Струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения параметров потока газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Хитрово, Алексей Александрович

• Хитрово, Алексей Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хитрово, Алексей Александрович

СОДЕРЖАНИЕ стр.

Введение

Глава 1. Сравнительный анализ приборов измерения параметров потоков газов

Глава 2. Струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения параметров потоков газов

2.1. Общие положения

2.2. Струйный дифференциальный частотный (СДЧ) метод измерения скорости набегающего потока

2.3. Струйный дифференциальный фазовый (СДФ) метод измерения скорости набегающего потока

2.4. Измерение малых перепадов давления газов

СДЧ и СДФ-методами

2.5. Измерение расходов при малых перепадах давления газов

СДЧ и СДФ-методами

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований осесимметричной затопленной воздушной струи,

гармонически пульсирующей по давлению питания

3.1. Экспериментальная установка

3.2. Результаты эксперимента и их обсуждение

3.3. Выводы по главе 3

Глава 4. Оценка возможных погрешностей измерения 11111 СДФ-методом и выбор настроечных параметров

4.1. Погрешность задания частоты пульсации

4.2. Погрешность базы измерения (мерных длин)

4.3. Погрешность коэффициента расхода

4.4. Оценка погрешности измерения фазы и скорости

4.5. Выбор настроечных параметров СДФ-преобразователя

4.5.1. Выбор давления пмтания

4.5.2. Выбор частоты и глубины гармонической пульсации

скорости струй в плечах СДФ-преобразователя

4.6. Выводы по главе 4

Глава 5. Проверка работоспособности СДФ-метода измерения малых скоростей, перепадов давления

и объемных расходов газов

5.1. Описание экспериментального образца

измерительного первичного СДФ-преобразователя

5.2. Тарировка СДФ-преобразователя в режиме измерения скорости

5.3. Тарировка СДФ-преобразователя в режиме измерения объемного расхода и перепада давления

5.4. Выводы по главе 5

Глава 6. Предложения по разработке схемы системы управления первичным СДФ-преобразователем ППГ

Заключение

Литература

Приложение 1. Акт о внедрении результатов

диссертационной работы

Приложение 2. Описание патента РФ №2044322 «Способ измерения скорости потока текучей среды»

Приложение 3. Описание патента РФ №2405978 «Способ генерации пульсаций давления»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения параметров потока газов»

Введение.

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 в таких областях как при работе вентиляционных систем и трубопроводов, 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, возможны также измерения режима помпажа в реактивных двигателях. Ввиду стремительного развития технологий весьма вероятно появление и других приложений.

Серьезность и актуальность проблемы таких измерений подтверждает наличие на рынке большого числа измерителей, охватывающих диапазон малых скоростей газов [39], создание ряда установок для тестирования и калибровки таких измерителей [58],[64],[68], а также создание в Национальной исследовательской лаборатории метрологии (Tsukuba, Ibaraki, Japan) специального прецизионного стенда для тестирования измерителей малых скоростей газов в диапазоне 0,05 - 1,4 м/с [69]. Проведенные на туннельном измерительном стенде с движущейся тележкой, имеющей точность до 1 мм/с, [70] сравнительные исследования 16-ти измерителей малых скоростей газов термоанемометрического и ультразвукового типа 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 стандартов, приведенных в [70], принятых в Японии, а именно JIS Т8202-1997 - «Анемометр общего пользования», по которому в измерителях с диапазоном менее 2 м/с требуемая точность измерений лежит в пределах 5% от максимального значения шкалы, и JIS М7606-1994 -

«Термоанемометр портативный для шахт», по которому в измерителях скорости с диапазоном менее 5 м/с требуемая точность измерений также лежит в пределах 5% от максимального значения шкалы. По международному стандарту ISO 7726 [54] требуемая точность измерителя в диапазоне 0,05-1,0 м/с составляет 5% ±0,05 м/с регистрируемой величины и допускается 7% ±0,02 м/с. В США рекомендуемые стандарты IES-RP-CC013-86-T [53] указывают на требуемую точность 2% от максимального значения шкалы измерения в диапазоне 0,25-1,0 м/с. В Российской Федерации ГОСТ Р ИСО 11399-2007 «Эргономика тепловой окружающей среды» [10] и ГОСТ Р ИСО 14644-32007 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды» [11] рекомендуют при измерениях в диапазоне малых скоростей газов руководствоваться стандартом ISO 7726 в редакции 1998 года. В России приборы для измерения малых скоростей газов тестируются во Всероссийском НИИ метрологии им. Д.И.Менделеева на установке, имеющей нижний предел измерения 0,10 м/с при точности измерения ±1,5%*%, где Vu - измеряемая скорость, что является недостаточным для проведения тарировок измерителей малых скоростей газов.

Оценка технических характеристик имеющихся на рынке измерителей скоростей газов, проведенная автором [39] 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.

В представляемой работе изложены результаты разработки и исследования научных основ нового струйного дифференциального осцилляторно-го метода измерения ППГ с расширенными характеристиками, охватываю-

щего измерения малых скоростей, перепадов давления и расходов газов. Работа была инициирована выполнением договора с НИОГАЗ по разработке новых методов измерения малых скоростей газов.

Цель и задачи исследования. Целью работы являлась разработка и исследование научных основ нового метода измерения 11111 с расширенными характеристиками, охватывающего измерения малых скоростей, перепадов давления и расходов газов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Разработать новый метод измерения 11111, обеспечивающий поставленную цель.

- Разработать математические модели разработанного метода измерения ППГ.

- Провести теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие возможность реализации разработанного метода измерения 11111.

- Разработать конструкцию экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения 11111.

- Провести исследования разработанного экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения 11111, подтверждающие работоспособность и технические возможности разработанного метода измерения 11111.

- Разработать предложения по реализации системы управления измерительным первичным преобразователем 11111.

Методы и средства исследования. Для разработки математических моделей и описания новых методов измерения 11111 использованы уравнения газового состояния, газовой динамики и экспериментальные данные. Для проведения экспериментов применены термоанемометрические исследования струйных течений с обработкой результатов вычислительной техникой; применены необходимые технические средства.

Научная новизна работы заключается в следующем: - Разработан новый струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения ППГ в модификациях частотного и фазового методов и его математические модели.

Проведены экспериментальные исследования течения гармонически пульсирующей осесимметричной затопленной свободной воздушной струи при малых числах Рейнольдса, получены данные при таком течении по соотношениям числа Яе, частоты и глубины пульсаций, фазовым характеристикам пульсирующего течения, соответствующих чисел Струхаля. Полученные результаты позволяют расширить динамический диапазон измерения ППГ струйным дифференциальным фазовым (СДФ) методом.

Разработаны методы оценки погрешностей СДФ-метода измерения ППГ и выбора настроечных параметров.

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.

Разработаны предложения по реализации системы управления измерительным первичным СДФ-преобразователем ППГ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи исследования, включая использование обоснованных теоретических зависимостей и принятых допущений, использованием необходимой измерительной аппаратуры, получением убедительных результатов по тарировке разработанного на основе проведенных исследований экспериментального образца измерительного первичного преобразователя для измерения ППГ, построенного на основе СДФ-метода.

Практическая ценность работы состоит 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 при работе вентиляционных систем и трубопроводов, объемов с контролируемой атмосферой - металлургических и стеклоплавильных печей, «чистых помещений», 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 измерительный системах и иных технических применениях.

