СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

Порунов А. А.¹, Тюрина М. М.²

¹Кандидат технических наук, доцент, ²Кандидат технических наук,  Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ

Аннотация

В статье приведен сравнительный анализ современных методов и средств измерения параметров газовых потоков, предложены варианты структурного построения систем измерения параметров газовых потоков на основе струйно-конвективных преобразователей.

Ключевые слова: расход, скорость, структурное построение, система.

Porunov A. A.¹, Tyurina M. M.²

¹ andidate of Technical Sciences, associate professor,  ²Candidate of Technical Sciences, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev

THE MODERN STATE OF METHODS AND TOOLS FOR MEASURING THE PARAMETERS OF THE AIR FLOW

Abstract

The comparative analysis of modern methods and gages of parameters of gas streams is provided in article, options of structural creation of systems of measurement of parameters of gas streams on the basis of jet and convective converters are offered.

Keywords: expense, speed, structural construction, system.

Аналитическое исследование задачи измерения параметров воздушных потоков показывает, что требования, предъявляемые к методам и средствам измерения, непрерывно возрастают. Существующие системы измерения параметров газовых потоков, применение которых известно не только в технике, но и в медицине, экологии, как правило, построены на основе одного из известных методов измерения. Одним из основных источников информации в таких системах является канал измерения расхода (скорости). Информация о других параметрах воздушных потоков, например, давление, плотность, температура, как правило, в этих системах воспринимается с помощью дополнительных автономных датчиков (измерительных каналов). Это является одним из принципиальных ограничений в дальнейшем развитии ряда систем измерения параметров газовых потоков.

Анализ отечественных [1-2] и зарубежных [3-4] публикаций по методам и средствам расходо- и анемометрии показывает, что в настоящее время достигнутые технические (например, метрологические) характеристики можно обобщенно представить, как показано на рис. 1.

Рис. 1 - Основные технические характеристики методов измерения  скорости (расхода) и давления

 

При этом традиционные методы измерения расхода можно разделить на две большие группы [5, 6]: гидродинамические и кинематические. К гидродинамическим относятся методы, основанные на взаимодействии потока с помещенным в него телом. К наиболее часто используемым методам этой группы относятся струйные, переменного перепада и тахометрические.

Метод переменного перепада давления является одним из наиболее распространённых методов измерения расхода как газообразных, так и жидких веществ, находящихся при давлении до 100 МПа и температуре до нескольких сотен градусов. В качестве приемников потока наиболее известны: трубки Пито и сопла Лилля, Флейша, Вентури. Достоинством приемников потока в виде трубок Пито, Лилля и Флейша является высокая линейность функции преобразования. Основным недостатком данного метода является высокое пневматическое сопротивление. Применение сопел Вентури ограничивается нелинейностью функции преобразования, влияние на показания расходомера изменения плотности среды. К достоинствам данного метода можно отнести низкое сопротивление приемника потока исследуемому воздушному потоку. Вместе с тем, изменение плотности газовой среды потока требует коррекции измерений по давлению и температуре.

Необходимо отметить, что конструкции измерителей расхода с гидравлическими сопротивлениями, либо с сужающими или напорными устройствами [6] детально разработаны и вряд ли имеют существенные резервы совершенствования. Однако возможности совершенствования вторичных преобразователей, основанных на методе переменного перепада давления, значительно шире. Основной тенденцией совершенствования систем измерения параметров воздушных потоков на основе метода переменного перепада является использование микромеханических конструкций преобразователя, разработанных по тонкопленочной и полупроводниковой технологиям с применением тензорезистивного, пьезорезистивного и емкостного принципов пневмоэлектрического преобразования. Преимуществами этих преобразователей являются: интеграция промежуточных устройств преобразования с чувствительным элементом, возможность нормализации выходного сигнала, миниатюрные габаритные размеры и масса, высокая метрологическая надежность, широкий динамический диапазон.

В качестве гидродинамических преобразователей известно применение струйных элементов с внутренней обратной связью и частотной модуляцией выходного сигнала давления [5]. Сочетание такой обработки сигнала со струйным принципом преобразования его объемной скорости позволяет расширить диапазон измерений расхода до 15 л/с при допустимом сопротивлении пневматического канала, что открывает перспективы широкого применения струйных элементов не только в расходометрии, но и в анемометрии.

