УДК 531.767(083.76)
РАБОЧИЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА "ЭМС-0,1/60"
А. И. Самойленко, В. К. Маскаев
Приведены описание и характеристики рабочего эталона единицы скорости воздушного потока в диапазоне от 0,1 до 60 м/с. Эталон предназначен для метрологических исследований, поверки и калибровки средств измерения скорости воздушного потока.
Ключевые слова: скорость воздушного потока, метрология, эталон.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема измерения малых скоростей воздушных потоков была всегда актуальна для таких областей деятельности, как метеорология, контроль безопасности условий труда при подземных и строительных работах, экологический мониторинг, контроль тонких технологических процессов в отраслях промышленности и системах кондиционирования. В авиации измерение малых скоростей необходимо при исследованиях сверхманевренных и беспилотных летательных аппаратов, в вертолетной технике и экспериментах по изучению физических явлений. Эти измерения осуществляют с помощью анемометров различных типов, которые требуют, как правило, ежегодной обязательной поверки и калибровки.
Основой метрологического обеспечения измерений скорости воздушного потока в диапазоне от 0,1 до 100 м/с является ГОСТ 8.542-86 "Государственный специальный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений скорости воздушного потока", разработанный ВНИИМ совместно с ЦАГИ еще в 1985 г. При этом в качестве эталона-копии в поверочную схему включена одна из аэродинамических труб ЦАГИ с верхним пределом скорости потока 120 м/с, рабочей частью сечением 1,0 х 1,0 м и мощностью 600 кВт. Использование такой аэродинамической трубы для текущих метрологических работ экономически нецелесообразно.
Анализ уровня оснащенности метрологических служб предприятий и региональных метрологических
центров эталонными средствами поверки приемников давления, анемометров, датчиков скорости показал острую необходимость разработки рабочего эталона, отвечающего современным требованиям метрологического обеспечения измерений скорости воздушного потока при минимальных затратах энергетических и финансовых ресурсов. В результате проведенных исследований и проектно-конструкторских работ был создан эталон "ЭМС-0,1/60", внешний вид которого приведен на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид рабочего эталона единицы скорости воздушного потока "ЭМС-0,1/60"
38
Зепвогв & Systems • № 5.2010
Государственным центром испытаний средств измерений ЦАГИ проведены сертификационные испытания эталона, на основании результатов которых Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии выдало сертификат Яи.Е.28.082.А № 27649 об утверждении типа установки аэродинамической измерительной "ЭМС-0,1/60" на партию из десяти эталонов. Из них № 1 используется в метрологической службе ЦАГИ, № 2 — в ФГУ "Ростест-Москва", № 3 — в ФГУ "Тюменский ЦСМ", № 4 — в метрологической службе ЗАО "АЛРОСА". Прорабатывается контракт на поставку эталона для "АрселорМиттал" (Казахстан).
СТРУКТУРА И СОСТАВ ЭТАЛОНА
Эталон выполнен по схеме незамкнутой аэродинамической трубы с закрытой рабочей частью. Размеры рабочей части 200 х 200 мм выбраны с учетом габаритов большинства современных анемометров при необходимости минимизировать мощность электропривода вентилятора. Проектные расчеты показали возможность реализации заданной максимальной скорости потока 60 м/с с использованием силовой установки мощностью 5,5 кВт. При этом минимально возможная скорость потока в рабочей части составит 1 м/с, поэтому для задания скорости от 0,1 м/с предусмотрена установка испытываемых средств измерений в форкамере эталона.
Структурная схема эталона приведена на рис. 2. В состав эталона входят аэродинамический контур, силовая установка электропривода вентилятора и измерительная система.
Аэродинамический контур. Высокое качество воздушного потока в эталоне достигается потокофор-мирующими элементами его аэродинамического контура. В состав аэродинамического контура входят:
— входной коллектор, обеспечивающий плавный, безвихревой забор воздуха из помещения;
— хонейкомб, который делит общий входной поток на 3600 струек сечением 9 х 9 мм, протяженностью 10 калибров, что обеспечивает достаточное струевыпрямление;
— форкамера, где струйки воздуха перемешиваются, создавая равномерно турбулентную структуру потока;
— сопло, предназначенное для формирования высококачественного потока в рабочей части за счет девятикратного поджатия и оптимального профиля, гарантирующего безотрывное течение [1];
— рабочая часть для размещения испытываемых средств измерений, имеющая квадратное сечение 200 х 200 мм и протяженность три калибра;
— диффузор, обеспечивающий плавное сопряжение квадратной рабочей части с круглым входом вентилятора диаметром 400 мм при условии безотрывного течения;
— выходной диффузор, имеющий квадратное сечение с углом раскрытия 7° на сторону, что обеспечивает достаточно плавный выход потока в помещение и более чем на порядок уменьшает пульсации давления вентилятора.
