Доплеровский ультразвуковой контроль производительности вентиляторной установки

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 697.921.4:537.871.7.08 ББК З766:З873-5

А.П. АЛЕКСЕЕВ, О.Н. ЯДАРОВА

ДОПЛЕРОВСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ*

Ключевые слова: ультразвук, доплеровские спектры, воздушный поток, вентиляторная установка.

Предлагается система дистанционного ультразвукового контроля воздушных потоков. Для оценки параметров потока используются доплеровские спектры обратного рассеяния ультразвукового сигнала на турбулентных флуктуациях. Представлены лабораторная экспериментальная установка и результаты калибровки ультразвуковой системы контроля. Показана возможность использования ультразвука для контроля и управления вентиляторными установками.

A.P. ALEKSEEV, O.N. YADAROVA THE DOPPLER ULTRASONIC CONTROL OF THE VENTILATOR SYSTEM CAPACITY

Key words: ultrasonic, Doppler spectrum, airflow, ventilator system. The article proposes a system for remote ultrasonic control of air flow. Doppler spectra of backscattered ultrasound signal on the turbulent fluctuations are used to estimate the flow parameters. The experimental laboratory system and the results of ultrasonic system calibration are described. It is shown the possibility to use the ultrasonic for the monitoring and control of ventilator systems.

При испытаниях промышленных вентиляторных, насосных агрегатов на предприятиях аграрно-промышленного комплекса (прежде всего для контроля систем вентиляции овощехранилищ и в установках для сушки сельхозпродукции) нужны соответствующие системы диагностики и автоматического управления. Для измерения скорости воздушных потоков могут использоваться как контактные, так и бесконтактные (дистанционные) методы. Контактные методы [1, 2] позволяют измерить локальную скорость, неизбежно приводят к искажению структуры потока и не всегда позволяют проводить контроль открытого неоднородного потока с большими пространственными размерами. Кроме того, воздушные потоки, образуемые, например, вентиляторами, являются турбулентными и характеризуются значительной пространственно-временной неоднородностью [4]. В этом случае удобно пользоваться дистанционными методами измерения - оптическими или ультразвуковыми.

Ультразвуковые (УЗ) методы контроля воздушных потоков имеют несколько меньшее разрешение, чем оптические (лазерное зондирование или пассивные измерения в ультракрасном диапазоне). При этом ультразвуковые измерения оказываются существенно дешевле, надежнее и позволяют проводить контроль потока в относительно большем пространственном объеме из-за широкой направленности ультразвукового излучения, в том числе - в сильно запыленных помещениях.

В статье приводятся результаты лабораторных испытаний и калибровки ультразвуковой системы контроля вентиляторной установки.

На рис. 1 показана схема лабораторной установки на основе ультразвуковой системы доплеровского контроля. Рабочая частота ультразвуковых преобразователей составляет 40 кГц [5].

* Исследование выполнено при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Источником воздушного потока является промышленный вентилятор БоБре1 ЖК200 (В) с диаметром отверстия 0,2 м, который может быть уменьшен до 0,15 м благодаря редуктору, который надевается на вентилятор. БоБре1 ЖК200 представляет собой канальный центробежный вентилятор с мощностью 170 Вт, производительностью 1200 м3/ч и номинальной частотой вращения 2430 об./мин. Для измерения частоты вращения вентилятора используется цифровой фототахометр БТ2234Б (Т), который позволяет бесконтактно измерить частоту вращения вентилятора с разрешением 0,1 об./мин (менее 1000 об.), 1,0 об./мин (более 1000 оборотов) и погрешностью ±(0,05% +1 цифра). Используя полученные данные от тахометра и системы дистанционного ультразвукового контроля производительности (С) строились зависимости скорости воздушного потока от частоты вращения вентилятора. Для плавной регулировки частоты вращения вентилятора используется регулятор мощности (Р) на основе симистора ВТА26-600В, реализующий фазовый принцип управления и позволяющий подключать нагрузку до 1кВт. Принцип работы регулятора основан на изменении момента включения симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль.

Обратное рассеяние УЗ сигнала на неоднородном воздушном потоке имеет пространственно-распределенный характер. Рассеяние происходит в области пересечения потока и диаграммы излучения ультразвуковых преобразователей (см. рис. 1). Плотность потока и, соответственно, локальная скорость рассеивающих ультразвук неодно-родностей меняются в пространстве как по направлению, так и по абсолютной величине. Поэтому ультразвуковой сигнал в приемном тракте прибора является суперпозицией сигналов с разной амплитудой, фазой и доплеровским частотным сдвигом.

На рис. 2 приведены экспериментальные спектральные плотности G(/ сигнала при разных режимах работы вентилятора. Угол наклона ультразвуковых преобразователей относительно центральной оси потока 0 = 50° (см. рис. 1). Время записи осциллограмм экспериментальных сигналов составляло не менее 0,8 с при частоте оцифровки 250 кГц. Используемые параметры оцифровки вполне позволяют выделить низкочастотную составляющую доплеровского сдвига частоты [5].

