- провести теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие возможность реализации разработанного метода измерения ППГ;
- разработать конструкцию экспериментального образца измерительного
первичного преобразователя для измерения ППГ, построенного на основе нового метода измерения ППГ – струйного дифференциального фазового (СДФ) метода;
- провести исследования разработанного экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения ППГ, подтверждающие работоспособность и технические возможности разработанного СДФметода;
- разработать предложения по реализации системы управления измерительным первичным СДФ-преобразователем.
Методы исследования базируются на использовании уравнения газового
состояния, газовой динамики и экспериментальных данных. Для проведения
экспериментов применены термоанемометрические исследования струйных течений с последующей обработкой результатов вычислительной техникой; применены необходимые технические средства.
Научная новизна работы:
1. Разработан новый струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения ППГ в модификациях частотного и фазового методов и разработаны
его математические модели.
4
2. Проведены экспериментальные исследования течения гармонически пульсирующей осесимметричной затопленной свободной воздушной струи при малых числах Рейнольдса, получены данные при таком течении по соотношениям
числа Re, частоты и глубины пульсаций, фазовым характеристикам пульсирующего течения, соответствующих чисел Струхаля. Полученные результаты
позволяют расширить динамический диапазон измерения ППГ струйным дифференциальным фазовым (СДФ) методом.
3. Разработаны методы оценки погрешностей СДФ-метода измерения ППГ и
выбора настроечных параметров.
4. Проведены исследования на экспериментальном образце измерительного
первичного СДФ-преобразователя, которые подтвердили работоспособность,
высокую чувствительность и точность СДФ-метода измерения ППГ, а именно,
малых скоростей, перепадов давления и объемных расходов газа.
Личный вклад. Результаты, выносимые на защиту, получены автором
самостоятельно. Личным вкладом соискателя в совместно опубликованных работах является участие в разработке научных основ нового метода измерения
ППГ и в разработке математических моделей струйного дифференциального
осцилляторного метода в модификациях частотного (СДЧ) и фазового (СДФ)
методов измерения ППГ.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанного СДФ-метода измерения ППГ для его технической реализации при измерении малых скоростей, перепадов давления и расходов в различных технических и технологических установках, таких как вентиляционные
системы и трубопроводы, объемы с контролируемой атмосферой – металлургические и стеклоплавильные печи, «чистые помещения», а также в воздушных
навигационных задачах при малых перепадах давления, например, при медленных относительных перемещениях объектов, измерениях критических режимов газотурбинных двигателей, а также в других измерительных системах и
иных технических применениях.
5
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью
постановки задачи исследования, включая использование обоснованных теоретических зависимостей и принятых допущений, использованием необходимой
измерительной аппаратуры при экспериментальных исследованиях, получением убедительных результатов по тарировке разработанного на основе проведенных исследований экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения ППГ, построенного на основе СДФ-метода.
Практическая реализация результатов работы. Разработан, изготовлен
и исследован экспериментальный образец измерительного первичного СДФпреобразователя для измерения ППГ, показавший работоспособность и технические возможности нового метода измерения. Он использован в составе измерительного стенда для измерения параметров потока газов. Результаты работы
переданы в НИОГАЗ для дальнейшего применения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были
представлены на научно-технических конференциях, совещаниях и симпозиумах:
- Третья Международная конференция “Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов” (ИКАПП-94), Алтайский филиал РИА и
МИА, ГКР ВС, АГТУ, Барнаул. 26-28 октября 1994 г.
- Всероссийское совещание «Пневмоавтоматика», 8-9 окт., 1996 г., ИПУ
РАН, Москва.
- 3-я Международная конференция по проблемам управления, ИПУ РАН,
Москва, 2006 г.
- Российская конференция с международным участием «Технические и
программные средства систем управления, контроля и измерения», УКИ 2008,
ИПУ РАН, Москва, 10-12 ноября 2008 г.
- Международная конференция FLUCOME’94, Toulouse (France), 29 August – 01 September, 1994.
- Fifth Triennial International Simposium on Fluid Control, Measurement and
Visualisation, September 1-4, 1997, Hayama, Japan.
6
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять печатных
работ, три из них без соавторов в журнале из рекомендуемого перечня ВАК,
получен один патент РФ с соавтором и один патент РФ без соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
шести глав, заключения, списка литературы, включающего 72 наименования,
51 рисунок, 12 таблиц, трех приложений. Общий объем диссертации составляет
119 страниц.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность поиска и исследования нового перспективного метода измерения параметров потока газов, а именно, малых скоростей, расходов и перепадов давления газов. Указаны возможные области
применения такого метода измерения. Показаны цели и задачи такого исследования на основе струйного дифференциального осцилляторного метода. Перечислены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной
цели, методы и средства исследования, указаны признаки научной новизны исследования. Указана практическая ценность работы, приведены сведения по
апробации работы, имеющимся публикациям, указаны основные положения,
выносимые на защиту.