Для установки испытываемых средств измерений в эталон верхние и боковые стенки рабочей части и форкамеры оборудованы круглыми лючками диаметром 120 мм. Лючки имеют лабиринтное уплотнение для герметизации. На нижней стенке рабочей части, вдоль продольной оси, установлены с шагом 45 мм 12 приемников статического давления. Они используются для оценки влияния испытуемого объекта на загрузку рабочей части при определении поправки на заданную ско-
рость эталона по специальной методике. Часть лючков имеет остекление, что позволяет, при необходимости, производить освещение и визуально считывать показания со шкал анемометров.
Силовая установка построена на базе радиального вентилятора с максимальной скоростью вращения 2850 об/мин. Привод вентилятора работает от асинхронного трехфазного двигателя мощностью 5,5 кВт. Питание двигателя осуществляется через преобразователь частоты, обеспечивающий регулировку питающей частоты в пределах от 1 до 50 Гц с шагом 0,1 Гц. Изменение частоты питающего напряжения в указанных пределах позволяет задавать скорость потока в рабочей части в диапазоне 1...60 м/с. При этом скорость потока в форка-мере меняется соответственно в пределах от 0,1 до 6 м/с.
Измерительная система. Инструментом, определяющим метрологические характеристики эталона, является оригинальная измерительная система, позволяющая выполнять одновременные независимые измерения в потоке полного давления po, статического p и их разности Аp = po — p. Традиционно для определения малых скоростей потока измеряют скоростной напор А^ и статическое давление p. Кроме того, для учета изменений фактической плотности воздуха необходимо измерять атмосферное давление, температуру и влажность
Рис. 3. Программа сбора и обработки данных
воздуха. Этих величин достаточно, чтобы рассчитать скорость потока. Дополнительно измеряемое в нашем случае полное давление po, обусловленное величиной потерь в хонейкомбе, позволяет получить оценку погрешности определения скоростного напора. Для реализации полученной избыточной информации используется уравнение связи измеренных значений po, p и Ap:
P0 - Ap = 0.
(1)
Метод наименьших квадратов для случая измерений величин в уравнении (1) дает выражение для получения оценки интересующей нас величины, как показано в работе [2], в виде:
Ap = (2)
При этом можно получить ее оценку погрешности из выражения
= Р - Po - Аp 3 ,
(3)
что позволяет получить также оценку погрешности определения скорости потока.
Структурная схема измерительной системы, реализующая описанный принцип, представлена на рис. 2. Конструктивно система состоит из крейта с датчиками давления и блоком кондиционирования, блока измерителя температуры и влажности воздуха, системы сбора и
обработки данных с персональным компьютером.
Датчики давления для измерения скоростного напора в диапазоне скорости от 1 до 60 м/с должны обеспечивать диапазон измерения давления 0,61...2207 Па. Отношение верхнего и нижнего пределов измерения составляет 3618, поэтому для достижения минимальной погрешности весь диапазон разделяется на четыре интервала со своими уравнениями измерений. С учетом заданных требований выбраны датчики типа "Метран". На нижнем диапазоне измерений давления Ap, po и p использованы датчики с верхним пределом измерений 60 Па и выделенным поддиапазоном 20 Па. На верхнем диапазоне измерений Ap и p — датчики с верхним пределом измерений 2500 Па и выделенным поддиапазоном 120 Па. Таким образом, в крейте датчиков давления установлены три датчика с верхним пределом измерений 60 Па класса 0,25 %, два датчика с верхним пределом измерений 2500 Па класса 0,07 % и один датчик с верхним пределом измерений 160 кПа класса 0,07 % для измерения атмосферного давления. Также в крейте расположен блок кондиционирования датчиков, обеспечивающий их питание и подключение к аналого-цифровому преобразователю системы сбора данных.
Измеритель температуры и влажности имеет выносной зонд чувствительных элементов и вторичный прибор с индикацией измеряемых величин и цифровым выходом непосредственно на шину персонального компьютера. Для комплектации измерительной системы выбран прибор типа "ИВТМ", обеспечивающий измерение температуры с погрешностью ±0,2 °С и относительной влажности с погрешностью ±2 %.
Система сбора и обработки данных построена на базе компьютерной платы мультиплексора типа "Р819114". Программная реализация заложенных в системе алгоритмов дает возможность проводить оперативный метрологический контроль измерительных каналов системы. По значению фактически получаемой погрешности измерения можно принимать решения о продолжении или повторении экспериментальных отсчетов в реальном масштабе времени в соответствии с заданными критериями (2) и (3). На рис. 3 показано окно программы сбора и обработки данных. Интерфейс программы отображает основные параметры испытаний, текущие значения всех измеряемых величин и оценку погрешности измерения заданной скорости на каждом режиме испытаний, а также обеспечивает возможности калибровки, настройки системы и интерактивного управления ходом испытаний.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИС
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.