Особенности построения датчиков ветра, работающих в составе объектов специального назначения Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.508.54

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ ВЕТРА, РАБОТАЮЩИХ В СОСТАВЕ ОБЪЕКТОВ СПЕЦИАЛЬНОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

А.Н. Серов, А. П. Панов, И. Н. Мочегов

Рассмотрены требования, предъявляемые к датчику ветра при работе в сложных условиях эксплуатации при построении систем управления различного назначения. Проведен анализ алгоритмов работы датчиков ветра, построенных на принципах лазерного доплеровского измерения, ультразвуковом измерении, измерении температуры и дифференциального давления. Показаны достоинства и недостатки предлагаемых технических решений для использования в составе систем управления объектов специального назначения.

Ключевые слова: анемометр, датчик ветра, система управления

Проектирование систем управления [1], входящих в состав подвижных объектов специального назначения, требует учета ряда метеорологических факторов. Такие факторы, как продольная и поперечная составляющие скорости ветра, оказывают существенное влияние на точностные и динамические характеристики систем управления.

Разработка устройств, учитывающих продольную и поперечную составляющие скорости ветра, является сложной научной и технической задачей, при решении которой необходимо определить:

- условия эксплуатации датчика ветра - температурный диапазон; параметры стойкости и прочности к вибрациям и ударам; наличие внешних воздействующих факторов;

- основные физические принципы, на основе которых будет реализован датчик ветра;

- конструкцию датчика, обеспечивающую минимальную ошибку определения составляющих скорости ветра и минимально возможный объем технического обслуживания в период эксплуатации.

При анализе положительных и отрицательных сторон различных физических принципов построения датчиков ветра необходимо руководствоваться следующими ограничениями по условиям эксплуатации: рабочий температурный диапазон от минус 50 до 50 °С, датчик должен быть прочен и устойчив к воздействию вибрационных и ударных нагрузок и внешним воздействующим факторам в виде дождя, тумана, пыли, агрессивных сред, солнечного излучения, акустического шума.

Рассмотрим основные принципы, на которых основываются современные приборы по изменению скорости ветра, анемометры.

Наиболее простой вид анемометра - чашечный или крыльчатый

анемометр. Поток воздуха с любого направления вращает ротор датчика со скоростью, соответствующей скорости ветра. Достоинством данного вида анемометров является простота определения скорости воздуха. Недостатком является наличие механических подвижных частей влияющих на объем технического обслуживания датчика и срок эксплуатации, конструктивная сложность определения составляющих ветра.

Наиболее сложный вид анемометра - лазерный доплеровский. Данный вид анемометра использует рассеивание лазерного излучения частицами, вводимыми в поток воздуха, подробно теория доплеровского метода измерения скорости изложена в [2,3]. Лазерное излучение с частотой щ и волновым вектором ко попадает на движущуюся частицу и рассеивается. Рассеянное излучение имеет свою частоту юРАС и волновой вектор крас . Доплеровский сдвиг частоты Аш^ определяется выражением [2, 3]

Ащ =Шрас-Щ) = К • и,

где К = крас - к ;и - вектор скорости движущейся частицы и зависит от

угла между направлением исходного лазерного луча и направлением движения частицы (воздуха).

Рассмотрим алгоритм работы лазерного доплеровского анемометра с двумя зондирующими лазерными лучами (рис. 1). Лучи имеют волновые

векторы к1, к2 и близкие частоты ш1,ю2.

Рис. 1. Взаимное расположение векторов рассеяния в схеме с двумя зондирующими пучками

Разность доплеровского сдвига частоты двух пучков волн рассеянных в одном направлении определяется соотношением [2, 3]

АЩ = Щрас - ш2РАС =ЩМ - К'и, где шм = ш1-ш2 - разностная частота (частота модуляции); К = - вектор чувствительности, модуль которого равен

„ 2р а

К =— п 2 бш—, Я 2

а 2с

где А =-; п- показатель преломления среды; а- угол между пучка-

щ + щ

ми.

С учетом вышеприведенных формул и обозначений, принятых на рис. 1, имеем

Ьщ = Щ -ки = щ --аП

и

. а

Бт—00Б

Таким образом, в лазерном двух пучковом доплеровском анемометре с разной частотой излучения лучей можно измерить как величину проекции скорости частицы на вектор, так и знак проекции.