В первой главе, которая носит обзорный характер, приведена краткая историческая справка по развитию измерений малых скоростей газов. Приведены
данные по имеющемся в настоящее время на рынке измерителям скорости воздуха чашечного, крыльчатого, термоанемометрического и ультразвукового типов. Проведен сравнительный анализ их возможных технических недостатков.
Кратко рассмотрена проблема измерения объемных расходов газов.
Во второй главе изложены основы нового принципа измерения малых
скоростей, перепадов давления и объемных расходов газа на основе струйного
дифференциального осцилляторного метода с использованием комбинированного насадка Пито-Прандтля для измерения скоростей. На рис. 1 приведена
7
схема устройства, реализующего струйный дифференциальный метод измерения скорости потока текучей среды (при скоростях, где газ можно принять несжимаемым).
1
2
Vи
V1
V2
4 Рп 5
3
Рис. 1. Схема струйного дифференциального метода измерения скорости потока
текучей среды. 1 – насадок Пито, 2 – насадок Прандтля, 3 – нагнетатель, 4 – диафрагма (рабочее отверстие) в измерительном плече, 5 – диафрагма в опорном плече.
В устройстве, действующем по такой схеме, под действием набегающего
потока скорость V1 в измерительном плече уменьшается, что является информативным признаком; скорость V2 в опорном плече остается постоянной, от ее выбора зависит диапазон измерения. Уравнение измерения скорости Vи набегающего потока струйным дифференциальным методом:
V
Vи = 2
µ2
2
V1 − µ1 2
(1)
где μ1 и μ2 - коэффициенты расхода, соответственно в измерительном и опорном плечах.
Предложены два струйных дифференциальных осцилляторных метода измерения скорости в измерительном и опорном плечах – частотный и фазовый методы.
Струйный дифференциальный частотный (СДЧ) метод измерения скорости набегающего потока реализуется путем организации частотных (прерывистых) колебаний свободных затопленных осесимметричных струй, истекающих
из диафрагм в двух плечах насадка Пито-Прандтля. Эти колебания организуются по сигналам чувствительных элементов, от которых сигналы по быстрой
(электрической) обратной связи подаются на электроструйные преобразователи
8
в каждом плече насадка, что вызывает отклонение основной струи, возбуждая
тем самым автогенерацию соответствующей основной струи. По сравнению периодов таких колебаний в измерительном и в опорном плече судят о скорости
Vи набегающего потока. На рис. 2. показана схема технического устройства,
реализующего СДЧ-метод.
1
2
12
11
L1
9
5
L2
8
7
4
6
10
3
13
Рис. 2. Схема струйного дифференциального частотного метода измерения скорости
потока текучей среды.
1 – насадок Пито, 2 – насадок Прандтля, 3 – нагнетатель, создающий избыточное
давление Рп в общей камере 4 , 5 – диафрагма измерительного плеча, из которой истекает свободная затопленная осесимметричная струя 7, воспринимаемая чувствительным элементом 11, 6 – диафрагма опорного плеча, 8 – струя в опорном плече, 12
– чувствительный элемент опорного плеча, 9,10 – соответствующие электроструйные
преобразователи (ЭСП) в двух плечах, 13 – заборное отверстие, L1 - мерная длина
измерительного плеча, L2 – мерная длина опорного плеча.
Процесс измерения скорости Vи набегающего потока СДЧ-методом описывается уравнением:
2
2L 2L Vu = 2 − 1 µ 2T2 µ1T1 2
(2)
Здесь: L1 и L2 – базы измерения соответственно в измерительном и опорном
плечах; T1 и T 2 – периоды автоколебаний соответственно в измерительном и
опорном плечах.
Струйный дифференциальный фазовый (СДФ) метод измерения скорости набегающего потока реализуется путем наведения гармонической пульсации на
скорости свободных затопленных осесимметричных струй, истекающих из
диафрагм в двух плечах насадка, измерения и сравнения сдвига фазы гармонических пульсаций на базах (мерных длинах) L1 и L2 в двух плечах, что поясняется рис. 3.
9
2
1
Vи
L1
9
10
5
6
7
4
L2
8
3
11
Рис. 3. Схема струйного дифференциального фазового способа измерения скорости
потока текучей среды.
1 – насадок Пито, 2 – насадок Прандтля, 3 – нагнетатель, создающий среднее избыточное давление Рп , гармонически пульсирующее с заданной частотой и глубиной
пульсации в общей камере 4, 5 – диафрагма измерительного плеча, через которую
истекает гармонически пульсирующая по скорости струя, начальный угол фазы которой воспринимается чувствительным элементом 7, а сдвиг фазы на мерной длине L1
воспринимается чувствительным элементом 9, 6 – диафрагма опорного плеча, начальный угол фазы которой воспринимается чувствительным элементом 8, а сдвиг
фазы на мерной длине L2 воспринимается чувствительным элементом 10, 11 – заборное отверстие нагнетателя.
