Установки для исследования и поверки анемометров

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Установки для исследования и поверки анемометров

Ивашкевич A.A.

ТОГУ, г. Хабаровск, Россия

Описана конструкция двух компактных установок для исследования характеристик анемометров различных типов, применяемых для измерения скорости воздуха в помещениях и воздуховодах систем вентиляции. Установка ротационного типа спроектирована на диапазон малых скоростей, а установка вентиляторного типа - на большие скорости. В обеих установка используется ШИМ регулирование скорости вращения двигателя, которая стабилизируется за счет петли обратной связи с тахометра.

Ключевые слова: вентиляция, скорость воздуха, анемометр, коллекторный двигатель, осевой вентилятор, ШИМ управление, тахометр, стабилизация скорости вращения

Ivashkevich А. А. PNU, Khabarovsk, Russia

AIR VELOCITY METERS INVESTIGATION EQUIPMENT

Abstract. Two compact equipment units for ventilation velocity meters investigation are proposed. The rotary type unit is designed for low velocity range. The fan type unit is designed for high velocity range. Both units have PWM speed control. Electric brush motor speed is stabilized by back loop from tachometer.

Keywords: ventilation, air velocity meter, turbine wheel, brush motor, tachometer, axial fan, PWM control, speed stabilization.

1. Цель разработки и создания установок

При исследовании воздушного режима систем вентиляции важной задачей является измерение скорости движения воздуха [1]. Приборы для измерения скорости газового потока называют анемометрами. Требования к ним достаточно противоречивы, и одновременно выполнить их не всегда возможно. При измерении подвижности воздуха в помещениях и в системах вентиляции с естественным побуждением требуется измерять весьма малые скорости воздуха (в диапазоне от 0.05 до 1 м/с), что требует высокой чувствительности прибора. При измерении же в воздуховодах систем с механическим побуждением требуется измерять достаточно значительные скорости воздуха (до 25 м/с), что требует повышенной прочности датчика. Измерительный преобразователь должен быть малых размеров, чтобы его можно было ввести внутрь воздуховода через небольшое отверстие в стенке так, чтобы он не искажал картины течения в воздуховоде. Также предъявляются требования по точности измерения, надежности, достаточно низкой стоимости, возможности замены преобразователя в случае повреждения.

Сегодня чаще всего в области вентиляции используют турбинные анемометры (крыльчатые и чашечные) и термоанемометры, преобразователи других типов практически не применяются.

Турбинные преобразователи являются приборами прямого измерения. В них турбинка осевого или центробежного типа вращается под действием набегающего потока воздуха тем быстрее, чем больше скорость воздуха. В прежних конструкциях анемометров скорость вращения турбинки фиксировалась механически, путем поворота стрелок на циферблатах прибора через червячно-шестеренчатый механизм, что приводило к дополнительным затратам энергии потока. Сегодня большинство приборов имеют оптический или иной преобразователь, который не увеличивает трение. Специальная схема измеряет количество © Ивашкевич А. А., 2020 импульсов на выходе преобразователя, пересчитывает его в значение скорости и выводит на индикатор в цифровой форме.

Турбинные анемометры обладают рядом существенных преимуществ [2]:

- относительная простота конструкции;

- широкий диапазон измеряемых скоростей;

- линейная зависимость скорости вращения турбинки от скорости воздуха (в основном диапазоне прибора);

- независимость результата измерения от температуры.

Из недостатков можно отметить следующие особенности:

- достаточно большие габариты турбинки, так как при малых размерах уменьшается расход воздуха, набегающий на нее, а это снижает чувствительность прибора и не позволяет измерять малые скорости воздуха;

- при малых скоростях воздуха начинает существенно влиять трение в узле вращения, поэтому зависимость скорости вращения от скорости потока отличается от линейной;

- требуется тщательная балансировка турбинки (особенно при горизонтальном положении оси вращения), так как даже незначительная разбалансировка приводит к тому, что появляется начальная зона нечувствительности, когда энергии потока недостаточно, чтобы поднять центр тяжести и провернуть колесо турбинки;

- на показания сильно влияет направление набегающего потока, так как это изменяет режим течения воздуха через турбинку.

Термоанемометры же являются приборами косвенного измерения. Конструктивно основным элементом является некое нагретое тело (чаще всего нить), которое охлаждается набегающим потоком воздуха. Чем больше скорость воздуха, тем сильнее охлаждение (или тем больше потребляемый ток, если схема поддерживает постоянной температуру разогрева нити).

