CC BY
54
СЕМИНАР 19
ДОКЛАД НА : СИМПОЗИУМЕ : "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -
2000"
МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года
I ^ С.З. Шкундин, А.Л. Иванников,
^1111^2000 УДК 622.414:621 .....
С.З. Шкундин, А.Л. Иванников
НОВЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ И РАСХОДОВ ГАЗОВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
На сегодняшний день остро стоит проблема анемометри-ческого контроля в промышленности, в медицине, в деле защиты окружающей среды. Необходимость использования анемометров в системах автоматического управления вентиляцией и в других автоматических системах контроля аэрологических параметров диктует всё более высокие требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам данных приборов. Практика показывает, что эти требования уже не могут быть выполнены только путём улучшения приборов основанных на традиционных принципах, таких как тепловые и тахометрические. Потребность обеспечения безынерционности измерений, достаточно широкого динамического диапазона, высокой чувствительности, приемлемой точности в начале диапазона и достаточной надёжности приводит к необходимости обратиться к иным физическим ане-мометрическим принципам, и в частности, к акустическим методам измерения.
Акустический метод измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков
Скрупулезный анализ публикаций и предварительная лабораторная оценка показала, что, с одной стороны, акустическое направление в рас-ходометрии не реализовало пока что своих потенциальных возможностей, а с другой стороны - что ни один из существующих способов акустической расходометрии не позволяет создать анемометры, которые бы:
потоков в диапазоне 0,05...30 м/с;
• не вносили аэродинамического сопротивления в контролируемый поток, не нарушали аэродинамической эпюры скоростей;
• измеряли скорость потока, среднюю по сечению воздуховода;
• обладали стабильными характеристиками, позволяющими снизить погрешность.
Предложенный способ измерения удовлетворяет всем перечисленным здесь требованиям. Способ, заключающийся в излучении и приеме акустических волн в воздуховоде, сравнении характеристик излученных и принятых волн, отличается тем, что с целью обеспечения чувствительности и точности измерений за счет исключения влияний воздуховода на аэро-акустическое поле газовоздушного потока, волны излучают и принимают путем возбуждения элементов самого воздуховода, акустически изолированных друг от друга [1].
Процесс распространения волн в трубах без потока описан Е. Скучиком
[2]. Из этого описания можно сделать заключение о том, какие волны могут распространяться в круглом канале данного диаметра. Скорость распространения волновых фронтов этих колебаний равна скорости звука С в открытом пространстве с той же средой. В волноводе распространение звуковых волн в направлении оси волновода характеризуется волновым числом кх и интересующая нас фазовая скорость Сф в направлении оси х выражается:
Сф = с = т/ / кх ,
где / - частота излучаемых колебаний.
Обзор работ, касающихся описания акустического поля в волноводе, являющемся в нашем случае и воздуховодом, показал, что ни одно из классических описаний не охватывает процесс распространения колебаний в потоке газа, движущемся по каналу (волноводу-воздуховоду) конечной длины. Все рассмотренные в литературе модели распространения волн в каналах не адекватны инженерной задаче, породившей наше обращение к ним. В частности, известные модели
[3] описывают либо бесконечный воздуховод с движущимся газовоздушным потоком, либо канал без потока. Во всех рассмотренных методах игнорируются волны, отраженные от концов волновода, которые распространяются в движущемся потоке. Из соображений здравого смысла, в то же время, ясно, что анемометр не может иметь бесконечных размеров, и, более того, желательно чтобы его габариты были как можно меньше. Инженерная задача создания анемометра с цилиндрическими электроакустическими преобразователями, не искажающими аэродинамическую эпюру скоростей, требует решения задачи математической физики с граничными условиями, точнее отображающими особенности реального анемомет-рического канала. Главным из этих условий является условие, учитывающее конечность длины анемометра.
Для аналитического описания аэроакустического взаимодействия необходимо решить проблему граничных условий.
Предложен способ коррекции ошибки из-за отражения волн при помощи расчёта коэффициентов отражения отдельных мод [4]. Вышеназванный способ основан на использовании обобщённой матрицы рассеяния. Коэффициенты отражения каждой моды на открытом конце волновода рассчитываются с помощью метода сшивания. В результате решения краевой задачи описывающей аэроакустическое взаимодействие внутри анемометрического канала выявлена аналитическая зависимость скоростей от размеров канала, материала его стен и характеристик газа.