К достоинствам использования лазерного доплеровского анемометра можно отнести следующие характеристики:

- измерение скорости ветра в достаточно удаленных точках, на высоте до нескольких десятков метров, что устраняет фактор изменения скорости потока воздуха вызванный конструкцией объекта и самого датчика скорости;

- полное отсутствие инерции в определении скорости воздуха;

- отсутствие движущихся механических частей.

При разработке анемометра необходимо учитывать следующие трудности, устранение которых может существенно осложнить разработку датчика:

- аэрозольные частицы двигаются сплошным потоком, что сильно затрудняет определение частоты изменения яркости сигнала;

- слабый сигнал, отраженный от аэрозольной частицы, требует очень чувствительной светоприемной аппаратуры;

- необходимо обеспечить конструктивную защиту приемопередающей линзы от воздействия таких внешних факторов как пыль, песок, иней, роса и д. р.

Наиболее приемлемая структура лазерного доплеровского измерителя скорости ветра и направления приведена на рис. 2. Источником излучения является лазер. Излучение лазера в светоделительной призме или полупрозрачном зеркале делится на два пучка, один из которых пропускается через однополюсный модулятор, сдвигающий частоту излучения щ0 на величину ом (частота модуляции). Передающая линза направляет зондирующие пучки через защитное стекло на исследуемый объект - движущиеся пылевые частицы, находящиеся в точке К. Пылевые частицы рассеивают излучение пересекающихся пучков. Для увеличения светосилы, рассеянное излучение собирается приемной фокусирующей линзой на фотоприемник, обеспечивающий выделение доплеровского сдвига частоты. Выделенный сигнал, содержащий значение скорости и направления движения пылевых частиц, поступает на обработку в сигнальный процессор.

Рис. 2. Структурная схема лазерного доплеровского анемометра

Ультразвуковой анемометр. Принцип действия основан на измерении времени прохождения звука в воздухе, которое изменяется в зависимости от скорости воздушного потока. Один из алгоритмов определения скорости ветра и конструкция датчика приведена в [4].

Ультразвуковой анемометр представляет собой акустическую систему в виде нескольких пар излучателей ультразвукового сигнала и микрофонов в качестве детекторов звука расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Ультразвуковые сигналы с генератора поступают на излучатель и одновременно на коррелятор. Принятое с микрофона излучение также поступает на коррелятор. Время передачи акустического сигнала от излучателя к микрофону составляет Т = ± ^ , где Ь - расстояние

между излучателем и микрофоном; С - скорость распространения звука в воздухе; V - скорость ветра. Скорость распространения звука в воздухе зависит от температуры воздуха, поэтому ультразвуковой анемометр должен иметь в своем составе датчик температуры воздуха или принимать значение температуры извне.

Наиболее распространённая конструкция ультразвукового датчика ветра приведена на рис. 3. Основными элементами датчика являются преобразователи 1 в количестве трех штук, которые установлены на корпус датчика 2 через лапки преобразователей 3 [5].

Рассмотрим общий алгоритм работы ультразвукового датчика. Микропроцессорный блок датчика вычисляет скорость ветра по формуле

( 1 1 4

Ж = 0,5 Ь---

V1ПР ¿ОБР

где Ж - скорость ветра; Ь - расстояние между преобразователями; ¿ПР -

время прохождения ультразвука в прямом направлении; 'ОБР - время прохождения ультразвука в обратном направлении.

Рис. 3. Конструкция ультразвукового датчика ветра

Рис. 4. Направления измерения скорости ветра в ультразвуковом датчике

Измерение скорости ветра по направлениям 1-2, 3-4, 5-6 (рис. 4) позволяет рассчитать три проекции скорости ветра на направления А, В, С:

ЖА = 0,5 Ь

А

1 1

V '1

Жв = 0,5 Ь

в

'2;

11

V 'з

, Щс = 0,5 Ь

с

'4 )

11

V

'6 )

При вычислении скорости и направления ветра с помощью ультразвуковых датчиков по рассмотренной схеме устраняется зависимость показаний от высоты над уровнем моря, температуры и влажности.

К достоинствам использования ультразвукового датчика ветра можно отнести следующие характеристики:

- практически полное отсутствие инерции;

- отсутствие движущихся механических частей. К недостаткам можно отнести:

- высокую стоимость и сложность конструкции;

- возможное обледенение чувствительных элементов датчика, что требует введения их обогрева.

Применение специальных мер по защите излучателей и микрофонов от внешней среды, позволяет обеспечить устойчивость и прочность изделия при воздействии таких факторов как иней, роса, морской туман, вибрации и удары.

