Пристрій для прямого визначення динамічних характеристик термоперетворювачів

Реферат: Пристрій для прямого визначення динамічних характеристик термоперетворювачів містить аеродинамічну установку, координатний пристрій і вимірювальну систему. Аеродинамічна установка містить двошарову аеродинамічну трубу розімкнутого типу з прямокутною робочою частиною з окремими системами управління швидкістю та температурою для кожного з шарів повітря, яка складається з вентиляторів, електронагрівачів, перехідних колін, прямокутних каналів, хонейкомбів, сіток й сопел та швидкодіючого координатного пристрою. UA 114009 U (12) UA 114009 U UA 114009 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і метрології, а саме до підвищення ефективності інформаційно-вимірювальних систем швидкості та температури потоків газів і може використовуватись для визначення динамічних характеристик вимірювальних перетворювачів швидкості і температури (надалі - термоперетворювачів) в нестаціонарних умовах вимушеної конвекції. Характерною динамічною властивістю термоперетворювачів контактного типу, котра обумовлює динамічну складову похибки вимірювання є теплова інерція [1]. При збільшенні швидкості зміни (робочої частоти) вимірювального сигналу динамічна складова похибки збільшується. За таких умов статичного градуювання датчиків не достатньо: датчики повинні градуюватися при частотах, близьких до вимірюваних, тобто піддаватися динамічному градуюванню. Відомі пристрої динамічного градуювання реалізують прямі та опосередковані методи визначення динамічних характеристик датчиків термоперетворювачів. Існуючі пристрої опосередкованого оцінювання динамічних характеристик термоперетворювачів [2-3], складаються з генератора тестових електричних імпульсів заданої форми (меандр, гармонійний вплив, тощо), і реєструючого пристрою. Генератор під'єднується у вимірювальне коло термоперетворювача, електричні імпульси призводять до зміни вимірювального сигналу датчика. Реєструючий пристрій під'єднується до виходу вимірювальної системи. Зміна сигналу датчика сприймається досліджуваною вимірювальною системою як зміна вимірюваної фізичної величини (швидкості, температури, тощо) і за зареєстрованою перехідною характеристикою визначаються інерційні властивості датчика. Недоліком таких пристроїв є те, що вони не дають змоги вимірювати динамічні характеристики в реальних умовах роботи термоперетворювачів, та не враховують фізичні процеси вимушеного конвективного теплообміну датчика з рухомим навколишнім середовищем. При визначенні динамічних характеристик перевагу слід надавати пристроям, які реалізують прямі методи, тобто реалізують випробувальний сигнал вимірюваної фізичної величини, що дозволяє безпосередньо по вихідному сигналу визначити необхідну характеристику [4]. Найбільш близьким аналогом до запропонованого пристрою є пристрій для динамічного градуювання [5], який містить аеродинамічну установку, координатний пристрій і вимірювальну систему. Аеродинамічна установка містить нерухомий стаціонарний нижній диск з гладкою поверхнею, рухомий верхній диск з сегментованою ступінчастою поверхнею та електричний двигун. Досліджуваний датчик закріплюється за допомогою координатного пристрою між рухомим та нерухомим дисками калібратора. Рухомий диск обертається за допомогою електродвигуна і реалізує циклічну ступінчасту зміну швидкості повітряного потоку в робочій частині калібратора, тобто реалізує тестовий вплив реальної вимірювальної фізичної величинишвидкості повітряного потоку. Недоліком цього пристрою і подібних [6-7] є те, що фронт та форма імпульсу залишаються у певній мірі невизначеними; тестовий вплив є нестаціонарним. Відсутня можливість розмежованого управління тестовими сигналами швидкості та температури, тобто пристрої можуть використовуватись лише для датчиків швидкості, або лише для датчиків температури. Також неможливо визначати якість термокомпенсації сигналу датчиків швидкості у нестаціонарних умовах. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення точності вимірювання динамічних характеристик термоперетворювачів в нестаціонарних умовах роботи датчиків та розширення номенклатури досліджуваних датчиків. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для прямого визначення динамічних характеристик термоперетворювачів, який містить аеродинамічну установку, координатний пристрій і вимірювальну систему, згідно з корисною моделлю, аеродинамічна установка містить двошарову аеродинамічну трубу розімкнутого типу з прямокутною робочою частиною з окремими системами управління швидкістю та температурою для кожного з шарів повітря, яка складається з вентиляторів, електронагрівачів, перехідних колін, прямокутних каналів, хонейкомбів, сіток й сопел та швидкодіючий координатний пристрій. На фіг. 1 представлено узагальнене схематичне зображення пристрою, що запропоновано, на фіг. 2 зображена конструкція аеродинамічної установки. Як показано на фіг. 1, запропонований пристрій для прямого визначення динамічних характеристик, який містить аеродинамічну установку 1, координатний пристрій 2, в якому закріплено досліджуваний датчик 3 та вимірювальну систему 4. Конструкція аеродинамічної установки (фіг. 2) містить вентилятори 1, електронагрівачі 2, перехідні коліна 3, прямокутні канали 4, хонейкомби 5, сітки 6, сопла 7. 