АМ-70 — что это такое?

Принцип действия анемометра АМ-70 аналогичен принципу действия прямой напорной трубки Пито, подсоединенной шлангами к микроманометру.

В данном случае трубка жестко соединена с микроманометром, который собран в ручке первичного преобразователя прибора. Перепад давления ∆Р (Па), который возникает в трубке при наличии движения воздуха, преобразуется устройством в электрический сигнал, пропорциональный скорости потока V (м/с), в соответствии с известным выражением:

, где t_потока — температура потока

АД — атмосферное давление

КТ — коэффициент преобразования динамического давления трубки.

Способ измерения скорости воздушных и газовых потоков, который основан на применении пневмометрических напорных трубок в качестве первичных преобразователей является самым надежным, самым точным и поэтому самым распространенным. Два типа других массовых устройств аналогичного предназначения: термоанемометры и крыльчатые анемометры имеют принципиальные особенности, ограничивающие их область применения.

Термоанемометры хорошо подходят для измерения малых скоростей т.к. имеют высокую чувствительность (0,1 … 0,01) м/с, но эксплуатационная надежность их чрезвычайно низка из-за принципиальной «эфемерности» конструкции чувствительных элементов. Арматуру, удерживающую чувствительный элемент в потоке, т.е. диаметр датчика редко удается сделать меньше 10 мм. Существенные проблемы возникают так же при попытках измерять скорости более 20-30 м/с. Обычная цифра декларируемой погрешности — это ±5% от измеряемых значений скорости.

Крыльчатые анемометры более надежны в эксплуатации при средних скоростях, но перестают крутиться на малых, а при больших скоростях разваливаются. Принципиальным недостатком является размер датчика: чем меньше скорость, тем больше должен быть диаметр «крыльчатки». Эти устройства абсолютно не применимы для измерений тех случаях, когда для помещения датчика внутрь воздуховода необходимо сверлить отверстия, а так же в ситуациях тесных пространств, когда сам датчик (из-за своих больших размеров) является препятствием для потока и искажает его характеристики. Точность измерений крыльчатых анемометров несколько выше, чем у термоанемометров, но у основной массы устройств в паспортах нарисованы все те же ±5%.

Как термоанемометры так и крыльчатки мало пригодны для измерений в высокотемпературных потоках. Устройства получаются очень сложными и очень дорогими.

Таким образом, если ставить перед собой цель создания «абсолютного» многофункционального (для любых скоростей и любых условий применения) анемометра, то очевидно, что ориентироваться следует на напорный метод, т.е. на выражение (1). В этом случае мы сразу имеем минимальные размеры датчика и максимальную эксплуатационную надежность (пневмометрическая трубка — изделие довольно прочное, весьма терпимое к высоким температурам и атакующим ее твердым частицам). Погрешность 1% от измеряемых значений легко достижима, если учитывать температуру потока и величину атмосферного давления. Проблем с измерением больших скоростей нет вообще.

Есть проблемы с измерением малых скоростей. Если мы хотим закрыть рабочий 2 диапазон термоанемометров, то минимальной измеряемой величиной должна быть скорость равная 0,1 м/с. Подставим эту цифру в левую часть выражения (1), в правую часть подставим параметры потока соответствующие нормальным условиям: tпотока =23 ºС; АД = 760мм рт. ст.; Кт пусть будет равен 0,5 (средний коэффициент преобразования динамического давления прямой напорной трубки Пито-Прадтля). Решим это уравнение относительно ∆Р и получим величину 0,01 Па. Такую чувствительность должен иметь наш микроманометр (который в ручке). Причем эту величину нужно не только чувствовать, но и отчетливо различать на фоне шумовой и дрейфовой составляющей сигнала. Для решения этой задачи в АМ-70 применен емкостной дифференциальный малошумящий датчик перепадов давления фирмы ООО «ТестЭйр» (Патент № 2329479).

Процедура измерения осуществляется в два такта. В первом такте оба входа датчика давления с помощью пневматического переключающего клапана соединены между собой, происходит фиксация и запоминание выходного сигнала устройства в исходном состоянии. Во втором такте клапан подключает оба входа датчика давления к линии, т.е. к каналам напорной трубки, и так же происходит фиксация и запоминание выходного сигнала устройства. Электроника определяет разницу этих двух сигналов, которая очевидно пропорциональна ∆Р. Время одного измерения должно быть минимальным чтобы минимизировать ошибку из-за набега дрейфовой составляющей. В АМ-70 это время равно 1,5 секунды. Работа клапанного механизма не должна создавать в пневмоканалах паразитную компрессию маскирующую минимальные значения ∆Р (0,01 Па). Потребление энергии клапаном должно быть не большим, допускающим его установку в носимых устройствах. В доступном для нас предложении готовых изделий мы не нашли подходящего варианта, поэтому клапан пришлось придумать самим.

АМ-70 имеет верхнюю границу измеряемой скорости потока равную 70м/с. Перепад давления, который будет соответствовать такой скорости согласно выражению (1), равен примерно 6000 Па. Применяемый датчик перепадов давления имеет верхний предел по измеряемому давлению ±30000 Па, поэтому никаких проблем с этой стороны диапазона возникнуть не может в принципе.

Собранное устройство градуируется в аэродинамической установке как анемометр в единицах скорости потока (м/с), при этом снимаются все вопросы связанные с зависимостью коэффициента преобразования динамического давления приемника от той же самой скорости.

Как было сказано выше, если учитывать температуру потока и величину атмосферного давления, погрешность измерений скорости напорным методом может быть 1% и даже меньше. При разработке АМ-70 было принято решение не утяжелять схему прибора дополнительными каналами измерения этих параметров, а просто увеличить предел допускаемой абсолютной погрешности до уровня, который является приемлемым для основной массы пользователей — это те же самые ±5%. Ошибка измерения не превысит эту величину, если атмосферное давление будет находится в интервале 710 … 790 мм рт. ст., а температура потока в интервале 5 … 40 ºС. Если условия другие, то дополнительные измерения можно провести любыми подручными средствами и скорректировать результат с помощью выражения (1).

В заключение можем с гордостью сообщить, что выпуск этого прибора в разных модификациях мы осуществляем уже 10 лет. За это время было много случаев применения его в экстремальных условиях и по этим случаям не было ни одного плохого комментария.

к.т.н. Макаров Владимир Николаевич

+7-343-251-93-46

Июнь 2019 г.