К кинематическим относятся методы [7], основанные на физических эффектах, параметры которых жестко коррелированы со скоростью движения потока измеряемой среды. К наиболее часто используемым методам этой группы относятся меточные, ультразвуковые, тепловые (калориметрические), оптические и др. Недостатком методов данной группы является деформация эпюры скоростей потока в пограничном слое, что в принципе корректируется с помощью программно-алгоритмических средств.

Наиболее перспективным при измерении параметров воздушного потока, как показывает анализ отечественных [1, 2] и зарубежных публикаций [3, 4], является применение теплового метода. Это связано с бесконтактностью теплового метода, а также возможностью использования принципов инвариантности, модуляции и интеллектуализации. Развитие бесконтактного теплового метода разработки многофункциональных систем измерения параметров газовых потоков позволило существенно повысить их метрологические характеристики. Достоинством теплового метода измерения параметров воздушного потока является широкий диапазон измерения параметров газовых потоков, а также простота реализации измерительных элементов. Применение этого метода для реализации каналов системы измерения параметров газового потока в широком диапазоне требует коррекции результатов измерения по температуре и давлению. Точность теплового метода не превышает 1-2% в диапазоне измерения 1×10^-2 …0,5 л/с. Это обуславливает широкое применение этого метода при медицинских исследованиях системы дыхания, поскольку порог реагирования может быть доведен до 2,5×10^-3 л/с, а сопротивление дыханию – до 20 Па×с×л ^-1.

В ряде прикладных задач при измерении параметров ламинарных потоков недопустимо расположение в них измерительных элементов. В этих условиях находят применение системы, работающие на основе меточных преобразователей [7, 8]. Основным ограничением данного метода является необходимость коррекции гидродинамической погрешности, обусловленной несоответствием между скоростью потока и скоростью частиц, что при измерении больших скоростей приводит к погрешности порядка 5%. В лучшем случае погрешность измерения малых скоростей с помощью меточных преобразователей не превышает 0,5%.

Широкое применение при измерении параметров газовых потоков (расходометрия) имеют акустические и оптические методы [6, 7]. Ограничение в применении акустических преобразователей в измерительных каналах обусловлено нестабильностью скорости звука, которая может достигать до 5% при вариациях климатических параметров в широких пределах. При использовании акустических преобразователей в лабораторных условиях погрешность измерения в диапазоне 10^-2 – 5 м/с может быть снижена до 1%.

Сложность применения оптических методов измерения параметров газовых потоков, не смотря на их высокие метрологические характеристики, затруднено применением лазерных излучателей с высокой стабильностью параметров излучения.

Таким образом, представленный анализ современного состояния методов и средств, используемых в системах измерения параметров газовых потоков, позволяют сделать вывод, о том, что построение измерительных каналов на основе использования отдельных физических эффектов не позволяет получить информацию о комплексе кинематических и теплофизических параметров газового потока. Это предопределяет необходимость построения каналов системы измерения параметров газовых потоков на основе сочетания метода переменного перепада и кинематических методов, что позволяет расширить их функциональные возможности, диапазон измерения и повысить точность измерения. Примером такого построения является использование в измерительных каналах струйно-конвективных преобразователей (СКП) [9, 10]. СКП конструктивно выполнены в виде модуля (рис.2), содержащего сопло, формирующее струю, омывающую анемочувствительный элемент. Такое конструктивное исполнение не только обеспечивает надежное измерение расхода газового потока, но и существенно уменьшает зависимость результата измерения от гидродинамической погрешности, присущей в значительной мере таким преобразователям, как ультразвуковые, оптические и др.

Рис. 2 - Принципы конструктивного построения (а) и общий вид (б) модуля струйно-конвективного преобразователя: 1 – формирующее сопло; 2 – анемочувствительный элемент; 3 – электроды

Изложенные принципы построения каналов системы измерения параметров газовых потоков были использованы при разработке системы воздушных сигналов (СВС) малоразмерных летательных аппаратов (МЛА) (рис.3), всенаправленной системы измерения параметров вектора скорости ветра (рис. 4) и бортовой системы измерения расхода газового топлива (рис.5).