Реализация результатов работы. Разработан, изготовлен и исследован экспериментальный образец измерительного первичного СДФ-преобразователя для измерения ППГ, показавший работоспособность и технические возможности нового метода измерения, использованный в составе измерительного стенда для измерения параметров потока газов. Результаты работы переданы в НИОГАЗ для дальнейшего использования.

Личный вклад автора:

Проведение сравнительного анализа методов измерения малых скоростей газов.

Постановка и проведение экспериментов по поиску новых струйных методов измерения 11111.

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.

Постановка и проведение экспериментов по исследованию течения гармонически пульсирующей осесимметричной свободной затопленной воздушной струи при малых числах Рейнольдса, обработка результатов этих экспериментов с получением данных по соотношениям чисел Яе, частоты и

глубины пульсаций, фазовым характеристикам пульсирующего течения, соответствующих чисел Струхаля.

Разработка и описание методов оценки погрешностей СДФ-метода измерения ППГ и настройки измерительных параметров преобразователя.

Разработка принципа действия и конструкции экспериментального образца измерительного первичного СДФ-преобразователя для измерения ППГ.

Проведение исследований на экспериментальном образце измерительного первичного СДФ-преобразователя для подтверждения работоспособности, высокой чувствительности и точности СДФ-метода измерения ППГ.

Разработка предложений по реализации системы управления измерительным первичным СДФ-преобразователем ППГ.

Разработка предложений по проведению дальнейших исследований по измерению параметров потока текучих сред струйными дифференциальными осцилляторными методами.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Всероссийском совещании «Пневмоавтоматика», Москва. 8-9 окт. 1996. ИПУ РАН; на 3-ей Международной конференции по проблемам управления, ИПУ РАН, Москва, 2006 г.; на Третьей Международной конференции "Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов" (ИКАПП-94), Барнаул. 26-28 октября 1994 г. Алтайский филиал РИА и МИА, ГКР ВС, АГТУ; на Российской конференции с международным участием Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения> УКИ 2008 (Москва, 10-12 ноября 2008 г. ИПУ РАН); на Международном симпозиуме Fifth Triennial International Simposium on Fluid Control, Measurement and Visualisation, September 1-4, 1997, Hayama, Japan; на Международной конференции FLUCOME'94, Toulouse (France), 29 August - 01 September, 1994. Тезисы

доклада приняты на Международную конференцию FLUCOME'2011, December 5-9, 2011, Keelung (Taiwan).

По теме работы имеется девять публикаций, три из них без соавторов в журнале из рекомендуемого перечня ВАК, получен один патент РФ [32] с соавтором и один патент РФ [31] без соавторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

- Разработка научных основ нового струйного дифференциального ос-цилляторного метода в модификациях частотного и фазового методов измерения параметров потока газов, а именно, измерения малых скоростей, перепадов давления и расходов газов и разработка математических моделей струйных дифференциальных частотного (СДЧ) и фазового (СДФ) методов измерения 11111.

- Постановка и проведение экспериментов по исследованию течения гармонически пульсирующей осесимметричной свободной затопленной воздушной струи при малых числах Рейнольдса, обработка результатов этих экспериментов с получением данных по соотношениям чисел Re, частоты и глубины пульсаций, фазовым характеристикам пульсирующего течения, соответствующих чисел Струхаля.

- Разработка методов оценки погрешностей СДФ-метода измерения 11111 и настройки измерительных параметров преобразователя.

- Разработка принципа действия и конструкции экспериментального образца первичного СДФ-преобразователя для измерения 11111'.

- Проведение исследований на экспериментальном образце первичного СДФ-преобразователя, подтвердивших работоспособность и технические возможности СДФ-метода для измерения 11111.

- Разработка предложений по реализации системы управления первичным СДФ-преобразователем 11111.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, в которых изложено основное содержание работы, заключения, в котором сформулированы основные выводы и рекомендации по дальнейшему развитию работ в направлении исследований струйных дифференциальных осциллятор-ных методов измерения параметров потока текучей среды, приложения. Работа содержит 119 стр., 69 формул, 51 рисунок, 12 таблиц, список цитированной литературы, включающий 72 наименования, 3 приложения.

Содержание работы.

Во введении показана актуальность поиска и исследования нового перспективного метода измерения параметров потока газов, а именно, малых скоростей, расходов и перепадов давления газов. 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. Указаны практическая ценность работы, реализация ее результатов и личный вклад автора. Приведены сведения по апробации работы, имеющимся публикациям, указаны основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена краткая историческая справка по развитию измерения малых скоростей газов. Приведены данные по имеющемся в настоящее время на рынке измерителям скорости воздуха, 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 расходов газа на основе струйного дифференциального осцилляторного метода с использованием комбинированной трубки Пито-Прандтля для измерения скоростей газов. Выведены основные математические соотношения, описывающие действие струйного дифферен-

циального осцилляторного метода измерения параметров газового потока. Рассмотрен струйный дифференциальный частотный метод такого измерения, выведены основные математические соотношения_для измерений на его основе, обсуждены предпосылки его возможных существенных погрешностей. Рассмотрен струйный дифференциальный фазовый метод измерения малых скоростей, перепадов давления и объемных расходов газа, выведены основные математические соотношения_для измерений на его основе.

В третьей главе изложена постановка экспериментов по термоанемомет-рическому исследованию осесимметричной свободной затопленной воздушной струи при малых числах Рейнольдса, гармонически пульсирующей по давлению питания, на основе которой строится СДФ-преобразование для измерения ППГ и обсуждены результаты этих экспериментов. 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, на основании чего даны рекомендации по выбору технических параметров измерительного первичного СДФ-преобразователя для измерения 11111.

В четвертой главе проведена оценка возможных погрешностей измерений ППГ СДФ-методом и выбор настроечных параметров технического устройства для измерения ППГ. Рассмотрены возможные погрешности измерений, связанные с конструктивными погрешностями изготовления первичного преобразователя, включая погрешность базы измерения и погрешность коэффициента расхода. Показано, что погрешности не симметрии измерительного и опорного плеч преобразователя могут быть скорректированы введе-

нием в базовое уравнение соответствующего корректирующего коэффициента. Рассмотрена погрешность задания частоты модуляции, которая при использовании кварцевого тактового генератора может считаться незначительной. Оценка погрешности измерения фазы и скорости показала, что она зависит от погрешности измерения фазы, которая может быть уменьшена усреднением полученных результатов при измерении относительно медленных процессов. Предложен расчетный метод выбора настроечных параметров измерения 11111' СДФ-методом, где обоснованы выбор давления питания и выбор частоты и глубины пульсации.

В пятой главе приведены результаты экспериментов по проверке работоспособности СДФ-метода измерения малых скоростей, перепадов давления и объемных расходов газов на основе разработанного и изготовленного экспериментального образца измерительного первичного СДФ-преобразователя; обсуждены его схемные особенности. Приведены результаты экспериментальных исследований специализированного мембранно-струйного нагнетателя, обеспечивающего совместно с акусто-пневматическим фильтром нагнетание гармонически пульсирующего давления в оба плеча струйного дифференциального фазового измерителя. Изложены схемные особенности электронной схемы преобразователя, обеспечивающей стабильное питание мембранно-струйного нагнетателя с заданными избыточным давлением, частотой и глубиной пульсации. Описаны схемы экспериментальных установок для снятия тарировочных характеристик СДФ-преобразователя в режимах измерения скорости, перепада давления и объемного расхода. Приведены таблицы тарировочных измерений и расчетов, показаны графики тарировочных характеристик по проведенным измерениям, подтвердивших работоспособность, высокую чувствительность и точность СДФ-преобразователя.