Процесс измерения скорости Vи набегающего потока СДФ-методом описывается уравнением:
2
Vи = 360 f n
L2 L1 − µ2ϕ 2 µ1ϕ1 2
(3)
где f п – частота пульсации, ϕ 1 и ϕ 2 - углы сдвига фазы в соответствующих плечах.
При измерении перепадов давления и расходов СДФ-методом насадок
Пито-Прандтля не используется; дифференциальные каналы подключаются непосредственно к сужающему устройству (местному сопротивлению) в трубопроводе с известным коэффициентом расхода, на котором и меряется перепад
давления, как это показано на рис. 4.
Уравнение определения перепада давления ∆Pм СДЧ-методом:
ρ 2 L 2 L ∆Pм = 2 − 1 2 µ 2T2 µ1T1 2
где ρ – плотность газа.
10
2
(4)
2
6
4
3
1
7
5
8
7
4
Рис. 4. Схема подключения СДФ-измерителя для измерения перепада давления.
1 – трубопровод с измеряемым потоком газа, 2 – местное сопротивление с известным коэффициентом сопротивления, 3 – выходное отверстие измерительного
плеча, 4 – выходное отверстие опорного плеча, 5 – нагнетатель, создающий среднее
избыточное давление Рп , гармонически пульсирующее с заданной частотой и глубиной пульсации в общей камере, 6 – заборное отверстие нагнетателя, 7 – чувствительные элементы измерительного плеча, 8 – чувствительные элементы опорного плеча.
Уравнение определения перепада давления ∆Pм СДФ-методом:
ρ (360 f n ) 2
∆Pм =
2
L 2 L 2 2 − 1 µ 2ϕ 2 µ1ϕ1 (5)
Уравнение определения объемного расхода Qм СДЧ-методом:
2
Qм = µ м Fм
L2 L1 − µ
µ
T
T
2 2 1 1
2
(6)
Уравнение определения объемного расхода Qм СДФ-методом:
2
Q м = 360µ м Fм f n
L2 L1 − µ
ϕ
µ
ϕ
2 2 1 1
2
(7)
Сравнение СДЧ и СДФ-методов показывает, что СДЧ-метод имеет более
простое математическое описание, проще реализуется технически. Однако,
предварительные эксперименты показали, что СДФ-метод имеет меньшие погрешности. Кроме того, СДФ-метод имеет более широкий диапазон измерения.
Как показано, СДФ-метод представлялся более перспективным в отношении
достижения хороших результатов при измерении малых ППГ и дальнейшие исследования проведены относительно СДФ-метода.
В третьей главе изложена постановка и результаты экспериментов по термоанемометрическому исследованию осесимметричной свободной затопленной
воздушной струи при малых числах Рейнольдса, гармонически пульсирующей
11
по давлению питания, на основе которой производится СДФ-преобразование
для измерения ППГ, и обсуждены результаты этих экспериментов.
На рис. 5 показана схема экспериментальной установки.
z
2
3 1
4
17
L
10
x
y
6
Рп
Рвх
11
7
5
8
9
13
14
15
Pc
16
12
Рис. 5. Схема экспериментальной установки по экспериментальному исследованию
свободной затопленной осесимметричной пульсирующей воздушной струи при малых числах Re. 1 – корпус излучателя исследуемой струи, 2 – рабочее отверстие излучателя, 3 – пористый хонекомб (струевыпрямитель), 4 – электродинамический пульсатор, 5 – редуктор сжатого воздуха, 6 – ограничительный дроссель, 7 – датчик Сапфир-22ДД, 8 – звуковой генератор Г6-37, 9 – частотомер Ч3-33, 10 – датчик термоанемометра, 11 – термоанемометр постоянной температуры 55D01 DISA, 12 – усилитель 55D25 DISA, 13 – фазоизмеритель Ф2-34, 14 – осциллографическая приставка
PCS Velleman, 15 – персональный компьютер, 16 – вольтметр В7-27, 17 – звукоизолирующий кожух.
Был проведен многофакторный эксперимент классического плана. Устанавливались следующие величины переменных параметров:
Re0 = 63; 75; 82; 89; 100; 110; 123 п – число Рейнольдса на срезе рабочего отверстия.
Vc0, м/с = 1,19; 1,39; 1,53; 1,68; 1,87; 2,05; 2,30 – скорость истечения.
x , мм = 0; 5; 10; 15; 20 – расстояние от среза рабочего отверстия до датчика
термоанемометра.
