В статье речь идёт о выборе приборов (манометров и интеллектуальных преобразователей) для измерения стационарного дифференциального давления в дозвуковых потоках. Выбор в дальнейшем будет подтвержден внедрением приборов в измерительные технологии на дозвуковой аэродинамической трубе АТ-11: в компьютерную технологию измерения параметров потока в открытой рабочей части и в технологию метрологического обеспечения измерения стационарного давления.
Ключевые слова: дозвуковая аэродинамическая труба, манометр дифференциального давления, интеллектуальный преобразователь дифференциального давления.
На рис. 1 показано уравнение Бернулли для несжимаемой жидкости в логарифмических координатах. Рисунок иллюстрирует динамический диапазон изменения скоростного напора от десятка Па до 3000Па.
Рис. 1. Динамический диапазон изменения скоростного напора
Традиционно скоростной напор в дозвуковых аэродинамических трубах измерялся и измеряется с помощью жидкостного дифференциального микроманометра и специального зонда (трубки Пито-Прандля) с приемными отверстиями, соединённого с микроманометром посредством резиновых шлангов. Зонд вносится в поток, и разница между полным и статическим давлениями измеряется по перепаду высот жидкости в микроманометре. Погрешности измерения скоростного напора высоки при малых скоростях потока (до 12 м/с), так как трудно точно измерить перепад высот по жидкостному спиртовому или водяному микроманометрам, см. рис. 1. На рис.1 показана справа по вертикали шкала спиртового столба микроманометра.
Наряду с измерением скоростного напора в аэродинамическом эксперименте проводятся измерения давлений на поверхностях аэродинамических моделей. Здесь также идёт речь об измерении дифференциального давления по отношению к статическому давлению вне аэродинамического потока, или к давлению в точке торможения потока на поверхности модели. Динамический диапазон измеряемых давлений на поверхности моделей — величина такого же порядка, как и для скоростного напора.
Измерительные манометры. В настоящее время на рынке приборов предлагается фирмами и посредниками широкий выбор дифференциальных сенсорных и интеллектуальных манометров, интеллектуальных преобразователей давления, предназначенных для измерений давлений в рассматриваемом динамическом диапазоне.
Выбранные манометры для измерения давлений на дозвуковой аэродинамической трубе АТ-11представлены в таблице 1. Манометры занесены в реестр средств измерений РФ. В электрической схеме манометров заложена функция по расчету скорости потока несжимаемой жидкости на основе уравнения Бернулли.
Таблица 1
Измерительные погрешности дифференциальных манометров
|
№п/п |
Измерительный диапазон, Па |
Относит. погрешность, % |
ВПИ |
Погрешность, Па |
|
Testo 512/2 |
0 … 200 |
0.5 |
200 |
1 |
|
Testo 512/20 |
0 … 2000 |
0.5 |
2000 |
10 |
|
Testo 435–4 |
0 … 3000 |
0.5 |
3000 |
15 |
|
М200-LS |
0 … 7000 |
0.02 |
7000 |
1.4 |
Приборы Testo и комбинированный прибор Testo 435–4 имеют встроенный сенсорный дифференциальный манометр [3]. Многофункциональный портативный прибор типа Testo 435–4 поставляется с большим выбором зондов, в т. ч. с трубкой Пито-Прандля.
Аэродинамическая труба АТ-11 оснащена приборами Testо 435–4 в комплектации со следующими зондами:
зонд с обогреваемой струной, работающий в диапазоне до 20 м/с;
зонд-крыльчатка, уверенно работающий в диапазоне от 10 до 40 м/с;
трубка Пито-Прандтля.
Манометр серии М2, модель М200-LS — пример интеллектуального дифференциального манометра [5]. В Россию поставляется локализованная модель M200R-LS [1]. Один из диапазонов измерений стационарного дифференциального давления от 0 до 7 кПа у манометра М200-LS соответствует диапазону изменения полного давления в дозвуковых аэродинамических трубах при скоростях потока до 70 м/с. Данный портативный цифровой манометр нашёл применение на аэродинамической трубе АТ-11 как образцовый для поверки, калибровки и технического обслуживания манометров Testo.
Интеллектуальные измерительные преобразователи. Из всего многообразия интеллектуальных измерительных преобразователей для измерения малых дифференциальных давлений на аэродинамической трубе АТ-11 выбор был сделан в пользу аппаратуры фирмы APLISENS, специализирующейся на производстве измерительного оборудования для газовой промышленности [2]. В частности, в пользу интеллектуального измерительного преобразователя дифференциального давления газов APR-2000G типа PCV. Необходимая информация о параметрах измерительного преобразователя APR-2000G типа PCV приведена в табл. 2 и табл. 3.
Таблица 2
Диапазоны измерений
|
Основной диапазон |
Минимальная установочная ширина измерительного диапазона |
Возможность перемещения начала диапазона |
Допустимая перегрузка |
Допустимое статическое давление |
|
0 … 2500 Па |
100 Па |
0 … 2400 Па |
35 кПа |
35 кПа |
|
-250 … 250 Па |
20 Па |
-250 … 230 Па |
35 кПа |
35 кПа |
|
-700 … 700 Па |
100 Па |
-700 … 600 Па |
35 кПа |
35 кПа |
|
-2500 … 2500 Па |
500 Па |
-2500 … 2000 Па |
100 кПа |
100 кПа |
|
-10 … 10 кПа |
2 кПа |
-10 … 8 кПа |
100 кПа |
100 кПа |
Технические характеристики преобразователя:
Предел дополнительной погрешности, вызванной изменением температуры: 0,1 % (осн. диап.)/10°; max ±0,4 % (осн. диап.) в полном диапазоне термокомпенсации.
Диапазон термокомпенсации: -10 … 70.