Аэрометрическая установка для поверки анемометров
Основой метрологического обеспечения промышленной анемометрии является аэрометрическая установка, представляющая собой комбинацию источника воздушного потока, тарировочной камеры и измеряющим скорость этого потока образцовым анемометром [5]. Все три названные узла конструктивно находятся в аэродинамической трубе. Вентилятор источника воздушного потока побудителя создает в аэрометрическом канале скорости потока в диапазоне (0,1-20) м/с, измеряемые названным акустическим анемометром. Принцип действия аэрометрической установки основан на воспроизведении контролируемой единицы скорости воздушного потока, сравнении показаний поверяемого и образцового анемометров и пересчета тарировочной характеристики поверяемого. Образцовый акустический анемометр использует явление ускорения или замедления прихода акустических колебаний на приемник при изменении скорости движения среды, в которой эти колебания распространяются.
Технические характеристики аэрометрической установки:
• диапазон скоростей воздушного потока - 0,1 - 20 м/с;
• предел допускаемой абсолютной погрешности измерения скорости воздушного потока (V) -
0,003
± (0,04 + 0,04К + ~^~);
• время установления скорости воздушного потока - 2 мин.;
• потребляемая мощность от сети 220 В - 500 Вт;
• габаритные размеры аэродинамической трубы - 500 х 1200 х 3200 мм;
• масса установки - 162 кг.
Установка аттестована и рекомендована Госстандартом России в качестве образцового средства для поверки анемометров.
Портативные акустические анемометры
Акустический анемометр представляет собой полый цилиндр (трубку), который помещается в воздушный поток параллельно его скорости. В центре трубы находится кольцо, колеблющееся в радиальном направлении с постоянной звуковой частотой. На некотором расстоянии от концов помещены кольца, принимающие излученный звуковой сигнал. Расстояние между центральным кольцом и каждым из крайних - одинаково. Зависимость разности фаз колебаний, принятом на левом и правом кольцах от скорости потока, линейная.
Если сравнить акустический анемометр с сопоставимыми по цене тахометрическими и тепловыми, то можно выделить ряд преимуществ.
Акустический анемометр позволяет измерять очень малые скорости, порядка 0,01 м/с. Обладает очень широким диапазоном измерения скорости, как минимум 1:200, в то время как у тахометрических и тепловых порядка 1:10 - 1:20. Акустический анемометр почти безынерционен, в отличие от тахомет-рических. Он также не содержит вращающихся частей и не подвержен влиянию оседающей пыли.
Акустический анемометр имеет широкую область применения:
• в метеорологии, в том числе и военной, в частности на кораблях и самолетах;
• в горной промышленности для измерения скоростей газовоздушных потоков в шахтах;
• в трубопроводах для измерения расходов газов, т. к. в отличие от других типов анемометров не нарушает структуры потока воздуха и обладает малой инерционностью.
Из-за этих же достоинств он обратил на себя и внимание медицины, где остро стоит проблема измерения дыхания в аппаратах «искусственное легкое«.
Так же он может широко использоваться для решения актуальных сегодня экологических проблем. С его помощью можно контролировать выброс вредных примесей в атмосферу через различные трубы.
Акустические спирометры
В МГГУ разработаны также акустические спирометры для измерения пульсирующих потоков, в том числе для измерения объёма дыхания. Они применяются в респираторах и медицинских приборах типа искусственное легкое.
Аппараты включают в себя первичный измерительный преобразователь и электронный блок. Принцип работы преобразователей основан на зависимости скорости распространения акустических колебаний от скорости газовоздушного потока. Прибор измеряет мгновенное значение скорости, записывает данные в память и вычисляет средний объём воздуха за период вдоха или выдоха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пучков Л.А., Шкундин С.З. и др.: Метод измерения скоростей газовоздушных потоков. Авторское свидетельство №16822590, 1991.
2.Скучик Е. Основы акустики. М.:Изд-во «Мир», 1976.
3. Johnston, G.W. and Ogimoto, K., Sound Radiation from a Finite Length Unflanged Circular Duct with Uniform Axial Flow. I. Theoretical Analysis, J. Acoust. Soc. Am., 1980, vol. 68, no. 6, pp. 1858-1870.
4. Кремлева ОА. Разработка математической модели распространения акустических волн в канале анемометра для контроля проветривания горных выработок. Канд. дисс. - М: 1997.
5. Пучков Л.А., Шкундин С.З., Соболев В.В. Метрологическое обеспечение анемометрии в горнодобывающей промышленности. Безопасность труда в промышленности. №3, 1996.
штшшшшшшш-.........................................у7
Шкундин Семен Захарович — профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой электротехники, Московский государственный горный университет
Иванников Александр Любимович — кафедра электротехники, Московский государственный горный университет.