У такого прибора имеется ряд важных преимуществ:

- весьма малые размеры преобразователя, что позволяет вводить его в воздуховод через небольшое отверстие в стенке;

- высокая чувствительность при малых скоростях воздуха;

- малая инерционность, если используется тонкая проволочная нить;

- независимость показаний от направления потока воздуха.

Из недостатков можно отметить следующие особенности:

- на показания прибора будут влиять не только скорость потока, но и ряд других факторов: состав газа, его теплофизические характеристики (теплоемкость, теплопроводность и влажность) и температура;

- на показания прибора будет влиять загрязнение нити;

- прочность датчика достаточно мала и, как следствие, высока вероятность его повреждения; невозможность замены нити в промышленном приборе.

Тем не менее, термоанемометр широко применяется благодаря тому, что в области вентиляции чаще всего имеют дело с достаточно чистым воздухом, а требования к точности измерения достаточно умеренные.

Из изложенных выше особенностей измерения скорости в области вентиляции следует сделать вывод, что даже промышленные приборы требуют периодической поверки на каком-либо стенде, позволяющем с достаточной точностью проверить правильность показаний, ввести необходимые поправочные коэффициенты или построить новый график выходного сигнала от скорости воздуха. Желательно иметь компактные и переносные установки, чтобы даже на объекте можно было проверить правильность показаний используемых приборов.

Учитывая, что принцип действия наиболее распространенных приборов весьма прост, вполне доступно самостоятельное изготовление подобных конструкций. При этом может быть выбран дешевый и легко повторяемый вариант конструкции преобразователя, что автоматически снимает проблемы его замены. При этом прибор может быть максимально адаптирован к требуемому диапазону и условиям будущих измерений, легко решается вопрос модернизации и дополнения функционала прибора.

Для исследования характеристик промышленных и разрабатываемых конструкций анемометров желательно иметь достаточно компактные, переносные установки, позволяющие производить исследования в широком диапазоне скоростей. Поэтому на кафедре ИСТБ ТОГУ автором были разработаны и изготовлены две установки для поверки анемометров. Обе установки выполнены в переносном варианте и могут быть установлены в любом помещении. Отработанная конструкция и схема управления установок позволяет без большого труда повторить предложенные варианты в другом масштабе, если возникнет такая необходимость.

Установка для исследования анемометров в области малых скоростей воздуха. Установка предназначена для исследования характеристик преобразователей в начальной области, при скоростях воздуха от 0 до 3 м/с.

Основный особенностью установки является отсутствие необходимости использовать прибор для измерения скорости воздушного потока, так как в ней перемещается сам датчик в спокойном воздухе помещения. Датчик, закрепленный на несущей планке на расстоянии R от центра вращения, вращается с постоянной частотой п (об/с), при этом его окружная скорость определяется простым соотношением:

анемометр вентиляция газовый

U = 2 жЯ/п (1)

Таким образом, вместо измерения скорости требуется измерять частоту вращения, что намного проще и точнее.

2. Общая схема установки

Установка смонтирована на небольшой табуретке, верхняя поверхность которой является неподвижным столом 1 (основанием), опирающимся на четыре ножки 2. Внизу часть каждой ножки спилена, что позволило получить опорные площадки для крепления днища 3. В неподвижном столе сделано отверстие для прохода вала поворотного стола, а снизу соосно с ним к неподвижному столу прикреплен подшипниковый узел 4 из двух радиальных подшипников 5. Через подшипниковый узел проходит трубчатый вал 6, на верхнем конце которого установлена план-шайба 7 с прикрепленным к ней вращающимся столом 8. Он, вместе с план-шайбой и валом, может при необходимости свободно выниматься из подшипникового узла.

К вращающемуся столу сверху прикрепляется планка 9 - держатель исследуемых датчиков. На планке сделаны отверстия 10 для установки датчиков 11. Радиус расположения отверстий от центра вращения стола выбран кратным 159 мм, что обеспечивает простой расчет длины окружности, по которой движется датчик (первое отверстие -1м, второе -2 м, третье - 3 м и так далее). Исследователь сам должен решить, в какое отверстии лучше установить датчик, в зависимости от предполагаемого диапазона измеряемых скоростей.

На днище установки соосно с трубчатым валом установлен червячный редуктор 12 с горизонтально расположенными червяком 13 и червячным колесом 14. Выходной вал редуктора 15, соединенный с червячным колесом и вращающийся в подшипниковых узлах 16, расположен вертикально, входит верхним концом в трубчатый вал вращающегося стола и жестко фиксируется при помощи винта-фиксатора 17, что позволяет передавать вращение от редуктора к столу.

