Способ поверки роторных анемометров с применением измерителя динамического крутящего момента Российский патент 2017 года по МПК G01W1/18 G01P5/01 

Способ поверки роторных анемометров с применением измерителя динамического крутящего момента.

Изобретение относится к области измерительно-преобразующей техники и может быть использовано для поверки роторных анемометров.

Наиболее близким к изобретению является способ поэлементной калибровки анемометров путем измерений заданной скорости вращения и крутящего момента трогания оси анемометра с применением устройств Model 18802 Anemometer Drive и Model 18310 Propeller Torque Disc, входящих в состав Wind system calibration model 18860-90 фирмы RM Young Company.

Представленный аналог имеет следующие сходства с предлагаемым способом:

о Измеряется заданная скорость вращения оси анемометра.

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата:

• Выполняется измерение крутящего момента перевода из состояния покоя в состояние движения, что характеризует порог чувствительности; погрешность измерения скорости воздушного потока по диапазону, характеризуемая трением оси анемометра, не определяется.

• Погрешность измерения скорости воздушного потока по диапазону, характеризуемая, аэродинамической характеристикой воздушного винта, не определяется.

Известно устройство патент №2326357 от 04.02.2004 г. на изобретение «Измеритель крутящего момента».

Представленный аналог имеет следующие сходства с предлагаемым устройством для реализации способа поверки роторных анемометров:

о Измеритель крутящего момента располагается в канале передачи мощности между вращающимися приводом и нагрузочным валом.

о Чувствительный элемент деформируется в ответ на измеряемый крутящий момент.

о Измеритель крутящего момента имеет бесконтактную систему отсчета, регистрирующую угловое смещение чувствительного элемента.

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата:

• Сложность конструкции и отсутствие универсальности.

• Применяемые чувствительные элементы и их расположение не обеспечивают высокую разрешающую способность.

Задачей и техническим результатом изобретения является разработка способа определения метрологических характеристик роторных анемометров, направленного на повышение эффективности поверки, с воспроизведением усилий, развиваемых электродвигателем, эквивалентных создаваемым в аэродинамической установке.

Осуществление предлагаемого способа основано на замещении последовательности традиционных преобразований, выполняемых роторными анемометрами:

1) воздушный поток оказывает аэродинамическую нагрузку на воздушный винт, пропорциональную скорости;

2) воздушный винт преобразует оказываемую аэродинамическую нагрузку в угловую скорость пропорциональную шагу (воздушного винта);

3) трение на оси воздушного винта создает тормозящий момент, вызывающий понижение угловой скорости следующим образом:

1) предлагаемым устройством на оси анемометра с установленным воздушным винтом создавать усилия, эквивалентные аэродинамическим нагрузкам, создаваемым воздушными потоками различных скоростей;

2) фиксировать задаваемые скорости воздушных потоков, предлагаемым устройством (или анемометром);

3) предлагаемым устройством на оси анемометра без установленного воздушного винта измерять создаваемые усилия на различных угловых скоростях.

Учет аэродинамической характеристики воздушного винта и динамической характеристики оси анемометра выполняется путем сравнения с номинальными крутящими моментами. Коэффициенты функции зависимости номинальных крутящих моментов от скорости воздушного потока могут быть предоставлены производителем роторного анемометра, или определены теоретически, или определены экспериментально.

При вращении с постоянной скоростью роторного анемометра предлагаемым устройством передаваемый крутящий момент (М) от двигателя и измеряемый предлагаемым устройством будет складываться из момента силы трения (М_тр) (направлен в противоположную сторону относительно М) на оси анемометра (теоретически не зависит от скорости вращения) и крутящего момента М_кр, необходимого для вращения винта. Так как поверка делается при постоянной угловой скорости (угловое ускорение ε=0), то крутящий момент М_винта, обусловленный инерцией воздушного винта (J) М_винта=J×ε также равен нулю.

Крутящий момент, необходимый для вращения винта, вычисляется по формуле

где β - аэродинамический коэффициент;

ρ - плотность воздуха;

D - диаметр винта;

n_s - обороты винта в секунду.

