книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

скорости течения. Затем определяют кривую £ —-/(Ѵ) и вычисляют коэффициент чувствительности нити к флуктуациям скорости. Для термоанемометра с постоянной температурой выходное на­ пряжение связано со скоростью следующим соотношением:

R TE 2

Rt Rq

А 4- BVn.

Ьсли температура жидкости постоянна и выходное напряжение на клеммах нити при нулевой скорости равно Е 0, то уравнение градуировочной кривой примет вид:

Е2— ЕІ = В Ѵ п.

Типичная градуировочная кривая для термоанемометра по­ стоянной температуры приведена на рис. 11.17. Нелинейное

потока и затем вывести градуировочные кривые при других тем­ пературах [178],воспользовавшись графиками изменения тем­ пературы потока и зависимостями коэффициентов теплопровод­ ности, вязкости от температуры, либо применить температурную компенсацию, что приведет к усложнению электронного обору­ дования.

Для определения разрешающей способности термоанемометра по частоте необходима динамическая градуировка его. Существует два способа определения динамической характеристики термо­ анемометра — прямой и косвенный.

Прямой метод требует либо создания нестационарного потока с заданной частотой и амплитудой скорости, либо обеспечения колебательных движений датчика относительно стационарно дви­ жущейся среды. При помощи прямого способа можно определить динамические характеристики термоанемометра лишь в области больших времен или низких частот.

368

Косвенный способ градуировки заключается в получении вы­ ходных данных анемометра по заданным электрическим стандарт­ ным сигналам, но он дает лишь приблизительное представление о динамических характеристиках анемометра.

Сущность косвенного метода градуировки заключается в сле­ дующем. В управляющий контур термоанемометра вводится элек­ трический сигнал прямоугольной формы, что приводит к внезап­ ному изменению тока, питающего датчик. Изменение тока воспри­ нимается системой как изменение скорости и на экране осцилло­ графа будет наблюдаться сигнал, который представляет собой сумму ответного сигнала—импульса анемометра и непосредственно

Рис. 11.18. Блок-схема для градуировки термоанемометра при по­ мощи прямоугольного импульса

подаваемого сигнала. Блок-схема испытания термоанемометра прямоугольным импульсом приведена на рис. 11.18.

Испытательный сигнал вводится в одно из плеч измерительного моста через большое балластное сопротивление RE. Величина сопротивления лежит в пределах 5— 15 кОм и зависит от выходного уровня напряжения источника прямоугольных импульсов, в ка­ честве которого желательно использовать генератор типа Г5-6А. Реакция анемометра, которая наблюдается на экране осцилло­ графа, приведена на рис. 11.19.

Для определения постоянной времени термоанемометра непо­ средственно на экране осциллографа нужно иметь прибор с отмет­ чиком времени (временные метки). Для этого можно использовать серийный осциллограф типа С1-13А. Термоанемометр настраи­ вается таким образом, чтобы затухание колебания не накладыва­ лось на прямоугольный сигнал, т. е. чтобы длительность импульса была больше реакции системы. Реакция термоанемометра при оптимальной настройке системы показана на рис. 11.19, в.

При неоптимальных настройках либо возникает статиче­ ская ошибка регулирования (рис. 11.19, а), либо перерегулирование

Установка и электронное оборудование контроля для дина­ мической градуировки датчиков прямым методом [228] показаны на рис. 11.20. Чувствительный элемент анемометра закреплен на державке крыловидной формы и совершает продольные колебания в аэродинамической трубе с малым уровнем турбулентности. Колебательные движения датчика создаются при помощи привод­ ного механизма. Стабилизация оборотов двигателя осуществляется системой автоматического регулирования его оборотов. Относи­

тельная скорость колебания дат­ чика выбрана и' = 3Ѵ2%.

Выходной сигнал анемометра поступает в измеритель средней скорости и в аналоговую вычисли­ тельную машину для определения среднеквадратичных значений ко­ лебаний датчика. Частота колеба­ ний датчика контролируется с по­ мощью фотоэлементов и электрон­ ного счетчика. Время интегриро­ вания аналоговой машины опреде­ ляется управляющим сигналом с электронного счетчика и про­ порционально частоте колебаний датчика.

На приведенной установке [228] была выполнена градуировка двух термоанемометров для частот до 100 Гц. Другие способы динамической градуировки описаны в гл. VII, п. 45.

Коэффициент чувствительности нити к продольным флуктуа­ циям скорости можно определить как а = дЕідѴ. Для нахожде­ ния а могут быть использованы два метода.

1. Определение наклона градуировочной кривой Е == f (V) для каждой конкретной скорости. Этот графический метод может привести к значительным ошибкам, если не производить градуи­ ровки с максимальной точностью. При тщательном выполнении он, однако, дает хорошие результаты.

ная в логарифмических координатах, есть прямая. Отсюда полу­ чают коэффициент чувствительности а. Оба метода дают сравни­ мые результаты, за исключением области низких скоростей (ниже 1 м/с), где экспонента п меняется слишком быстро, чтобы можно было вычертить отрезок прямой с желаемой точностью [230].

