способ градуировки измерителя скорости потока

Классы МПК:G01P5/12 с использованием изменения сопротивления нагретого проводника 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) (UA)
Приоритеты:
подача заявки:
2006-06-09
публикация патента:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при градуировке и поверке измерителей скорости потока жидкостей или газов. Способ заключается в перемещении датчика в потоке и вне потока и фиксации значения его выходного сигнала в обоих положениях. В качестве датчика используют многокомпонентный датчик скорости обтекания потоком, в геометрическом центре которого размещен многокомпонентный датчик ускорения собственных движений. Датчики располагают в потоке рабочей среды и перемещают их поступательно-возвратно по прямой линии без изменения ориентации осей. При этом фиксируют по каждой из координат ряд значений выходного сигнала датчика скорости обтекания потоком и ряд значений выходного сигнала датчика ускорения собственных движений. Далее располагают датчики в рабочей среде при отсутствии потока, обеспечивают их неподвижность и фиксируют значения выходного сигнала датчика скорости обтекания потоком. После этого определяют коэффициенты градуировочной характеристики по полученной совокупности значений. Технический результат заключается в повышение достоверности и точности градуировки и поверки.

Формула изобретения

Способ градуировки измерителя скорости потока с определением коэффициентов градуировочной характеристики по значениям N i выходного сигнала, по i-й координате, используемого в измерителе n-компонентного датчика скорости обтекания потоком, при значениях Vi составляющей скорости обтекания, заключающийся в том, что датчик перемещают в потоке и фиксируют значения его выходного сигнала, располагают датчик вне потока и фиксируют значения его выходного сигнала, отличающийся тем, что используют способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - компонентный датчик скорости обтекания потоком, в геометрическом центре которого размещен способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - компонентный датчик ускорения собственных движений, располагают датчики в потоке рабочей среды и перемещают их поступательно-возвратно по прямой линии без изменения ориентации осей, фиксируют по каждой i-й способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 пространственной координате при способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 одновременно ряд значений Ni(t) выходного сигнала датчика скорости обтекания потоком и ряд значений gi(t) выходного сигнала датчика ускорения собственных движений, располагают датчики в рабочей среде при отсутствии потока, обеспечивают их неподвижность и фиксируют значения Ni0 выходного сигнала датчика скорости обтекания потоком, коэффициенты градуировочной характеристики определяют по полученной совокупности значений N i(t), gi(t) и Ni0 , причем для градуировочной характеристики вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ij - известные функции, определяют коэффициенты аij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 , например методом наименьших квадратов, из регрессионной зависимости

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - первая производная по t от функции

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

и определяют коэффициенты аi0 способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

или, при отсутствии шумов и градуировочной характеристике вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

определяют коэффициенты аij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 или решением системы линейных алгебраических уравнений вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - ряд отсчетов первой производной ряда отсчетов Ni(t), или, при введенных обозначениях

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

коэффициенты аij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 определяют по выражениям

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 , ...

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

и определяют коэффициенты аi0 способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ;

или, при отсутствии шумов и градуировочной характеристике вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

определяют коэффициенты к и аij для j=1 по выражениям

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

и определяют коэффициенты аi0 способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования при градуировке и поверке измерителей скорости потока жидкостей или газов, например, переносных измерителей скорости течения вод или скорости ветра в гидрометеорологии.

Известны способы градуировки измерителей скорости потока на специальных аэро- или гидродинамических стендах, где скорость потока задается и контролируется образцовым измерительным средством и коэффициенты градуировочной характеристики аттестуемого измерителя определяются по показаниям измерителя и образцового средства в рабочем диапазоне скоростей потока.

Общим недостатком этих способов градуировки измерителей скорости потока, характеристики которых зависят от физических параметров среды, является ограниченная точность из-за того, что физические параметры среды (температура, теплоемкость, теплопроводность, плотность, кинематическая вязкость, электропроводность, скорость звука) и характеристики потоков (спектр турбулентности и его пространственная анизотропия) в стенде и в реальной среде почти всегда различны.