Un , В = 0,350; 0,500; 0,700; 1,000 – напряжение генератора пульсаций, кото-
рым определялась глубина пульсации, т.е. отношение амплитуд максимальной и минимальной скоростей пульсирующей струи. При этом коэффициент глубины пульсации определялся как кг = (Va-Vi)/Ve, где Va максимальная мгновенная амплитуда пульсации, Vi – минимальная мгно-
12
венная амплитуда пульсации, Ve – средняя скорость не пульсирующего
течения.
f п , Гц = 30; 50; 70; 100; 150; 200 – частота гармонических пульсаций.
По полученным экспериментальным данным установлено, что в зоне малых скоростей и малых чисел Рейнольдса существует область устойчивого стационарного течения такой струи, при наложении на которую гармонической
пульсации по давлению заданной частоты и глубины пульсации по фазовому
сдвигу таких пульсаций возможно адекватно определить среднюю скорость такой струи, и существует оптимальная область параметров такой пульсации,
удовлетворяющая условиям устойчивости и минимальной погрешности определения средней скорости струи. Установлено, что ориентировочной областью
надежных и точных измерений может быть принят диапазон, который соответствует частотам пульсации fn = 50; 70 Гц и напряжениям на генераторе пульсаций Uп = 500; 700 мВ при Кк = 10 во всем диапазоне Re0 эксперимента. Здесь Кк
= x/dр, где dр – диаметр рабочего отверстия.
Экспериментально установлен факт деформации фронтов свободной затопленной пульсирующей струи при ее распространении в диапазоне
63<Re0<123. Выявлена взаимосвязь процесса деформации фронтов пульсации с
типом развития струйного пульсирующего течения. Показано, что косвенной
оценкой степени деформации фронтов пульсации является относительное изменение амплитуд гармоник пульсации при изменении независимых переменных; данные по величинам гармоник пульсации получены с применением метода Hamming относительного ослабления боковых частот на основе программы Pc-Lab 2000 фирмы Velleman Instruments.
Получена сравнительная оценка локальных и конвекционных сил инерции в струйном пульсирующем течении путем вычисления числа Струхаля по
формуле St=Vφ/(fп*x). Установлено, что в зоне наибольшей устойчивости измерения число Струхаля находится в диапазоне 0,70 < St < 3,18, что указывает на
приблизительный паритет локальных и конвекционных сил в пульсирующем
течении в указаном диапазоне параметров пульсирующей струи. Диапазон чи13
сел Струхаля во всем диапазоне эксперимента составляет 0,38<St<16,49. При
St<0,38 струя не наблюдается, т.е. струя разрушается.
В четвертой главе проведена оценка возможных погрешностей измерения ППГ СДФ-методом и проведен выбор настроечных параметров измерения.
Показано, что погрешности задания частоты пульсации и базы измерения
малы и могут не учитываться при измерениях СДФ-методом. Погрешность установки давления питания Рп может не учитываться, если при применении
электрического питания для генерации Рп используется прецизионный источник электрического питания.
Указано, что несимметричность измерительного и опорного плеча преобразователя может быть компенсирована введением угла коррекции ∆ ϕ k в
уравнения измерения СДФ-методом.
Установлено, что погрешность измерения коэффициента расхода μ рабочих отверстий в плечах насадка Пито-Прандтля зависит от числа Рейнольдса
в рабочем диапазоне скоростей при истечении струй. Определено, что в диапазоне 65 ≤ Re ≤ 2000 погрешность μ < ± 2,6 %, а в диапазоне 300 ≤ Re ≤ 1300 погрешность μ < ± 0,15 %. Если по условиям измерения погрешностью μ можно
пренебречь, диапазон работы СДФ-преобразователя можно принять условлено
инвариантным к параметрам текучей среды при измерениях скорости и объемного расхода.
С учетом принятых допущений уравнения (3), (5), (7) можно представить
как:
k k f
Vи = п ю п
µ
1
ϕ 2k
ρ (k n kю f n ) 2
∆Pм =
2µ 2
2
1
− ϕ1 2
(8)
1 2 1 2 − ϕ
2 k ϕ1 k k µ F f
Qм = п ю м м п
µ
1
ϕ 2k
14
2
1
− ϕ1 (9)
2
(10)
где ϕ 2 k = ϕ 2 − ∆ϕ k ; k п = 360 * L – константа прибора; ∆ ϕ k – фазовый угол коррекции несимметричности плеч преобразователя; kю – корректирующий юстировочный коэффициент, определяемый при эталонной продувке.