В шестой главе предложена схема реализации системы управления СДФ-преобразователем, содержащая необходимый набор функциональных блоков,

обеспечивающих работоспособность системы управления и выполнение необходимых функций.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту и рассматриваются направления дальнейших исследований в этой области.

Работа выполнена в лаборатории №2 газогидродинамических средств автоматизации Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институт проблем управления имени В.А.Трапезникова Российской академии наук

Автор выражает благодарность: к.т.н. В.В.Викторову, ныне профессору Туринского Политеха (Италия), который инициировал и возглавлял эту работу на начальном этапе, научному руководителю работы заведующему лаборатории №2, д.т.н. А.М.Касимову, к.т.н. А.А.Данилову, который разработал и изготовил электронную систему питания СДФ-преобразователя и трижды восстанавливал термоанемометрическую установку БКА, механику высшей квалификации Б.И.Панкратову, который изготовил экспериментальный образец СДФ-преобразователя, и коллективу лаборатории №2, который терпеливо и доброжелательно поддерживал меня в этой работе.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Хитрово, Алексей Александрович

4.6. Выводы по главе 4.

1. Рассмотрены возможные погрешности базового уравнения измерения 11111 СДФ-методом.

2. При задании частоты пульсации /„ цифровым способом погрешность уставки /„ ввиду малости может не учитываться.

3. Показано, что систематические погрешности несимметричности плеч СДФ-преобразователя, в частности, мерных длин L могут быть учтены при расчетах введением угла коррекции несимметричности плеч преобразователя рк, а для мерных длин может быть принято Lx = L2 = const.

4. Установлены диапазон изменения коэффициена расхода /л в плечах СДФ-преобразователя и зависимость (i = /i(Re). Выведены уравнения учета погрешности /л при измерениях 11111 СДФ-методом.

5. Выведены уравнения абсолютной AVU и относительной 8VU погрешностей измерения скорости с учетом погрешности измерения сдвига фазы в плечах СДФ-преобразователя. Показана связь относительной погрешности измерения скорости SVU с фазой (pi в измерительном плече и верхним пределом измерения скорости Уцмакс, который зависит от максимального предельного значения величины фазы в измерительном плече (р1,макс , от минимальной предельной скорости рабочей струи в измерительном плече ¥]:Мин, при которых обеспечивается работоспособность СДФ-метода, и от минимального значения Яемин, при котором обеспечивается пульсационное течение при оптимальном Кк.

6. Указана методика выбора настроечных параметров СДФ-измерителя - давления питания, частоты пульсации и глубины пульсации. Для выбора настроечных параметров показана взаимосвязь устанавливаемого давления питания Рп с задаваемым диапазоном измерения скорости К,макс- Рекомендуется применять максимальную частоту пульсации, обеспечивающую работоспособность СДФ-метода. Указан диапазон установки глубины пульсации Кп=(Га-Г>)/Ге - Кп=0,КО,4.

7. Отмечено, что выводы, относящиеся к измерению скорости газа СДФ-методом, относятся также к измерению объемного расхода газа с учетом корректировки результатов на константу ЦМРМ .

8. Указано, что при измерении перепада давления СДФ-методом по уравнению (4.12) и массового расхода по уравнению (4.13) с корректировкой на р необходимо учитывать, что параметр р газа зависит от температуры и давления, поэтому во избежание дополнительных погрешностей необходимо в процессе измерения вводить корректировки по этим параметрам.

Глава 5. Проверка работоспособности СДФ-метода измерения малых скоростей, перепадов давления и объемных расходов газов.

5.1. Описание экспериментального образца измерительного первичного СДФ-преобразователя.

Для проверки работоспособности СДФ-метода измерения малых скоростей и перепадов давления газа был разработан, изготовлен и исследован экспериментальный образец измерительного первичного СДФ-преобразователя. Общая схема такого преобразователя в режиме измерения скорости набегающего потока в трубопроводе показана на рис.5.1.

Рис. 5.1. Схема экспериментального образца измерительного первичного СДФ-преобразователя. 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 -пневмоакустический фильтр, 10 - хонейкомб, 11 - устройство управления, 12 - газовый поток в трубопроводе, скорость которого измеряется, Ь - мерная длина. На заборном отверстии 8 установлен пылевой фильтр (на схеме не показан).

Такая схема СДФ-преобразователя имеет несколько особенностей. В отличие от эксперимента по исследованию пульсирующей струи (см. главу 3), где была применена схема с подачей давления от внешнего источника питания с последующей его пульсацией мембранным пульсатором, и эксперимента Olivar i [62], где пульсация внешнего давления осуществлялась путем дросселирования обтюратором подаваемого под давлением внешнего потока, здесь в качестве нагнетателя был применен автономный мембранно-струйный нагнетатель с электрическим управлением с постоянной стабилизированной частотой нагнетания, гармонически модулируемой устанавливаемыми частотой и амплитудой, что совместно с пневмо-акустическим фильтром допускало при необходимости оперативное изменение параметров пульсации - давления нагнетания (питания) Р„ и частоты пульсации F„ [32].

Применение в качестве чувствительных элементов термоанемометров не вносит дополнительных существенных погрешностей, поскольку термоанемометры работают в этом случае в режиме фазового, а не скоростного измерения, при относительно низких частотах пульсации скорости струи (десятки Гц). При этом использованная измерительная термоанемометрическая станция (универсальный термоанемометр) DIS A 55D00 имела частотный диапазон до 400 кГц [49].

Помимо чувствительных элементов для измерения фазового сдвига в измерительном и опорном плечах в подготовительной (средней) камере был установлен дополнительный чувствительный элемент для введения корректирующей поправки в фазовое измерение.

В качестве привода мембранно-струйного нагнетателя использован малогабаритный телефон-микрофон ТМ-4. Пневмо-акустический фильтр состоял из LC-элементов, в качестве которых были применены компактно расположенная винтовая длинная линия и емкость внутри нее; параметры фильтра были подобраны на максимум фильтрации при частоте максимума выходного давления мембранно-струйного нагнетателя при постоянном напряжении электрического питания (накачки) ин . На рис. 5.2. показана схема экспериментальной установки, примененной для исследования характеристик мембранно-струйного нагнетателя. Установка содержала телефон-микрофон ТМ-4, управляемая мембрана которого использовалась в качестве нагнетателя, к которому была прикреплена нагнетательная камера 2 с входным отверстием диаметром с1с, напротив которой было расположено отверстие диаметром с1п приемной камеры, в промежуток между которыми с расстоянием к поступал атмосферный воздух. Такая конфигурация обеспечивает диодный эффект, вследствие которого при возвратно-поступательном движении мембраны в приемной камере создается избыточное давление.

На рис. 5.3. показана частотная характеристика нагнетателя при средней величине питающего напряжения накачки ин=3,5 В при нагрузке на глухую камеру и при рабочем отверстии диаметром с!р =1мм. Установлено, что при оптимальном подборе параметров нагнетателя йс, с1т к максимальная его производительность достигается при частоте накачки около 1070 Гц. На рис. 5.4. показана выходная характеристика нагнетателя на этой частоте накачки.

2 4с ? 1

4 э и V

Рис. 5.2. Схема экспериментальной установки для исследования характеристик мембранно-струйного нагнетателя. Здесь: 1 - телефон-микрофон ТМ-4, 2 - компрессорная камера нагнетателя с отверстием с1С) 3 - приемная камера нагнетателя с приемными отверстиями с!т рабочим отверстием с1р и рабочим зазором И с давлением внутри камеры Рп> 4 - звуковой генератор ГЗ-ЗЗ, 5 - частотомер 43-33, 6 - вольтметр В7-27, 7 - пневмоэлектриче-ский преобразователь «Сапфир».

