ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ СКОРОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОАНЕМОМЕТРА В ТУРБУЛЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКАХ
Аннотация
Изучение основных процессов, протекающих в атмосфере, представляет значитель-
ный интерес для науки. Наблюдение за физическими процессами в большинстве случаев
осуществляется с помощью инструментального способа, основанного на введении в иссле-
дуемую среду измерительного зонда, в качестве которого широко используются термо-
анемометрические преобразователи. Целью данной работы являются определение и анализ
источников погрешностей результатов измерений, полученных с помощью термоанемо-
метра постоянной температуры в турбулентных газовых потоках и разработка рекомен-
даций по их минимизации. В статье рассмотрены источники погрешностей, возникающие
при измерении термоанемометром постоянной температуры в турбулентных газовых
потоках, а так же приведены предложения по их минимизации. Рассмотренные источники
погрешностей условно разделены на два типа. Погрешности первого типа обусловлены
использованием некорректных алгоритмов обработки выходного сигнала термоанемо-
метр, а второго типа - особенностями работы датчика в системе обратной связи. Опре-
делено, что для устранения погрешности первого типа, необходимо исключить в схеме
термоанемометра интегрирующие цепи, ослабляющие амплитуду турбулентных пульса-
ций. Погрешность второго типа возникает вследствие асимметричной реакции термо-
анемометра постоянной температуры на увеличение и уменьшения скорости потока, т.е.
на нагрев и охлаждение чувствительного элемента (датчика). Погрешность второго типа
зависит от скорости потока, интенсивности турбулентности и спектра пульсаций ско-
рости. Как и погрешность первого типа, компенсация данной погрешности требует спе-
циальных технических решений при разработке электронной схемы термоанемометрапостоянной температуры. Для решения этой задачи были исследованы динамические ха-
рактеристики термоанемометра в динамических условиях с использованием аэродинами-
ческого стенда, создающего стратифицированный воздушный поток, моделирующий сту-
пенчатый испытательный сигнал, путем быстрого перемещения датчика ТА постоянной
температуры между двумя стратами. Полученные результаты могут использоваться для
разработки устройств и программ при измерениях в турбулентных потоках.
Литература
temperatury potokov gaza i zhidkosti [Measuring microprocessor systems for the speed and
temperature of gas and liquid flows]. Donetsk: GVUZ «DonNTU», 2012, 226 p.
2. Pometun E.D., Kuznetsov D.N. Sravnenie chuvstvitel'nosti termoanemometrov dvukh tipov:
impul'snogo i postoyannoy temperatury [Comparison of the sensitivity of two types of
thermoanemometers: pulse and constant temperature], Sistemnyy analiz i informatsionnye
tekhnologii v naukakh o prirode i obshchestve [System analysis and information technologies
in the natural and social Sciences], 2013, No. 1 (4)–2 (5), pp. 107.
3. Yarin L.P., Genkin A.L., Kukes V.I. Termoanemometriya gazovykh potokov
[Thermoanemometric gas streams]. Leningrad: Mashinostroenie, Leningr. otd-nie, 1983, 198 p.
4. Ukrainskiy Yu.D. Approksimatsiya stepennoy funktsiey teplootdachi termistora v rezhime
datchika termoanemometra postoyannoy temperatury [Approximation by a power function of
thermistor heat transfer in the mode of a constant temperature thermoanemometer sensor],
Tezisy dokladov [Abstracts of reports]. Melekino, 2002, 3 p.
5. Rifai D., Ibrahim M.T., Abdalla A.N., Khamshah N., Wahid S.R. Temperature compensation
of hot wire mass air flow sensor by using fuzzy temperature compensation scheme, Scientific
Research and Essays, No. 8 (4), pp. 178-188.
6. Ball S.J., Ashforth-Frost S., Jambunathan K., Whitney C.F. Appraisal of a hot-wire compensation
technique for velocity measurements in non-isothermal flows, International Journal of
Heat and Mass Transfer, 1999, Vol. 42, pp. 3097-3102.
7. Miheev N.I., Molochnikov V.M., Kratirov D.V., Hayrnasov K.R., Zanko P.S. Hot-wire
measurements with automatic compensation of ambient temperature change, Thermal science,
2015, Vol. 19, No. 2, pp. 509-520.
8. Pometun E.D., Lebedev V.N. Issledovanie funktsiy approksimatsii graduirovochnoy
kharakteristiki termoanemometra v neizotermicheskom gazovom potoke [Research of functions
of approximation of the calibration characteristic of a thermoanemometer in a nonisothermal
gas stream], Sb. nauchnykh trudov «Sistemnyy analiz i informatsionnye tekhnologii
v naukakh o prirode i obshchestve» [Collection of scientific papers "System analysis and information
technologies in the natural and social Sciences"], 2015, No. 1 (8)–2 (9)'.