Рис. 1. Конструкция механической части установки для исследования и поверки анемометров в области малых скоростей воздуха: 1 - Неподвижный стол-основание; 2 - Ножки неподвижного стола; 3 - Днище; 4 - Корпус подшипникового узла поворотного стола; 5 - Подшипники поворотного стола; 6 - Трубчатый вал поворотного стола; 7 - План-шайба поворотного стола; 8 - Поворотный стол; 9 - Планка- держатель датчиков; 10- Отверстия для установки датчиков; 11- Датчик скорости воздуха; 12 - Корпус червячного редуктора; 13 - Червяк редуктора; 14 - Червячное колесо; 15 - Выходной вал редуктора; 16 - Подшипниковые узлы червячного колеса; 17 - Винт-фиксатор трубчатого вала; 18 - Коллекторный электродвигатель; 19 - Шкив редуктора; 20 - Шкив двигателя; 21 - Ремень

Вращение редуктора производится от коллекторного электродвигателя 18, установленного на днище установки, при помощи ременной передачи, снижающей обороты червячного вала по отношению к двигателю примерно в 3,5 раза. На конце червячного вала установлен шкив большего диаметра 19, а на переднем конце вала двигателя - шкив меньшего диаметра 20. Оба шкива соединяются плоским ремнем 21. Учитывая, что передаточное число редуктора равно 100, общее передаточное число равно примерно 350.

Непосредственно к шкиву редуктора сзади прикреплен диск тахометра с вырезами по окружности, который своими выступами пересекает луч светодиода щелевой оптопары. Учитывая, что количество выступов на диске равно 40, а передаточное число редуктора 100, на каждый оборот вращающегося стола на фототранзисторе оптопары формируется 4000 импульсов. Поскольку впоследствии это количество удваивается электронной схемой тахометра, то частота 8000 Гц соответствует одному обороту вращающегося стола за секунду.

На заднем конце вала двигателя тоже установлен диск тахометра с выступами, которые пересекают луч оптопары. Так как имеет место проскальзывание ремня на шкивах, использовать этот тахометр для измерений нельзя. Он используется в схеме управления для создания петли обратной связи с целью стабилизации скорости вращения двигателя.

Органы управления установкой и электронная схема управления двигателя (за исключением двух тахометров) установлены на передней панели установки. На ней расположены выключатель питания, индикатор питания и ручка регулятора скорости вращения стола. Регулирование скорости вращения осуществляется по широтно-импульсному методу (ШИМ). Двигатель питается непосредственно от напряжения сети, а схема управления и тахометры - через понижающий трансформатор. Цепь управления двигателя изолирована от схемы оправления при помощи оптопары.

Измерение частоты выходного сигнала тахометра редуктора производится портативным цифровым частотомером с кварцевой стабилизацией частоты, для подключения которого имеется специальный разъем. На этот же разъем выведен контакт шины питания +5 В, что позволяет осуществлять питание частотомера непосредственно от установки, а не от батарей.

Исследование работы установки показало, что схема управления обеспечивает стабильное вращение при весьма медленном вращении - один оборот стола за три минуты. При установке датчика в первое отверстие планки-держателя это соответствует скорости датчика 5,5 мм/с. Верхний предел скорости вращения стола был сознательно ограничен, так как начинают действовать центробежные силы. Минимальный период оборота стола примерно 2 секунды, что при установке датчика в шестое отверстие планки позволяет получить скорость 3 м/с.

Установка для исследования при значительных скоростях воздуха. Максимальные значения измеряемых скоростей воздуха для этой установки ограничиваются только давлением вентилятора и мощностью двигателя. В разработанном варианте получен ориентировочный диапазон скоростей воздуха от 0,5 до 6 м/с, а при замене осевого вентилятора на центробежный может быть увеличен до 25 м/с. Общая схема установки показана на рисунке 2.

Установка предназначена для размещения на поверхности обычного офисного стола 1. Основным элементом является осевой вентилятор с крыльчаткой 2. Автор использовал вентилятор от компьютера диаметром 80 мм. Его внешняя рамка 3 прикреплена к деревянному основанию 4. на этом же основании при помощи уголкового крепления 5 и подставки 6 установлен коллекторный электродвигатель 7. На передний конец вала двигателя 8 насажено рабочее колесо вентилятора, а на задний конец вала 9 - диск с выступами 10, который является элементом тахометра и имеет 36 выступов. Вторым элементом тахометра является щелевая оптопара 11, установленная на подставке 6. Принцип работы тахометра описан выше. Схема тахометра удваивает число импульсов, поэтому на каждый оборот двигателя на вход частотомера подается 72 импульса. Двигатель и элементы тахометра закрыты защитным кожухом (на схеме не показан).

