CC BY
15
УДК 697.921.4:537.871.7.08 ББК З766:З873-5
ОН. ЯДАРОВА, Е.О. ФЕДОРОВ, Б.М. ГИЛЬДЕНБЕРГ, В О. СУЧКОВ, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
КОМПЛЕКСНЫЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ С ЗАСЛОНКАМИ
Ключевые слова: вентилятор, воздушный поток, турбулентность, доплеровский ультразвуковой контроль, передаточные функции, переходные режимы.
Приводятся результаты комплексных лабораторных измерений при контроле переходных режимов работы вентиляторной установки. Показана возможность регулирования режимов вентиляторной установки с учетом скорости потока (расхода) воздуха. Представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможности доплеровского ультразвукового контроля расхода воздуха при переходных режимах в системе вентиляции с заслонками. Исследуются связи между скоростью вращения вентилятора и пространственно-временными параметрами воздушного потока при изменении аэродинамического сопротивления системы, рассматриваются основные передаточные звенья системы регулирования.
Повышение эффективности работы вентиляторных установок за счет разработки системы автоматического регулирования производительностью вентиляторов является актуальной задачей. При этом расход воздуха зависит от положения заслонок, штор, задвижек и т.д. [1]. Режимы работы вентиляторных установок, кроме скорости вращения вентилятора, зависят от положения заслонок, жалюзи, аэродинамического сопротивления системы и т.д. Поэтому регулирование и автоматизированное управление должны осуществляться с учетом этих параметров. В работе показана возможность регулирования режимов вентиляторной установки с учетом скорости потока (расхода) воздуха [4, 5]. Такой контроль может осуществляться дистанционными и контактными методами [2, 3, 8]. Представлены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможности доплеровского ультразвукового контроля расхода воздуха при переходных режимах в системе вентиляции с заслонками.
На рис. 1 показана схема экспериментальной установки. В установке использован промышленный вентилятор Dospel WK200 (В) с диаметром отверстия 0,15 м, который представляет собой канальный центробежный вентилятор с мощностью 170 Вт, производительностью 1200 м3/ч и номинальной частотой вращения 2430 об./мин. Частота вращения контролировалась датчиком Холла. Кроме того, для калибровки частоты вращения вентилятора используется цифровой фототахометр DT2234B, который позволяет бесконтактно измерять частоту вращения вентилятора с разрешением 0,1 oб./мин (менее 1000 об.), 1,0 oб./мин (более 1000 об.) и погрешностью ±0,05%. Для изменения режимов работы на выходе воздуховода установлена заслонка, положение которой менялось в процессе измерений. Экспериментальные измерения потока воздуха на выходе вентилятора проводились при изменении положения заслонки и в разгонных режимах вентилятора. Кроме того, осуществлялся контроль пространственной и временной изменчивости потока при помощи анемометра
X-Line AeroTemp. Значения скорости измерялись в разных точках потока вдоль (в 11 позициях) и поперек потока (в 5 позициях) в течение 20 с с дискретностью 0,25 с.
а
"(0 Щ*, Х,у) 40 ь,
г-
б
Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а) и основные передаточные звенья (б): В - вентилятор; З - заслонка, Р - регулятор; ДХ - датчик Холла;
И - измеритель оборотов; УЗ - прибор ультразвукового контроля; А - анемометр
Дистанционный ультразвуковой контроль осуществлялся специально разработанным доплеровским прибором с несущей частотой ультразвука 40 кГц [6, 7]. Рассеянный на турбулентных флуктуациях потока доплеров-ский сигнал характеризуется двумя основными параметрами: изменением амплитуды, которая зависит от турбулентности и пространственно-временной изменчивости потока, и средневзвешенным доплеровским сдвигом частоты, который определяется интегральной скоростью потока в области его пересечения с диаграммой рассеяния УЗ преобразователей [8].