При синтезе структуры варианта СВС МЛА предложено двухканальное построение измерительных каналов на основе источников информации различной физической природы [11, 12]. Первый измерительный канал реализует аэрометрический метод измерения на основе струйно-конвективных преобразователях, второй – ионно-меточный метод. Для повышения точностных характеристик СВС МЛА предложено построение измерительных каналов на основе сочетания принципов инвариантности и интеллектуализации (рис. 3), обеспечивающих структурную адаптацию к резкоизменяющимся условиям полета. Наиболее предпочтительным для структурной адаптации является использование выражения, устанавливающего связь погрешности измерительных каналов с изменением параметров возмущающих воздействий (изменение давления и температуры с высотой),

где U_ρ – напряжение по плотности, и скорости ее изменения U_ρ, определяемых соответственно барометрической высотой и скоростью ее изменения; К – коэффициент, определяющий долю скоростной составляющей в суммарном сигнале управления периодичностью автокоррекции;  - соответственно коэффициенты передачи блока идентификации и принятия решения по возмущающему воздействию, учитывающие разброс конструктивных параметров измерительных каналов, и предельно допустимое значение аддитивных погрешностей измерительных каналов.

Рис. 3 - Структурная схема СВС МЛА [13]: 1 – блок формирования тестовых воздействий; 2 – пневмомодуль барометрического канала; 3 – пневмомодуль аэрометрического канала; ГПН – генератор привода нагнетателя; ЭПК – электропневмоклапан

При разработке всенаправленной системы измерения параметров вектора скорости ветра, предназначенной для определения параметров динамики атмосферы в приземном слое, предложено использовать многоканальное всенаправленное ветроприемное устройство [14], реализующее аэродинамический метод измерения (рис.4).

Рис. 4 - Структурная схема всенаправленной системы измерения параметров вектора скорости ветра [15]

Каждый из измерительных каналов всенаправленной системы (рис.4) построен на основе принципа структурной идентичности всех измерительных каналов 5, выполненных на основе струйно-конвективных преобразователей 4. Обработка выходных сигналов измерительных каналов в блоке 6 позволяет получить как кинематические параметры ветра - скорость V и азимут Ψ, так и температуру T_H и давление p_атм в приземном слое атмосферы.

При синтезе системы измерения расхода газового топлива с расширенными функциональными возможностями (рис.5) число измеряемых параметров газового потока увеличивается за счет введения в структуру канала ультразвукового преобразователя и стабилизированного источника опорного расхода G₀ в виде микронагнетателя МН. Это существенно повышает уровень выходного сигнала и его помехоустойчивость, особенно в диапазоне малых значений измеряемого расхода.

Выходные сигналы  и  системы измерения расхода газового топлива формируются на основе осреднения информативных сигналов по расходу, получаемых от струйно-конвективного преобразователя (1) и ультразвукового преобразователя 3, акустопара которого размещена на мерном участке трубопровода топливной аппаратуры. Кроме того, в результате обработки этих сигналов формируется сигнал в виде напряжения , пропорционального плотности  измеряемого газового топлива.

Рис. 5 - Структурная схема бортовой системы измерения расхода газового топлива [16]

 

Таким образом, в работе проведен сравнительный анализ современных методов измерения параметров газовых потоков, предложены варианты структурного построения различных видов систем измерения параметров газового потока, позволяющих за счет реализации в них указанных принципов построения повысить эффективность их работы, расширить диапазон измерения в сторону малых расходов (0,1 ¸ 0,3 л/c) и скоростей (3-5 м/с).