Так как градуировочная кривая термоанемометра имеет существенную нелинейность, то возникает необходимость

370

измерения Е и Е 0 с высокой точностью. Это достигается примене­ нием цифровых вольтметров с четырехдекадными индикаторами

либо при помощи преобразования напряжение— частота с после­ дующим измерением частоты.

Интенсивность продольной составляющей скорости полу­ чается непосредственно с помощью простой нагреваемой нити, расположенной перпендикулярно направлению средней скорости.' Полагают, что интенсивности двух других составляющих скорости достаточно малы, чтобы нагретая нить реагировала бы только на продольную составляющую. Интенсивность турбулентности, из-

из этих нитей при помощи электронной схемы. Однако для выпол­ нения этих измерений необходимо выполнение следующих условий: обе нити одинаковы и симметричны относительно направления

средней скорости; они имеют одинаковую чувствительность и рав­ ные постоянные времени.

Измерения, произведенные при помощи скрещенных нитей, должны оцениваться с осторожностью, особенно при измерениях спектров пульсационных составляющих скорости, так как спектр продольной составляющей пульсации скорости в турбулентном потоке может сильно искажаться перекрестной помехой от попе­ речной составляющей. Это искажение зависит от длины нитей, расстояния и угла между ними и колмогоровского микромасштаба турбулентности [240].

Следует указать еще на одну существенную деталь при измере­ нии интенсивности турбулентности, связанную с углом наклона поддерживающих стержней зонда на результаты измерения. Наиболее достоверные результаты получаются при параллельном

расположении электродов зонда относительно направления сред­ него течения.

Если интегральный масштаб турбулентности имеет величину одного порядка с длиной чувствительной части нити, то измерение

372

турбулентности будет включать значительные ошибки. Можно предположить, что если преобладающие турбулентности имеют тот же размер или много меньше, чем длина нити, то флуктуации скорости будут осредняться по длине нити, и в результате наблю­

с нагретой нитью продолжается. Техника использования и ма­ териалы стали более качественными, и в настоящее время нагре­ ваемая нить является наиболее используемым инструментом из­ мерения турбулентности воздушных потоков.

Среди новых направлений термоанемометрии необходимо ука­ зать на измерение неизотермических и двухфазных потоков (жид­ кость—газ). Работы в этом направлении ведутся в Донецком уни­ верситете. Разработаны методики измерения и электронное обо­ рудование для получения количественных характеристик этих потоков.

66« Кондукционный анемометр

Принцип работы кондукционного измерителя рассмотрен в пре­ дыдущей главе.

Проекция пульсационной составляющей индукционной э. д. с., например, на ось х запишется исходя из выражения (10.9) в виде

^ = ѵ Д ,— L ,; . (ИЛ7)

Как уже отмечалось, омические потери не позволяют с доста­ точной точностью определить по измеренной э. д. с. истинное значение скорости. При этом результаты измерения существенно искажаются, если подвергать их статистической обработке, напри­ мер определять среднеквадратичные величины. Тогда квадрат выражения (11.17) запишется в виде

не только среднеквадратичные значения пульсаций электриче­ ского тока, но также и средние значения корреляций пульсаций скорости и электрического тока. Даже в том случае, когда можно пренебречь индуцированным током, э. д. с., снимаемая с датчика, оказывается существенно искаженной шумовым сигналом. Если

373

среднеквадратичное значение пульсационной скорости можно определить из выражения

7

Рис. 11.21. Датчики для измерения пульсаций скорости

мерения пульсационной составляющей скорости используется постоянное магнитное поле, а при измерении осредненной ско­ рости — переменное.

Схема прибора с внешним магнитным полем аналогична опи­ санной в работе [14] и представляет собой источник сильного магнитного поля, датчики, с помощью которых снимается инду­ цированный в жидкости сигнал, усилительную и измерительную аппаратуру. В качестве источника сильного магнитного поля может быть выбрана любая магнитная система, создающая в тре­ буемом зазоре поле нужной напряженности (около 1 Т) и позво­ ляющая иметь свободный доступ к объекту исследования.

Датчики, изготовленные из немагнитного, не окисляющегося материала, выполнялись в трех- и пятиэлектродном вариантах (рис. 11.21). Последний из них предназначен для одновременного измерения двух компонент скорости. Чувствительные эле­ менты 1— 5 датчиков смонтированы в обтекаемый наконечник 6.

374

Державка 7 служит для крепления датчика в координатнике. Для уменьшения помех, вызываемых внешними источниками, необходимо использовать датчики с электродами, расположенными симметрично относительно среднего электрода, играющего роль заземленной средней точки.

Изоляция электродов друг от друга и от жидкости осуще­ ствляется лаковым покрытием. Торцы их тщательно зачищаются для обеспечения надежного контакта с жидкостью.

