Экспериментальная проверка динамических характеристик системы измерения пульсационного давления

Введение. Динамическое давление измеряется во многих сферах жизнедеятельности человека. Разместить датчик непосредственно в точке приемника давления часто не представляется возможным. Приходится использовать соединительные трубки. Рассматривается диагностика измерительной системы для получения динамических характеристик потока в модели водосбросного тракта гидротурбины. Цель исследования — определение оптимальной длины соединительной трассы и проверка передаточных характеристик используемой измерительной системы.

Материалы и методы. Для диагностики измерительной системы создан специальный стенд. Программное обеспечение для обработки сигналов реализовано в среде графического программирования LabVIEW. Алгоритмом преобразования сигналов датчиков из области времени в область частот являлось дискретное преобразование Фурье. В измерительной системе применялись датчики давления XGZP6857A. Использовался аналого-цифровой преобразователь NI USB 6225. Калибровка выполнялась стандартным методом путем проведения «эталонных» экспериментов в аэродинамической установке AeroLab. Эталонным прибором стал дифференциальный цифровой манометр ЭКО-ИНТЕХ ДМЦ-01М.

Результаты. По итогам проведенных опытов получены значения пульсаций давления при шести различных длинах соединительных трубок. В экспериментах использовались соединительные трубки следующих длин: 20, 40, 70, 150, 400, 900 мм. Пульсации давления записывались в диапазоне от 0 до 70 Гц с шагом 10 Гц. При дальнейшем анализе сигналов были получены спектры пульсаций давления и зависимости амплитуды пульсаций давления от длины соединительной трубки.

Выводы. Описанный стенд может применяться для динамической калибровки датчиков давления в диапазоне частот до 70 Гц при различной длине соединительных трубок. Измерительная система, рассмотренная в статье, может быть использована для получения динамических характеристик потока в модели водосбросного тракта гидротурбины при применении медных соединительных трубок до 400 мм длиной.

1. Tey A.J.D., Vicarioli G.G., Rodríguez J.E.M. Development of a dynamic standard of pressure // 18th International Congress of Metrology. 2017. P. 14002. DOI: 10.1051/metrology/201714002

2. Gaetani P., Persico G. Technology Development of Fast-Response Aerodynamic Pressure Probes // International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power. 2020. Vol. 5. Issue 2. P. 6. DOI: 10.3390/ijtpp5020006

3. Amer E., Jönsson G., Arrhen F. Towards traceable dynamic pressure calibration using a shock tube with an optical probe for accurate phase determination // Metrologia. 2022. Vol. 59. Issue 3. P. 035001. DOI: 10.1088/1681-7575/ac5db5

4. Kutin J., Svete A. Connecting volume effects on dynamics of pneumatic pressure measurement systems // ACTA IMEKO. 2020. Vol. 9. Issue 5. P. 315. DOI: 10.21014/acta_imeko.v9i5.991

5. Svete A., Kutin J. Optimal dimensions of connecting tubes for dynamic measurements of pressure // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1065. P. 162006. DOI: 10.1088/1742-6596/1065/16/162006

6. Pereira J.D. Pressure Sensors: Working Principles of Static and Dynamic Calibration // Sensors. 2024. Vol. 24. Issue 2. P. 629. DOI: 10.3390/s24020629

7. Bajsić I., Kutin J., Žagar T. Response time of a pressure measurement system with a connecting tube // Instrumentation Science & Technology. 2007. Vol. 35. Issue 4. Pp. 399–409. DOI: 10.1080/107391-40701436579

8. Dos Reis E., de Gaspari C.A. On measuring dynamic pressure in multiphase flows // 19th International Congress of Mechanical Engineering. 2007.

9. Venkatasubramanian V., Rengaswamy R., Yin K., Kavuri S.N. A review of process fault detection and diagnosis // Computers & Chemical Engineering. 2003. Vol. 27. Issue 3. Pp. 293–311. DOI: 10.1016/s0098-1354(02)00160-6

10. Elgeneidy K., Lohse N., Jackson M. Bending angle prediction and control of soft pneumatic actuators with embedded flex sensors — a data-driven approach // Mechatronics. 2017. Vol. 50. Pp. 234–247. DOI: 10.1016/j.mechatronics.2017.10.005

11. Zeng W., Jacobi I., Beck D.J., Li S., Stone H.A. Characterization of syringe-pump-driven induced pressure fluctuations in elastic microchannels // Lab on a Chip. 2015. Vol. 15. Issue 4. Pp. 1110–1115. DOI: 10.1039/c4lc01347f

12. Theodoro F.R.F., da Costa Reis M.L.C., d’Andra-de Souto C., de Barros E. Dynamic calibration of pressure transducers employed in the aerospace sector : a literature survey // 22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013). 2013.

13. Svetea A., Štefea M., Mačeka A., Kutin J., Bajsić I. Dynamic pressure generator for dynamic calibrations at different average pressures based on a double-acting pneumatic actuator // Sensors and Actuators A: Physical. 2016. Vol. 247. Pp. 136–143. DOI: 10.1016/j.sna.2016.05.031

14. Pieniążek J., Ciecinski P., Ficek D., Szumski M. Dynamic Response of the Pitot Tube with Pressure Sensor // Sensors. 2023. Vol. 23. Issue 5. P. 2843. DOI: 10.3390/s23052843

15. Kutin J., Svete A. On the theory of the frequency response of gas and liquid pressure measurement systems with connecting tubes // Measurement Science and Technology. 2018. Vol. 29. Issue 12. P. 125108. DOI: 10.1088/1361-6501/aae884

16. Li R., Lin S., Ge N., Gao L. Nonembedded measurement method based on amplitude correction for unsteady surface pressure estimation in a high-subsonic compressor cascade // Measurement. 2023. Vol. 222. P. 113685. DOI: 10.1016/j.measurement.2023.113685

17. Кузнецов С.А., Мясникова М.Г., Панов А.П., Цыпин Б.В. Выбор методов спектрального оценивания для системы контроля динамических характеристик датчиков давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2015. № 2 (12). С. 45–51. EDN UKSFCJ.

18. Бушуев О.Ю. Применение метода Прони для анализа выходных сигналов преобразователей давления // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. 2012. № 23 (282). С. 219–221. EDN PBBCTB.

19. Мясникова Н.В., Панов А.П., Цыпин Б.В. Система для исследования характеристик датчиков динамического давления // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2013. № 4 (6). С. 32–36. EDN RWVLJT.

20. Бушуев О.Ю., Семенов А.С., Шестаков А.Л. Экспериментальная оценка динамических характеристик тензопреобразователей давления // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Приборостроение. 2011. № 1 (82). С. 88–97. EDN NDXJPB.