Литература

1. Соколов Г.А., Сягаев Н.А., Тугушев К.Р. Современное состояние измерений расхода веществ тепловыми методами [Электронный ресурс] // Электронный журнал энергосервисной компании "Экологические системы". 2005. - №2. Режим доступа <http://esco-ecosys.narod.ru/2005_2/art90.htm>, свободный.
2. Покрас С.И., Покрас А.И. и др. Ультразвуковая расходометрия: как и зачем повышать точность измерений // Датчики и системы. – 2007. – №7. – С. 2-6.
3. International conference on the metering of natural gas and liquefied hydrocarbon gases. Glew D.A., Simpson R.J. "Meas. And Contr", 1984, 17, №7, 260-262 р.
4. Challenging areas in flow measurement. Kinghorn F.C. "Meas. And Contr.". - 1988, 21, №8. - р. 229-235.
5. Устройства и элементы систем автоматического регулирования и управления. Техническая кибернетика. Кн.1. Измерительные устройства, преобразующие элементы и устройства. колл. авторов. Под ред. В.В. Солодовникова. – М.: Машиностроение, 1973 г. – 671 с.
6. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. – 4-е издание. – Л.: Машиностроение, Ленинград. отделение, 1989. – 420 с.
7. Ильинский В.М. Бесконтактное измерение расходов. – М.: Энергия.1970 г. – 112 с.
8. Ганеев Ф.А., Порунов А.А., Солдаткин В.М. Ионно-меточные системы воздушных сигналов малоразмерных и сверхлегких летательных аппаратов // Материалы Всероссийской НТК «Техническое обеспечение создания и развития воздушно-транспортных средств (Экраноплан-94)». – Казань: Изд-во КАИ, 1994. – с.91-98.
9. Тюрина М.М., Порунов А.А. Струйно-конвективный преобразователь аэрометрических параметров МЛА. Классификация и применение // Материалы V Международной НПК «Современные технологии – ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения». – Казань: Изд-во Каз. гос. техн. ун-та, 2010. – С. 139-149.
10. Тюрина М.М., Порунов А.А., Козлова О.А Функциональные модули струйно-конвективных измерителей физических величин // В сборнике научных трудов 3-я Международной научной конференции «Функциональная компонентная база микро-, опто- и наноэлектроника». – Харьков: Изд-во ХНУРЭ, 2010. – с. 251-254.
11. Порунов А.А. Тюрина М.М. Схемотехнические аспекты разработки систем воздушных сигналов летательных аппаратов на основе струйно-конвективных модулей // Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева. – 2012. – №4-2. – С. 147-153.
12. Тюрина М.М., Порунов А.А. Система измерения высотно-скоростных параметров винтокрылых и сверхлегких летательных аппаратов// Известия вузов. Авиационная техника. – 2007. – №4 – С. 53-57.
13. Система измерения высотно-скоростных параметров летательного аппарата. Патент на изобретение №2477862 (РФ): МПК G01 Р5/00 / Порунов А.А., Тюрина М.М и др.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Каз. гос. техн. ун-т. - № 2011131600/28; заявл. 27.07.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. №8.
14. Тюрина М.М., Порунов А.А., Бердников А.В. Особенности построения все-направленной системы измерения параметров вектора скорости ветра в приземном слое атмосферы. // Фундаментальные и прикладные науки сегодня Fundamental and applied sciences today /Материалы международной НПК. 2 – 26 июля 2013.– Москва. Vol.2 Create Space 4900 La Cross Road, North Chaleston, SC, USA 29406, 2013. С.187 – 192.
15. Система измерения параметров динамики атмосферы в приземном слое. Патент на полезную модель №131505 (РФ): МПК G01W1/02 //Тюрина М.М., Порунов А.А. и др; заявитель и патентообладатель Порунов А.А. - №2013101633/28 (002140) от 11.01.2013.; опубл. 20.08.2013 Бюл. № 23.
16. Устройство для измерения параметров газового потока. Патент на изобретение №2305288 (РФ). МПК G01 P5/14, G01 F1/44, G01 F1/684, G01 F15/04, G01 F15/06 / Тюрина М.М., Порунов А.А., Солдаткин В.М.; заявитель и патентообладатель Каз. гос. техн. ун-т. - №2005106537/28; заявл. 28.02.2005; опубл. 10.08.2006, Бюл.№24, 2007.