В качестве рабочих диафрагм в преобразователе применены отверстия в тонкой стенке диаметром 1,0 мм, характеристики которых подробно исследованы в эксперименте (см. главу 3), в соответствии с которым за базу измерения (мерную длину) было принято L=10 мм.

В качестве термоанемометрических чувствительных элементов были использованы миниатюрные лампы накаливания типа СМН со снятым стеклянным кожухом, подключенные к термоанемометрической установке DISA 55DOO.

Электронная система управления питания СДФ-преобразователя, разработанная и изготовленная сотрудником ИПУ РАН к.т.н. Даниловым A.A., содержала генератор накачки на основе часового кварца с частотой 32 кГц, который через делитель частоты, усилитель и формирователь сигнала обеспечивал накачку мембранно-струйного нагнетателя на частоте 1 кГц с регулировкой амплитуды накачки и с возможностью переключения частоты и глубины модуляции, имевшей форму корректированного меандра, близкую к синусоидальной. 1 1 ■ U,г =3,5В

I "луха* [ каме ра ■ ■ ■ ■ ■

1 1 ■ ■ ■ и I ■ . ■ ■ II )мм в 1 ■ ■ ■ . ■ ■

1 ■ ■

800 900 1000 1100 1200 1300 /„, Гц

Рис. 5.3. Частотная характеристика нагнетателя при средней величине питающего напряжения накачки и, =3,5 В.

Внешний вид действующего макета СДФ-измерителя показан на рис. 5.5. При измерении перепада давления (объемного расхода) насадок с трубками Пито-Прандля снимается и каналы преобразователя подключаются к местному сопротивлению: измерительный канал - вверх по течению потока, опорный канал - вниз по течению, туда же подключается заборное отверстие питающего нагнетателя.

Рис. 5.4. Выходная характеристика нагнетателя на частоте накачки/н =1070 Гц.

5.2. Тарировка СДФ-преобразователя в режиме измерения скорости.

Работоспособность СДФ-преобразователя в режиме измерения скорости была проверена на изготовленной лабораторной аэродинамической трубе прямого действия незамкнутого типа с открытой рабочей частью [29, с.24] с питанием от сети сжатого воздуха, расход от которой измерялся расходомерами-ротаметрами типа РМ, взаимно перекрывающими диапазон измерения, имеющими относительную погрешность ~ ±2,5% 0т верхнего предела диапазона измерения при динамическом диапазоне Кд = 5 .

Внутри трубы располагался хонейкомб, а на выходе - сопло Витошинского (профильный конфузор) с диаметром выходного отверстия =25,4 мм. Профиль сопла Витошинского, который приближает профиль скоростей истечения к прямоугольному, описывался соотношениями [9, с.23]:

У* [гвх ЧР)/НЛ^-ВТ)2 /(1 + 1/3*ЯГ)3]

5.1) где: В8 = г2-г2р; БТ = {хИс)2.

Здесь: гех - радиус отверстия на входе в сопло; гкр- радиус сопла в критическом сечении; Ьс - длина сопла; х, ух - текущие координаты точек на образующих, начиная от входа в сопло. ж ш

Рис. 5.5. Внешний вид первичного СДФ-преобразователя.

На рис. 5.6. показаны профили относительных скоростей на срезе выходного сопла аэродинамической трубы (в критическом сечении), полученные измерением на тарированной термоанемометрической установке ЭКА.

Здесь: диаметр критического сечения, гк - текущий радиус измерения, V* - относительная скорость в критическом сечении по текущему радиусу, УСр - средняя скорость в критическом сечении по измеренному ротаметром расходу.

Поскольку в диапазоне низких скоростей сопло Витошинского не обеспечивает прямоугольный профиль скоростей на срезе сопла, необходимо вводить коррекцию в результаты, получаемые при тарировке СДФ-преобразователя, отнесенные к измеренному расходу через это сопло, т.е. фактическая скорость, измеряемая СДФ-преобразователем:

П=Кв*¥ср (5.2)

На рис. 5.7. показан график корректирующего коэффициента Кв в диапазоне эксперимента, полученный из соотношения:

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

0 2 4 6 8 10 12 14 Гк,мм

Рис. 5.6. Профили относительных скоростей на срезе выходного сопла аэродинамической трубы (в критическом сечении).

В max silJ max где: QBmax =sb *v*Bmax =SB - расход через сопло Витошинского при максимальной относительной скорости, SB- площадь сопла Витошинского,

Qbmax = Sn * V*nmdX =Sn* 1 - условный расход через сопло трубки Пито при максимальной относительной скорости, Sn- площадь сопла трубки Пито,

Гв

Qbh = 2тг JVr rdr расход через сопло Витошинского при относительо ной скорости Vr ,

Гп

Qm =271 jVr rdr условный расход через сопло трубки Пито при отно0 сительной скорости Vr ,

Кв

1,00

0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Vcp, См/С Рис. 5.7. График корректирующего коэффициента Кв тарировочной характеристики.

На рис. 5.8. показана схема тарировочной установки измерения скорости СДФ-преобразователем, где СДФ-преобразователь трубкой Пито располагался на срезе сопла Витошинского аэродинамической трубы.

В эксперименте при устанавливаемой величине расхода Qp снимались значения сдвига фазы - в измерительном плече, (р2 - в опорном плече, (рср -в средней камере.

Обработка результатов экспериментов была проведена с использование следующих соотношений. Для удобства проведения вычислений подкоренное выражение уравнения измерения скорости (4.11) можно представить как: i J г

V V

Щ*

Х *

Вычисления значения измеренной скорости проводились по уравнению:

V»=K*K*fn*W, (5-5) где: Rs = (Rm - Ai?m); ARm - корректирующий член, компенсирующий дополнительные задержки в линии передачи пульсации от насоса к рабочим отверстиям; принималось ¡Л =0,67; kn = 360 *L - коэффициент прибора; для экспериментального образца СДФ-преобразователя kn=3.6. При вычислении величина (рср не учитывалась. RK- корректирующий член, и Rm = R0 * Rk.

Рис. 5.8. Схема тарировки по скорости первичного преобразователя малых скоростей газа. Здесь: 1- преобразователь, 2 - трубка Пито диаметром 15 мм, 3 - сопло Витошинского, 4 - хонейкомб, 5 - подготовительный диффузор, 6 - ротаметры типа РМ, 7 - вентиль питания сжатым воздухом, 8 -термоанемометрическая установка DISA, 9 -выходной усилитель накачки , 10 - смеситель-формирователь, 11 - генератор-формирователь пульсации, 12 - генератор накачки, 13 - кварцевый генератор, 14 - фазоизмеритель типа Ф2-34, 15 - электронная схема управления накачкой и пульсацией.

Ниже приведены таблицы результатов экспериментов по тарировке СДФ-преобразователя в режиме измерения скорости при частотах пульсации 66 Гц и 33 Гц, где приведены результаты обработки экспериментальных данных. Здесь: AVm= Vm- VK - абсолютное отклонение результата измерения от измеряемой скорости VK , и öVm=(AVml Уючакс) - относительное отклонение в процентах к диапазону измерения У^акс в рассматриваемом эксперименте. Мера линейной зависимости полученных результатов оценивались по выборочному линейному парному коэффициенту корреляции Пирсона RVn , (где N - номер эксперимента) [30, раздел З.2.1.], который вычислялся по модифицированной формуле, исключающей необходимость определения среднего значения признаков:

I I I <

1 1

- Е*, 2 I Л2 2

5.6)

Здесь: х - значение факторного признака, у - значение результативного признака.

