Измеритель скорости воздушного потока для систем вентиляции

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для  измерения скорости воздушного потока, преимущественно, в воздуховодных каналах систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
Для измерения скорости воздушного потока в воздуховоде делается специальное технологическое отверстие, через которое измерительное устройство помещается в воздуховод. Размеры технологического отверстия должно соответствовать размеру измерительного устройства. Для сохранения прочности и повышения эксплуатационной надежности воздуховода, технологическое отверстие должно быть минимальных размеров, что накладывает ограничение на размеры применяемых измерительных устройств. Поэтому для измерения скорости потока в системах вентиляции наиболее широко  применяются измерители, принцип действия которых основан на взаимодействии  скорости воздушного потока с чувствительным элементом, имеющим небольшие габариты.  К таким измерителям относится, например, прибор, использующий зонд (трубка Пито), с помощью которого воспринимается полное давление, создаваемое воздушным потоком. ( Трохан А. М. Гидроаэрофизические измерения. – М.: Издательства стандартов, 1981. -336 с., с илл.  Стр72-74) – [1]. Недостатком данного метода измерения является малая чувствительность при небольших скоростях потока (2-8 м/сек), которые чаще всего приходится измерять в воздуховодах.
Для измерения скорости воздушного потока в системах вентиляции находит применение тахометрический анемометр, работа такого анемометра основана на зависимости скорости вращения крыльчатки  от скорости набегающего воздушного потока. Известен тахометрический анемометр с первичным преобразователем, в виде крыльчатки  установленным на штанге, с помощью которой  первичный преобразователь вносится в контролируемый воздушный поток   ( Патент РФ  № 97198,  G01P5/06, 2010г.) – [2].   Преобразование скорости вращения крыльчатки в частоту электрического сигнала может быть осуществлен с помощью различных датчиков, например, оптическими  или индуктивными.
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.
Наиболее широко для измерения скорости воздушного потока в воздуховодах применяются термоанемометрический  измеритель скорости воздушного потока, описанный в книге  Смоляков А. В., Ткаченко В. М. Измерение турбулентных пульсаций. – Л.: Энергия. Ленингр. Отделение, 1980. – 264с., ил.  стр. 63- 75 – [3].
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 Т. Температура 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. Низкая технологическая воспроизводимость чувствительных элементов анемометров на стадии производства требуют индивидуальной тарировки каждого экземпляра, что приводит их к удорожанию.
б
б
б
2
Известны ультразвуковые анемометры, работа которых основана на измерении времени распространения ультразвуковых колебаний вдоль измерительной базы длинной L по потоку и против воздушного потока.  (Трохан А. М. Гидроаэрофизические измерения. – М.: Издательства стандартов, 1981. -336 с., с илл.  Стр223-229) – [4]. Ультразвуковой анемометр содержит разнесенные на длину измерительной базы приемопередатчики, которые поочередно выполняют функции передатчика и приемника акустических колебаний. Управление приемопередатчиками и измерение времени распространения акустических колебаний осуществляется электронным блоком, а скорость воздушного потока вычисляется по формуле: V=с·Δτ ̸ 2· L, где с –скорость распространения ультразвуковых колебаний в неподвижном воздухе (константа), Δτ – разность времени распространения ультразвуковых колебаний вдоль измерительной базы длинной L по потоку и против воздушного потока.
б
б
б
б
Наиболее близким техническим решением является ионно-меточный измеритель воздушной скорости (Патент РФ на полезную модель №166715 от 17.11.2016г.) – [5], работа которого основана на измерении времени прохождения униполярной ионной метки совместно с контролируемым потоком, измерительной базы L. Ионная метка формируется с помощью разрядника генератора меток путем кратковременного коронного разряда, производимого в воздушном потоке. Регистрация униполярной ионной метки происходит с помощью приемного электрода, расположенного на расстоянии  Lот разрядника вниз по потоку, по импульсу наведенного на электроде заряда. Запуск генератора ионных меток и ее регистрация осуществляется с помощью электронного блока, а скорость воздушного потока вычисляется по формуле: V =  L/ τ, где τ – время прохождения униполярной ионной метки совместно с контролируемым потоком измерительной базы L.
б
Ионно-меточный измеритель воздушной скорости состоит из функциональных элементов  стойких к механическим, температурным и другим дестабилизирующим воздействиям, за счет чего достигается улучшение  их метрологических и эксплуатационных характеристик. Однако, известный  ионно-меточный измеритель воздушной скорости, содержащий корпус с  проточным каналом, имеющим  протяженную измерительную базу L, не может быть помещен в воздуховод через небольшое технологическое отверстие.
Технический результат, на решение которого направлена заявляемая полезная модель, является расширение арсенала  средств измерения воздушной скорости в воздуховодах систем вентиляции с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками,  удовлетворяющих конструктивно-компоновочным требованиям.
