Сравнение различных типов приборов для измерения скорости воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТОГУ

Сравнение различных типов приборов для измерения скорости воздуха

Луценко Д.В., Ивашкевич А.А.

Хабаровск, Россия

Абстракт

В статье рассматриваются преимущества и недостатки различных методов измерения скорости воздуха в системах вентиляции. Выделены основные типы измерительных приборов для измерения скорости движения воздуха в широком диапазоне, их преимущества и недостатки.

Ключевые слова: скорость воздуха, термоанемометр, турбинный анемометр, приборы переменного перепада давления.

Abstract

COMPARISON OF DIFFERENT APPLIANCE TYPES FOR MEASURING AIR SPEED

D.V. Lutsenko, A.A. Ivashkevich

PNU, Khabarovsk, Russia

The article discusses the advantages and disadvantages of various methods for measuring air speed in ventilation systems. The main types of measure instruments for measuring the speed of air movement in a wide range, their advantages and disadvantages are highlighted.

Keywords: air speed, thermal anemometer, turbine anemometer, variable pressure drop devices.

Введение

При выполнении магистерской диссертации предстоит производить исследование работы воздухораспределительных устройств, для чего необходимо выполнить измерение следующих параметров их работы:

- скорости (расхода) в воздуховодах приточного и вытяжного воздуха;

- скорости воздуха в различных сечениях формируемой приточной струи;

- перепада давления на воздухораспределительном устройстве;

- температуры воздуха.

Как видно из перечисленного списка, основной задачей является измерение скорости воздуха в достаточно широком диапазоне (от 0,05 до 15 м/с). Измерения перепада давлений и температуры воздуха являются более простой задачей и в данной статье не рассматриваются.

Рассмотрим существующие методы измерения скорости воздуха с целью выбора наиболее оптимального метода измерений для целей диссертации.

При исследовании аэродинамических режимов систем вентиляции, струйных течений вблизи устройств раздачи и удаления воздуха, а также подвижности воздуха в отдельных зонах самих помещений требуется производить измерения скорости движения воздуха в широком диапазоне. Для этих целей наиболее широко применяются измерительные приборы следующих типов:

- термоанемометры;

- турбинные анемометры (крыльчатые и чашечные);

- приборы переменного перепада давления.

Ниже кратко рассматриваются особенности каждого типа приборов.

1. Термоанемометры

Термоанемометры являются приборами косвенного измерения. В них в качестве датчика используется нагретое тело малых размеров, которое находится в тепловом равновесии с окружающим воздухом. При отсутствии подвижности воздуха тепло, подводимое к телу за счет нагрева электрическим током, отдается в окружающую среду путем излучения и естественной конвекции. При увеличении скорости воздуха увеличивается теплоотдача за счет появления вынужденной конвекции, что приводит или к увеличению мощности, затрачиваемой на нагрев (при постоянной температуре датчика), или к понижению температуры датчика. Измерительная схема фиксирует не саму скорость потока, и изменение теплового режима датчика.

Термоанемометры, как правило, имеют малый размер датчика и позволяют производить измерения в широком диапазоне. Благодаря малой инерционности они позволяют производить измерения турбулентности в газовых потоках. Однако им свойственны и недостатки:

- зависимость показаний от теплофизических свойств воздуха (температуры и влажности);

- сильно нелинейный характер зависимости между измеряемой скоростью воздуха и тепловыми и электрическими параметрами работы датчика;

- малая прочность датчиков, особенно нитяного типа.

В вентиляции наиболее привлекательная область использования термоанемометров - измерение малых скоростей воздуха. В этом диапазоне они имеют высокую чувствительность, а остальные типы приборов могут использоваться достаточно ограниченно.

2. Турбинные анемометры

Приборы такого типа в качестве основного элемента имеют вращающееся лопастное колесо, чаще всего осевого типа (крыльчатый анемометр). Ось вращения колеса параллельна вектору скорости набегающего потока. Эта конструкция известна давно: вертушка флюгера является типичным примером. Для высоких скоростей воздуха могут применяться различные колеса центробежного типа, у которых поток подводится к колесу тенгециально, то есть вектор скорости набегающего потока перпендикулярен оси вращения колеса. Турбинные анемометры имеют ряд важных преимуществ перед другими типами приборов:

- независимость показаний от теплофизических свойств воздуха;

- линейный характер зависимости между измеряемой скоростью воздуха и скоростью вращения лопастного колеса анемометра (только при малых скоростях воздуха, когда энергия потока мала, зависимость отклоняется от линейной ввиду наличия трения в узле вращения);

- простота построения измерительной схемы с бесконтактным датчиком скорости вращения на основе оптопары;

- цифровая (импульсная) форма выходного сигнала, что хорошо согласуется с современными микропроцессорными системами измерения и передачи информации.