Оценка погрешности измерения скорости при условии последовательного
измерения фазы одним измерителем в двух плечах:
максимальная абсолютная погрешность измерения скорости ΔVи в зависимости
от ∆ϕ n :
2
2
2
2
1 1 kп kю f п 1 1
− − −
∆Vи =
µ ϕ 2 k ϕ1 + ∆ϕ n ϕ
2 k ϕ1 (11)
а относительная погрешность измерения скорости δVи по пределу измерения
Vи . макс :
δVи = ∆Vи / Vи. макс
(12)
где ∆ϕ n – максимальная абсолютная погрешность измерения фазы,
Vи . макс
kk f
= п ю п
µ
1
ϕ 2k
2
1 − ϕ1 макс 2
(13)
максимальная измеряемая скорость данного диапазона (верхний предел измерения),
где
ϕ1, макс =
360 Lf n
V1, мин
(14)
– максимальное предельное значение величины фазы в измерительном плече,
которое обеспечивает работоспособность СДФ-метода. Здесь:
V1, мин ≥
η макс Re мин
ρ мин d p
(15)
– минимальная предельная скорость рабочей струи в измерительном плече, которая обеспечивает работоспособность СДФ-метода, где Reмин – минимальное
число Re, при котором обеспечивается пульсационное течение при оптимальном Кк (в соответствии с условиями и результатами эксперимента для воздуха
при стандартных условиях Reмин = 65 при Кк = 10), η макс – ожидаемая макси-
15
ρ мин – ожидаемая минимальная плот-
мальная динамическая вязкость газа,
ность газа, dр – диаметр отверстия диафрагмы в измерительном плече.
Оценка относительной погрешности δVи измерения скорости в зависимости от верхнего предела измерения
есть
Vи. макс
2
2
2
2
2
2
µVи , макс 1 1 k п k ю f п µVи , макс 1 1
/ Vи , макс
−
+
− −
+
δVи =
k ю k n f n ϕ1макс ϕ1 µ k ю k п f n ϕ1макс ϕ1 + ∆ϕ п где
ϕ1 =
1
− Vи 1 V
+ µ и , макс
k ю k п f n ϕ1, макс 2
(16)
(17)
2
Уравнение (16) имеет экстремум (минимум), причем для приведенных
выше условий расчета минимум относительной погрешности соответствует
верхнему пределу измерения Vи , макс ≅ 1,5 м/с в зоне малых скоростей.
Параметрами процесса измерения, которые могут изменяться в процессе
настройки, являются давление питания Рп , которое определяет выбранный
верхний предел измерения по скорости Vи . макс , частота fп и глубина пульсации
кп :
ρ
2 µVи , макс
(
)
Pn =
k
k
f
n ю n
2µ 2
k п k ю f п
1
+ ϕ1, макс
2
2
(18)
Уравнением (18) определяется минимальная величина давления питания,
при которой в данных условиях обеспечивается необходимая величина верхнего предела диапазона измерения скорости.
Фаза в опорном плече ϕ 2 k связана с диапазоном измерения соотношением:
ϕ 2k =
1
µVи , макс
kп kю f п
2
1
+ ϕ1макс
2
(19)
Поскольку фаза в опорном плече ϕ 2 k зависит только от давления питания
Pn , от которого в свою очередь зависит верхний предел измерения скорости
16
V и , макс , а ϕ 2 k определяется в процессе измерения, по ϕ 2 k можно контролировать
задаваемую величину Vи , макс при Vи = 0.
Установлено, что при принятых параметрах эксперимента для f n > 70 Гц
существенно возрастает погрешность измерения скорости газа. С другой стороны, при f n < 20 Гц затруднен процесс измерения фазы универсальным измерителем. Поэтому можно рекомендовать для принятых параметров измерителя
устанавливать частоту пульсации в диапазоне 20 ≤ f n ≤ 70 Гц . С увеличением
f n увеличивается диапазон измерения Vи и уменьшается время измерения фа-
зового сдвига, что становится существенным при большом числе повторных
измерений для усреднения результатов. Поэтому, при относительно медленном
изменении измеряемого параметра можно рекомендовать устанавливать максимальное значение f n в указанном диапазоне.
Установлено, что в соответствии с результатами экспериментов во всем
изученном диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент глубины пульсации кг
обеспечивает работоспособность СДФ-метода в диапазоне 0,1 < кг < 0,4, поэтому можно рекомендовать установку кг при среднем его значении в указанном
диапазоне.
Отмечено, что все изложенное, касающееся погрешностей измерения
скорости и выбора настроечных параметров, относится также к измерению
СДФ-методом объемного расхода в трубопроводе с учетом корректировки результатов на константу µ c Fм , относящуюся к конкретному трубопроводу, поскольку Qи = µ c FмV м , где
Vм
– средняя скорость течения газа через местное со-
противление, измеряемая СДФ-преобразователем, т.е. V м = Vи .
При выборе диапазона измерения объемного расхода необходимо устанавливать верхний предел измерения скорости из соотношения:
Vи , макс = Qи , макс / Fм
(20)
а при измерении перепада давления
Vи , макс = 2∆Pм , макс / ρ .
