Статья в “Приборы и техника эксперимента”
Раздел “Лабораторная техника”
“Измеритель скорости потока воздуха в малой аэродинамической трубе”
Описана малая аэродинамическая труба со схемами измерения скорости потока методом тепловых меток. В стенде обеспечивается погрешность измерения скорости потока воздуха не более 4%. Преимуществом стенда является простота регулировки его метрологических характеристик.
Измерение скорости потоков является одной из важных областей измерений. Применение более простых методы измерения, обеспечивает большую точность измерений. Метода тепловых меток для измерения скорости потоков наиболее прост в реализации, чем электромагнитные методы и методы коронного разряда.
Его недостаткам можно отнести сложную зависимость точности измерений от расстояния между нагревателем и датчиком. Эта погрешность связана с различием процессов протекающих в нагревателе и датчике. Но в описанном стенде удалось значительно снизить эту зависимость, поскольку в стенде применяется дифференциальный метод, в котором измеряется интервал времени между двумя датчиками импульсов.
Стенд состоит из следующих частей:
Основными частями стенда являются импульсный нагреватель и два датчика.
Импульсный нагреватель изготавливается из тонкого термостойкого изоляционного материала (желательно наличие металлизации, для удобства вывода контактных площадок нагревателя) и константанового провода. В описываемом стенде использованы следующие материалы: СФ-1-0.35 и константановый провод диаметром 0.1 мм. В изоляционном материале вырезается отверстие диаметром равным внутреннему диаметру трубы (d2). Далее на расстоянии 1 мм от края вырезанного отверстия высверливаются отверстия для намотки константанового провода. Затем удаляется металлизация с области высверленных отверстий и по середине основания нагревателя согласно рис1.
После изготовления этой конструкции необходимо выполнить две детали из оргстекла. Они необходимы для закрепления нагревателя на трубе и фиксации всех деталей на несущей конструкции. Ширина этих деталей (фиксаторов) должна быть равна ширине основания нагревателя. Высота фиксаторов должна быть меньше высоты основания нагревателя с целью доступа к контактным площадкам. Далее в фиксаторах вырезается отверстие расположенное согласно рис 2 и диаметром равным внешнему диаметру трубы (d1).
После этого все три детали фиксируются вместе (например, в тисках) и в них по периметру высверливается четыре отверстия под крепежные винты. Винты в нижней части основания будут служить креплением к несущей конструкции.
Далее изготавливается скоба для крепления нагревательного элемента к несущей конструкции. В Описываемой модели была изготовлена Г - образная скоба с отверстиями для крепления самого датчика (нагревателя) и крепления скобы к несущей конструкции.
После изготовления отверстий для крепежных винтов, вокруг них следует удалить проводящий слой. Это необходимо для изоляции основания нагревателя от металлической несущей конструкции как показано на рис 1.
Далее на основании нагревателя, через проделанные отверстия наматывается константановый провод, как изображено на рис.1, и его концы подпаиваются к разным контактным площадкам.
Датчики импульсов изготавливается из тонкого термостойкого изоляционного материала и тонкого медного провода. Медный провод выбран по причине его распространенности в технике. В описываемом стенде использованы следующие материалы: текстолит толщиной 0.5 мм и медный лакированный провод диаметром 40 мкм.
В изоляционном материале вырезается отверстие диаметром равным внутреннему диаметру трубы. Далее на расстоянии 1 мм от края вырезанного отверстия высверливаются отверстия для намотки медного провода. На основании датчика отверстия следует размещать более часто, чем на основании нагревателя, для увеличения сопротивления датчика. Изготовление фиксаторов для датчика, подобно вышеописанному изготовлению фиксатора нагревателя.
Намотку датчика следует проводить согласно следующим правилам:
При применении провода 40 мкм сопротивление датчика составляет порядка 10 ом.
После этого подбирается несущая конструкция, к которой будут прикрепляться все элементы стенда. Несущая конструкция обеспечивает фиксацию деталей рабочей и вспомогательной зоны. Изготавливается целиком из металлических деталей. При этом чем тяжелее конструкция, тем удобнее работать со стендом.
Нагреватель и оба датчика располагаются в рабочей зоне. Во вспомогательной зоне располагается уничтожитель турбулизации потока.
Все пневмопроводы рекомендуется изготавливать из пластмассовых трубок с толщиной стенок не менее 2 мм. В случае применения металлических пневмопроводов, рекомендуется дополнительно установить прокладки, обеспечивающие безопасность нагревателя и датчиков от повреждения.