На рис. 2 показаны примеры скорости вращения вентилятора, осциллограмм УЗ сигнала и характерные временные зависимости средневзвешенного доплеровского сдвига / и интенсивности УЗ сигнала I в режиме разгона вентилятора и при открытии/закрытии заслонки. Измерения проводились на разгонном участке потока в области повышенной турбулентности. Полученные результаты показывают, что доплеровские ультразвуковые измерения позволяют отследить изменение скорости потока и степени его турбулентности с изменением положения заслонки и оборотов привода вентилятора. При этом амплитудные и частотные характеристики сигналов позволяют оценить временные задержки при изменении этих параметров в переходных режимах и могут использоваться при синтезе системы автоматического регулирования вентиляционными установками.
и, В
Г, Гц
I, отн.ед "40
30
0
ю, ■
об мин 2000
1000
0
0
10
12
И 16
10
12
14
13
18
А с
1 с
и, В
/, Гц
1,_0ТН.ед " "(50
Рис. 2. Осциллограммы сигнала с ультразвуковых преобразователей (а, г), средневзвешенный доплеровский сдвиг (сплошная) и интенсивность (пунктир) сигнала (б, д), скорость вращения (в, е) в разгонном режиме (а-в) и при открытии/закрытии заслонки (г-е)
а
б
в
ю
е
Схема экспериментальных измерений и основные передаточные звенья системы регулирования показаны на рис. 1. Вентиляторную систему с входом и(0 (питающее напряжение) и выходом у(/) (скорость потока) можно рассматривать в виде двух последовательно соединенных нелинейных звеньев и х, у), где х, у - координаты точки, в которой измеряется скорость потока; ю(/) - скорость вращения ротора. Будем искать передаточные функции звеньев в виде:
К1 . ^ (.....К2 (х, у)
W2 ( х, у )_
-УТ (х, у)
Т2 У 2 + 2Т2 ^ + 1
(1,1 У + 1)(Т1,2 У +1) где т(х, у) - задержка выходного сигнала.
Экспериментально обнаружено, что изменение положения заслонки на выходе вентилятора не только существенно меняет пространственно-временную структуру потока [9], но и влияет на нагрузку, а соответственно, и на скорость вращения вентилятора (см. рис. 2). На рис. 3, а показана скорость вращения вентилятора в разгонных режимах при открытой (сплошная) и частично закрытой (пунктир) заслонке. Перекрытие заслонки уменьшает «активную» и создает «реактивную» нагрузку на вентилятор, что приводит к увеличению скорости вращения. На рис 3, б показаны примеры соответствующих зависимостей скорости потока при разном пространственном расположении анемометра. Как видно из сравнения экспериментальных и расчетных данных, предлагаемые модели передаточных функций достаточно адекватно описывают переходные процессы. При дистанционном ультразвуковом контроле потока вентиляторной установки необходимо учитывать изменение турбулентности потока на разгонном участке при разных положениях заслонок.
с
с
О 5 10 15 20 25 30 35 40 ' б
Рис. 3. Примеры экспериментальных (точки) и расчетных переходных режимов скорости вращения (а) и скорости потока (б)
Таким образом, для построения системы автоматического управления вентиляторной установкой могут быть использованы предлагаемые модели передаточных звеньев. При этом их численные параметры должны учитывать положение заслонок, пространственное положение и способ измерения скорости потока, изменение аэродинамической нагрузки на вентилятор.
Литература
1. Батицкий В.А., Лупоедов В.И., Рыжков А.А. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности. М.: Недра, 1991. 303 с.
2. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (методы и приборы). М.: Наука, 1964. 720 с.
3. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. 2-е изд. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 338 с.
4. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 415 с.
5. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978.
144 с.
6. Ядарова О.Н., Алексеев А.П., Славутский Л.А. Контроль нестационарного воздушного потока вентиляторной установки // Вестник Чувашского университета. 2014. № 3. С. 148-153.
7. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Доплеровский ультразвуковой контроль открытого воздушного потока // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 240-243.
8. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Контроль воздушного потока на основе доплеровского рассеяния ультразвука // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2013. № 3. С. 55-59.
9. Ядарова О.Н., Сучков В.О., Славутский Л.А. Дистанционный ультразвуковой контроль воздушного потока с фазовыми включениями // Вестник Чувашского университета. 2015. № 3. С. 129-134.
ЯДАРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - аспирантка кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ФЕДОРОВ ЕВГЕНИЙ ОЛЕГОВИЧ - магистрант кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
ГИЛЬДЕНБЕРГ БОРИС МОИСЕЕВИЧ - доцент кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
СУЧКОВ ВЛАДИСЛАВ ОЛЕГОВИЧ - магистрант кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
O. YADAROVA, E. FEDOROV, B. GILDENBERG, V. SUCHKOV, L. SLAVUTSKII
COMPLEX PARAMETERS CONTROL TO REGULATE FAN SYSTEM WITH SHUTTERS Key words: fan, air flow, turbulence, Doppler ultrasound control, transition functions, transient conditions.
The results of complex laboratory measurements for the control of the transitional modes of the fan system are presented. The possibility to control operating modes of the fan system using airflow parameters is shown. The experimental results demonstrate the possibility of Doppler ultrasonic control of the airflow in transient conditions in the fan system with shutters. There is a studied relationship between the fan speed and the space-time airflow parameters while changing the aerodynamic resistance of the system, the basic transmission elements of the control system.
References
1. Batitskii V.A. Avtomatizatsiya proizvodstvennykh protsessov i ASUTP v gornoy promyshlen-nosti [Automation of production processes in the mining industry]. Moscow, Nedra Publ., 1991, 303 p.
2. Gorlin S.M., Slezinger I.I. Aeromekhanicheskie izmereniya (Metody ipribory) [Aeromechan-ical measurement (Methods and devices)]. Moscow, Nauka Publ., 1964, 720 p.
3. Gorodetskii O.A., Gural'nik I.I., Larin V.V. Meteorologiya, metody i tekhnicheskie sredstva nablyudenii. 2-e izd. [Meteorology, methods and technical tools of observation. 2nd ed.]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1991, 338 p.
4. Cherkasskii V.M. Nasosy, ventilyatory, kompressory. 2-e izd., pererab. i dop. [Pumps, fans, compressors. 2nd ed.]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984, 415 p.
5. Shepelev I.A. Aerodinamika vozdushnykh potokov v pomeshchenii [Aerodynamics of air flows in the room]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1978, 144 p.
6. Yadarova O.N., Alekseev A.P., Slavutskii L.A. Kontrol' nestatsionarnogo vozdushnogo po-toka ventilyatornoi ustanovki [The control of non-stationary air flow of the fan system]. Vestnik Chu-vashskogo universiteta, 2014, no. 3, pp. 148-153.
7. Yadarova O.N., Slavutskii L.A. Doplerovskii ul'trazvukovoi kontrol' otkrytogo vozdushnogo potoka [The doppler ultrasonic control of the open air flow]. Vestnik Chuvashskogo universiteta,
2012, no. 3, pp. 240-243.
8. Yadarova O.N., Slavutskii L.A. Kontrol' vozdushnogo potoka na osnove doplerovskogo ras-seyaniya ul'trazvuka [The air flow control by ultrasonic doppler backscattering]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol', diagnostika [Instruments and Systems. Monitoring, Control, and Diagnostics],
2013, no. 3, pp. 55-59.
9. Yadarova O.N., Suchkov V.O., Slavutskii L.A. Distantsionnii ul'trazvukovoi kontrol' voz-dushnogo potoka s fazovymi vklucheniyami [The remote ultrasonic control of air flow with phase inclusions]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 3, pp. 129-134.
YADAROVA OLGA - Post-Graduate Student of Power Electronics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
FEDOROV EVGENII - Master's Program Student, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
GILDENBERG BORIS - Associated Professor, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
SUCHKOV VLADISLAV - Master's Program Student, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
SLAVUTSKII LEONID - Doctor of Physics and Mathematical Sciences, Professor, Department of Automatics and Control in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Ядарова О.Н., Федоров Е.О., Гильденберг Б.М., Сучков В.О., Славут-ский Л.А. Комплексный контроль параметров регулирования системы ветиляции с заслонками // Вестник Чувашского университета. - № 3. - С. 149-154.