17
(21)
При измерении перепада давления СДФ-методом необходимо учитывать,
что плотность ρ газа зависит от температуры и давления, поэтому во избежание дополнительных погрешностей необходимо в процессе измерения вводить
корректировки по этим параметрам.
В пятой главе приводятся результаты проверки работоспособности СДФметода измерения малых скоростей, перепадов давления и объемных расходов
газов. Для такой проверки был разработан, изготовлен и исследован экспериментальный образец измерительного первичного СДФ-преобразователя. Общая
схема такого измерительного преобразователя в режиме измерения скорости
набегающего потока в трубопроводе показана на рис. 6.
Отмечены особенности разработанного экспериментального образца: применение автономного мембранно-струйного нагнетателя с электрическим
управлением с постоянной стабилизированной частотой нагнетания, гармонически модулируемой устанавливаемыми частотой и амплитудой, действующего
совместно с пневмоакустическим фильтром, и применение термоанемометров в
качестве чувствительных элементов. Указано, что применение термоанемометров в качестве чувствительных элементов не вносит дополнительных существенных погрешностей в измерения, поскольку термоанемометры работают в
этом случае в режиме фазового, а не скоростного измерения, при относительно
низких частотах пульсации скорости струи (десятки Гц). Приведены данные по
исследованию и оптимизации параметров такого нагнетателя.
Работоспособность СДФ-преобразователя в режиме измерения скорости
была проверена на лабораторной аэродинамической трубе прямого действия
незамкнутого типа с открытой рабочей частью с питанием от сети сжатого воздуха, расход от которой измерялся расходомерами-ротаметрами типа РМ.
Внутри трубы располагался струевыпрямитель, а на выходе - сопло Витошинского (профильный конфузор). Поскольку при малых скоростях сопло Витошинского не обеспечивало прямоугольный профиль скоростей истечения, результат измерения скорости в трубе корректировался в соответствии с профилем скоростей истечения.
18
1
3
5
2
5
L
12
6
9
4
5
10
9
7
8
11
Рис. 6. Схема экспериментального образца измерительного первичного СДФпреобразователя. Здесь: 1 – корпус, 2 – трубка Пито, 3 – трубка Прандтля, 4 – рабочие отверстия, 5 – чувствительные элементы термоанемометра, 6 – подготовительная (средняя) камера, 7 - мембранно-струйный нагнетатель, 8 – заборное отверстие, 9
– акустический фильтр, 10 – хонейкомб, 11 - устройство управления, 12 – газовый поток в трубопроводе, скорость которого измеряется, L – мерная длина.
Работоспособность СДФ-преобразователя в режиме измерения скорости
была проверена на лабораторной аэродинамической трубе прямого действия
незамкнутого типа с открытой рабочей частью с питанием от сети сжатого воздуха, расход от которой измерялся расходомерами-ротаметрами типа РМ.
Внутри трубы располагался струевыпрямитель, а на выходе - сопло Витошинского (профильный конфузор). Поскольку при малых скоростях сопло Витошинского не обеспечивало прямоугольный профиль скоростей истечения, результат измерения скорости в трубе корректировался в соответствии с профилем скоростей истечения.
Результат измерения скорости вычислялся по модифицированному уравнению (8):
Vm = kюkn fn Rв / µ ,
(22)
где Rв = ( Rm − ∆Rm ) ; ΔRт – корректирующий член, компенсирующий дополнительные задержки в линии передачи пульсации от насоса к рабочим отверсти19
ям; Rm – результат вычисления подкоренного выражения в уравнении (8).
Принималось, что µ = 0,67; kп = 3.6 – коэффициент прибора для экспериментального образца СДФ-преобразователя.
Установлено, что в диапазоне измеряемых скоростей от 11 до 200 см/с относительная погрешность измерения в четырех циклах измерения на частотах
пульсации 66 и 33 Гц не превышает 1,5 % от динамического диапазона измерения при коэффициенте линейной корреляции Пирсона не менее 0,9995 (см. рис.
7).
Vт, см/с
220
fn, Гц
- эксп. №1 - 66
- эксп. №2 - 66
- эксп. №3 - 33
- эксп. №4 - 33
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Vк, см/с
Рис. 7. Результаты тарировки по скорости (сводный график по четырем циклам измерения скорости).
Измерение расхода и перепада давления СДФ-измерителем было проведено
на аэродинамической трубе прямого действия незамкнутого типа со встроенным местным сопротивлением типа «четверть круга» по схеме подключения,
показанной на рис. 4. Измеряемый расход питания аэродинамической трубы
контролировался ротаметрами типа РМ. Результат измерения расхода Qm вы-
20
числялся по формуле (10), а соответствующие значения перепада давления ΔРm
вычислялись по уравнению для малых перепадов давления:
∆Pm =
ρ Qm 2 µ м Fм 2
(23)
Здесь: ρ = 1,2 кг/м3 для стандартных условий, Fм = 2,27 см2 , μм = 0,67.
