1
  • 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

Спектральный анализ пульсаций скоростей потока, измеренных акустическим анемометром.

Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А.

Исследуются скорости газовоздушного потока, измеренные акустическим анемометром, как случайный процесс. Рассматриваются такие случайные составляющие ошибки анемометра, как погрешность измерения и турбулентные пульсации воздушного потока и исследуется их спектральный состав. Приводится экспериментально полученная переходная характеристика акустического анемометра и ее теоретическое выражение при аппроксимации передаточной функции инерционным звеном. Вычисляется спектральная плотность сигнала на входе анемометра.

На кафедре Электротехники в МГГУ был разработан новый акустический анемометр. В основе его принципа действия лежит фазово-временной метод [1]. Датчик анемометра представляет собой цилиндрический волновод-воздуховод, в стенки которого вмонтированы кольцевые пьезопреобразователи. Электрический сигнал поступает на излучающий преобразователь, а с приемного преобразователя снимается прошедший через анемометрический канал сигнал, являющийся результатом аэроакустического взаимодействия в волноводе. Измеряется разность времени прихода одной и той же фазы сигналов распространяющихся по и против потока. Преобразователи являются попеременно излучателем и приемником. Анемометр работает в диапазоне скоростей от 0,1 до 20,0 м/с. Абсолютная погрешность прибора вычисляется по формуле (м/с).

Для совершенствования акустического анемометра, а также для анализа источников погрешности измерения скорости воздушного потока был проведен ряд исследований переходных характеристик анемометра, а также обработка результатов последовательных измерений скорости потока спектральным методом.

Измерения проводились с частотой Гц. Показания акустического анемометра с учетом турбулентного характера воздушного потока, а также погрешности измерения представляют собой случайный процесс. На аэрометрической установке кафедры ЭТ (МГГУ) была снята серия реализаций этого процесса при различных значениях средней скорости потока.

Для каждой реализации, содержащей измерений, вычислялась автокорреляционная функция по формуле [2]:

, ,

где – измеренные значения скорости потока для моментов времени (сек), ; – среднее значение скорости потока. Значения соответствуют значениям корреляционной функции в моменты времени . На рис.1 показаны относительные корреляционные функции ( ) для трех значений средней скорости потока.

Затем вычислялась спектральная плотность мощности данного процесса, как Фурье-образ корреляционной функции [2]. Спектральная характеристика может быть получена в диапазоне частот от 0 до 150 Гц. Формула для вычисления спектральной плотности:

, , .

Вычисленная спектральная плотность представляет собою спектральную плотность на выходе акустического анемометра (см. рис.2). Если известна передаточная функция акустического анемометра, то можно вычислить спектральную плотность на входе акустического анемометра, т.е. непосредственно спектральную плотность скорости измеряемого потока [3].

Передаточная функция анемометра была получена исходя из переходной характеристики, которая определялась экспериментально. Для этого анемометр помещался в поток и вход анемометра закрывался заслонкой, которая быстро убиралась. Предполагалось, что в этом случае на вход анемометра подается ступенчатое возмущение. Сигнал на выходе анемометра и переходная характеристика для инерционного звена показаны на рис.3. Передаточная функция инерционного звена представляет собой [3]

; ;

переходная характеристика описывается формулой:

.

Параметр был подобран таким образом, чтобы теоретическая переходная характеристика была наиболее близка к экспериментальной.

Спектральные плотности на входе и выходе связаны между собой соотношением [2]

.

На рис.4. показаны спектральные характеристики на входе, соответствующие выходным характеристикам, изображенным на рис.2. Отметим, что во входных характеристиках присутствуют высокочастотные составляющие, которые гасятся анемометром, как инерционным звеном. Кроме того, спектральные плотности имеют ряд особенностей, характеризующих исследуемый поток. Так все характеристики, снятые на аэрометрической установке имеют пик на частоте около 80 Гц. Характеристики, снятые на Московском приборостроительном заводе имеют пики на частотах кратных 5 Гц, максимальный пик приходится на частоту 30Гц, что может быть объяснено конструктивными особенностями установки, создающей поток. Спектральные плотности показаний анемометра при отсутствии потока имеют пики на частотах 50 и 100 Гц, что, видимо, связано с наводками сети. Отсутствие этих пиков при наличии потока, говорит о том, что вклад турбулентности в случайный процесс измерения скорости потока значительно превышает вклад погрешности анемометра и является основным.

Спектральный метод исследований, описанный здесь позволяет исследовать работу акустического анемометра. Кроме того, поскольку акустический анемометр обладает достаточным быстродействием, возможно исследование спектрального состава контролируемого потока в нижнем диапазоне частот. Результаты исследований могут быть использованы для повышения качества и достоверности анемометрической информации.

Литература.

• Шкундин С.З. Лашин В.Б.// Метрология. -1990. -№7. -С.39.

• Вентцель Е.С. Теория вероятностей. –М: Гос. изд-во физико-математической литературы. 1958.

• Теория автоматического управления. Ч.1. Коллектив авторов. Под ред. проф. А.В. Нетушила. «Высшая школа», 1967.


Рисунки.

Рис.1. Относительная корреляционная функция для потоков со средней скоростью

* 0 м/с

* 5,6 м/с

* 7,0 м/с

Рис.2. Спектральная плотность мощности на выходе акустического анемометра при средней скорости потока

* 0 м/с

* 5,6 м/с

7,0 м/с

Рис.3. Переходная характеристика акустического анемометра. Сплошная линия соответствует экспериментальным данным, пунктирная линия – теоретическая характеристика, соответствующая инерционному звену сек.

Рис. 4. Спектральная плотность мощности на входе акустического анемометра при средней скорости потока равной

* 0 м/с

* 5,6 м/с

7,0 м/с

Spectrum analysis of flow velocities pulsations been measured by acoustic anemometer.
Shkundin S., Buyanov S., Rumyantseva V.

Moscow State Mining University, Leninskiy Prospect, 6, Moscow, 119991, Russia

Airflow velocities been measured by acoustic anemometer are investigated as a stochastic process. Stochastic elements of anemometer error, such as measurement inaccuracy, turbulent pulsations are considered. Theirs spectral structure is investigated. Experimental and theoretical acoustic anemometer unit-step response has been done under the condition when transfer function is approximated as inertial unit. Spectral function of anemometer entrance signal is calculated.

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