Технический результат, достигается тем, что в измерителе скорости воздушного потока для систем вентиляции, содержащем проточный канал, два разнесенных по направлению потока приемопередатчика, связанных с электронным блоком, новым является то, что проточный канал имеет шарнирное соединение со штангой с возможностью их соосного расположения в нерабочем состоянии измерителя  и фиксирования их под прямым углом один к другой в рабочем состоянии измерителя,  причем проточный канал в рабочем состоянии расположен ниже по  потоку по отношению к штанге и содержит первый приемопередатчик, а на торце штанги,  со стороны  шарнирного соединения, закреплен второй приемопередатчик, выступающий в воздушный поток в пределах открытого входного конца проточной части канала.
В одном из вариантов реализации измерителя  скорости воздушного потока для систем вентиляции первый приемопередатчик выполнен в виде металлического кольцевого электрода регистратора ионных меток, а второй приемопередатчик в виде разрядника генератора ионных меток.
В другом варианте реализации измерителя    скорости воздушного потока для систем вентиляции первый и второй приемопередатчики выполнены в виде обратимых приемопередатчиков ультразвуковых колебаний.
Сущность полезной модели поясняется на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 показана конструктивная схема измерителя в нерабочем положении.
На фиг. 2 показано положение измерителя в рабочем состоянии, где первый приемопередатчик выполнен в виде металлического кольцевого электрода регистратора ионных меток, а второй приемопередатчик в виде разрядника генератора ионных меток.
На фиг. 3 показано положение измерителя в рабочем состоянии с приемопередатчиками  выполненными в виде обратимых приемопередатчиков ультразвуковых колебаний.
Здесь:  1- воздуховод; 2- технологическое отверстие в воздуховоде; 3- штанга; 4- проточный канал;  5- второй приемопередатчик, выполненный в виде в виде разрядника генератора ионных меток; 6 – первый приемопередатчик, выполненный в виде металлического кольцевого электрода регистратора ионных меток; 7 – шарнирное соединение; 8 – крепежный фланец; 9 – электронный блок; 10,11- первый и второй приемопередатчики, выполненные в виде обратимых приемопередатчиков ультразвуковых колебаний.
Измеритель (фиг.1) содержит штангу 3 и проточный канал 4, которые в нерабочем положении имеют соосное расположение. За счет этого проточный канал, выполненный, например, в виде трубки может быть помещен в воздуховод через небольшое технологическое отверстие 2, в стенке воздуховода 1. Проточный канал 4 имеет шарнирное соединение 7 со штангой 3.
б
В рабочее положение измеритель приводится путем поворота проточного канала 4 в шарнирном соединении 7 и  фиксирования его под прямым углом по отношению к штанге 3 (фиг.2). Поворот проточного канала может быть осуществлен, например, с помощью пружины в шарнирном соединении.  При этом проточный канал 4 должен быть расположен ниже по потоку по отношению к штанге 3. Измеритель содержит два разнесенных по направлению потока на базовый   интервал  L приемопередатчика 5 и 6, связанных с электронным блоком 9. Один приемопередатчик  6 размещен в проточном канале, а другой приемопередатчик 5 закреплен на торце штанги 3 в пределах открытого входного конца проточной части канала 4. Для  крепления измерителя к воздуховоду используется крепежный фланец 8.
В одном из вариантов реализации измерителя (фиг.2) первый приемопередатчик  6 выполнен в виде металлического кольцевого электрода регистратора ионных меток, а второй приемопередатчик 5 в виде разрядника генератора ионных меток, подключенного к генератору высоковольтных импульсов который размещен в электронном блоке 9.
б
б
б
Ионная метка формируется с помощью разрядника 5 генератора меток путем кратковременного коронного разряда, производимого в воздушном потоке. Ионная метка сносится воздушным потоком. Регистрация униполярной ионной метки происходит с помощью приемного электрода 6, расположенного на расстоянии  Lот разрядника вниз по потоку, по импульсу наведенного на электроде заряда. Запуск генератора ионных меток и ее регистрация осуществляется с помощью электронного блока 9, а скорость воздушного потока вычисляется по формуле: V = L/τ, где τ – время прохождения ионной метки совместно с контролируемым потоком измерительной базы L.
2
б
б
В другом варианте реализации измерителя воздушной скорости (фиг. 3) первый и второй приемопередатчики 5 и 6 выполнены в виде обратимых приемопередатчиков, которые поочередно выполняют функции передатчика и приемника акустических колебаний. Управление приемопередатчиками и измерение времени распространения акустических колебаний осуществляется электронным блоком 9, а скорость воздушного потока вычисляется по формуле: V=с·Δτ ̸ 2·L, где с –скорость распространения ультразвуковых колебаний в неподвижном воздухе (константа), Δτ – разность времени распространения ультразвуковых колебаний вдоль измерительной базы длинной L по потоку и против воздушного потока.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет расширить арсенал средств измерения воздушной скорости в воздуховодах систем вентиляции с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, удовлетворяющих конструктивно-компоновочным требованиям.
Создан экспериментальный образец ионно-меточного измерителя скорости воздушного потока, в котором реализовано предложенное техническое решение. Результаты проведенных аэротрубных испытаний экспериментального образца показали эффективность предложенного технического решения.