ИОННО-МЕТОЧНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения скорости воздушного потока при метеорологических измерениях на суше и море, при аэродинамических испытаниях, в системах промышленной вентиляции и кондиционирования воздуха, а также при аттестации рабочих мест.
Известен тахометрический измеритель скорости воздушного потока. Работа такого анемометра основана на зависимости угловой скорости вращения крыльчатки от скорости набегающего воздушного потока. Преобразование скорости вращения крыльчатки в частоту электрического сигнала может быть осуществлен с помощью различных датчиков, например, оптическими (ФРГ, патент №3812554, G01P 5/06, 1988 г.) или индуктивными (Патент РФ №97198, G01P 5/06, 2010 г.).
Недостатком тахометрического измерителя является низкая надежность из-за наличия подвижного элемента - крыльчатки. В процессе эксплуатации опоры крыльчатки загрязняются, что приводит к увеличению трения вращению крыльчатки. При этом нарушается установленная зависимость скорости вращения от скорости воздушного потока, что приводит к погрешности измерения. Кроме того, наличие трения и дисбаланса подвижной части ограничивает возможность измерения малых скоростей воздушного потока. Существует принципиальная зависимость чувствительности такого измерителя от размеров крыльчатки, что накладывает ограничения по его миниатюризации. Для измерения в диапазоне больших скоростей конструкция подвижной части измерителя должна обладать достаточной прочностью, что приводит к снижению чувствительности в диапазоне малых скоростей.
Известен термоанемометрический измеритель скорости воздушного потока, описанный в книге Смоляков А.В., Ткаченко В.М. Измерение турбулентных пульсаций. - Л.: Энергия. Ленингр. Отделение, 1980. - 264 с, ил. стр. 63-75.
д
с.
д
Термоанемометр содержит резистивный термочувствительный элемент (датчик термоанемометра), включенный в мостовую схему (мост Уитстона), усилитель обратной связи, подключенный к измерительному мосту. Выходной ток усилителя обратной связи проходит через датчик термоанемометра, нагревая его до температуры Т, превышающей температуру потока ТТемпература Т поддерживается постоянной в процессе измерений с помощью усилителя обратной связи. При постоянной температуре окружающей среды ток, протекающий через датчик термоанемометра, зависит только от скорости охлаждающего его газового потока. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению этой зависимости, что требует применения дополнительного канала измерения температуры воздушного потока для компенсации возникающей погрешности. Это обстоятельство усложняет реализацию термоанемометрических измерителей воздушной скорости высокой точности.
В качестве датчика термоанемометра используется тонкая (несколько микрон) платиновая нить, растянутая между игольчатыми державками. Такой датчик имеет низкую надежность. Более надежными являются, так называемые, пленочные термоанемометры, которые представляют собой керамическую пластинку с напыленным металлическим слоем микронной толщины.
Поскольку датчики имеют микронные диаметр проволоки и толщину слоя, а именно эти параметры сильно влияют на их электрические сопротивление, что затрудняют технологию их изготовления и воспроизводимость метрологических характеристик. Поэтому при замене датчика термоанемометра, для обеспечения высокой точности измерений скорости воздушного потока, требуется проведение тарировки измерителя, что увеличивает эксплуатационные расходы.
Как проволочные, так и пленочные термоанемометры в процессе эксплуатации подвержены загрязнению, что приводит к изменению теплообмена с окружающей средой, а это приводит к погрешности измерения. Для устранения этой погрешности необходимо периодически проводить чистку датчика, что усложняет эксплуатацию термоанемометрических измерителей.
Известен измеритель воздушной скорости (Анемометр) типа ЭА-70 (Руководство по эксплуатации ЭКИТ 000027.000 РЭ, Москва, 20 Юг, ООО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОТДЕЛЕНИЕ «ЭКО-ИНТЕХ» http://eco-intech.com/img/AVimg/Brochure/EA-70%281%29.pdf).
Анемометр ЭА-70 состоит из измерительного блока с цифровой индикацией результатов измерений и двумя типами анемометрических первичных преобразователей: - тахометрический и термоанемометрический. Измерительный блок с двумя входами, к которым подключаются один из анемометрических первичных преобразователей, имеет измерительную схему, микропроцессор, многострочный дисплей, многофункциональную клавиатуру, автономный источник питания (аккумулятор), разъемы для подсоединения к персональному компьютеру с помощью последовательного интерфейса RS-232. Возможность передачи данных на компьютер значительно расширяет возможности обработки, отображения и сохранения результатов измерения. Однако использование проводного канала связи с компьютером не всегда возможно, например, при аэродинамических испытаниях подвижных объектов, что ограничивает использование анемометра.
