Способ определения мгновенной скорости ветрового потока

Изобретение относится к метрологии и предназначено для определения мгновенных значений скорости ветра. Способ определения мгновенной скорости ветрового потока заключается в измерении угловой скорости вращения турбинки, установленной в потоке, при этом перед определением скорости ветрового потока находят момент инерции турбинки, зависимость скорости ветрового потока от измеряемой угловой скорости вращения турбинки в установившемся режиме, зависимость первой производной суммарной мощности сил, действующих на вал турбинки при установившемся режиме, по скорости ветрового потока от измеряемой угловой скорости вращения турбинки, и задают временной интервал, через который производятся измерения, а в процессе определения скорости ветрового потока измеряют мгновенные значения угловой скорости вращения турбинки и рассчитывают мгновенные значения скорости ветрового потока по формуле. Техническим результатом является повышение точности измерений.

 

Изобретение относится к метрологии и предназначено для определения уточненных мгновенных значений скорости ветра.

Известен анемометр (Патент РФ №2063045, класс G 01 Р 5/06, 1996), в котором рабочий орган представляет собой ротор с вертикальной осью и S-образными лопастями, при этом лопасти каждого яруса устанавливаются под углом 90° по отношению друг к другу, что обеспечивает повышение чувствительности.

Основными недостатками известного устройства является влияние инертности устройства на получаемые результаты измерений.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ измерения скорости потока (Патент РФ 2173467, класс G 01 Р 5/06, 2001). Данное устройство используется для измерения скоростей и расходов жидкостей и газов и обладает повышенной чувствительностью в широком диапазоне. Способ измерения основан на измерении угловой скорости вращения турбинки, установленной в потоке, путем определения электрических параметров генератора, подключенного к ней. Устройство содержит турбинку, генератор, подсоединенный к турбинке, генератор пилообразного тока, аналого-цифровые преобразователи, микрокомпьютер и дисплей. Недостатком данного устройства является наличие в схеме аналого-цифрового преобразователя, который может давать погрешность измерения из-за недостаточной чувствительности. Также к недостатку можно отнести ограничение использования электрогенератора для исследования частоты вращения, поскольку при невысоких оборотах ток, вырабатываемый им, при незначительном росте числа оборотов дает значительное увеличение тока; при высоком числе оборотов их увеличение не дает значительного роста выработки тока, а при некотором пороговом значении числа оборотов дальнейшее увеличение их числа не дает роста выработки тока вообще.

Задачей изобретение является получение уточненных мгновенных значений скорости ветрового потока.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения мгновенной скорости ветрового потока путем измерения угловой скорости вращения турбинки, установленной в потоке, согласно изобретению перед определением скорости ветрового потока находят момент инерции турбинки, зависимость скорости ветрового потока от измеряемой угловой скорости вращения турбинки в установившемся режиме, зависимость первой производной суммарной мощности сил, действующих на вал турбинки при установившемся режиме, по скорости ветрового потока от измеряемой угловой скорости вращения турбинки и задают временной интервал, через который производятся измерения, а в процессе определения скорости ветрового потока измеряют мгновенные значения угловой скорости вращения турбинки и рассчитывают мгновенные значения скорости ветрового потока по формуле

где

J - момент инерции турбинки, кг·м²,

Δt - временной интервал, через который производятся измерения, сек,

ω(t) - измеряемая скорость вращения турбинки, рад/сек,

t₀ - предыдущий момент времени, сек,

t₀+Δt - текущий момент времени, сек,

ν_уст(ω) - значения скорости ветрового потока от измеряемой скорости вращения турбинки для установившегося режима движения, м/сек,

ν(t₀+Δt) - мгновенная скорость ветрового потока при неустановившемся режиме движения, м/сек,

- первая производная суммарной мощности сил, действующих на вал турбинки при установившемся режиме ее вращения по скорости потока, Н·м/(м/сек).

В общем случае суммарная мощность сил N, действующих на вал турбинки, пассивно помещенной в поток, зависит в каждый момент времени t от двух основных величин - скорости ветрового потока ν(t) и угловой скорости вращения вала установки ω(t):N(t)=N(ω(t),ν(t)).

В установившемся режиме при изменении времени t от t₀ до t₀+Δt при постоянной скорости ветра ν=const угловая скорость вращения вала установки совершает незначительные колебания вокруг некоторого среднего значения. Пренебрегая ими ω можно считать постоянной и равной ω_уст(ν)=const. При установившемся режиме каждому значению скорости ветра ν=const соответствует единственное значение угловой скорости вращения вала установки ω и наоборот. Обозначим обратную зависимость через ν_уст(ω). Таким образом, установившийся режиме накладывает связь на величины ν(t) и ω(t) и можно независимой в данном случае считать только одну из них. Уравнение движения свободной турбинки для установившегося режима в интегральной форме имеет вид

где J - момент инерции турбинки,

N(ω(t), ν₀(t)) - суммарная мощность сил, действующих на вал турбинки.

Поскольку левая часть равна нулю, то в силу произвольности Δt следует, что для установившегося режима N(t)=N(ω(t), ν₀(t))=0. Также отличительной особенностью установившегося режима является то, что инертность вала не влияет на зависимость ω(ν).