От качества изготовления торцов пневмопроводов, будет зависеть ламинарность потока.
После изготовления всех деталей, они жестко фиксируется на несущей конструкции.
Вспомогательная зона – это отрезок трубы длиной >15d. Он необходим для уничтожения всех турбулентностей, связанных со стыковочным узлом между компрессором и стендом. После того как будет выпилен отрезок трубы длиной 20 диаметров, на расстоянии в 5 диаметров устанавливаются металлические сеточки. Если в наличии есть пластиковая труба то сеточки диаметром чуть больше внутреннего диаметра трубы, можно будет зафиксировать в трубе без дополнительных креплений.
Вспомогательная зона содержит средства подавления турбулентных завихрений в рабочей зоне. Она состоит из отрезка пластиковой трубы длиной большей, чем 15 диаметров трубы и сетки с малым размером отверстий.
В описываемом стенде применялся отрезок трубы длиной 35 см (19мм *15 = 285 мм). Сначала в трубу устанавливается сетка с малым размером ячеек, затем один конец трубы соединяется с пневмопроводом от воздушного фильтра, другой конец соединяется с несущей конструкцией рабочей зоны рисунок 4.
Такая длина трубы выбрана согласно книге [1] стр.329 для ламинарного потока воздуха протекающего по трубе. Сетка применена для преобразования турбулентного потока в ламинарный поток. Она изготовлена из куска сетки, путем вырезания круга диаметром равным внутреннему диаметру трубы. Далее эта сеточка устанавливается в пластиковую трубу, на расстоянии 5 d от края трубы. Эти 5 см необходимы для соединения вспомогательной зоны с пневмопроводом, как показано на рис 4.
В стенде был использован компрессор, выполненный на базе поршневого нагнетателя, для прогонки смазочных масел. Он обеспечивает нагнетание воздуха для создания воздушного потока. Работой компрессора определяется максимально возможная скорость движения потока воздуха в рабочей и вспомогательной зоне.
Бак является частью компрессора и обеспечивает значительное снижение воздушных пульсаций, создаваемых поршнями компрессора. Бак также необходим для предварительной регулировки скорости движения среды, при помощи вентиля.
Соединительные пневмопроводы обеспечивают транспортировку воздушного потока по рабочей зоне. Они состоят из шланга, соединяющего воздушный фильтр с рабочей зоной и вспомогательной зоной, пластиковых труб, соединяющих основания датчиков и нагревателя в единую пневмосистему. Их размеры подбираются исходя из имеющейся несущей конструкции согласно схеме на рис.5.
Воздушный фильтр выполнен на базе масляного фильтра для технических установок. Воздушный фильтр обеспечивает очистку воздуха от инородных примесей.
Заслонка выполнена на базе водопроводного вентиля. Обеспечивает регулировку скорости движения воздушного потока в пределах от нуля до максимальной скорости, зависящей от мощности компрессора.
Рабочая зона обеспечивает измерение скорости движения потока воздуха дифференциальным методом. Она состоит из основания нагревательного элемента и двух оснований датчиков импульсов.
Описание процесса измерения
Процесс измерения основан на вычислении скорости потока, исходя из расстояния (L, рис5) и временного интервала (D T, рис6) по формуле
W= L/D T (1)
Погрешность параметра L определяется точностью изготовления конструкции. Погрешность параметра D T зависит от разрешающей способности применяемого счетчика интервалов. В описываемом стенде применяется частотомер электросчетный Г3-34.
Из приведенных на рис.7
сигналов видно, что в середине фронта, сигнал имеет линейную форму. Такие участки присутствуют на всех сигналах с датчиков импульсов вне зависимости от их амплитуд.На рисунках 8,9 приведены временные диаграммы сигналов с датчиков импульсов. Начало сигнала на рисунках определяется моментом появления импульса на нагревателе. На рисунке 8, можно определить, что датчики обдувались скоростью потока равной 2,68 м/с. На рисунке 9, можно определить, что датчики обдувались скоростью потока равной 4,5 м/с. Сигнал №1 получен с исходного датчика, остальные сигналы получены, соответственно, с расстояний 45,94,134,172 и 310 мм от первого датчика.
Рис 10 Линейные аппроксимации фронтов сигналов при минимальной скорости потока.
Рис 11. Линейные аппроксимации фронтов сигналов при максимальной скорости потока.
По рисункам 10,11 видно, что фронт сигнала имеет линейную форму. Поэтому можно использовать часть фронта как признак “события” не обращая внимания на остальную часть сигнала. Различный наклон прямых частей фронтов сигналов обусловлен снижением амплитуды сигнала. (рис.8,9). Для выяснения возможности проведения измерений нормализуем все графики сигналов по их максимумам.