Наиболее близким техническим решением (прототип) является анемометр АКТАКОМ АТЕ-1034 ВТ, описанный в статье: «Анемометры Актаком: новые возможности работы с программным обеспечением» Афонский А.А., Афонская Т.Д. Журнал «Контрольно-измерительные приборы и системы» №6, 2015 г, стр. 10-14. http://www.eliks.ru/kio/index.php?SECTION_ID=1450&ELEMENT_ID=3527186.
Анемометр АКТАКОМ АТЕ-1034ВТ имеет термоанемометрический преобразователь, который размещается в малогабаритной измерительной головке диаметром 12 мм на телескопической ручке. Термоанемометрический преобразователь подключен к измерительной схеме, выходной сигнал которого в цифровой форме отображает на жидкокристаллическом дисплеи результат измерения скорости воздушного потока. Термоанемометр АКТАКОМ АТЕ-1034ВТ содержит модуль регистрации и хранения измеренных данных на SD-карту, что позволяет после завершения измерений, испытаний, мониторинга перенести результаты на компьютер и произвести обработку, отображение в удобной форме, например, в виде графиков. Кроме того, анемометр содержит модуль беспроводной передачи данных (модуль Bluetooth, Wi-Fi), что позволяет без использования линий связи, кабелей и других проводных соединений передавать результаты измерений на персональный компьютер или другое мобильное устройство, поддерживающее Bluetooth интерфейс или Wi-Fi, например, планшетный компьютер, ноутбук или смартфон.
Недостатком прототипа является низкая эксплуатационная надежность чувствительного элемента (датчик термоанемометра). Кроме того, метрологические характеристики этих анемометров имеют не высокую временную стабильность и подвержены влиянию загрязнений и другим дестабилизирующим воздействиям, что сокращает интервал метрологической поверки и технического обслуживания. Низкая технологическая воспроизводимость чувствительных элементов анемометров на стадии производства требуют индивидуальной тарировки каждого экземпляра, что приводит их к удорожанию.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель заключается в улучшении метрологических и эксплуатационных характеристик за счет использования измерительной схемы стойкой к механическим, температурным и другим дестабилизирующим воздействиям.
Технический результат достигается тем, что в ионно-меточном измерителе скорости воздушного потока, содержащем последовательно соединенные измерительный преобразователь и блок обработки сигнала, выход которого связан с модулем беспроводной передачи данных и модулем регистрации и хранения данных новым является то, что измерительный преобразователь выполнен в виде проточного канала, в котором последовательно по ходу воздушного потока размещены разрядник генератора ионных меток и два электрода регистратора ионных меток, при этом разрядник генератора ионных меток подключен к генератору высоковольтных импульсов, вход которого связан с блоком обработки сигнала, а электроды регистратора через предварительные усилители связаны с дифференциальным усилителем, выход которого через последовательно соединенные интегратор и компаратор подключен к блоку обработки сигнала.
Электроды регистратора ионно-меточного измерителя скорости воздушного потока выполнены в виде изолированных колец диаметром равным диаметру проточного канала и расположены друг от друга на расстоянии, равном полтора радиуса проточного канала.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 приведена функциональная схема меточного измерителя воздушной скорости. На фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов измерительной схемы.
б
Функциональная схема ионно-меточного измерителя воздушной скорости (фиг. 1) содержит проточный канал 1 в виде трубки диаметром D, во входной части которой размещен разрядник 3, подключенный к генератору высоковольтных импульсов (ГВИ) 2. По ходу движения воздушного потока в проточном канале на расстоянии ΔL друг относительно друга расположены два изолированных кольцевых электрода 5 и 6 регистратора ионной метки. При этом диаметр электродов равен диаметру проточного канала, а расстояние размещения от разрядника до первого электрода 5 равно L-ΔL, где ΔL=1,5R (R - радиус проточного канала). Электроды 5 и 6 через предварительные усилители ПУ1 7 и ПУ2 8 связаны с дифференциальным усилителем ДУ 9, выход которого через интегратор ИНТ 10 подключен к компаратору Комп 11. Выход компаратора 11 соединен с входом блока обработки сигнала БОС 12, управляющий выход которого подключен к генератору ГВИ 2, а информационный выход связан с модулем беспроводной передачи данных МПД 13 и модулем регистрации и хранения данных МРХ 14.