Тепловой анемометр представляет собой тонкую нить накаливания, нагретую выше температуры окружающего воздуха и охлаждаемую воздушным потоком [6]. Значение теплоотдачи нагретой проволоки зависит от скорости воздушного потока, что и позволяет определить скорость ветра.

Процесс теплоотдачи нагретой проволоки характеризуется числом НуссельтаЛ^ = -^-,где а - коэффициент теплоотдачи; ¿/ - диаметр прово-

X

локи; X - коэффициент теплопроводности воздуха.

Процесс обдува проволоки характеризуется числом Рейнольдса

Яе = , где р- плотность воздуха; V- скорость ветра; /г - коэффициент М

динамической вязкости воздуха.

При движении воздуха перпендикулярно проволоке число Рейнольдса и число Нуссельта связаны формулой Ыи = а • Яе^, где<2~0,81;& ~ 0,4.

Тогда = и коэффициент теплоотдачи

л //

а = аЛ {—)Ь с1ь~1¥ь. М

Количество тепла отдаваемого проволокой равно () = 7йИа(Т-в),

где Т - температура проволоки; в - температура воздуха; Ь - длинна проволоки.

Количество тепла, выделяемого при прохождении тока по проволо-

г 2

ке равно Q/ = J г, где J - ток, текущий по проволоке; г - сопротивление проволоки.

о

Если Т=сотХ, то (У = 0 , следовательно,./ г = 7%11а{Т-в) или

/2г = шИ(Т - &)аХ(—)Ь сР , что приводит к следующему равенству

Д

32г

Т-в = —

7ШМ{^)ЪУЪ

М

Определим чувствительность данного метода измерения. Так как е(Т-в)

-, где е - удельная термоЭДС проволоки; Я - сумма сопротивле-

ний измерительного прибора и термопары. Тогда

32ге

г =

117ШМ{^)ЬУЬ

М

Чувствительность теплового анемометра определяется как

сН _ Ъ.]2гецЬ

¿V 11тЩрс1)ьУь+1 ' Для увеличения чувствительности показаний анемометра необхо-

димо:

- увеличить ток нагрева;

- увеличить сопротивление проволоки;

- уменьшить сечение проволоки;

- уменьшить длину проволоки.

Чувствительность падает при увеличении скорости ветра.

Применение теплового анемометра для измерения скорости ветра позволяет обеспечить определение скорости ветра с достаточно малой инерцией, и разработать конструкцию датчика без подвижных деталей.

Динамометрический анемометр. Измерение скорости ветра основано на определении дифференциального давления, создаваемого потоком воздуха [7]. Проведя замер дифференциального давления, абсолютного давления воздуха и его температуры можно определить скорость воздуха.

Величина скорости воздуха является функцией дифференциального давления и определяется следующей формулой

2РД

Р

где V - скорость; /^-дифференциальное давление газа; р- текущая плот-

ность воздуха.

Учитывая, что плотность р =m, справедлива зависимость

— = —, где т - масса тела; V- объем тела; рп- плотность воздуха в Ро К

нормальных условиях; Ко - объем тела в нормальных условиях.

Зная, что объемный расход газа (воздуха) может быть приведен к

ТЛ УВ 273 (РА + Рв )

нормальным условиям по формулам [8] Ко = ^— Ю13 ,

где 1- температура воздуха в воздуховоде; РВ - разряжение воздуха в воздуховоде (дифференциальное давление); РА - барометрическое (текущее) давление;(РА+РВ) - текущее давление в точке измерения;101,3 кПа и 273 °К

- нормальные условия соответствующие 760 мм рт. ст. и 0 °С.Получим,

р0 273 (РА + Рв) 2,695 р0 (РА + Рв)

что плотность воздуха равна р = —---— =--—--—.

(273 + г) 101,3 (273 + г)

Определяя скорость ветра, для теоретических расчетов пренебрегаем коэффициентом искажения, который вводится корпусом датчика ветра, и учтем, что Ра >> Рв :

V = 0,758

Рд (273 + г)

РА

Данное выражение является базовым для расчета скорости ветра с помощью показаний динамометрического анемометра. Однако в нем не учтено изменение знака Рд. Подразумевается, что в данном выражении всегда используется модуль Рд, а знак Vсоответствует знаку Рд.

Итоговые эксплуатационные характеристики датчик ветра близки к эксплуатационным характеристикам ультразвукового анемометра (практически полное отсутствие инерции, отсутствие движущихся механических частей в измерительном контуре).

