CC BY
70
УДК 697.921.4:537.871.7.08 ББК З766:З873-5
О Н. ЯДАРОВА, А.П. АЛЕКСЕЕВ, Л.А. СЛАВУТСКИЙ
КОНТРОЛЬ НЕСТАЦИОНАРНОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ*
Ключевые слова: вентиляторная установка, ультразвук, доплеровские спектры, нестационарный воздушный поток.
Приведены результаты экспериментальных измерений воздушного потока вентиляторной установки. Показана возможность дистанционного ультразвукового контроля неоднородного воздушного потока. Исследования проводились в нестационарных режимах работы вентилятора. Показано, что при разгоне и выбеге привода вентилятора зависимость интегральной скорости потока воздуха от частоты вращения вентилятора оказывается нелинейной. Приведены схемы экспериментальной установки и методика измерений. Обсуждается возможность создания замкнутой системы регулирования вентиляторной установкой на основе дистанционного ультразвукового контроля воздушного потока.
O. YADAROVA, A. ALEKSEEV, L. SLAVUTSKIY THE CONTROL OF NON-STATIONARY AIR FLOW OF THE VENTILATOR SYSTEM Key words: ventilator system, ultrasonic, Doppler spectrum, non-stationary airflow.
The results of experimental measurements of the ventilator system airflow are presented.
The possibility of the ultrasonic remote control of inhomogeneous airflows is shown. Studies were conducted in non-stationary airflow. It is shown that during acceleration and coasting of the ventilator drive the dependence of the integrated airflow rate from the rotation speed is nonlinear. The experimental setup and the measurement procedure are described. Discussing the possibility of creating a closed-loop control system based on the ultrasonic remote control of airflow.
Для эффективной эксплуатации и испытаний промышленных вентиляторных, насосных агрегатов на предприятиях аграрно-промышленного комплекса нужны соответствующие системы диагностики и автоматического управления. При этом необходимо контролировать не только режимы работы электропривода вентиляторов, но и характеристики воздушных потоков. Для измерения скорости воздушных потоков могут использоваться как контактные, так и бесконтактные (дистанционные) методы. Контактные методы [2, 3], позволяющие измерить локальную скорость, неизбежно приводят к искажению структуры потока и не всегда позволяют проводить контроль открытого неоднородного потока с большими пространственными размерами. Кроме того, воздушные потоки, образуемые вентиляторами, являются турбулентными и характеризуются значительной пространственно-временной неоднородностью [7]. В этом случае удобно пользоваться дистанционными методами измерения - оптическими или ультразвуковыми. При этом ультразвуковые измерения оказываются существенно дешевле, надежнее и позволяют проводить контроль потока в относительно большем пространственном объ-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-08-31271 мол а.
еме из-за широкой направленности ультразвукового излучения, в том числе -в сильно запыленных помещениях [8].
Большинство формул для инженерного расчета производительности вентиляторных установок устанавливают линейную зависимость скорости воздуха на центральной оси потока от скорости вращения вентилятора [6]. Такие линейные соотношения справедливы только для установившихся (стационарных) режимов [1].
В настоящей работе показано, что при разгоне и выбеге привода вентилятора зависимость интегральной скорости потока воздуха от частоты вращения вентилятора оказывается нелинейной. Это связано с изменением пространственных характеристик турбулентного потока воздуха в нестационарных режимах.
Лабораторная установка и методика измерений. Экспериментальные измерения проводились на экспериментальной установке, схема которой показана на рис. 1, а. Главной особенностью экспериментальных измерений является одновременный контроль скорости вращения вентилятора при помощи датчика холла (ДХ) и интегральной скорости потока воздуха при помощи нового ультразвукового доплеровского прибора. Это устройство обладает повышенной чувствительностью и позволяет дистанционно осуществлять контроль движения рассеивающих ультразвук объектов в широком диапазоне скоростей [4, 5]. На его основе создана система контроля (С), позволяющая осуществлять бесконтактный контроль турбулентных газовых потоков. Для оценки параметров потока необходимо учитывать и анализировать как среднюю частоту доплеровского сдвига ультразвукового сигнала, характеризующую среднюю скорость потока, так и ширину (форму) доплеровского спектра, зависящую от неоднородности потока. Рабочая частота ультразвуковых преобразователей (УЗП) составляет 40 кГц [8].