На рис. 5.9. показаны результаты тарировки по скорости первичного СДФ-преобразователя средней скоростью стационарного течения из сопла Витошинского по экспериментам №1-4. ч

Полученные экспериментальные данные измерения скорости показали:

1. В диапазоне измеряемых скоростей от 11 до 200 см/с относительная погрешность измерения на различных режимах работы (при частоте пульсации 33 и 66 Гц) не превышает 1,5% от динамического диапазона измерения при паспортной погрешности измерителей расхода в аэродинамической трубе 2,5%.

2. Для получения адекватных результатов нет необходимости использовать показания датчика в подготовительной камере.

Заключение.

В диссертации поставлена актуальная научно-техническая проблема, имеющая важное практическое значение - разработка и исследование научных основ нового эффективного метода измерения параметров потоков газов (ППГ) - малых скоростей, перепадов давления и расходов, который обеспечивает измерения в широком диапазоне и с высокой точностью при обеспечении условной инвариантности к изменениям плотности, вязкости, температуры и состава газа при измерениях малой скорости и расхода газов. Для решения этой проблемы было выполнено следующее:

1. На основе проведенного анализа современного состояния методов и средств измерения параметров потока газов (11111) в области малых их величин предложены и разработаны научные основы нового струйного осцилляторного метода измерения 11111 в модификациях частотного и фазового методов.

2. Разработаны математические модели струйных дифференциальных частотного и фазового методов измерения 11111.

3. Выполнены постановка и проведение экспериментов по исследованию течения 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 относительной 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 измерения 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 11111. Показано, что в диапазоне чисел Рейнольдса 300</?е0<1300 при истечении струй в плечах насадка достигается обусловленная инвариантность процесса измерения скорости и объемного расхода к параметрам газа.

5. Разработана методика настройки измерительных параметров при использовании СДФ-метода для измерения ППГ.

6. На основе полученных результатов исследований разработана конструкция экспериментального образца первичного измерительного СДФ-преобразователя ППГ. Проведены эксперименты по снятию тариро-вочных 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.

Полученные результаты подтвердили выполнение поставленной цели, что дает основание рекомендовать их для использования при соответствующей технической реализации в таких применениях как при работе вентиляционных систем и трубопроводов, 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, возможны также измерения режима помпажа в реактивных двигателях.

Ввиду стремительного развития технологий весьма вероятно появление и других приложений.

В плане развития работ по исследованию и применению струйных дифференциальных осцилляторных методов измерения параметров потоков газов необходимо провести следующее:

1. Исследования СДФ-метода для измерения ППГ в более низких диапазонах измерений и измерений на различных газовых средах.

2. Исследования по применимости СДЧ-метода, имеющего ряд перспективных преимуществ по сравнению СДФ-методом.

3. Исследования применимости СДО-методов измерения 11111 в области более высоких скоростей и перепадов давления для расширения диапазонов измерения.

4. Исследования путей миниатюризации технической реализации СДО-методов измерения ППГ.

5. Исследования возможностей СДО-методов для измерения параметров потока жидкостей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хитрово, Алексей Александрович, 2012 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука. ГРФМЛ, 1976. 888 с.

2. Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. М.: НЕДРА, 1982, 224 с.

3. Беляев М.М., Хитрово A.A. Электрогазоструйное и газоструйноэлектри-ческое преобразование дискретных сигналов //Датчики и системы. 2005. №2. С. 44-50.

4. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука. ГРФМЛ, 1972. 768 с.

5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: ГИФМЛ, 1963, 708 с.

6. Викторов В.В., Хитрово A.A. Новые методы измерения малых скоростей и перепадов давлений газов. // Приборы и системы управления. 1997. №9. С.37-38.

7. Викторов В.В., Хитрово A.A. Новые методы измерения малых скоростей и перепадов давлений газов. Всероссийское совещание «Пневмоавтоматика». Тезисы докладов // Москва. 8-9 окт. 1996. ИПУ РАН. С. 30.

8. Голямина И.П. Ультразвук. Энциклопедия. М.: Наука, 1985. 400 с.

9. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (методы и приборы). М.: Наука. 1964. 720 с.

10. ГОСТ Р ИСО 11399-2007. Эргономика тепловой окружающей среды. М.: ИПК, Изд-во стандартов, 2007.

11. ГОСТ Р ИСО 14644-3-2007. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. М.: ИПК, Изд-во стандартов, 2007.

12. ГОСТ 8.563.1-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в трубопроводах круглого сечения. М.: ИПК, Изд-во стандартов, 1998.

13. ГОСТ 8.586.1-5-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. М.: ИПК, Изд-во стандартов, 2007.

14. Градецкий В.Г., Дмитриев В.Н. Исследование элемента типа «трубка-трубка» с ламинарным питающим капилляром //Приборы и системы управления. 1967. №2. С. 10-12.

15. Даев Ж.А. Сравнительный анализ методов и средств измерения расхода газа // Нефтегазовое дело. Электронный научный журнал. Выпуск 2010, 1. URL: http:// www.ogbus.ru: (дата обращения 12.12.10.)

16. Дмитриев В.Н. Границы ламинарной струи постоянной массы // Пневматика и гидравлика. 1976. Вып. 3. С. 238-243.

17. Дмитриев В.Н., Градецкий В.Г. Основы пневмоавтоматики. М.: Машиностроение, 1973, 360 с.

18. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. 560 с.

19. Измеритель разности фаз Ф2-34. Техническое описание и инструкция по эксплуатации // 2.721.057 ТО. ООО НКП «Контрольно-измерительные приборы», 189 с.

20. Касимов A.M., Беляев М.М. Расходомер с нулевым перепадом давлений // Датчики и Системы, 2001.№ 7. С.41-43.

21. Козлов Г.В., Литвиненко Ю.А., Грек Г.Р., Сорокин A.M. О механизме возникновения и развития когерентных структур в ламинарных и турбулентных круглых струях. - Вестник НГУ. Серия Физика. 2008. Том 3. Выпуск 1. С. 12-22.

22. Кузнецов Л.А., Милонов М.В., Наливкин Д.В. Метод высокоточного измерения частоты колебаний пьезокварцевых сенсоров // Датчики и системы, №2, 2004. С.2-6.

23. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Теоретическая физика. М.: Наука, ГРФМЛ, 1988, Т.4, 736 с.

24. Лебедев И.В., Трескунов СЛ., Яковенко B.C. Элементы струйной автоматики. М.: Машиностроение, 1973, 360 с.

25. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. Л.: Машиностроение,1988, с.

26. Манометры. Дифманометры. Напоромеры. Датчик давления Сапфир-22МТ. URL:http://www.teplolider.ru/?id=2&cat cat=l&cat йт=407:(дата обращения 11.08.10).

27. Мезин И.С., Шубин А.Н., Беляев М.М., Хитрово A.A. Электропневматические и пневмоэлектрические преобразователи для струйной техники (пневмоники)// Сб. Новое в пневмонике. М.:Наука. 1969. С. 150-165.

28. Меточный датчик вертикальной скорости: авторское свидетельство 1469469 СССР. 1989г. Бюл. №12.

29. Никитин В.А., Бойко C.B. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Учебное пособие. - 2-ое издание, переработанное и дополненное. - Оренбург, ГОУ ОГУ, 2004, 462 с.

30. Орлов А.И. Прикладная статистика. М.: Экзамен, 2004. 656 с.

31. Прикладная аэродинамика. Под ред. Н.Ф.Краснова. М.: Высшая школа, 1974, 732 с.

