Способ поверки роторных анемометров с применением измерителя динамического крутящего момента
METHOD OF VERIFICATION OF ROTARY ANEMOMETERS APPLYING DYNAMIC TORQUE MEASURING DEVICE

Способ поверки роторных анемометров с применением измерителя динамического крутящего момента.
Изобретение относится к области измерительно-преобразующей техники и может быть использовано для поверки роторных анемометров.
Наиболее близким к изобретению является способ поэлементной калибровки анемометров путем измерений заданной скорости вращения и крутящего момента трогания оси анемометра с применением устройств Model 18802 Anemometer Drive и Model 18310 Propeller Torque Disc, входящих в состав Wind system calibration model 18860-90 фирмы RM Young Company.
Представленный аналог имеет следующие сходства с предлагаемым способом:
о Измеряется заданная скорость вращения оси анемометра.
Причины, препятствующие получению требуемого технического результата:
• Выполняется измерение крутящего момента перевода из состояния покоя в состояние движения, что характеризует порог чувствительности; погрешность измерения скорости воздушного потока по диапазону, характеризуемая трением оси анемометра, не определяется.
• Погрешность измерения скорости воздушного потока по диапазону, характеризуемая, аэродинамической характеристикой воздушного винта, не определяется.
Известно устройство патент №2326357 от 04.02.2004 г. на изобретение «Измеритель крутящего момента».
Представленный аналог имеет следующие сходства с предлагаемым устройством для реализации способа поверки роторных анемометров:
о Измеритель крутящего момента располагается в канале передачи мощности между вращающимися приводом и нагрузочным валом.
о Чувствительный элемент деформируется в ответ на измеряемый крутящий момент.
о Измеритель крутящего момента имеет бесконтактную систему отсчета, регистрирующую угловое смещение чувствительного элемента.
Причины, препятствующие получению требуемого технического результата:
• Сложность конструкции и отсутствие универсальности.
• Применяемые чувствительные элементы и их расположение не обеспечивают высокую разрешающую способность.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка способа определения метрологических характеристик роторных анемометров, направленного на повышение эффективности поверки, с воспроизведением усилий, развиваемых электродвигателем, эквивалентных создаваемым в аэродинамической установке.
Осуществление предлагаемого способа основано на замещении последовательности традиционных преобразований, выполняемых роторными анемометрами:
1) воздушный поток оказывает аэродинамическую нагрузку на воздушный винт, пропорциональную скорости;
2) воздушный винт преобразует оказываемую аэродинамическую нагрузку в угловую скорость пропорциональную шагу (воздушного винта);
3) трение на оси воздушного винта создает тормозящий момент, вызывающий понижение угловой скорости следующим образом:
1) предлагаемым устройством на оси анемометра с установленным воздушным винтом создавать усилия, эквивалентные аэродинамическим нагрузкам, создаваемым воздушными потоками различных скоростей;
2) фиксировать задаваемые скорости воздушных потоков, предлагаемым устройством (или анемометром);
3) предлагаемым устройством на оси анемометра без установленного воздушного винта измерять создаваемые усилия на различных угловых скоростях.
Учет аэродинамической характеристики воздушного винта и динамической характеристики оси анемометра выполняется путем сравнения с номинальными крутящими моментами. Коэффициенты функции зависимости номинальных крутящих моментов от скорости воздушного потока могут быть предоставлены производителем роторного анемометра, или определены теоретически, или определены экспериментально.
тр
кр
винта
винта
При вращении с постоянной скоростью роторного анемометра предлагаемым устройством передаваемый крутящий момент (М) от двигателя и измеряемый предлагаемым устройством будет складываться из момента силы трения (М) (направлен в противоположную сторону относительно М) на оси анемометра (теоретически не зависит от скорости вращения) и крутящего момента М, необходимого для вращения винта. Так как поверка делается при постоянной угловой скорости (угловое ускорение ε=0), то крутящий момент М, обусловленный инерцией воздушного винта (J) М=J×ε также равен нулю.
Крутящий момент, необходимый для вращения винта, вычисляется по формуле
где β - аэродинамический коэффициент;
ρ - плотность воздуха;
D - диаметр винта;
s
n - обороты винта в секунду.
С учетом формулы (1) суммарный крутящий момент будет вычисляться по формуле
1
пр
Как видно из формулы (2), суммарный крутящий момент пропорционален квадрату скорости вращения. Таким образом, задавая крутящий момент М, эквивалентный скорости вращения , и измерив воспроизводимую скорость , - получаем погрешность измерения скорости воздушного потока , где k - коэффициент преобразования скорости вращения оси анемометра в скорость воздушного потока.
При отрицательном результате поверки (погрешность скорости воздушного потока ΔV превышает предел допустимой погрешности), выполнив измерения крутящего момента на оси анемометра без воздушного винта и с воздушным винтом, можно выявить составляющие погрешности, возникающие на оси и на воздушном винте.
тр
Коэффициенты функции зависимости (β и М) номинальных крутящих моментов от скорости воздушного потока могут быть определены экспериментально следующим образом.
изм
1
зад
изм
2
зад
изм
3
зад
Берется группа датчиков (относящихся к одному типу средств измерений), для которых определяются значения измеряемых скоростей воздушного потока от заданных в аэродинамической трубе (V=ƒ(V)); определяются значения измеряемых скоростей воздушного потока от заданных крутящих моментов (V=ƒ(М)), а также без воздушного винта (V=ƒ(М)) предлагаемым устройством. На основе полученных данных методом наименьших квадратов определяются искомые коэффициенты.
Фиг. 1 - устройство для осуществления способа поверки роторных анемометров 9 (вид сбоку). На фигуре изображено расположение основных элементов устройства для измерений частоты вращения вала и создаваемого крутящего момента на нем.
На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа поверки роторных анемометров 9. Устройство состоит из двух дисков 3 и 4, обеспечивающих фиксацию положения и соосное вращение относительно друг друга. Между дисками 3 и 4 расположена плоская спиральная пружина 5, внутренний конец которой закреплен на диске 3, внешний - на диске 4, угловое смещение дисков 3 и 4 может составлять несколько оборотов. На дисках 3 и 4 расположены метки 7, предназначенные для фиксации системой отсчета 6 относительного смещения дисков 3 и 4 при вращении вала 1 (2) под действием нагрузки на вал 2 (1). Диск 8 обеспечивает свободное вращение диска 4 и фиксацию его положения относительно системы отсчета 6.
Зависимость угла скручивания (угол между метками 7) от векторной разности крутящих моментов на валах 1 и 2 определяется калибровкой плоской спиральной пружины 5. Угловая скорость вращения дисков 3 и 4 определяется калибровкой системы отсчета 6.