Установлено, что в диапазоне расходов от 64 до 750 см3/с на частоте
пульсации 33 Гц относительная погрешность не превышает 0,5 % от динамического диапазона при коэффициенте линейной корреляции Пирсона, составившем 0,9999. При этом точка минимального измеренного расхода соответствует
перепаду давления на измерительном сопле
Pc =
0,10 Па. Погрешности ΔРm со-
ответствуют погрешностям Qm (см. рис. 8).
Qm, см3/с ΔРm, Па
16
800
14
700
12
600
Qm, см3/с
10
ΔРm, Па
500
8
400
6
300
4
200
2
100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Qp, см3/с
Рис. 8. Результаты тарировки по объемному расходу и перепаду давления первичного
СДФ-преобразователя.
В шестой главе изложены предложения по разработке схемы системы
управления первичным СДФ-преобразователем ППГ.
21
Для реализации режимов измерения скорости, расхода и перепада давления
измерительным первичным СДФ-преобразователем с организацией его пульсирующего питания управляемым мембранно-струйным нагнетателем и с термоанемометрами в качестве чувствительных элементов пульсирующего течения в плечах преобразователя предлагается система управления, предполагаемая схема которой представлена на рис. 9.
Система управления СДФ-преобразователем должна поддерживать следующие основные функции:
1. Запоминать установочные, оперативные и измерительные данные, вводимые
с пульта управления, от внешних устройств, от измерителя сдвига фазы.
2. Вычислять и запоминать управляемые параметры, результаты измерения и
вероятные погрешности.
8
1
12
9
13
10
7
11
5
2
6
14
3
15
4
16
Рис. 9. Схема системы управления первичным СДФ-преобразователем.
1 – измерительный первичный СДФ-преобразователь, 2 – кварцевый генератор, 3 –
общий делитель частоты, 4 – делитель частоты и формирователь гармонического сигнала, 5 – генератор накачки, 6 – генератор пульсации, 7 – усилитель-смеситель, 8 –
переключатель каналов измерения, 9 – термоанемометр, 10 – фазоизмеритель, 11 –
управляющий контроллер, 12 – датчик температуры рабочей среды, 13 – датчик давления рабочей среды, 14 – пульт управления, 15 – дисплей, 16 – шина внешней связи.
3. Запоминать установочные, оперативные и измерительные данные, вводимые
с пульта управления, от внешних устройств, от измерителя сдвига фазы.
4. Вычислять и запоминать управляемые параметры, результаты измерения и
вероятные погрешности.
22
5. Формировать управляющие сигналы, устанавливающие рабочие режимы
преобразователя.
6. Формировать информационные сигналы на блок индикации и в шину внешней связи.
Параметры, которые должны устанавливаться при запуске и могут изменяться в процессе настройки и работы:
1. Режим измерения: скорости, объемного или массового расхода, перепада
давления.
2. Диапазон измерения по выбранному режиму работы, по которому устанавливается соответствующее давление питания Рп, которым и определяется устанавливаемый диапазон измерения.
3. Ориентировочные физические параметры рабочего газа η макс , Re мин , ρ мин ,
которыми определяется верхний предел измерения на рабочем диапазоне.
При выборе предельных значений этих параметров они могут быть приняты постоянными при заведомом сужении рабочего диапазона.
4. Частота fп гармонической пульсации, которая при начале работы устанавливается средней
fп = 50 Гц.
5. Глубина гармонической пульсации, коэффициент которой кг может быть
принят постоянным в диапазоне 0,2 ÷ 0,3, что обеспечивает надежное измерение сдвига фазы.
6. Плотность ρ рабочего газа при измерении перепада давления на местном
сопротивлении. При этом должна быть предусмотрена коррекция вводимой величины плотности по температуре и давлению рабочего газа.
7. Угол коррекции несимметричности плеч СДФ-преобразователя ∆ϕ , определяемый при тарировке.
8. Значения коэффициента юстировки k ю , определяемого при тарировке для
используемых режимов работы.
Данные, которые должны быть загружены в долговременную память:
1. Программное обеспечение.
23
2. Характеристика
мембранно-струйного
нагнетателя
СДФ-
преобразователя Pn = Pn (Un ) , где U n - напряжение питания.
3. Значение константы прибора k n .
4. Математические соотношения (уравнения), которые определяют работоспособность СДФ-преобразователя.
Основные результаты и выводы.
1. На основе проведенного анализа современного состояния методов и
средств измерения параметров потока газов (ППГ) в области малых их величин
предложены и разработаны научные основы нового струйного осцилляторного
метода измерения ППГ в модификациях частотного и фазового методов.