Например, это характерно для гидродинамических, термоанемометрических и акустических измерителей, содержащих датчики скорости обтекания потоком [1].

Известен способ градуировки датчика термоанемометра [2] в организованном потоке газа с известным расходом, состоящий в том, что при различных значениях расхода перемещают датчик скорости обтекания поперек потока и синхронно с измерением выходного сигнала датчика измеряют значение поперечной координаты, по полученным значениям выходного сигнала датчика при известных расходах, в том числе при отсутствии потока, и положениях датчика с учетом его геометрических и физических характеристик определяют градуировочную характеристику.

Этот способ принят в качестве прототипа по совокупности признаков, т.к. содержит, в частности, признак, в наибольшей степени по сравнению с признаками других аналогов, влияющий на достижение технического результата изобретения - перемещение датчика в потоке при измерениях, по i-й координате, его выходного сигнала.

Общими признаками для прототипа и заявленного способа градуировки с принятой градуировочной характеристикой по значениям выходного сигнала используемого в измерителе n-компонентного датчика скорости обтекания потоком по i-й координате являются перемещение датчика в потоке, размещение датчика вне потока и фиксирование в обоих случаях значений его выходного сигнала, а также определение коэффициентов градуировочной характеристики.

Недостатком прототипа является ограниченная точность вследствие того, что операции способа проводят в искусственно созданном потоке с известными расходами, а не в реальной рабочей среде, в которой осуществляют эксплуатацию измерителя. Кроме того, при градуировке измерителей скорости потока на стенде имеются сложности контроля скорости перемещения измерителя.

В основе изобретения лежит решение задачи создания способа градуировки измерителя скорости потока, в котором путем совместного использования датчика скорости обтекания потоком и датчика ускорения собственных движений, а также за счет особенностей операций определения коэффициентов конкретных градуировочных функций обеспечивается технический результат изобретения - повышение достоверности определения коэффициентов градуировочной характеристики, что повышает точность способа градуировки.

Поставленная задача решается тем, что в способе градуировки измерителя скорости потока с градуировочной характеристикой по значениям Ni выходного сигнала по i-й координате используемого в измерителе n-компонентного датчика скорости обтекания потоком при значениях составляющей V i скорости обтекания, заключающемся в перемещении датчика в потоке и фиксации значений его выходного сигнала, фиксации значений выходного сигнала датчика вне потока, определении коэффициентов градуировочной характеристики, новым является то, что используют способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 компонентный датчик скорости обтекания потоком, в геометрическом центре которого размещен способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 компонентный датчик ускорения собственных движений, располагают датчики в потоке рабочей среды и перемещают их поступательно-возвратно по прямой линии без изменения ориентации осей, фиксируют по каждой i-й способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 пространственной координате при способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 одновременно ряд значений Ni(t) выходного сигнала датчика скорости обтекания потоком и ряд значений gi(t) выходного сигнала датчика ускорения собственных движений, располагают датчики в рабочей среде при отсутствии потока, обеспечивают их неподвижность и фиксируют значения Ni0 выходного сигнала датчика скорости обтекания потоком, коэффициенты градуировочной характеристики определяют по полученной совокупности значений N i(t), gi(t) и Ni0 следующим образом:

для градуировочной характеристики вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ij - известные функции, определяют коэффициенты аij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 , например, методом наименьших квадратов, из регрессионной зависимости

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - первая производная по t от функции

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

и определяют коэффициенты аi0 способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

или, при отсутствии шумов и градуировочной характеристике вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

определяют коэффициенты aij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 или решением системы линейных алгебраических уравнений вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - ряд отсчетов первой производной ряда отсчетов N i(t), или при введенных обозначениях

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

коэффициенты аij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 определяют по выражениям

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

и определяют коэффициенты аia способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению (3);