Зависимости ω_уст(ν), ν_уст(ω) и частная производная для установившегося режима могут быть определены при помощи экспериментально-расчетных методов. Установившийся режим является устойчивым равновесным состоянием, к которому всегда стремится турбинка измерительной установки, поэтому неравновесные ее состояния всегда близки к установившемуся режиму.

Рассмотрим неустановившийся режим. Его в каждый фиксированный момент времени t=t₀ можно охарактеризовать мгновенными значениями угловой скорости вала ω(t₀) (измеряемая величина) и действительной скоростью ветра ν(t₀)≠ν_уст(ω(t₀)) - расчетной величиной. Мгновенную мощность, действующую на вал в момент времени t=t₀, приближенно можно представить в виде

где δ(ν(t₀)=ν(t₀)-ν_уст(ω(t₀)) - разность действительной мгновенной скоростей ν(t₀) и скорости ветра, соответствующей ω(t₀) в установившемся режиме.

В неустановившемся режиме при изменении времени t от t₀ до t₀+Δt уравнение движения турбинки в интегральной форме имеет вид

При малом приращении времени Δt для значений 0≤δt≤Δt мгновенная мощность в каждый момент времени t₀+δt может быть представлена при помощи разложения в ряд Тейлора в окрестности значений [ν_уст(ω(t₀+δt)),ω(t₀+δt)] в виде

где - суммарная мощность сил N для установившегося режима в момент времени t₀+δt при заданной угловой скорости ω(t₀+δt).

Заменяя интеграл квадратурной формулой

и подставляя в нее найденное разложение, получим

Подставляя данное выражение правой части в уравнение движения в интегральной форме, из него выразим уточненное значение скорости ветрового потока в момент времени t₀+Δt:

Полученная формула позволяет находить уточненные значения мгновенной скорости ветрового потока ν(t₀+Δt) по:

1) известным характеристикам установки J,

2) заданному временному интервалу, через который производятся измерения Δt,

3) результатам измерений угловой скорости вращения турбинки ω(t₀), ω(t₀+Δt),

4) мгновенной скорости ветрового потока ν(t₀).

Пример.

I. Перед определением скорости ветрового потока для используемой установки найдены:

1. Момент инерции турбинки J=6,8·10^-6 кг·м².

2. В установившемся режиме - зависимость ν_уст(ω) и производная в измеряемом диапазоне 1(м/сек)≤ν≤30(м/сек), которые интерполированы степенными полиномами:

а) ν_уст(ω)=0,012ω²-0,11ω-0,26;

3. Задан временной интервал, через который производятся измерения Δt=1 сек.

II. Произведенные измерения.

1. Измеренные значения угловой скорости турбинки в моменты t₀ и t₀+Δt следующие: ω(t₀)=35 (рад/сек), ω(t₀+Δt)=43 (рад/сек).

III. Расчеты.

1. К началу расчета на предыдущем шаге для момента t₀ были найдены:

а) величина скорости потока в момент t₀ для установившегося режима:

ν_уст(35)=0,012·35²-0,11·35-0,26=10,59 (м/сек);

б) величина производной в момент t₀:

в) уточненная с учетом предыдущих данных мгновенная скорость потока в момент t₀: ν(35)=9,51 (м/сек).

2. На текущем шаге для момента t₀+Δt рассчитываются:

а) величина скорости потока в момент t₀+Δt для установившегося режима:

ν_уст(43)=0,012·43²-0,11·43-0,26=17,18(м/сек);

б) величина производной в момент t₀+Δt:

в) уточненная величина мгновенной скорости потока в момент t₀+Δt (м/сек):

Таким образом, значение скорости потока 17,18 (м/сек), найденное из зависимости ν_уст(ω) для установившегося режима, скорректировано и получено уточненное мгновенное значение скорости потока в момент t₀+Δt, равное 17,97 (м/сек).

Предложенный способ позволяет решить поставленную задачу - получение уточненных мгновенных значений скорости ветрового потока.

Способ определения мгновенной скорости ветрового потока путем измерения угловой скорости вращения турбинки, установленной в потоке, отличающийся тем, что перед определением скорости ветрового потока находят момент инерции турбинки, зависимость скорости ветрового потока от измеряемой угловой скорости вращения турбинки в установившемся режиме, зависимость первой производной суммарной мощности сил, действующих на вал турбинки при установившемся режиме, по скорости ветрового потока от измеряемой угловой скорости вращения турбинки задают временной интервал, через который производятся измерения, а в процессе определения скорости ветрового потока измеряют мгновенные значения угловой скорости вращения турбинки и рассчитывают мгновенные значения скорости ветрового потока по формуле:

где

J - момент инерции турбинки, кг·м²;

Δt - временной интервал, через который производятся измерения, с;

ω(t) - измеряемая скорость вращения турбинки, рад/с;

t₀ - предыдущий момент времени, с;

t₀+Δt - текущий момент времени, с;

ν_уст(ω) - значения скорости ветрового потока от измеряемой скорости вращения турбинки для установившегося режима движения, м/с;

ν(t₀+Δt) - мгновенная скорость ветрового потока при неустановившемся режиме движения, м/с;

- первая производная суммарной мощности сил, действующих на вал турбинки при установившемся режиме ее вращения по скорости потока, Н·м/(м/с).