Рис. 2. Конструкция механической части установки для исследования и поверки анемометров в области больших скоростей воздуха: 1 - Офисный стол; 2 - Крыльчатка осевого вентилятора; 3 - Внешняя рамка вентилятора; 4 - Деревянное основание; 5 - Уголковое крепление двигателя; 6 - Подставка двигателя и оптопары; 7 - Коллекторный электродвигатель; 8 - Передний конец вала двигателя; 9 - Задний конец вала двигателя; 10 - Диск тахометра с выступами; 11 - Щелевая оптопара; 12 - Переходник; 13 - Труба; 14 - Опора трубы; 15 - Раскручиватель потока; 16 - Держатель датчика; 17 - Стойка датчика; 18 - Исследуемый крыльчатый анемометр; 19 - Дополнительное сопло

К внешней рамке вентилятора винтами крепится переходник 12, в круглое отверстие которого вставлена труба 13 с опорой 14. Учитывая, что после вентилятора поток в трубе имеет тангенциальную составляющую (вращается), в начальной части трубы установлен раскручиватель потока 15 в виде двух крестообразно расположенных пластин. На конце трубы с внешней стороны установлены два держателя 16, предназначенные для закрепления исследуемых датчиков, поверочных приборов, пневмометрических трубок и другого оборудования. На рисунке показана установка в держателе на стойке 17 исследуемого крыльчатого анемометра 18.

При необходимости, на конец трубы 13 могут устанавливаться дополнительные сопла 19, что позволяет увеличить скорость на выход, то есть расширить диапазон измерений.

Для удобства переноски транспортировки установка сделана разборной на две части: труба легко вынимается из переходника. Схема управления особенностей не имеет. Регулирование и стабилизация скорости вращения также производится широтно-импульсным методом с отрицательной обратной связью по скорости вращения. Единственным отличием является то, что двигатель питается пониженным напряжением, поэтому напряжение на него и схему управления подается от трансформаторного блока питания. Схема управления выполнена отдельным блоком для упрощения конструкции и переноски. Схема тахометра закреплена непосредственно на подставке 6 рядом с тахометром и соединяется кабелем с блоком управления.

Особенностью установки является то, что согласно теории, скорость на выходе трубы прямо пропорционально зависит от частоты вращения рабочего колеса вентилятора. Та как колесо установлено непосредственно на валу двигателя, то достаточно измерять тахометром скорость вращения. При этом можно выходную зависимость скорости воздуха на выходе из трубы от частоты импульсов тахометра исследовать при достаточно высоких скоростях на выходе, применяя промышленные приборы измерения скорости воздуха, а полученное линейное уравнение после распространить и на область существенно меньших скоростей вращения. Проведенные исследования показали, что выходная зависимость действительна линейная. При установке сопла на конце трубы линейный характер зависимости сохраняется, изменяются лишь коэффициенты уравнения.

Заключение

Разработанные установки позволяют производить исследование характеристик различных типов анемометров во всем диапазоне скоростей воздуха в области вентиляции. Достаточно компактная конструкция позволяет размещать их в любом помещении и даже спереносить их на объект обследования для оперативной поверки применяемых приборов.

Самостоятельное изготовление установок позволяет в будущем легко производить доработку и модернизацию установок. В первой можно реализовать подачу питания на датчик непосредственно от схемы управления, а чтобы исключить расположение измерительных приборов на вращающемся столе можно реализовать передачу импульсного сигнала от датчика по радиоканалу. Во второй установке в будущем возможно заменить осевой вентилятор на центробежный, более мощный, для получения более высоких максимальных скоростей воздуха.

Литература

1. Поляков А.А., Канаво В.А., Бобровников Г.Н., Архипов А.В. Измерение параметров газообразных и жидких сред при эксплуатации инженерного оборудования зданий и сооружений. Под ред. Полякова А.А. - М.: Стройиздат, 1987. - 351 с.

2. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн.1. - 5-е изд. перераб и доп. - СПб.: Политехника, 2002 - 409 с.

Размещено на Allbest.ru