32. Способ генерации пульсаций давления: пат. 2405978 Рос. Федерация . №200911033/06; заявл. 20.03.2009; опубл.10.12.2010 / А.А.Хитрово - Бюл. №34.

33. 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.

34. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, Ленинградское отделение. 1990, 763 с.

35. Трубка Пито: патент Японии 63-21565, 1988 г.

36. Ультразвуковое устройство для измерения скорости потока: патент 2186399 Корейской Республики. Дата публикации 27.07.2002. URL:http://www.ru-patent.info/21/85-89/2186399.html: (дата обращения 05.08.10).

37. Частотомер электронно-счетный 43-33. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. И22.721.028П. 4.2.

38. Ультразвуковой расходомер газа FLOWSIC 600, SICK MAIHAK. Описание прибора. URL:http:// www.sick-ms.ru/prod flowsic_600.html (дата обращения: 04.03.2011).

39. Хитрово A.A. Сравнительные характеристики измерителей малых скоростей газов // Датчики и системы, 2008, №10, с.23-26.

40. Хитрово A.A. Возможности струйного фазового метода измерения малых скоростей и перепадов давлений газов // Датчики и системы, 2005, №10, с.26-32.

41. Хитрово A.A. Результаты экспериментальных исследований осесиммет-ричной затопленной воздушной струи, гармонически пульсирующей по давлению питания // Датчики и системы, №2, 2011, с. 12-19.

42. Хитрово A.A. Струйный фазовый преобразователь малых скоростей и перепадов давления газов. // 3-я Международная конференция по проблемам управления. И1ТУ РАН, Москва, 2006 г. Тезисы докладов, том.2, с.91.

43. Хитрово A.A. 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. ИЛУ РАН). Тезисы докладов, с.264-265.

44. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972, 382 с.

45. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука, ГРФМЛ, 1977, 942 с.

46. Ярин Л.П., Генкин А.Л., Кукес В.И. Термоанемометрия газовых потоков. Л.: Машиностроение, 1983, 200 с.

47. Chaniotis А.К., Poulikakos D., and Ventikos Y. Dual Pulsating or Steady Slot Jet Cooling of a Constant Heat Flux Surface // J. Heat Transfer. August 2003. Vol. 125, Issue 4, 575, 12 pages.

48. Clenshaw C.W. & Elliott D. A numeral treatment of the OrrSommerfeld equation in the case of laminar jet //The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics. 1960, 13(3), pp. 300-313.

49. DISA. The Instruments for Scientific Investigations / Catalog. DISA Electronic A/S, Herlev, Denmark. Leaflet No. 2002-R, January 1970.

50. Hayes-McCoy Declan, Jiang Xi, Lockerby Duncan. Analysis of Zero-Net-Mass-Flux Synthetic Jets using DNS // WSEAS Transactions on Fluid Mechanics, January 2008, issue 1, Vol.3, pp.47-55.

51. High-Accuracy Voltage References: (электронный ресурс) URL:http://russia.maxim-ic.com/products/references/high accuracy.cfm (дата обращения: 25.04.11).

52. Hirata Katsuya, Kubo Tatuya, Hatanaka Yasutaka, Matsushita Masumitsu, Shobu Kazuaki and Funaki Jiro. An Experimental Study of Amplitude and Frequency Effects upon a Pulsating Jet // Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., 2009, Vol.75, No.750,pp.l95-202.

53. IES-RP-CC-013-86-T. Recomended Practice for Equipment Calibration or Validation Procedures - Institute of Environmental Sciences, 1986.

54. ISO 7726-1985, Thermal Environments. - Instructions and Methods for Measuring Phisical Quantities, 1985.

55. Jiang X., Zhao H., Cao L. Direct Computation of a Heated Axisymmetric Pulsating Jet // J. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, Vol.46, Issue 10, Dec.2004, pp.957-979.

56. Kohan I.Sh., Vaisman A.A. The Axial Velocity and Structure of Laminar Submerged Spatial Jets // Xl-th International Conference on Fluidics "Jablonna'88". 11-14 October, 1988, Varna, Bulgaria, pp. 46-57.

57. Kurima Junji, Yamanishi Akio, Myamoto Masahide. Impingement Heat Transfer of Axisymmetric Jet with Pulsation. For the Case of Low Pulsation Frequency // Nihon Kikai Gakkai Nenji Taikai Koen Ronbunshu, 1999, Vol.4, pp.55-56.

58. Leith J.R., Raether A.M. and Smith D.K. Wind Tunnel Facility for Operation at Very Low Velocity // Journal of Physics E, Vol.21, 1988 , pp. 497-501.

59. Liewkongsataporn W., Patterson Т., Ahrens F. and Louhran J. Impingment Drying Enhancement Using a Pulsating Jet // 15th International Drying Symposium (IDS 2006), pp.939-945.

60. Liewkongsataporn W., Ahrens F., Patterson T. A Numerical study of Axisymmetric Pulsating Jet Impingement Heat Transfer // International Heat Transfer Conference 13. Annals of the Assembly. 2006. Jets-14.

61. Nishioka M. and Sato H. Measurements of Velocity Distributions in the Wake of a Circular Cilinder at Low Reynolds Numbers // Journal of Fluid Mechanics, Vol.65, 1974, pp. 97-112.

62. Olivari D. An analysis of turbulent unsteady jets. Seventh Cranfield Fluidics Conference. 12-14 Nov. 1975, Stuttgart.

URL:http://www.vki.ac.be/research/themes/refhtml. (дата обращения: 12.03.09).

63. Pratomo Hariyo P.S., Bremhorst Klaus. Flow Field and Propagation of a Perturbed Jet // Seminar Nasional Teknik Mesin 3. 30 April 2008, Sarabaya, Indonesia, pp.50-56.

64. Purtel L.P. and Klebanoff P.S. A Low-Velocity Airflow Calibration and Research Facility // NBS Technical Note, 1978, p. 989.

65. Rozli Zulkifli, Kamaruzzaman Sopian, Shahrir Abdullah, Mohd Sobri Takriff. Comparison of Local Nusselt Number for Steady and Pulsating Circular Jet at

Reynolds Number 16000 // European Journal of Scientific Research, 2009, Vol.29, No.3, pp. 369-378.

66. Rozli Zulkifli, Kamaruzzaman Sopian, Shahrir Abdullah, Mohd Sobri Takriff. Experimental Study of Flow Structures of Circular Pulsating Air Jet // American J. of Engineering and Applied Sciences, 2009, 2(1), pp. 171-175.

67. Sato H., Sakao F. An experimental investigation of instability of two-dimentional jet at low Reynolds number //Journal of Fluid Mechanics. Vol.20, part 2, October, 1964, pp.337-352.

68. Terao Y., Takamoto M., Sugiyama T. Low Range Air Flow Velocity Standard and Calibration System // FLUCOME'91 1991, pp. 677-682.

69. Terao Y., Takamoto M., Sugiyama T. Velocity Distribution in a Very Low Speed Wind Tunnel // FLUCOME'94, Vol.1, 1994 , pp. 233-237.

70. Terao Y. and Takamoto M. Low Velocity Standard for Air Flow Using a Towing Carrige // Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, 1990, vol.26, No. 1, pp. 1-8.

71. Yamasaki Hiro, Honda Satoshi. A unified approach to hydrodynamic oscillator type flowmeters - on the complementary relations between fluidic flowmeters and vortex flowmeters // FLOW-81, St. Louis. Its Measurement and Control in Science and Industry. ISA Preprint, vol.2, 1981, pp.191-198.