Существенным в конструкции датчика является выбор расстоя­ ния между электродами. С одной стороны это расстояние должно быть минимальным, так как ставится задача измерения локальных характеристик потока. С другой стороны — расстояние между электродами должно быть по возможности большим, так как ве­ личина индуцированного сигнала пропорциональна величине межэлектродного расстояния. Кроме того, при очень близком рас­ положении электродов истинные условия в потоке могут быть существенно искажены торможением жидкости около электродов и течением в следе за ними.

весьма мала. Поэтому требования, предъявляемые к измеритель­ ной аппаратуре и особенно к предварительному усилителю, яв­ ляются весьма жесткими. Одним из первых требований, которым должен удовлетворять усилитель, является высокая чувствитель­ ность. Во-вторых, он должен иметь высокое входное сопротивле­

должен иметь линейную частотную характеристику и иметь до­ статочный коэффициент усиления для подключения к нему изме­ рительной аппаратуры.

Блок-схема одного из вариантов кондукционного анемометра приведена на рис. 11.22. Здесь 1 — датчик, питающийся постоян­ ным стабилизированным током от источника 9. Выходной сигнал датчика, пропорциональный одной из компонент турбулентных пульсаций скорости, через емкостные связи подается на входы катодного повторителя 2, собранного по симметричной схеме.

Катодные повторители конструктивно могут выполняться совместно с измерительным преобразователем и имеют входное сопротивление порядка 20—40-10е Ом. Высокое входное сопро­ тивление позволяет хорошо согласовать преобразователь с вход­ ными цепями измерительного усилителя и одновременно умень­ шить его коэффициент шума в диапазоне низких частот [7]. За счет низких выходных сопротивлений катодных повторителей (200—300 Ом) существенно снижается уровень наводок и помех на кабель, соединяющий датчик и катодный повторитель с изме­ рительной схемой.

375

усилительной аппаратуры для измерения пульсационной скорости

Сеть

Опт» Цепь 1 Шпре

$ Вход

3Вход

4JCOpnpc

Рис. 11.23. Принципиальная схема усилительной аппаратуры для измерения пульсационной скорости

376

Катодные повторители выполнены на малогабаритных металло­ керамических лампах типа 6С62Н, имеющих очень малое значение коэффициента шума. К их достоинствам следует также отнести малую чувствительность к вибрациям и ударам. Сигнал с выхо­ дов симметричного катодного повторителя подается на входы сум­ мирующего каскада 3, предназначенного для перехода от симме­ тричного входа к несимметричному выходу. Коэффициент дискри­ минации синфазной помехи на выходе каскада не менее 50 дБ.

Для уменьшения уровня собственных шумов каскад выполнен на низкошумящих пентодах типа 6ЖШ в триодном включении, работающих при заниженных напряжениях на анодах (40—50 В). С этой же целью накалы всех ламп усилителя питаются постоян­ ным током от отдельного стабилизатора накальных напряже­ ний 11. Для расширения амплитудно-частотной характеристики усилителя в область низких частот в каскадах предусмотрена низкочастотная коррекция. Корректирующие цепи рассчитыва­ лись по методике, описанной в [161].

Усилие сигнала осуществляется двумя трехкаскадными уси­ лительными секциями 4 и 5. В каждом из каскадов предусмотрены цепи низкочастотной коррекции. Введение глубокой отрицатель­ ной обратной связи по напряжению в каждой секции позволило в значительной степени стабилизировать коэффициент усиления усилителя, расширить его частотный диапазон и уменьшить уро­ вень собственных шумов.

Ступенчатая и плавная регулировки коэффициента усиления осуществляются изменением глубины отрицательной обратной связи соответственно в секциях 4 и 5.

Для повышения разрешающей способности кондукционного анемометра в отдельных участках энергетического спектра в нем предусмотрены активные фильтры 6 верхних и нижних частот, с крутизной скатов не менее 20 дБ на октаву.

Фильтры обеспечивают возможность измерения пульсаций ско­ рости в полосах частот 1—40; 40—400 Гц; 400 Г ц — 10 кГц. Возможно также измерение пульсаций во всей полосе пропуска­ ния усилителя 1 Г ц — 10 кГц.

Далее сигнал поступает на квадратичный вольтметр 7 и выход­ ной катодный повторитель 8, сигнал с которого поступает на за­ писывающую и анализирующую аппаратуру. Квадратичный вольтметр представляет собой каскад, собранный по схеме парал­ лельно-симметричного усилителя постоянного тока на пентодах типа 6А7, обеспечивающий квадратичную зависимость выходного тока от входного напряжения [112]. Регистрирующий прибор, в качестве которого может быть использован магнитоэлектриче­ ский микроамперметр типа М265-М, включен в диагональ моста между анодами ламп.

Питание анодных цепей усилителя и квадратичного вольт­ метра осуществляется от электронного стабилизатора напряже­ ния 10. Стабилизаторы тока и напряжений 9, 10, 11 питаются от

377