Экспериментальные спектры (рис. 2) имеют сложную форму с несколькими локальными максимумами. Это может быть связано с боковыми лепестками диаграммы направленности, неоднородностью потока, рассеянием на границах потока. Для интегральной оценки частоты доплеровского сдвига / рассчитывалась средневзвешенная частота доплеровского спектра сигнала:

. _ |/О(/) / 1 ср \ О (/) / •

Измерительная техника

309

О, отн.ед.

100 / Гц

Рис. 2. Экспериментальные доплеровские спектры при различных параметрах вентилятора: 1 - п = 890 об./мин, с1 = 2 м; 2 - п = 2560 об./мин, << = 0,2 м; 3 - п = 2520 об./мин, << = 0,15 м

Как видно из рис. 2, частота /ср смещается в зависимости от частоты вращения вентилятора п (кривые 1 и 2) и диаметра выходного отверстия вентилятора < (кривые 2 и 3). Частота доплеровского сдвига/ср пропорциональна средней скорости потока воздуха [5]. При увеличении площади выходного отверстия вентилятора скорость потока пропорционально уменьшается (см. кривые 2 и 3, рис. 2). Таким образом,

где А - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров ультразвукового сигнала и положения преобразователей; q - производительность вентилятора. Для проверки соотношения (1) строилась зависимость доплеровского сдвига ультразвукового сигнала при изменении частоты вращения вентилятора. Экспериментальная зависимость/ср(п) показана на рис. 3. С учетом случайной погрешности (относительная погрешность уменьшается с увеличением скорости потока) зависимость /ср(п) близка к линейной, что соответствует известным формулам для расчета производительности вентиляторных установок [3].

Рис. 3. Зависимость среднего доплеровского сдвига от частоты вращения вентилятора

Таким образом, предлагаемый метод доплеровских ультразвуковых измерений позволяет осуществлять дистанционный ультразвуковой контроль вентиляторных установок, начиная со скорости потока порядка десятков см/с. Для повышения чувствительно -сти метода несущая частота ультразвукового излучения может быть повышена в несколько раз, что существенно уменьшит минимальную регистрируемую скорость потока.

/ Г1

о

500 1000 1500 Шй 2500 п, об./мин

Литература

1. Горлин С.М, Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (Методы и приборы). М.: Наука, 1964. 720 с.

2. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. 2-е изд. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 338 с.

3. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 415с.

4. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978.

144 с.

5. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Доплеровский ультразвуковой контроль открытого воздушного потока // Вестник Чувашского университета. 2012. №3. С. 240-243.

АЛЕКСЕЕВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ - магистрант кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (al_sasha_91@mail.ru).

ALEKSEEV ALEXANDER PETROVICH - master's program student of Management and Informatics in Technical Systems Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ЯДАРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - аспирантка кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (o_lala_la@mail.ru).

YADAROVA OLGA NIKOLAEVNA - post-graduated student of Power Electronics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

УДК 681.586.48 ББК 3873-5

П.А. ЛЕВИН, И.Ю. БЫЧКОВА, Л.А. СЛАВУТСКИЙ

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ИМПУЛЬСНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ НАД НАГРЕТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Ключевые слова: ультразвук, случайные флуктуации, температура, конвекция, корреляционный прием.

Предлагается схема импульсного ультразвукового контроля стратификации воздуха над нагретой поверхностью. Приводятся результаты экспериментальных измерений и цифровой обработки ультразвуковых сигналов. Показано, что анализ интерференции и временных флуктуаций прямого и отраженного от поверхности сигналов позволяет оценить изменчивость скорости звука и, соответственно, температурный профиль приповерхностного слоя воздуха.

P.A. LEVIN, I.Yu. BYCHKOVA, LA. SLAVUTSKIY VARIABILITY OF ULTRASONIC PULSE SIGNALS OVER THE HEATING SURFACE Key words: ultrasonics, random fluctuations, temperature, convection, correlation processing.

The ultrasonic pulse control scheme of the air stratification over the heating surface is offered. Results of experiments and the digital processing of ultrasonic signals are given. The analysis of the interference and fluctuation of direct and reflected signals allows to estimate sonic speed variability and therefore the temperature profile of the near-surface layer.

Для температурного контроля различных объектов могут использоваться как контактные, так и бесконтактные (дистанционные) методы (лазерные, инфракрасные, ультразвуковые). Активные лазерные методы [1], основанные на принципах спектроскопии и интерферометрии, обладают высокой точностью, но требуют сканирования лазерным лучом и оказываются достаточно дорогостоящими. Для температурных измерений наиболее широко распространена инфракрасная термография [2]. Однако увеличение пространственного и временного разрешения при дистанционном термографическом кон-