72. Yu Huidan, Girimaji Sharath S. Study of axis-switching and stability rectangular jets using lattice Boltzmann method //Aerospace Engineering Department, Texas A&M University, College Station, TX 77843-3141, USA.

«УТВЕРЖДАЮ» Зам. директора ИПУ РАН член-корреспондент

(Зш,

Д.А.Новиков

/У » 2011 г.

АКТ

о внедрении в ИПУ РАН результатов диссертационной работы Хитрово Алексея Александровича, представленной на соискание

ученой степени кандидата технических наук на тему: «Струйный дифференциальный осцилляторный метод измерения параметов потока газов».

Комиссия в составе председателя комиссии зав. лаб. №2 ИПУ РАН д.т.н. Касимова A.M. и члена комиссии ст.н.сотр. Попова А.И. составили настоящий акт о том, что материал кандидатской диссертации Хитрово A.A. использован при разработке и изготовлении, первичного преобразователя параметров потока газов, а именно малых скоростей, перепадов давления и расходов газа, который был использован в составе измерительного стенда параметров потока газов. Хитрово A.A. провел теоретический расчет и разработал конструкцию первичного преобразователя параметров потока газов.

Заведующий лаборатории №2 ИПУ РАН д.т.н.

Старший научный сотрудник

(19) RU (ID 2044322

(SI) <¡ G 01 P 5/08_

(13) CI

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

(и) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

к патенту Российской Федерации

i

(2!)ЫЗОЖ04/Ю (22)080693 (46)20.09.95 Бюп № 26

(71) Институт проблем управления РАН

(72) Бжстороа ВВ.; Хитрово АА

(73) Институт пробпем управления РАН

(56) 1. Кремлевский П.П Расходомеры и счет. чики количества. М.: Машиностроение, 1989,

с120.

2. Патент Японии N 61-21565. кл. G 01Р 5/15, 1988.

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧсЯ СРЕДЫ

(57) Использование: в автоматике, в частности в системах управления технологическими процессами. Сущность изобретения повышение надежности и точности измерения скорости потока текучей среды с обеспечением инвариантности к измерению плотности, температуры, давления и состава текучей среды доиигается тем, что из

измеряемой текучей среды формируют два изолированных друг от друге струйных течения измерительное и опорное, истекающих а отдельные контрольные области из единой формирующей области согласно квадратичному закону, по которому схорость струйного течек« равна квадратному корню из удвоенной разности давления в формирующей области и давления а контрольной области деленной на плотность гг^-кучеи среды Из этих двух струйных течений формируют соответствующие напорные течог«я. одно из которых, измерительное, направляют навстречу измеряемому ¡'»току, а второе - опорное - перпендикулярно ему. На заданной мерной длине в каждом струйном течении измеряют его скорость, и скорость потока текучей среды определяют как квадратный корень из разности квадрата скорости опорного течакия и квадрата скорости измерительного течения. 2 зл. ф~лы. 1 ил

2044322

Изобрелекив относится к автоматике и, может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Широко известен способ измеренчя скорости потока текучей среды путем сравнения полного давления, создаваемого текучей средой, и статического давления этой среды (дифференциальный способ Пито)[1|.

Наиболее близким технически реше-

рых, измерительное, направляют навс-рвчу измеряемому потоку, а второе, опорное, -перпендикулярно ему, на заданной мерной длине в ка ждом струйномтечении измеряют его скорость а скорость потока текучей среды определяют как квадратный корень из разности квадрата скорости опорного течения и квадрата скорости измерительного течение причем скорость изолированных

предлагаема является кодифици- 10 струйных течений определяют либо частот ин'-«"-'________________________„ufin дашвим .-поеобом. Пии этом I

нием к...— ,

рованный способ ГМтоЩ.обесщ дающий защиту от засорения, яр!- котором измерение осуществляют путем сравнения полного давления, создаваемого текучей средой, и статического давления этой среды и создания противодавления полному и статическому давлениям потока.

Недостатком этого известного ьгособа является его низкая чувствительность при

ньм, либо фазовым способом. При этом в случае частотного способа измерение скоро-сш указанных струйных течений осуществляют путем их деструктирования независимыми 15 друг от друга воздействиями в начале каждой мерной длины, связанными с соответствующими струйными течениями по положительной обратной связи, вызывающей автоколебания, причем эту обратную

' скоростях текучей среды и чувс ей- 20 связь выбирают так, чтобы выполнялось ус-

тельность к изменению плотности, температуры, давления и состава текучей среды.

Это объясняется тем, что в уравне1-нии математической модели, лежащей в пгн9 ян реализации известного с.пособа, V - у2Др/р. где V - измеряемая скорость; Др - перепад между полным и статическим давлениями; р- плотность текучей среды, имеется член р. зависящий от температуры, деления и состава текучей среды. Изобретение способа измерения скорости потока текучей среды, в математической модели которого отсутствует член р, позволило бы обеспечить инвариантность к перечисленным выше дестабилизирующим факторам.

Цель изобретения - надежности и точности способа измерения с обеспечением инвариантности к изменению плотности,

ловие равенства скорости струйного течения произведению мерной длины на •ас^егу колебаний, определяя тем самым скорость каждого струйного течения, а в случае фазо-25 ваго способа измерение скорости указанных струйных течений осуществляют путем создания пульсаций давления в формирующей области, вызывающих пульсации скорости струйных течений, измерения на 30 соответствующей мерной длине разности фаз этих пульсаций в каждом течении и вы' числения скорости соответствующего струйного течения как удвоенное произведение числа л на частоту пульсаций и мер-35 ную длину, деленное на соответствующую разность фаз.

На чертеже схематически изображено устройство, реализующее предлагаемый

способ измерения, где показаны поток 1 температуры, давления и состава текучей 40 ?реды. область 2 фор-

среды. л „ „„„„„к» „, мирования избыточного давления, изолиро-

Цель достигается тем, что в способе из- » Р струйные течения 3,

мерения скорости потока текучей среды ^нтал^е обЕ 4 распространения

предусматривающем сравнение полн о ^^ опорные течения 5 и 6,

давления, создаваемого текучей средой, и £ и ь - мерные длины измерения скорости

стгтическего давления этой среды с созда- £ ^ ^ ^

нием противодавления полному и статиче- стру™Ып™ , измеряемой текучей среды скому давлениям текучей среды, из ,миоуюЩей области 2 формируют два

измеряемой текучей среды Формируют два ® друг от друга струйных тече-

изолированных друг от друга струиныутече. ^ , отдельные контроль

ния, измерительное и опорное, истекающих в - -Отдельные контрольные области из единой формирующей области согласно квадратичному закону, по которому скорость струйного течения равна квадратному кг.рню из удвоен- && ной разности давлена в формирующей обла сти и давления в контрольной области, деленной т плотность текучей среды, из этих двух струйных течений формируют соответствующие напорные течения, одно из кото-

ные области 4 из формирующей области 2 согласно квадратичному закону истечения. V,3 струйных течений 3 формируют напорные течения, одно из которых, измерительное 5, направляют навстречу потоку 1 текучей среды, а другое, опорное 6, направляют поперек потока 1 ■ затем осуществляют измерение 'Лорости струйных течений 3 на соответствующих мерных длинах Ц и La чз-

5

5 2044322 6

стотяым или фазовым способом и определи- емого потока, и применению частотного

ют скорость потока как квадратный корень или фазового способов измерения скорости

аз разности квадрата скорости опорного те- этих струйных течений исключается алия-

чения и квадрата скорости измерительного ние нелинейности измерителей скорости

течения. ^ струйных течений (измеряются частот» и фа-

за, а не амплитуда скорости течения), а диф-

Таким образом, благодаря формирова- ференциальный характер измерения

нию изолированных струйных течений, ско- позволяет достичь инвариантности х изме-

рость которых зависит от противодавления нению плотности, температуры, давления,

напорного и статического давлений измеря- состава и иязхссти текучей среды.

Формула изобретения най корен., иэ о* -иости квадрата ско-

■ рос™ опорного Н 58НИЯ и квадрата ско-1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ и измеритвЯ!,Ного течения. ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ путем срав- 15 б ,.а П-1, отличак)Щ((1ЙСя

нения полного давления, издаваемого измерение склоости указанных

текучей средой, и "атического давле- течений ствляют

ния этой среды и их деструктирования независимыми друг ления полному и статическому давлени- друга воздействиями в начале каж-ям потока, отличающийся тем, что из 20 _

измеряемой -текшей среды формируют верной длины, связанными с соот-

ил и ' _____ „ п1,г. гтпий. ветствующими течениями по положи-

два изолирован^ доуг эт друга струй » ^ связи вызыаающей

„ых течения. " автоколебания, причем Зту обратную

истекающих в отдельные контрольные г '

области из единой формирующей обла-25 связь выбирают при выполнении усло-согласно квадратному закону, пл равенства скорости струйного тече-

- ния произведению мерной длины на которому скорость струйного течения ^¿Г

равна квадратному корню из удвоенной частоту колеоаний.

разности давления в формирующей об- 3. Способ по п.1, отличающийся

ласти и давления в контрольной обла- >>0 тем, что измерение скорости указанных

сти деленной на плотность текучей струйных течений осуществляют путе>*

сое^ы из этик двух струйных течений создания пульсаций давления в формиу-

формируют соответствующие напорные ющей области, вызывающих пульсации

течения одно из которых, измеритель- „ скорости струйных течений, измерения

ное направляют навстречу измеряемому00 на соответствующей мерной длине раз-

потоку а второе, опорное, - перпенди- ности фаз этих пульсаций в каждом те-

кулярно ему на заданной мерной дли- чении и вычисления -корости струйных

не в каждом струйном течении измеря- течений как удвоенное произведение

ют его скорость, а скорость потока 40 числа я на частоту пульсации й мерную,

•текучей среды определяют как квадрат- длину, деленное на разность фаз.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

RU (U) 2 405 978 С1

(I3)

О

со h-О) Ю О

CN

(51) МПК

F15B 21/12 (2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(21), (22) Заявка: 2009110332/06, 20.03.2009

(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 20.03.2009

(45) Опубликовано: 10.12.2010 Бюл. № 34

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: OLIYARI D.AN ANALYSIS OF

TURBULENT UNSTEADY JETS.//SEVENTH CRANFIELD FLUIDICS CONFERENCE. 12-14 NOV. 1975. STUTTGART. SU 313574 A, 17.11.1971. SU1171671 A, 07.08.1985. SU 1180566 A, 23.09.1985.

Адрес для переписки:

U7997, Москва, В-342, ГСП-7, ул. Профсоюзная, 65, ИПУ, патентный отдел

(72) Автор(ы):

Хитрово Алексей Александрович фи)

(73) Патентообладатель(и): Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им, В.А. Трапезникова РАН (Яи)

(54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания приборов измерения параметров текучей среды. Поток текучей среды подают под постоянным давлением на вход насоса, рабочий элемент которого, например мембрану, колеблют с заданной частотой и амплитудой нагнетания, модулированной пульсацией заданных частоты, амплитуды и формы. На выход насоса поступает пульсирующий поток текучей среды, имеющий

высокочастотную составляющую частоты нагнетания и низкочастотную составляющую пульсаций, Затем подают текучую среду в акустический фильтр, при этом фильтруют частоту нагнетания акустическим фильтром, получая на выходе фильтра низкочастотную составляющую пульсаций текучей среды. Обеспечивается возможность программного изменения в процессе работы давления текучей среды, частоты, глубины и формы пульсаций. 1 ил.

73 С

го О

СП

ш

-4 00

о

э

od

Стр.; 1

15

20

RU 2 405 978 С!

Заявляемое изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания приборов измерения параметров текучей среды.

Известен способ генерации пульсаций давления текучей среды, в частности газа, при котором поток текучей среды подают под постоянным давлением в устройство у генерации пульсаций, в котором этот поток периодически дросселируют механическим обтюратором, тем самым создавая периодическую пульсацию давления текучей среды на выходе (см. Olivari D. An analysis of turbulent unsteady jets.// Seventh Cranfield Fluidics Conference. 12-14 Nov. 1975, Stuttgart). Этот способ может быть принят за ¡0 прототип.

Недостатками указанного способа является то, что для генерации пульсаций необходим внешний источник давления текучей среды, а механический обтюратор, обеспечивающий при вращении дросселирование потока текучей среды и тем самым создающий пульсации давления на выходе, не может в процессе работы менять форму

и глубину пульсации.

Техническим результатом изобретения является генерация пульсаций давления текучей среды, при которой обеспечивается возможность программного изменения в процессе работы давления текучей среды, частоты, глубины и формы пульсаций.

Технический результат достигается тем, что способ генерации пульсации давления текучей среды, характеризующийся тем, что поток текучей среды подают под постоянным давлением на вход насоса, рабочий элемент которого, например мембрану, колеблют с заданной частотой и амплитудой нагнетания, модулированной пульсацией заданных частоты, амплитуды и формы, а на выход насоса поступает пульсирующий поток текучей среды, имеющий высокочастотную составляющую частоты нагнетания и низкочастотную составляющую пульсаций, подают текучую среду в акустический фильтр, при этом фильтруют частоту нагнетания текучей среды акустическим фильтром, получая на выходе фильтра низкочастотную составляющую

пульсаций текучей среды. .

Схема устройства генерации пульсаций, реализующего предлагаемый способ,

показана на чертеже.

Устройство содержит питающий канал 1 насоса, насос 2, на который подают управляющий сигнал 3, выходной канал 4 насоса, акустический фильтр 5 частоты

нагнетания, выходной канал 6 устройства.

Рабочая текучая среда непрерывно самотеком подастся па вход 1 насоса 2, управляемого сигналом 3 заданной частоты и амплитуды нагнетания, модулированной пульсацией заданных частоты, амплитуды и формы, и на выход 4 насоса поступает пульсирующий поток текучей среды под необходимым давлением, создаваемым насосом, имеющий высокочастотную составляющую частоты нагнетания и низкочастотную составляющую пульсаций, при переходе которого через акустический фильтр 5 на выход канала 6 поступает пульсирующий поток текучей среды, имеющий только необходимую низкочастотную составляющую.

...... Формула изобретения

Способ генерации пульсаций давления текучей среды, характеризующийся тем, что поток текучей среды подают под постоянным давлением на вход насоса, рабочии элемент которого, например мембрану, колеблют с заданной частотой и амплитудой нагнетания, модулированной пульсацией давления заданных частоты, амплитуды и формы, а на выход насоса поступает пульсирующий поток текучей среды, имеющий высокочастотную составляющую частоты нагнетания и низкочастотную

30

45

50

Стр.: 2

1Ш 2 405 978 С1

составляющую пульсаций, подают текучую среду в акустический фильтр, при этом фильтруют частоту нагнетания текучей среды акустическим фильтром, получая на выходе этого фильтра низкочастотную составляющую пульсаций давления текучей среды.

1Ш 2 405 978 С1