Применение специальных мер по защите датчиков дифференциального давления, абсолютного давления воздуха и его температуры, позволяет обеспечить устойчивость и прочность изделия при воздействии таких факторов как иней, роса, морской туман, вибрации и удары.

В работе рассмотрено несколько основных принципов построения приборов, измеряющих скорость ветра. Показаны теоретические основы построения датчиков ветра, использующих такие физические принципы, как:

- доплеровский эффект возникающий в лазерном пучке или в ультразвуковой волне;

- перераспределение температуры в горячей нити при ее обдуве;

- разность давлений на поверхностях обдува.

Среди всего спектра рассмотренных принципов построения датчиков ветра наибольшее количество конструктивных и алгоритмических недостатков имеет крыльчатый анемометр, имеющий подвижные элементы в измерительном тракте. Датчики ветра, построенные на других принципах, имеют существенное преимущество по инерционности измерения и отсутствию подвижных частей в измерительном тракте.

Построение датчиков, определяющих скорость и направление ветра с использованием того или иного принципа, является сложной технической задачей и определяется условиями эксплуатации датчика: температурным диапазоном работы, требованиями по стойкости и прочности к вибрациям и ударам, наличием внешних воздействующих факторов в виде дождя, тумана, пыли, агрессивных сред, солнечного излучения и акустического шума.

Ключевым критерием, определяющим выбор того или иного физического принципа, на котором необходимо построить датчик ветра, является применение чувствительного элемента, стойкого и прочного ко всему спектру требуемых внешних воздействий.

Список литературы

1. Серов А.Н. Решение некоторых технических задач при управлении объектами специального назначения // Техника и технология. 2011. №1(42). С. 32-34.

2. Ринкевичус Б.С. Лазерная анемометрия. М.: Энергия, 1978. 159 с.

3. Дубнищев Ю.Д., Ринкевичус Б.С. Методы лазерной доплеров-ской анемометрии. М.: Наука, 304 с.

4. A New Type Sonic Anemometer - Thermometer for Field Operation. / T. Hanafusa [et al.] // Papers in Meteorology and Geophysics. March 1982. Vol. 33. No 1-19.

5. WMT700 Руководство пользователя. Серия ультразвуковых датчиков ветра VaisalaWINDCAPWMT700 [Электронный ресурс] // URL: http://www.vaisala.ru/ru/products/windsensors/Pages/WMT700.aspx (дата обращения 15.09.2014).

6. CBRNWeatherstationSirusMIL-NBC [Электронный ресурс] // URL:http://www.docstoc.com/docs/170662754/CBRN-WEATHER-STA-TI0N - SIRIUS -MIL-NBC—Indra (дата обращения 15.09.2014).

7. Датчик измерения скорости ветра ДВ-Е [Электронный ресурс] // URL:http://www.zenit-foto.ru/produkt/sistemy-upravleniya-ognem-brone-tanko-voj - tekhniki (дата обращения 15.09.2014).

8. ВРД 39-1.13-059-2002. Инструкция по выполнению измерений

концентраций загрязняющих веществ и скорости газовых и воздушных потоков на стационарных газомоторных двигателях. Введ. 2001. М.: ООО «ИРЦ «Газпром». 19 c.

Серов Андрей Николаевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, AndreySerov@yandex. ru, Россия, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

Панов Андрей Павлович, асп., duha vaimail.ru, Россия, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

Мочегов Илья Николаевич, асп., i.mochegovagmail.com, Россия, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

FEATURES OF CONSTRUCTION WIND SENSORS TO WORK AS PART SPECIAL

PURPOSE OBJECTS

A.N. Serov, A.P. Panov, I.N. Mochegov

The laying claims requirements to wind sensor when working in difficult conditions in the construction of control systems for various purposes are examined. The analysis of algorithms wind sensors based on the principles of laser Doppler measurements, ultrasonic measurements, temperature measurements, and differential pressure is carried. The advantages and disadvantages of the proposed technical solutions for use in control systems of special purpose are showed.

Key words: anemometer, wind sensor, control system

Serov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior researcher, A ndre ySero vat, yandex. ru, Russia, Zelenograd, National Research University,

Panov Andrey Pavlovich, postgraduate, duha_v@mail.ru, Russia, Zelenograd, National Research University,

Mochegov Ilya Nikolaevich, postgraduate, i.mochegov@gmail.com, Russia, Zelenograd, National Research University "MIET"