Medición de la velocidad del flujo de aire con instrumentos de prueba en túnel de viento
Tubo de Pitot y tubo de presión estática
El instrumento más utilizado para medir la velocidad del flujo de aire es el tubo de Pitot. Un tubo de Pitot es un tubo cilíndrico que está abierto en un extremo y conectado a un manómetro en el otro extremo y se utiliza para medir la presión total del aire. Este tipo de tubo fue utilizado por H. Pito en 1872 para medir la relación entre la profundidad del agua del río y la velocidad del flujo. Tubo Pitot: un tubo de presión estática no solo detecta la presión total del flujo de aire, sino que también mide simultáneamente la presión estática del flujo de aire, como un tubo Pitot. La Figura 5 es un diagrama esquemático de un tubo de presión estática de Pitot típico utilizado a bajas velocidades subsónicas. Tiene tubo interior y tubo exterior. El tubo interior mide la presión total. El orificio de presión estática se abre en el tubo exterior a cierta distancia de la cabeza. Según la ecuación de Bernoulli (ver teorema de Bernoulli), la velocidad se puede obtener convirtiendo la diferencia de presión medida por el orificio de presión total y el orificio de presión estática. Se puede utilizar para medir velocidades desde 1 ~ 2 m/s hasta por debajo de la velocidad crítica. El extremo frontal de este tipo de tubería es en su mayor parte semiesférico y el orificio de presión total está en el eje, lo que no es sensible a la forma de la tubería. El orificio de presión estática se ve muy afectado por el extremo y la varilla de soporte detrás de él. Debido al efecto contrario, este efecto se puede reducir con un diseño cuidadoso. Para reducir la influencia de la desviación de la dirección del flujo de aire, a veces se pueden abrir múltiples orificios de presión estática a lo largo de la dirección circunferencial. Para evitar errores causados por el diseño y el procesamiento, se deben realizar correcciones antes de su uso.
Figura 5 Diagrama esquemático de una tubería de presión estática completa
Anemómetro de hilo caliente
Tienen instrumentos para medir la velocidad, temperatura y densidad del aire basados en principios de medición no eléctricos. Se ha utilizado durante 70 años durante muchos años. Su sensor (comúnmente conocido como sonda) es un delgado alambre metálico cuya longitud es mucho mayor que su diámetro, o una película metálica muy delgada llamada película térmica. Al medir, coloque el cable caliente o la película caliente en el flujo de aire a medir, y conéctelo a un brazo del puente al mismo tiempo, y caliéntelo con corriente para que la temperatura del cable caliente o la película caliente sea mayor. que la temperatura del medio del flujo de aire a medir. Los cambios en el estado del flujo de aire provocan cambios en la transferencia de calor entre el alambre caliente o la película caliente y el medio del flujo de aire, lo que hace que cambie el voltaje en ambos extremos del alambre caliente o la película caliente. A partir de esto, los valores promedio e instantáneo. Se puede medir la velocidad del flujo de aire, la temperatura o la densidad. El anemómetro de hilo caliente tiene dos circuitos: uno es del tipo de temperatura constante, que mantiene constante la temperatura del hilo caliente; el otro es una corriente constante que mantiene el hilo caliente. El cambio de voltaje a través del cable caliente generalmente se mide después de la amplificación y compensación. Las señales eléctricas medidas anteriormente se procesaron mediante simulación eléctrica. En los últimos años, las señales eléctricas medidas con cables o películas calientes se introducen en ordenadores electrónicos para su procesamiento, lo que da como resultado una mayor precisión de medición y, por tanto, una gama más amplia de aplicaciones. El diámetro del alambre caliente es de sólo 1 ~ 5 micrones; la longitud es de sólo 0,5 ~ 1 mm. El espesor de la película térmica es de sólo 5 ~ 10 nm. El material del alambre caliente es platino o tungsteno, o alambre de aleación de platino-rodio que contiene rodio, o alambre Wollaston plateado. Los materiales de película caliente son en su mayoría platino o níquel y, a veces, se rocía sobre ellos una capa de 2 a 5 micrones para medir en líquidos conductores.
Velocímetro láser Doppler
Un dispositivo que utiliza el efecto de desplazamiento Doppler de la luz y utiliza el láser como fuente de luz para medir la velocidad de gases, líquidos y sólidos. En 1842, el físico austriaco C. Doppler descubrió el efecto Doppler de las ondas sonoras. 1905 A. Einstein señaló en su teoría especial de la relatividad que el efecto Doppler también se produce en las ondas luminosas. Cuando la luz se dispersa sobre partículas en movimiento, la frecuencia de la luz dispersada cambia en relación con la frecuencia de la luz incidente. El cambio de frecuencia es proporcional a la velocidad de las partículas en movimiento. Cuando el diámetro de las partículas dispersantes en el campo de flujo es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la luz incidente y el peso de las partículas dispersantes es cercano al peso de las partículas en el campo de flujo circundante, la velocidad de movimiento de las partículas dispersas representa básicamente la velocidad de flujo local del campo de flujo. En 1964, Y. Ye y H. Cummings de los Estados Unidos informaron por primera vez sobre el uso del efecto de desplazamiento Doppler del láser para medir la velocidad del fluido.