В установке использован промышленный вентилятор Бо8реі 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. Кроме того, для калибровки частоты вращения вентилятора используется цифровой фототахометр БТ2234Б (Т), который позволяет бесконтактно измерить частоту вращения вентилятора с разрешением 0,1 об./мин (менее 1000 оборотов), 1,0 об./мин (более 1000 об.) и погрешностью ±0,05%. С помощью полученных данных с датчика холла, тахометра и системы дистанционного ультразвукового контроля производительности строились зависимости скорости воздушного потока от частоты вращения вентилятора в режимах разгона и выбега привода вентилятора. Для плавной регулировки питающего напряжения привода вентилятора используется регулятор мощности (Р) на основе симистора ВТА26-600В, реализующий фазовый принцип управления и позволяющий подключать нагрузку до 1 кВт. Принцип работы регулятора основан на изменении момента включения симистора относительно перехода сетевого напряжения через «0».
На рис. 1, б, в показаны характерные осциллограммы сигналов, полученных одновременно с системы ультразвукового контроля воздушного потока и датчика холла, соответственно. Осциллограммы соответствуют режиму выбега привода вентилятора (инерционное вращение при выключенном питании привода). Вместе с уменьшением скорости вращения вентилятора меняются ам-
плитуда и спектральная плотность доплеровского ультразвукового сигнала. Обратное рассеяние ультразвукового (УЗ) сигнала на турбулентных пульсациях неоднородного воздушного потока имеет пространственно-распределенный характер. Рассеяние происходит в области пересечения потока и диаграммы направленности излучения ультразвуковых преобразователей (см. рис. 1). Плотность потока и, соответственно, локальная скорость рассеивающих ультразвук неоднородностей меняется в пространстве как по направлению, так и по абсолютной величине. Поэтому ультразвуковой сигнал в приемном тракте прибора является суперпозицией сигналов с разной амплитудой, фазой и доп-леровским частотным сдвигом. С изменением скорости потока меняются амплитуда, средняя частота и ширина (форма) доплеровского спектра сигнала.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки и характерные осциллограммы сигналов
Длина экспериментальных записей сигналов с датчика холла и системы доплеровского контроля составляла от 3 до 20 с с частотой оцифровки до 7 кГц. При характерных частотах доплеровского сдвига до 300 Гц такая оцифровка позволяет с высокой степенью точности проводить цифровой анализ спектральной плотности сигналов обратного рассеяния УЗ сигнала. Характерная длительность разгонного режима и режима выбега вентилятора не превышала 20 с.
Экспериментальные результаты. Характерная форма доплеровских спектров G(/) и сигнала обратного рассеяния ультразвука на неоднородностях потока воздуха показана на рис. 2. Угол наклона ультразвуковых преобразователей относительно центральной оси потока 0 = 50° (см. рис. 1).
Спектры соответствуют разгонному режиму вентилятора и приведенные на рис. 2 кривые позволяют оценить динамику изменения спектральной плотности доплеровских сигналов G(/) с увеличением частоты вращения вентилятора. Для примера здесь показаны спектры на 1-, 2- и 4-й секундах после включения питания привода вентилятора (кривые 1, 2, 3, соответственно).
Рис. 2. Экспериментальные доплеровские спектры в разгонном режиме привода вентилятора
Как видно из рис. 2, спектры имеют сложную форму с локальными максимумами, положение которых носит случайный характер. Это может быть связано с боковыми лепестками диаграммы направленности, рассеянием на случайных турбулентных пульсациях и границах потока. Как было показано в работах [1, 8, 9], средняя скорость и пространственные параметры потока могут быть получены из интегральных характеристик спектров, таких как средневзвешенное частота /ср доплеровского спектра и ширина спектра с(/), рассчитанная как центральный момент второго порядка.