или при отсутствии шумов и градуировочной характеристике вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

определяют коэффициенты к и aij для j=1 по выражениям

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

и определяют коэффициенты аi0 способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

Сущность способа состоит в следующем. Рассматриваем измерители вектора или модуля скорости потока, градуировочные характеристики которых по i-й координате в приборной системе координат с достаточной точностью аппроксимируются полиномом (1):

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где Ni - показания измерителя по i-й координате при значении Vi составляющей скорости обтекания по i-й координате;

a ij - коэффициенты градуировочной характеристики, которые надо определить способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ;

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ij - система известных функций, принятая для измерителя из физических соображений или экспериментальных данных.

В частности, если градуировочная характеристика измерителя удовлетворительно аппроксимируется степенным полиномом степени m, то

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

и выражение принимает вид

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

Такие градуировочные характеристики характерны для акустических измерителей скорости потока.

Для аэрогидродинамических измерителей (типа трубки Пито) характерна градуировочная характеристика вида

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где Ni - отсчеты давления напора от потока, здесь способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 . Использование операций заявленного способа позволяет определить с высокой степенью достоверности по рядам значений Ni(t) и gi(t) коэффициенты градуировочной характеристики для этого типа измерителей скорости потока, что повышает точность их градуировки.

Для термоанемометрического измерителя типовая градуировочная характеристика имеет вид (8):

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

где ai0 - коэффициент, пропорциональный коэффициенту теплообмена датчика со средой при отсутствии потока при Vi=0 и зависящий от физических параметров среды;

ai1 - коэффициент, зависящий от конструкции датчика, физических параметров среды и характеристик потока;

Ni - отсчеты показаний измерителя, пропорциональные коэффициенту теплообмена датчика со средой, зависящему от скорости потока;

к - коэффициент, зависящий от характеристики потока, определяемый числом Рейнольдса и принимающий значения от 0,2 до 0,6;

здесь способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 i0=1; способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

При одновременной во времени фиксации отсчетов измерителя скорости потока Ni(t) и показаний датчика ускорений собственных движений gi (t) получают два ряда отсчетов при способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Для скорости обтекания датчика скорости потока по i-й координате можно записать

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где Vix(t) - составляющая скорости потока;

Vi0(t) - составляющая собственной скорости датчика.

Отсчеты N i(t) соответствуют градуировочной характеристике скорости обтекания датчика Vi(t).

Если за время l отсчетов составляющая скорости потока V ix(t) меняется незначительно, так что можно принять способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 а скорость собственных движений датчика V i0(t) изменяется существенно способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 (что вполне реализуемо), то для производной выражения (15) можем записать

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

Дифференцируя выражение (1) для ряда N i(t) по градуировочной характеристике, получим

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 - первые производные по времени функций способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ij[Ni(t)], которые вычисляются по ряду Ni(t). Эти данные позволяют определить коэффициенты аij для способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

При фиксации отсчета Ni0 датчика скорости потока в рабочей среде при отсутствии скорости потока и собственной скорости определяют коэффициент а i0способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 0 по выражению (3).

В частном случае для градуировочной характеристики измерителя скорости потока в виде степенного полинома вида (13) получим

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

или

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

В случае высокоточной модели градуировочной характеристики и малых шумов, при способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 , lспособ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 m выражение (19) дает систему из m линейных алгебраических уравнений с m неизвестными способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 , которая может решаться относительно a ij известными способами, например, по правилу Крамера.

В случае не очень точной модели и при наличии шумов градуировочные коэффициенты способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 могут быть также определены как коэффициенты регрессии по рядам gi(t) и Ni (t) и выражению (19) методом наименьших квадратов.

При малом уровне шумов в отсчетах gi(t) и N i(t) и m-дифференциальности функций ускорения собственных движений для вычисления коэффициентов аij могут быть использованы рекуррентные формулы.