References

1. Sokolov G.A., Sjagaev N.A., Tugushev K.R. Sovremennoe sostojanie iz-merenij rashoda veshhestv teplovymi metodami [Jelektronnyj resurs] // Jelektronnyj zhurnal jenergoservisnoj kompanii "Jekologicheskie sistemy". 2005. – №2. Rezhim dostupa <http://esco-ecosys.narod.ru/2005_2/art90.htm>, svobodnyj.
2. Pokras S.I., Pokras A.I. i dr. Ul'trazvukovaja rashodometrija: kak i zachem povyshat' tochnost' izmerenij // Datchiki i sistemy. – 2007. – №7. – S. 2-6.
3. International conference on the metering of natural gas and liquefied hydrocarbon gases. Glew D.A., Simpson R.J. "Meas. And Contr", 1984, 17, №7, 260-262 р.
4. Challenging areas in flow measurement. Kinghorn F.C. "Meas. And Contr.". - 1988, 21, №8. - р. 229-235.
5. Ustrojstva i jelementy sistem avtomaticheskogo regulirovanija i upravlenija. Tehnicheskaja kibernetika. Kn.1. Izmeritel'nye ustrojstva, preobrazujushhie jelementy i ustrojstva. koll. avtorov. Pod red. V.V. Solodovnikova. – M.: Mashinostroenie, 1973 g. – 671 s.
6. Kremlevskij P.P. Rashodomery i schetchiki kolichestva. – 4-e izdanie. – L.: Mashinostroenie, Leningrad. otdelenie, 1989. – 420 s.
7. Il'inskij V.M. Beskontaktnoe izmerenie rashodov. – M.: Jenergija.1970 g. – 112 s.
8. Ganeev F.A., Porunov A.A., Soldatkin V.M. Ionno-metochnye sistemy vozdushnyh signalov malorazmernyh i sverhlegkih letatel'nyh appara-tov // Materialy Vserossijskoj NTK «Tehnicheskoe obespechenie sozdanija i razvitija vozdushno-transportnyh sredstv (Jekranoplan-94)». – Kazan': Izd-vo KAI, 1994. – s.91-98.
9. Tjurina M.M., Porunov A.A. Strujno-konvektivnyj preobrazovatel' ajerometricheskih parametrov MLA. Klassifikacija i primenenie // Materialy V Mezhdunarodnoj NPK «Sovremennye tehnologii – kljuchevoe zveno v vozrozhdenii otechestvennogo aviastroenija». – Kazan': Izd-vo Kaz. gos. tehn. un-ta, 2010. – S. 139-149.
10. Tjurina M.M., Porunov A.A., Kozlova O.A Funkcional'nye moduli strujno-konvektivnyh izmeritelej fizicheskih velichin // V sbornike nauchnyh trudov 3-ja Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii «Funkcional'naja komponentnaja baza mikro-, opto- i nanojelektronika». – Har'kov: Izd-vo HNURJe, 2010. – s. 251-254.
11. Porunov A.A. Tjurina M.M. Shemotehnicheskie aspekty razrabotki sistem vozdushnyh signalov letatel'nyh apparatov na osnove strujno-konvektivnyh modulej // Vestnik KGTU im. A.N.Tupoleva. – 2012. – №4-2. – S. 147-153.
12. Tjurina M.M., Porunov A.A. Sistema izmerenija vysotno-skorostnyh parametrov vintokrylyh i sverhlegkih letatel'nyh apparatov// Izvestija vuzov. Aviacionnaja tehnika. – 2007. – №4 – S. 53-57.
13. Sistema izmerenija vysotno-skorostnyh parametrov letatel'nogo apparata. Patent na izobretenie №2477862 (RF): MPK G01 R5/00 / Porunov A.A., Tjurina M.M i dr.; zajavitel' i patentoobladatel' FGOU VPO Kaz. gos. tehn. un-t. – № 2011131600/28; zajavl. 27.07.2011; opubl. 20.03.2013, Bjul. №8.
14. Tjurina M.M., Porunov A.A., Berdnikov A.V. Osobennosti postroenija vse-napravlennoj sistemy izmerenija parametrov vektora skorosti vetra v prizemnom sloe atmosfery. // Fundamental'nye i prikladnye nauki segodnja Fundamental and applied sciences today /Materialy mezhdunarodnoj NPK. 2 – 26 ijulja 2013.– Moskva. Vol.2 Create Space 4900 La Cross Road, North Chaleston, SC, USA 29406, 2013. S.187 – 192.
15. Sistema izmerenija parametrov dinamiki atmosfery v prizemnom sloe. Patent na poleznuju model' №131505 (RF): MPK G01W1/02 //Tjurina M.M., Porunov A.A. i dr; zajavitel' i patentoobladatel' Porunov A.A. – №2013101633/28 (002140) ot 11.01.2013.; opubl. 20.08.2013 Bjul. № 23.
16. Ustrojstvo dlja izmerenija parametrov gazovogo potoka. Patent na izob-retenie №2305288 (RF). MPK G01 P5/14, G01 F1/44, G01 F1/684, G01 F15/04, G01 F15/06 / Tjurina M.M., Porunov A.A., Soldatkin V.M.; zajavitel' i patentoobladatel' Kaz. gos. tehn. un-t. – №2005106537/28; zajavl. 28.02.2005; opubl. 10.08.2006, Bjul.№24, 2007.