Средневзвешенная частота доплеровского спектра является параметром, линейно связанным с частотой вращения вентилятора в стационарных режимах работы [1]. На рис. 2 значения средневзвешенной частоты /ср для всех трех спектров показаны вертикальными пунктирными линиями. Из рис. 2 следует, что зависимость частоты /ср от скорости вращения вентилятора не является монотонной. Это проявляется как в разгонных режимах, так и в режиме выбега вентилятора. В данном случае это проявляется в том, что сред-
невзвешенная частота доплеровского спектра на 2-й секунде разгона оказывается ниже, чем на 1-й секунде.
Для оценки изменения формы доплеровского спектра использовался параметр к = 2с(/) //ср - отношение средней частоты к ширине спектра.
Для иллюстрации нелинейности зависимости интегральной скорости потока от частоты вращения вентилятора на рис. 3 приведены кривые, соответствующие зависимости средневзвешенной частоты /ср и параметра к от частоты вращения вентилятора.
/, Гц 00 40 20
к, отн. ед.
2
1.6
1
0.5
:і ' и ні і .і: і і . ■ :иі п, об./мин
: : ' ■ п, об./мин
а б
Рис. 3 Экспериментальные зависимости среднего доплеровского сдвига (а) и параметра к (б) от частоты вращения
В стационарном режиме параметр к характеризует пространственные параметры потока (профиль скорости потока) [9]. Как видно из рис. 3, зависимости носят существенно нелинейный характер с локальными экстремумами, что позволяет получить информацию о пространственно-временной неоднородности воздушного потока вентиляторной установки в нестационарном режиме.
Выводы. Таким образом, одновременный контроль скорости вращения вентилятора и параметров генерируемого им потока воздуха позволяет обнаружить некоторые особенности аэродинамики воздушных потоков в разгонных режимах и режиме выбега вентиляторной установки. Нелинейность зависимости доплеровского сдвига ультразвуковых сигналов от скорости вращения вентилятора может говорить об изменении аэродинамических характеристик потока при его выходе на стационарный режим, в частности, по-видимому, меняется пространственное поперечное распределение скорости (профиль скорости потока). Зависимость параметра к от скорости вращения вентилятора имеет характерный максимум, что подтверждает это предположение. Соответствующий максимум кривой 2 на рис. 3 показывает максимальное значение отношения ширины спектра к среднему доплеровскому сдвигу.
В свою очередь, ширина спектра характеризует разброс значений скорости потока в области пересечения диаграмм направленности ультразвуковых преобразователей с потоком воздуха. Увеличение разброса скорости по сечению потока может быть связано как с изменением ширины потока, так и с турбулентными эффектами на его границах.
Таким образом, в нестационарных режимах работы вентиляторой установки существуют характерные запаздывание и нелинейность зависимости между скоростью вращения вентилятора и интегральной скоростью воздуш-
ного потока по его сечению. Полученные данные необходимо учитывать при построении замкнутой системы регулирования вентиляторной установкой.
Литература
1. Алексеев А.П., Ядарова О.Н. Доплеровский ультразвуковой контроль производительности вентиляторной установки // Вестник Чувашского университета. 2013. № 3. С. 307-310.
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. Никандров М.В., Славутский Л.А. Уменьшение статистической погрешности допле-ровского расходомера при спектральной обработке ультразвукового сигнала // Энергосбережение и водоподготовка. 2006. № 6. С. 54-56.
5. Николаев А.А., Славутский Л.А. Дистанционный контроль ультразвуковых магнито-стрикционных преобразователей противонакипных устройств // Вестник Чувашского университета. 2008. № 2. С. 228-232.
6. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 415 с.
7. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978.
144 с.
8. Ядарова О.Н., Славутский Л.А. Доплеровский ультразвуковой контроль открытого воздушного потока // Вестник Чувашского университета. 2012. № 3. С. 240-243.
9. 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.
ЯДАРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - аспирантка кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (o_lala_la@mail.ru).
YADAROVA OLGA - post-graduate student of Power Electronics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
АЛЕКСЕЕВ АЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ - магистрант кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (al_sasha_91@mail.ru).
ALEKSEEV ALEXANDR - master’s program student of Chair of the Automation and Management in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
СЛАВУТСКИИ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, профессор кафедры автоматики и управления в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (las_co@mail.ru).
SLAVUTSKIY LEONID - doctor of physics and mathematical sciences, professor of Chair of the Automation and Management in Technical Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