Введем обозначения

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Тогда после m-го дифференцирования выражения (18) получим:

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Предполагается, что вычисление функции способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 j(t) производится численно по рядам отсчетов. Малый уровень шумов в рядах отсчетов N i(t) возможен при ламинарном потоке, а m-дифференцируемость функции g(t) может быть обеспечена при поступательно-возвратном движении измерителя по i-й координате, когда скорость собственных движений является периодической функцией.

Для градуировочной характеристики вида (14) получим выражение

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

из которого

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

Для градуировочной характеристики вида (8) получим

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

где неизвестными являются m и а i1.

Берем отсчеты для двух моментов времени t 1 и t2. Можем записать

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498

Отсюда:

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Далее из выражения 22

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Таким образом определяются коэффициенты градуировочных характеристик типовых моделей измерителей скорости потока.

Рассмотрим пример реализации способа для термоанемометра с двумя датчиками температуры, один из которых подогрет и имеет сферическую диаграмму направленности по чувствительности к вектору скорости обтекания.

Выходной сигнал такого термоанемометра, которым является величина, обратная разности температур двух датчиков температуры, определяется модулем вектора скорости обтекания датчика потоком и не зависит от направления. Поэтому градуировочная характеристика термоанемометра может быть представлена выражением

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ,

где функции способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 j известны и искомыми являются коэффициенты aj, способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Для выполнения градуировки термоанемометра в реальных условиях в него встроен акселерометр, позволяющий определить ускорение собственного градуировочного движения вдоль некоторой прямой. Если это однокомпонентный акселерометр, то градуировочное движение должно быть вдоль его оси.

Если это двухкомпонентный акселерометр, то градуировочное движение должно быть по прямой в плоскости осей акселерометра. Если это трехкомпонентный акселерометр, то градуировочное движение может быть по произвольной прямой в пространстве.

В процессе градуировочного движения по прямой с переменной скоростью с помощью акселерометра определяется ускорение собственного движения g(t) и ряд выходных отсчетов N(t) термоанемометра. Из формулы (17) можем записать

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Допустим, градуировочная характеристика термоанемометра является степенным полиномом, и аналогично выражению (19) можем записать

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

При разных способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 ; lспособ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 m, получим регрессионное уравнение или систему линейных алгебраических уравнений для нахождения коэффициентов а j, способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Коэффициент а0 определяем по отсчету N0 выходного сигнала неподвижного термоанемометра, помещенного в рабочую среду при нулевой скорости потока, по формуле

способ градуировки измерителя скорости потока, патент № 2333498 .

Использованные источники

1. Принципы построения технических средств исследования океана. М.: Наука, 1981, 324 с., С.29-31.

2. Авторское свидетельство СССР №1538130, кл. 5 G01Р 5/12. Способ градуировки датчика термоанемометра. Авторы: Ю.Л.Тонконогий, В.Н.Буз, А.А.Гарбуз. Опубл. 23.01.90, бюл. №3 (прототип).

Класс G01P5/12 с использованием изменения сопротивления нагретого проводника 

анемометрический зонд с одной или несколькими проволочками и способ его осуществления -  патент 2524448 (27.07.2014)
термоанемометр и способ его изготовления -  патент 2451295 (20.05.2012)
термоанемометр для измерения скорости потока жидкости или газа -  патент 2450277 (10.05.2012)
способ термоанемометрических измерений -  патент 2427843 (27.08.2011)
устройство для измерения скорости движения и температуры потоков флюидов -  патент 2395684 (27.07.2010)
термоанемометрический преобразователь -  патент 2367961 (20.09.2009)
способ измерения параметров газовых и жидких сред -  патент 2354976 (10.05.2009)
способ преобразования сигнала -  патент 2351937 (10.04.2009)
способ определения скорости и температуры потока газа и устройство для его осуществления -  патент 2347227 (20.02.2009)
способ определения скорости жидкости в стационарных и переходных режимах -  патент 2295730 (20.03.2007)
Наверх