9. Opredelenie dinamicheskikh kharakteristik analogovykh SI s sosredotochennymi parametrami:
MI 2090-90 [Vved. 01.01.90] [Determination of dynamic characteristics of analog SI with concentrated
meters: MI 2090-90 [Introduction 01.01.90]]. Moscow: Izd-vo standartov, 1990, 34 p.
10. Bolonov M.І., Chupіs D.A., Kuznetsov D.M. Sposіb pryamogo viznachennyadinamіchnikh
kharakteristik termoperetvoryuvachіv [Method for direct determination of dynamic characteristics
of thermal converters], Patent 95326 U. Ukraїna, MPK G01P 21/00, G01K 15/00; applicant
and patent holder Donetsk national University. No. u201405589; announced 26.05.2014;
published 25.12.2014, Bull. No. 24.
11. Pometun E.D., Bolonov N.I., Belousov V.V., Lebedev V.N. Modelirovanie funktsii KHevisayda v
rabochey chasti aerodinamicheskoy truby [Modeling of the Heaviside function in the working
part of the wind tunnel], Sb. statey 9-y mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii
«Sostoyanie i perspektivy razvitiya sel'skokhozyaystvennogo mashinostroeniya» [Collection of articles
of the 9th international scientific and practical conference "State and prospects of development
of agricultural engineering"]. Rostov-on-Don: DGTU, 2016, pp. 267-269.
12. Pometun E.D., Bolonov N.I., Lebedev V.N. Optimizatsiya suzhayushchego ustroystva dlya
modelirovaniya funktsii Khevisayda v rabochey chasti aerodinamicheskoy truby [Optimization of
the constricting device for modeling the Heaviside function in the working part of the wind tunnel
], Mater. I Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii (Donetsk, 16-18 maya 2016 g.) [Materials
of the I International scientific conference (Donetsk, may 16-18, 2016)]. Vol. 1. Fizikomatematicheskie,
tekhnicheskie nauki i ekologiya [Physico-mathematical, technical Sciences and
ecology], ed. by prof. S.V. Bespalovoy. Rostov-on-Don: Izd-vo YuFU, 2016, pp. 184-186.
13. Eichstädt S. Analysis of Dynamic Measurements - Evaluation of dynamic measurement uncertainty,
2012.
14. Dichev D., Koev H., Bakalova T., Louda P. A Model of the Dynamic Error as a Measurement
Result of Instruments Defining the Parameters of Moving Objects, Measurement Science Review,
2014, Vol. 14 (4), pp. 183-189.
15. Elster C., Link A. Analysis of dynamic measurements: compensation of dynamic error and
evaluation of uncertainty, In Advanced Mathematical & Computational Tools in Metrology
VIII, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, 2009, Vol. 78, pp. 80-89.
World Scientific New Jersey.
16. Kuznetsov D.N., Chupis D.A. Issledovanie fizicheskoy modeli stupenchatogo ispytatel'nogo
vozdeystviya dlya opredeleniya dinamicheskikh kharakteristik termopreobrazovateley [Research
of a physical model of step-by-step test action for determining the dynamic characteristics
of thermal converters], Nauchnye trudy DonNTU. Seriya: vychislitel'naya tekhnika i
avtomatizatsiya [Scientific works of DonNTU. Series: computer engineering and automation],
2016, No. 1 (26), pp. 202-209.
17. Esward T.J., Elster C., Hessling J.P. Analysis of dynamic measurements: new challenges
require new solutions, in Proc. of XIX IMEKO World Congress on Fundamental and Applied
Metrology, 2009.
18. Pometun E.D. Obrabotka vykhodnogo signala termoanemometra postoyannoy temperatury v
real'nom masshtabe vremeni s ispol'zovaniem programmnogo obespecheniya NI LabVIEW
[Processing the output signal of a constant temperature thermoanemometer in real time using
NI LabVIEW software], Mater. Mezhdunarodnogo molodezhnogo nauchnogo foruma
«LOMONOSOV-2019» [Materials of the international youth scientific forum
"L M N S V-2019"], resp. ed. I.A. Aleshkovski , A.V. Andriyanov, E.A. Antipov. Moscow:
MAKS Press, 2019, pp. 200-202.
19. Brunn H.H. Linearization and hot wire anemometry, Journal of Physics & Scientific Instruments,
1971, Vol. 4, pp. 815-820.
20. Chen J., & Chang Liu. Development and characterization of surface micromachined, out-ofplane
hot-wire anemometer, Journal of Microelectromechanical Systems, 2003, No. 12 (6),
pp. 979-988. Doi: 10.1109/jmems.2003.820261.