Для оценки влияния наклона фронта на погрешность измерений на рис 12,13 приведены нормализованные графики сигналов.
Рис12 Нормализованные временные диаграммы сигналов при максимальной скорости потока.
Из приведенных графиков следует, что на расстоянии большем 172 мм происходит сильное изменение наклона фронта сигнала.
Из рисунков следует, что фронт сигнала существенно не меняется и при автоматической настройке на пик сигнала (точка на уровне “1” рисунков 12,13), возможно проводить измерения. Также становится возможным изменять расстояния между датчиками, для увеличения точности измерений скорости потока.
Уровень срабатывания схем сравнения устанавливается на линейном участке фронта, что составляет 40-80% от максимальной амплитуды сигнала (рисунки 12,13).
В описанном стенде расстояние между датчиками выбрано равным 148 мм. Поскольку это расстояние определено размерами стенда.
В таблицах 1,2 приведены результаты статистической обработки результатов экспериментов при расстоянии между датчиками 148 мм. Интервалы времени в таблицах заданы в миллисекундах.
Таблица 1 .Эксперимент 20302_1
|
Диапазон |
Вероятности |
||
|
<35,7 |
1% |
||
|
<35,8 |
0% |
||
|
<35,9 |
5% |
||
|
<36,0 |
5% |
||
|
<36,1 |
9% |
||
|
<36,2 |
7% |
||
|
<36,3 |
10% |
||
|
<36,4 |
11% |
||
|
<36,5 |
10% |
||
|
<36,6 |
7% |
||
|
<36,7 |
10% |
||
|
<36,8 |
8% |
||
|
<36,9 |
2% |
||
|
<37,0 |
5% |
||
|
<37,1 |
4% |
||
|
<37,2 |
3% |
||
|
<37,3 |
1% |
||
|
<37,4 |
1% |
||
|
<37,5 |
1% |
||
|
Итого |
100% |
||
|
Среднее |
36,4477 |
||
|
Максимальное отклонение |
0,9623 |
||
|
Минимальное отклонение |
-0,8477 |
||
|
Среднее отклонение |
0,308316 |
||
|
Мода (наиболее распространенное значение) |
36,19 |
||
|
Мат.ожидание |
36,505 |
||
|
Дисперсия |
0,145731 |
||
|
Средне Квадратичное отклонение |
0,3817473 |
||
|
Погрешность при среднеквадратичном значении |
1,047% |
||
Таблица 2. Эксперимент 20302_2
|
Диапазон |
Вероятности |
|
<60,1 |
4% |
|
<60,2 |
1% |
|
<60,3 |
10% |
|
<60,4 |
1% |
|
<60,5 |
9% |
|
<60,6 |
2% |
|
<60,7 |
18% |
|
<60,8 |
12% |
|
<60,9 |
11% |
|
<61,0 |
7% |
|
<61,1 |
7% |
|
<61,2 |
6% |
|
<61,3 |
4% |
|
<61,4 |
4% |
|
<61,5 |
1% |
|
<61,6 |
0% |
|
<61,7 |
2% |
|
<61,8 |
1% |
|
<61,9 |
0% |
|
Итого |
100% |
|
Среднее |
60,757 |
|
|
Максимальное отклонение |
0,973 |
|
|
Минимальное отклонение |
-0,757 |
|
|
Среднее отклонение |
0,28842 |
|
|
Мода (наиболее распространенное значение). |
60,83 |
|
|
Мат.ожидание |
60,812 |
|
|
Дисперсия |
0,1377747 |
|
|
Средне Квадратичное отклонение |
0,3711802 |
|
|
Погрешность при среднеквадратичном значении |
0,611% |
|
В статье приведены номиналы деталей для расстояния L, равного 148 мм.
Генератор импульсов.
Генератор импульсов выполнен на базе компаратора К554СА3 с применением однополярного питания. Принципиальная схема приведена на рис14. Генератор вырабатывает импульсы длительностью 10 мсек. И периодом 1 сек.
Измерительный усилитель выполнен на базе операционных усилителей К140УД17Б и компараторов К554СА3 с применением двух полярного питания.
Измеритель интервалов времени это стандартный прибор “Частотомер электросчетный Ч3-34”.
Достоинства стенда: гибкость конструкции при внесении изменений.
Недостатки стенда: Сложность изготовления точных копий датчиков импульсов.
Литература