С учетом формулы (1) суммарный крутящий момент будет вычисляться по формуле

Как видно из формулы (2), суммарный крутящий момент пропорционален квадрату скорости вращения. Таким образом, задавая крутящий момент М₁, эквивалентный скорости вращения , и измерив воспроизводимую скорость , - получаем погрешность измерения скорости воздушного потока , где k_пр - коэффициент преобразования скорости вращения оси анемометра в скорость воздушного потока.

При отрицательном результате поверки (погрешность скорости воздушного потока ΔV превышает предел допустимой погрешности), выполнив измерения крутящего момента на оси анемометра без воздушного винта и с воздушным винтом, можно выявить составляющие погрешности, возникающие на оси и на воздушном винте.

Коэффициенты функции зависимости (β и М_тр) номинальных крутящих моментов от скорости воздушного потока могут быть определены экспериментально следующим образом.

Берется группа датчиков (относящихся к одному типу средств измерений), для которых определяются значения измеряемых скоростей воздушного потока от заданных в аэродинамической трубе (V_изм=ƒ₁(V_зад)); определяются значения измеряемых скоростей воздушного потока от заданных крутящих моментов (V_изм=ƒ₂(М_зад)), а также без воздушного винта (V_изм=ƒ₃(М_зад)) предлагаемым устройством. На основе полученных данных методом наименьших квадратов определяются искомые коэффициенты.

Фиг. 1 - устройство для осуществления способа поверки роторных анемометров 9 (вид сбоку). На фигуре изображено расположение основных элементов устройства для измерений частоты вращения вала и создаваемого крутящего момента на нем.

На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа поверки роторных анемометров 9. Устройство состоит из двух дисков 3 и 4, обеспечивающих фиксацию положения и соосное вращение относительно друг друга. Между дисками 3 и 4 расположена плоская спиральная пружина 5, внутренний конец которой закреплен на диске 3, внешний - на диске 4, угловое смещение дисков 3 и 4 может составлять несколько оборотов. На дисках 3 и 4 расположены метки 7, предназначенные для фиксации системой отсчета 6 относительного смещения дисков 3 и 4 при вращении вала 1 (2) под действием нагрузки на вал 2 (1). Диск 8 обеспечивает свободное вращение диска 4 и фиксацию его положения относительно системы отсчета 6.

Зависимость угла скручивания (угол между метками 7) от векторной разности крутящих моментов на валах 1 и 2 определяется калибровкой плоской спиральной пружины 5. Угловая скорость вращения дисков 3 и 4 определяется калибровкой системы отсчета 6.

Изобретения относятся к области измерительно-преобразующей техники и могут быть использованы для поверки роторных анемометров. Способ позволяет проводить поверку роторного анемометра непосредственно на месте его эксплуатации. Устройство для осуществления способа содержит образцовый торсиометр с системой отсчета показаний, электродвигатель и контроллер. При этом вращение оси анемометра осуществляется электродвигателем через образцовый торсиометр. Скручивание торсиометра пропорционально крутящему моменту, создаваемому на оси анемометра. Система отсчета расположена вне торсиометра и позволяет измерять частоту вращения анемометра и угол скручивания. Крутящий момент, создаваемый на оси анемометра, имеет две составляющие, обусловленные трением оси анемометра и аэродинамическими характеристиками воздушного винта. Отклонение крутящего момента от номинального для каждой из моделей анемометров в рабочем диапазоне скорости вращения служит критерием годности. Технический результат заключается в упрощении процедуры поверки анемометра. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ поверки роторных анемометров, заключающийся в том, что поверку производят посредством сравнения показаний крутящего момента на вращающейся оси поверяемого датчика, отсчитанных с образцового торсиометра, с номинальной характеристикой анемометра, отличающийся тем, что учитываются аэродинамическая характеристика воздушного винта и динамическая характеристика оси анемометра.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее образцовый торсиометр с системой отсчета показаний, электродвигатель и контроллер, отличающееся тем, что чувствительный элемент торсиометра выполнен из спиральной пружины и имеет многооборотную шкалу, а система отсчета - высокое разрешение.