Измеритель воздушной скорости работает следующим образом. В соответствии с заданной программой блок обработки сигнала БОС 12 формирует с определенной периодичностью на управляющем выходе импульсы, которые запускают генератор высоковольтных импульсов ГВИ 2. Короткий высоковольтный импульс поступает на искровой или коронный разрядник и вызывает соответственно искровой или коронный пробой. В результате пробоя в окрестности разрядника воздух ионизируется, и образуются ионы, обладающие электрическим зарядом, таким образом формируется ионная метка 4, которая движется вместе с воздушным потоком.
пу1
пу2
пy2
пy1
пy1
пy2
интегр
интегр
б
б
При прохождении заряженной ионной метки вблизи электрода 5 на последнем наводится импульс тока, который усиливается предварительным усилителем ПУ1 7. Импульс U на выходе ПУ1 имеет вид, изображенный на фиг. 2а. Аналогичный импульс U формируется на выходе ПУ2, но поскольку электрод 6 отстоит от электрода 5 на расстоянии ΔL, то импульс U имеет соответствующее временное запаздывание относительно импульса U. Далее оба импульса поступают на дифференциальный усилитель, на выходе которого формируется сигнал разности U-U=Иду (фиг. 2 б). Этот сигнал подается на интегратор ИНТ 10, выходной сигнал которого U (фиг. 2 в) поступает на компаратор Комп 11. Компаратор 11 фиксирует временное положение точки пересечения сигналом U нулевого уровня. Выходной сигнал компаратора поступает на блок обработки сигнала, где формируется временной интервал, начало которого соответствует моменту генерации ионной метки, а окончание моменту пересечения границы базового расстояния L, которая находится между электродами 5 и 6 на равном от них удалении 0,5 ΔL. По длительности временного интервала τ в блоке обработки сигнала БОС вычисляется скорость воздушного потока V=L/τ. Результат измерения сохраняется в модуле регистрации и хранения данных МРХ 14 и передается с помощью модуля беспроводной передачи данных МПД 13 (модуль Bluetooth, Wi-Fi) на персональный компьютер или другое мобильное устройство, поддерживающее Bluetooth интерфейс или Wi-Fi, например, планшетный компьютер, ноутбук или смартфон.
В ионно-меточном измерителе воздушной скорости реализуется кинематический метод измерения воздушной скорости, при котором точность измерения воздушной скорости не зависит от состояния окружающей среды (температуры, атмосферного давления, плотности, влажности и т.п.). Конструкция предлагаемого измерителя обладает высокой механической прочностью, в нем отсутствуют элементы подверженные износу, засорению и изменению своих параметров, влияющих на метрологические характеристики.
Выполнение системы приемных электродов в виде изолированных металлических колец обеспечивает бесконтактную регистрацию наведенного ионной меткой сигнала и не подвержены влиянию грязи, пыли и влаги.
пу1
пу2
Использование дифференциальной схемы канала регистрации ионной метки обеспечивает уменьшение влияния синфазной помехи от других источников электрических поле. Практика проектирования ионно-меточных измерителей показывает, что при расположении электродов на расстоянии равном полтора радиуса проточного канала достигается наибольшая амплитуда разностного сигнала U-U на выходе дифференциального усилителя ДУ.
б
Использование в схеме ионно-меточного измерителя интегратора ИНТ позволяет уменьшить высокочастотные шумы и помехи и сформировать информативный сигнал, точка пересечения которого через нулевой уровень соответствует моменту пересечения ионной меткой границы базового расстояния L.
Выполнение измерителя в виде моноблочной конструкции, состоящей из проточного канала, например, диаметром 15 мм и длиной 80 мм вписанного в корпус обтекаемой формы, в котором размещаются элементы измерительной схемы, модуль беспроводной передачи данных (модуль Bluetooth, Wi-Fi), модуль регистрации и хранения данных и аккумуляторный источник питания позволяет обеспечить предлагаемому измерителю небольшие габариты и удобство в эксплуатации.