Время фиксирования выходного сигнала: 0,5 с.
Таблица 3
Метрологические параметры
|
Основной диапазон |
№1 |
№2 |
№3 |
№4 |
№5 |
|
Основная погрешность |
±0.075 % |
±0.16 % |
±0.1 % |
±0.1 % |
±0.075 % |
|
Установленный диапазон |
0 … 250 Па |
-50 … 50 Па |
-50 … 50 Па |
-250 … 250 Па |
-10 … 10 Па |
|
Основная погрешность |
±0.4 % |
±1 % |
±1.6 % |
±0.4 % |
±0.4 % |
На рис. 2 приведен внешний вид одного из конструктивных исполнений интеллектуального преобразователя APR-2000G типа PCV.
Рис. 2. Внешний вид преобразователя APR-2000G типа PCV
Преобразователи APR-2000G подключены к персональному компьютеру через HART-мультиплексор Метран 670. Блок-схема подключения аппаратуры дана на рис. 3. Мультиплексор обеспечивает преобразование информационного сигнала HART в цифровой сигнал интерфейса RS485 или RS232, при этом аналоговый сигнал (4…20 мА) токовой петли может использоваться внешней системой регистрации и управления. Вместе с мультиплексором поставляется специальное программное обеспечение — HART OPC Сервер. Мультиплексор предназначен для предоставления доступа любым ОРС клиентам к данным, поступающим с подключенных к мультиплексору устройств, в данном случае с преобразователей дифференциального давления APR-2000G.
Рис. 3. Блок-схема подключения преобразователей
HART OPC Сервер предоставляет доступ к следующим данным подключенных устройств:
переменным процесса;
выходному току;
верхнему и нижнему диапазону измерения устройства;
времени демпфирования (усреднения);
единицам измерения переменных процесса;
верхнему и нижнему пределам измерения сенсора;
сообщениям.
Все эти данные доступны ОРС клиенту в виде определенного набора так называемых тэгов, например: PV — первичная переменная (основной измерительный параметр прибора); Device_LR — нижний предел измерения датчика, Sensor_HL — верхний предел измерения сенсора. Совокупность активных устройств и выбранных для них тэгов называется конфигурацией ОРС Сервера. Она создается при помощи специальной программы-конфигуратора, поставляемой в комплекте. ОРС Сервер постоянно опрашивает устройства в сети в зависимости от активных тэгов, выбранных клиентом, и обновляет их содержимое. Опрос одного тэга занимает приблизительно 0.8–1.5 секунды. В связи с этим, в конфигурации ОРС Сервера, которая используется для измерений параметров в аэродинамической трубе АТ-11, для каждого преобразователя выбран лишь один тэг — PV, который и содержит текущее давление. В качестве конечного пользовательского приложения выступает специально написанная программа Sensors Data Viewer для математического пакета Matlab. Возможности программы:
отображение текущего значения преобразователя;
отображение усредненного значения преобразователя (вычисляется по последним пяти измерениям);
выборочное отключение и включение необходимых в данный момент преобразователей;
выборочный вывод графика изменения значений преобразователя;
автоматическая запись значений всех активных преобразователей в файл (для каждого преобразователя свой) для последующего анализа;
ручная запись текущих значений преобразователей и дополнительной информации об условиях проведенного измерения в файл протокола измерений.
Внешний вид окна программы опроса преобразователей показан на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид окна программы опроса преобразователей
В таблице 4 приведены сравнительные метрологические параметры выбранных для аэродинамической трубы АТ-11 дифференциальных манометров и интеллектуального преобразователя. Сравнительный анализ абсолютных погрешностей позволяет рекомендовать интеллектуальный манометр М 2 серии модель М 200-LS в качестве образцового при проведении тарировки интеллектуальных преобразователей APR-2000G, а также для поверки, калибровки и технического обслуживания портативных манометров Testo.
Таблица 4
Погрешности измерительных приборов
|
Наименование измерительного прибора |
Измерительный диапазон, Па |
Относительная погрешность,% |
ВПИ |
Погрешность, Па |
|
Testo 512/2 |
0 … 200 |
0.5 |
200 |
1 |
|
Testo 512/20 |
0 … 2000 |
0.5 |
2000 |
10 |
|
Testo 435–4 |
0 … 3000 |
0.5 |
3000 |
15 |
|
M200-LS |
0 … 7000 |
0.02 |
7000 |
1.4 |
|
APR-2000G |
0 … 2500 |
0.075 |
2500 |
1.875 |
Тарировка манометров и измерительных преобразователей давления производится на специально разработанном пневмогидравлическом прессе, [4].
Литература:
- Каталог продукции ЗАО «ТЕККНОУ» [Электронный ресурс]. URL: http://www.tek-know.ru/si-of-general-application/si-pressure/manometrs/2series-review.html (дата обращения: 11.11.2015).
- Каталог продукции ООО «АПЛИСЕНС» [Электронный ресурс]. URL: http://www.aplisens.ru/catalog/preobrazovateli_raznosti_davleniy/izmeritelniy_preobrazovatel_raznosti_davleniy_intellektyalniy_APR_2000 (дата обращения: 11.11.2015).
- Каталог продукции Testo AG [Электронный ресурс]. URL: https://www.testo.ru/ru/home/products/air_flow/pribory/gigrometry_vlagomery.jsp (дата обращения: 11.11.2015).
- Устройство для тарировки измерительных приборов дифференциального давления // Патент на изобретение № 2504747. 2014. Бюл. № 2 // Леонов Г. А., Цветков А. И., Щепанюк Б. А.
- Meriam Process Technologies [Электронныйресурс]. URL: http://www.meriam.com/product/m200ls-lab-standard-smart-manometer/ (дата обращения: 11.11.2015).