1 UA 114009 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій працює таким чином: вентилятори 1 створюють двошаровий потік повітря із заданими значеннями швидкості V1 і V2, нагрівачі 2, під'єднані до вентиляторів, нагрівають відповідний шар потоку до заданого значення температури Т 1, Т2 (при створенні температурної стратифікації), коліна 3 здійснюють перехід з круглого перерізу каналу на прямокутний, прямі ділянки каналу служать для встановлення режиму потоку. Хонейкомб 5 розбиває великі вихори на більш дрібні і зменшує величину масштабу і ступеня турбулентності потоку. Хонейкомб являє собою набір тонкостінних трубок (комірок) із співвідношенням діаметра і довжини 1:10 [2]. Наявність стінок комірок ускладнює поперечний рух, а, отже, вирівнює потік, робить його більш однорідним і зменшує турбулентність потоку; детурбулізуючі сітки 6 так само призначені для вирівнювання потоку. Важливим елементом конструкції стенду є плаский конфузор 7, що представляє собою звужує сопло, яке встановлюється перед робочою частиною 8 для створення більш однорідного поля швидкостей і тисків, а також збільшення швидкості потоку. Таким чином, в робочій частині аеродинамічної труби формується двошаровий стратифікований ступінчастий повітряний потік із заданими значеннями швидкості та температури кожного шару, й низьким початковим рівнем турбулентності. Досліджуваний датчик закріплюють у координатному пристрої і стрибкоподібно переміщують з одного шару створеного стратифікованого потоку 1 (фіг. 1) з заданими значеннями швидкості та температури в інший з одного фіксованого положення в інше, створюючи ступінчастий тестовий вплив. Реакцію датчика на тестовий вплив (перехідну функцію) реєструють за допомогою вимірювальної системи: аналогово-цифрового перетворювача та персонального комп'ютера зі спеціалізованим програмним забезпеченням. На фіг. 3 наведена залежність постійної часу термісторного термоанемометра постійної температури від швидкості оточуючого потоку. В якості чутливого елемента датчика досліджуваного анемометра використано термістор фірми "EPCOS" модель G540. Згідно технічної документації на цей елемент характеристикою теплової інерції є постійна часу τ. При швидкості навколишнього потоку v=0 нормоване значення складає 3 с Залежність τ(v) не нормована. При використанні датчика в більшості технологічних процесів v0, крім того, чутливі елементи датчика зазвичай фіксуються в корпусі за допомогою компаундів, та вкриваються захисними складами, що також впливає на інерційність датчика. Тому фактична постійна часу відмінна від паспортної і повинна бути визначена експериментально для конкретних умов роботи. Як видно з фіг. 3, в умовах вимушеного конвективного теплообміну, постійна часу досліджуваного первинного перетворювача від семи до десяти разів менше, порівняно з відсутньою вимушеною конвекцією. Тобто постійна часу датчика суттєво залежить від умов теплообміну і має визначатися для конкретних умов експлуатації термоперетворювачів. За допомогою корисної моделі можна визначати динамічні характеристики термоперетворювачів в умовах, наближених до реальних умов їх експлуатації, що є важливим кроком в забезпеченні єдності динамічних вимірювань. Перелік фігур Фіг. 1 - узагальнене схематичне зображення пристрою для прямого визначення динамічних характеристик. Фіг. 2 - конструкція аеродинамічної установки. Фіг. 3 - залежність постійної часу термісторного термоанемометра постійної температури від швидкості оточуючого потоку. Джерела інформації: 1. ДСТУ ГОСТ 8.009:2008. Державна система забезпечення єдності вимірювань. Нормовані метрологічні характеристики засобів вимірювань. -Введ. 2008-10-01. -М.:Изд-во стандартов, 1985, 38с.: ил. 2. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении -Л.: Машиностроение, 1974с.369-370. 3. Jorgensen F.Е. How to measure turbulence with hot-wire anemometers. A practical guide /Finn E. Jorgensen. - Skovlunde: Dantec Dynamics, 2002. - 54 с. 4. ДСТУ ГОСТ 8.256:2008. Державна система забезпечення єдності вимірювань. Нормування і визначення динамічних характеристик аналогових засобів вимірювань. Основні положення. -Введ. 2008-10-01. -М.:Изд-во стандартов, 1985, 9 с.: ил. 5. B.C. Khoo, Y.T.Chew and G.L. Li: "A new metod by whith to determine the dynamic response of marginally elevated hot-wire anemometer probes for near-wall velocity and wall velocity and wall shear stress measurements". Meas.Sci.and Tecnol.6 (1995) 1399-1406 (прототип). 6. A.C. СССР № 1620942 МПК G01P 5/12 °F. опубл. 15.01.91, Бюл. № 2. 2 UA 114009 U 7. A.C. СССР №1173321 МПК G01P 21/00 °F. опубл. 15.08.85, Бюл. № 30. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Пристрій для прямого визначення динамічних характеристик термоперетворювачів, що містить аеродинамічну установку, координатний пристрій і вимірювальну систему, який відрізняється тим, що аеродинамічна установка містить двошарову аеродинамічну трубу розімкнутого типу з прямокутною робочою частиною з окремими системами управління швидкістю та температурою для кожного з шарів повітря, яка складається з вентиляторів, електронагрівачів, перехідних колін, прямокутних каналів, хонейкомбів, сіток й сопел та швидкодіючого координатного пристрою. 3 UA 114009 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4