El velocímetro láser Doppler incluye sistema óptico y sistema de procesamiento de señales. El sistema óptico irradia el rayo láser sobre las partículas que se mueven con el fluido, de modo que la luz dispersada desde el punto medido (cuerpo) se concentra en el receptor fotoeléctrico. Según la forma de recibir la luz dispersa, los sistemas ópticos se pueden dividir en tipo de dispersión directa, tipo de dispersión trasera y tipo de dispersión mixta. Según la estructura óptica, se puede dividir en tipo de luz de referencia, tipo de doble dispersión, tipo de franja y tipo de luz polarizada. La Figura 6 es un diagrama esquemático del tipo de doble dispersión directa. El receptor fotoeléctrico (tubo fotomultiplicador, fotodiodo de silicio, etc.) recibe dos ondas de luz dispersas que cambian con el tiempo. La frecuencia de la señal de salida después de la mezcla es la diferencia de frecuencia de las dos partes de las ondas de luz, que es proporcional al flujo. tasa. El sistema de procesamiento de señales se utiliza para detectar la información real que refleja el caudal de varios ruidos y convertirla en cantidades analógicas o digitales para su posterior procesamiento o visualización. Los procesadores de señales de uso común incluyen analizadores de frecuencia, rastreadores de frecuencia y procesadores de conteo. En principio, el velocímetro láser Doppler es el único medio para medir directamente la velocidad. Puede usarse para medir la velocidad local, la velocidad promedio, la intensidad de la turbulencia y la pulsación de velocidad en experimentos en túnel de viento. Es adecuado para estudiar la onda de choque y la zona de interferencia de separación de la capa límite, el campo de velocidad del rotor, la capa límite con eyector y el flujo de alta temperatura. El rango de medición de velocidad del instrumento o dispositivo de medición de velocidad es de 0,05 cm/s a 2000 m/s. La medición de alta velocidad está limitada por el rango de respuesta de frecuencia del dispositivo optoelectrónico. En los experimentos, a veces es necesario utilizar dispositivos especiales de difusión de partículas para mezclar partículas de diferentes tamaños en el flujo de aire. Debido a la influencia de la inercia de las partículas en dispersión, la velocidad de las partículas va por detrás de la velocidad del fluido, por lo que la precisión de la medición de la velocidad es baja, especialmente cuando la turbulencia es grande.
Figura 6 Diagrama esquemático del velocímetro láser Doppler (tipo de doble dispersión directa)
Dispositivo de detección itinerante
Recoge múltiples voltajes en un orden determinado o de forma aleatoria o Un dispositivo que convierte señales actuales (llamadas señales analógicas) en cantidades digitales binarias o decimales (denominadas dispositivos de detección).
La cantidad analógica de entrada del dispositivo de inspección y detección es enviada por el dispositivo de conversión de detección (como sensor, equilibrio de fuerza) a través de la línea de transmisión, y su cantidad digital de salida se envía al procesamiento por computadora u otro equipo de grabación (como impresora, perforadora, cinta, etc.) para grabar. Su ubicación en el sistema de prueba del túnel de viento se muestra en la Figura 7. El dispositivo de inspección generalmente consta de un muestreador, un amplificador de datos, un convertidor analógico a digital, un filtro, una pantalla, una interfaz y un controlador (Figura 8). Un muestreador es un interruptor electrónico o mecánico controlado por programa que recopila un valor variable continuo periódicamente o en cualquier intervalo de tiempo. El muestreador se compone de un interruptor de muestreo, un contador de canales, un decodificador de canales, un contador de bucles, un reloj y otros componentes. Los muestreadores pueden funcionar a velocidades que van desde decenas de veces por segundo hasta decenas de miles por segundo. Un amplificador de datos es un componente que amplifica la señal de entrada. Generalmente, unos pocos milivoltios se pueden amplificar a varios voltios y luego enviarlos a un convertidor analógico a digital. También puede suprimir señales de interferencia y extraer de ellas señales útiles. Los convertidores analógico-digital (A/D) convierten voltajes analógicos en voltajes digitales (discretos). Hay muchos tipos, el más utilizado se llama convertidor analógico a digital de comparación de retroalimentación, que consta de un comparador, un convertidor analógico a digital (que incluye un interruptor decodificador, una red de resistencias y un convertidor digital). registro), un generador de ritmo, un controlador de conversión, una fuente de voltaje de referencia y compuesto por una fuente de pulso. La función del filtro es filtrar señales inútiles de la fuente de señal. Los filtros compuestos por resistencias, condensadores o inductores se denominan filtros pasivos; los filtros compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores se denominan filtros digitales y son procesados por computadoras para eliminar las señales de interferencia. La pantalla es un componente que muestra los parámetros medidos. Consta de un interruptor de visualización de selección de puntos, una unidad aritmética de binario a decimal, un decodificador y un tubo digital. Cuando se interconectan dos dispositivos diferentes, la interfaz es la parte de conmutación. La transmisión de información y la coordinación mutua entre los distintos componentes del dispositivo de detección las completa el controlador.
Figura 7 Ubicación del dispositivo de inspección de patrulla en el sistema de prueba del túnel de viento
La Figura 8 es un diagrama de bloques del equipo de prueba del circuito.