2. Разработаны математические модели струйных дифференциальных частотного и фазового методов измерения ППГ.
3. Выполнены постановка и проведение экспериментов по исследованию течения гармонически пульсирующей осесимметричной свободной затопленной
воздушной струи при малых числах Рейнольдса, на основе которых определен
нижний предел скорости пульсирующей струи, определены расстояние до
плоскости измерения, частота и амплитуда пульсации, соответствующие оптимальной устойчивости и точности измерения. Установлена возможность измерения средней по длине струи скорости фазовым методом при наведении гармонической пульсации по давлению на струю. Экспериментально установлен
факт деформации фронтов свободной затопленной
пульсирующей струи при
ее распространении при малых значениях Re0 , который подкреплен числовыми данными по деформации фронтов и измерениями амплитуд гармоник пульсирующих сигналов, коррелирующихся
с данными по измерениям относи-
тельной глубины пульсации, что допускает выборочность оценки развития
пульсирующего течения воздушной струи одним из этих методов. Проведенное
вычисление числа Струхаля показало, что в выбранном диапазоне оптимальных
соотношений частоты и глубины пульсации струи и базового расстояния изме24
рения наблюдается примерный паритет локальных и конвекционных сил инерции в пульсирующем течении и установлена минимальная величина числа
Струхаля, при котором пульсирующее течение еще существует - St=0,38.
4. Разработан метод оценки погрешностей СДФ-метода измерения ППГ. Показано, что в диапазоне чисел Рейнольдса 300<Re0<1300 при истечении струй
в плечах насадка достигается условная инвариантность процесса измерения
скорости и объемного расхода к параметрам газа – плотности, температуры,
вязкости..
5. Разработана методика настройки измерительных параметров при использовании СДФ-метода для измерения ППГ.
6. На основе полученных результатов исследований разработана конструкция экспериментального образца первичного СДФ-преобразователя ППГ. Проведены эксперименты по снятию тарировочных характеристик экспериментального образца первичного СДФ-преобразователя ППГ в режимах измерения
скорости воздушного потока, перепада давления, объемного расхода. Эти эксперименты подтвердили работоспособность СДФ-метода для измерения ППГ,
его высокую чувствительность и точность.
7. Разработаны предложения по разработке схемы системы управления первичным СДФ-преобразователем ППГ.
Основное содержание работы изложено в следующих публикациях.
Публикации в рецензируемых научных журналах:
[1]. Хитрово А.А. Сравнительные характеристики измерителей малых скоростей газов // Датчики и
системы, 2008, №10, с.23-26.
[2]. Хитрово А.А. Возможности струйного фазового метода измерения малых
скоростей и перепадов давлений газов // Датчики и системы, 2005, №10, с.2632.
[3]. Хитрово А.А. Результаты экспериментальных исследований осесимметричной затопленной воздушной струи, гармонически пульсирующей по давлению
питания // Датчики и системы, №2, 2011, с.12-19.
25
[4]. Викторов В.В., Хитрово А.А. Новые методы измерения малых скоростей и
перепадов давлений газов. // Приборы и системы управления. 1997. №9. С.3738.
[5]. Беляев М.М., Хитрово А.А. Электрогазоструйное и газоструйноэлектрическое преобразование дискретных сигналов //Датчики и системы. 2005. №2. С.
44-50.
Публикации в конференциях и совещаниях:
[6]. Викторов В.В., Хитрово А.А. Новые методы измерения малых скоростей и
перепадов давлений газов. Всероссийское совещание «Пневмоавтоматика». Тезисы докладов // Москва. 8-9 окт. 1996. ИПУ РАН. С. 30.
[7]. Хитрово А.А. Струйный фазовый преобразователь малых скоростей и перепадов давления газов. // 3-я Международная конференция по проблемам
управления. ИПУ РАН, Москва, 2006 г. Тезисы докладов, том.2, с.91.
[8]. Хитрово А.А. Экспериментальные исследования пульсирующей воздушной
струи.// Российская конференция с международным участием <Технические и
программные средства систем управления, контроля и измерения> УКИ 2008
(Москва, 10-12 ноября 2008 г. ИПУ РАН). Тезисы докладов, с.264-265.
Полученные патенты:
[9]. Способ измерения скорости потока текучей среды: пат. 2044322 Рос. Федерация.
№93029284/10;
заявл.
08.06.93;
опубл.20.09.95/
В.В.Викторов,
А.А.Хитрово - Бюл. №26.
[10]. Способ генерации пульсаций давления: пат. 2405978 Рос. Федерация .
№200911033/06; заявл. 20.03.2009; опубл.10.12.2010 / А.А.Хитрово - Бюл. №34.
26
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
52
Размер файла
216 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа