• 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

Новые акустические приборы для измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков.

Шкундин С.З., Иванников А.Л.

Московский государственный горный университет

Краткое содержание.

В статье описан новый акустический метод измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков разработанный в Московском государственном горном университете. Дано краткое описание этого метода. Изложен принцип работы и характеристики некоторых приборов основанных на данном методе.

Введение.

На сегодняшний день остро стоит проблема анемометрического контроля в промышленности, в медицине, в деле защиты окружающей среды. Необходимость использования анемометров в системах автоматического управления вентиляцией и в других автоматических системах контроля аэрологических параметров диктует всё более высокие требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам данных приборов. Практика показывает, что эти требования уже не могут быть выполнены только путём улучшения приборов основанных на традиционных принципах, таких как тепловые и тахометрические. Потребность обеспечения безынерционности измерений, достаточно широкого динамического диапазона, высокой чувствительности, приемлемой точности в начале диапазона и достаточной надёжности приводит к необходимости обратиться к иным физическим анемометрическим принципам, и в частности, к акустическим методам измерения.

Акустический метод измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков.

Скрупулезный анализ публикаций и предварительная лабораторная оценка показала, что, с одной стороны, акустическое направление в расходометрии не реализовало пока что своих потенциальных возможностей, а с другой стороны - что ни один из существующих способов акустической расходометрии не позволяет создать анемометры, которые бы:

- измеряли скорости газовоздушных потоков в диапазоне 0.05...30 м/с;

- не вносили бы аэродинамического сопротивления в контролируемый поток, не нарушали аэродинамической эпюры скоростей;

- измеряли бы скорость потока, среднюю по сечению воздуховода;

-обладали бы стабильными характеристиками, позволяющий снизить погрешность.

Предложенный способ измерения удовлетворяет всем перечисленным здесь требованиям [1] . Способ, заключающийся в излучении и приеме акустических волн в воздуховоде, сравнении характеристик излученных и принятых волн, отличается тем, что с целью обеспечения чувствительности и точности измерений за счет исключения влияний воздуховода на аэроакустическое поле газовоздушного потока, волны излучают и принимают путем возбуждения элементов самого воздуховода, акустически изолированных друг от друга.

Процесс распространения волн в трубах без потока описан Е.Скучиком [2] . Из этого описания можно сделать заключение о том, какие волны могут распространяться в круглом канале данного диаметра. Скорость распространения волновых фронтов этих колебаний равна скорости звука C в открытом пространстве с той же средой. В волноводе распространение звуковых волн в направлении оси волновода характеризуется волновым числом k x и интересующая нас фазовая скорость C ф в направлении оси x выражается:

C ф = C = 2 p f / k x ,

где f - частота излучаемых колебаний ;

Обзор работ, касающихся описания акустического поля в волноводе, являющемся в нашем случае и воздуховодом, показал, что ни одно из классических описаний не охватывает процесс распространения колебаний в потоке газа, движущемся по каналу (волноводу-воздуховоду) конечной длины. Все рассмотренные в литературе модели распространения волн в каналах не адекватны инженерной задаче, породившей наше обращение к ним. В частности, известные модели [3,4] описывают либо бесконечный воздуховод с движущимся газовоздушным потоком, либо канал без потока. Во всех рассмотренных методах игнорируются волны, отраженные от концов волновода, которые распространяются в движущемся потоке. Из соображений здравого смысла, в то же время, ясно, что анемометр не может иметь бесконечных размеров, и, более того, желательно чтобы его габариты были как можно меньше. Инженерная задача создания анемометра с цилиндрическими электроакустическими преобразователями, не искажающими аэродинамическую эпюру скоростей, требует решения задачи математической физики с граничными условиями, точнее отображающими особенности реального анемометрического канала. Главным из этих условий является условие, учитывающее конечность длины анемометра.

Для аналитического описания аэроакустического взаимодействия необходимо решить проблему граничных условий.

Предложен способ коррекции ошибки из-за отражения волн при помощи расчёта коэффициентов отражения отдельных мод. Вышеназванный способ основан на использовании обобщённой матрицы рассеяния. Коэффициенты отражения каждой моды на открытом конце волновода рассчитываются с помощью метода сшивания. В результате решения краевой задачи описывающей аэроакустическое взаимодействие внутри анемометрического канала выявлена аналитическая зависимость скоростей от размеров канала, материала его стен и характеристик газа.

Аэрометрическая установка для

поверки анемометров

Основой метрологического обеспечения промышленной анемометрии является аэрометрическая установка, представляющая собой комбинацию источника воздушного потока, тарировочной камеры и измеряющим скорость этого потока образцовым анемометром. Все три названные узла конструктивно находятся в аэродинамической трубе. Вентилятор источника воздушного потока побудителя создает в аэрометрическом канале скорости потока в диапазоне (0.1-20) м/с, измеряемые названным акустическим анемометром. Принцип действия аэрометрической установки основан на воспроизведении контролируемой единицы скорости воздушного потока, сравнении показаний поверяемого и образцового анемометров и пересчета тарировочной характеристики поверяемого. Образцовый акустический анемометр использует явление ускорения или замедления прихода акустических колебаний на приемник при изменении скорости движения среды, в которой эти колебания распространяются.

В результате испытаний было установлено:

1. Абсолютная погрешность акустического анемометра стенда не превышает ± (0.05 + 0.05u) м/с, где u- скорость потока.

2. Чувствительность или разрешающая способность акустического анемометра стенда составляет 0.01 м/с.

Технические характеристики аэрометрической установки :

- диапазон скоростей воздушного потока - 0,1 - 20 м/с ;

- предел допускаемой абсолютной погрешности измерения скорости

воздушного потока (V) - ;

- время установления скорости воздушного потока - 2 мин. ;

- потребляемая мощность от сети 220 В - 500 Вт ;

- габаритные размеры аэродинамической трубы - 500 х 1200 х 3200 мм ;

- масса установки - 162 кг.

Установка аттестована и рекомендована Госстандартом России в качестве образцового средства для поверки анемометров.

Портативные акустические анемометры.

Акустический анемометр представляет собой полый цилиндр ( трубку ), который помещается в воздушный поток параллельно его скорости. В центре трубы находится кольцо, колеблющееся в радиальном направлении с постоянной звуковой частотой. На некотором расстоянии от концов помещены кольца, принимающие излученный звуковой сигнал. Расстояние между центральным кольцом и каждым из крайних - одинаково. Зависимость разности фаз колебаний, принятом на левом и правом кольцах от скорости потока, линейная.

Если сравнить акустический анемометр с сопоставимыми по цене тахометрическими и тепловыми, то можно выделить ряд преимуществ.

Акустический анемометр позволяет измерять очень малые скорости, порядка 0,01 м/с. Обладает очень широким диапазоном измерения скорости, как минимум 1: 200, в то время как у тахометрических и тепловых порядка 1 : 10 - 1 : 20. Акустический анемометр почти безынерционен, в отличие от тахометрических. Он также не содержит вращающихся частей и не подвержен влиянию оседающей пыли.

Акустический анемометр имеет очень широкую область применения .

Он может использоваться в метеорологии, в том числе и военной, в частности на кораблях и самолетах .

В горной промышленности он используется для измерения скоростей газовоздушных потоков в шахтах.

Он незаменим для измерения расходов газов в трубопроводах, т. к. в отличие от других типов анемометров не нарушает структуры потока воздуха и обладает малой инерционностью.

Из-за этих же достоинств он обратил на себя и внимание медицины, где остро стоит проблема измерения дыхания в аппаратах “искусственное легкое“.

Так же он может широко использоваться для решения актуальных сегодня экологических проблем. С его помощью можно контролировать выброс вредных примесей в атмосферу через различные трубы.

Акустические спирометры.

В МГГУ разработаны также акустические спирометры для измерения пульсирующих потоков, в том числе для измерения объёма дыхания. Они применяются в респираторах и медицинских приборах типа искусственное легкое.

Аппараты включают в себя первичный измерительный преобразователь и электронный блок. Принцип работы преобразователей основан на зависимости скорости распространения акустических колебаний от скорости газовоздушного потока. Прибор измеряет мгновенное значение скорости, записывает данные в память и вычисляет средний объём воздуха за период вдоха или выдоха.

 
 
Тел: (499)237-9467, (499)230-2531
Copyright © 2011 SirSensor