Качество прибора в значительной степени зависит от качества изготовления рабочего колеса и его узла вращения (массы колеса, профилирования лопаток, балансировки).

Уменьшение диаметра лопастного колеса с целью получения более компактного прибора приводит к снижению энергии, передаваемой от воздуха к колесу, и тем самым ухудшает чувствительность прибора в области малых скоростей. Поэтому большинство современных приборов имеют колесо размером около 30 - 40 мм, что затрудняет измерение воздуха внутри воздуховодов. Некоторые изготовители производят анемометры с крыльчаткой диаметром 12-15 мм в виде специального зонда для измерения скорости внутри воздуховода. При этом требуется часовая точность изготовления угла вращения. анемометр воздух вентиляция

Наиболее привлекательная область использования турбинных анемометров в области вентиляции - измерение средних и больших скоростей воздуха в струйных течениях, на выходе воздуха из воздухораспределителей и воздуховодов, в местах всасывания (воздухозаборные решетки) и перетока воздуха (открытые проемы).

Измерение воздуха внутри воздуховодов систем вентиляции ограничивается размерами лопастного колеса, которые могут быть значительными.

3. Приборы переменного перепада давления

При наладке систем вентиляции наиболее часто используется дифференциальный микроманометр и приемник давления в виде пневмометрической трубки со шлангами. Какие-либо сужающие устройства (диафрагмы, сопла и трубы Вентури) могут устанавливаться только в лабораторных установках и стендах, и поэтому нами здесь не рассматриваются.

Пневмометрическая трубка Пито позволяет измерить динамическое давление потока как разность полного и статического давлений воздуха. Учитывая, что динамическое давление зависит от плотности, а та, в свою очередь, от температуры воздуха, требуется обязательное измерение температуры встроенным датчиком или отдельным прибором. Это не является серьезной проблемой, так как имеется большое количество различных термоанемометров с достаточной точностью.

Динамическое давление зависит в квадрате от скорости потока, поэтому быстро возрастает с увеличением скорости, что делает приборы такого типа особенно привлекательными в области средних и больших скоростей воздуха, так как снижаются требования чувствительности к измерителю перепада давлений. Скорости ниже 3 м/с данным методом практически невозможно измерить.

Данный метод измерения скорости имеет следующие преимущества:

- высокая прочность пневмометрической трубки, что исключает ее поломку даже при очень высоких скоростях и наличии твердых примесей в потоке;

- малое поперечное сечение пневмометрической трубки, что позволяет легко вставить ее в воздуховод через небольшое отверстие в его стенке;

- высокая надежность и точность метода измерения при достаточно высоких скоростях потока;

- низкая стоимость оборудования, так как для измерения больших перепадов давления достаточно использовать обычный U-образный жидкостный дифференциальный манометр.

Из недостатков метода отметим сложность получения электрического выходного сигнала, так как требуется специальный преобразователь перепада давления в электрический сигнал. Чаще всего для этих целей используются индуктивные, емкостные и оптические преобразователи в комплекте с деформационным манометром (с подвижной мембраной или сильфоном).

Для измерения малых скоростей требуется применение очень чувствительного микроманометра (при необходимости, с преобразователем в электрический сигнал), способного реагировать на очень малые перепады давления. Мембрана такого прибора окажется, скорее всего, очень непрочной и ненадежной.

Заключение

1. Исходя из задач предстоящих исследований воздухораспределителей, основной объем измерения скорости воздуха придется производить непосредственно в объеме помещения (струйные течения) при умеренных и малых скоростях воздуха. Для обеспечения хорошей сходимости результатов желательно иметь один прибор для всех измерений. В наибольшей степени этим условиям подходит термоанемометр, позволяющий уверенно измерять малые скорости воздуха;

2. Для измерения скорости воздуха на значительном удалении от воздухораспределителя, где велика ширина струи и градиент скоростей поперек струи мал, можно для контроля использовать крыльчатый анемометр отечественного или импортного производства;

3. Для измерения скорости внутри воздуховодов целесообразно использовать микроманометр с пневмометрической трубкой или турбинный анемометр с достаточно малыми размерами крыльчатки (значительно меньше диаметра воздуховода), что позволит гарантировать неизменность его характеристик на открытом воздухе и в воздуховоде;

4. Все измерительные приборы необходимо тарировать на одном измерительном стенде, который необходимо разработать, изготовить и установить в одной из лабораторий кафедры.

Библиографические ссылки на источники

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. Ред. Е. А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004.-412 с.: ил. ISBN 5-7325-0709^1

2. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для студентов вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - Москва, издательство МЭИ, 2005.-458 с.: ил. ISBN 5-7046-1046-3

3. Раннев Г.Г. Информационно-измерительная техника и электроника: учебник для студентов высших учебных заведений. - М.: Академия, 2006. - 512 с. - ISBN 5-76952221-6.

Размещено на Allbest.ru