Methods of velocity measurement by the anemometer with a vibrating hot-wire

• Autorzy: Papierz K. , Kiełbasa J.

Warianty tytułu

PL

Metody pomiaru prędkości przepływu powietrza anemometrem z drgającym grzanym włóknem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Article contains discussion on gas flow velocity measurement performed by an anemometer with vibrating hot wire (oscillating hot-wire anemometer) and results of performed simulation. The hot-wire anemometric sensor placed perpendicular to the flow direction is subject to sinusoidal vibrations. The first of two methods presented hereby consists in determination of vibration amplitude, at which the equalization of flow velocity with the velocity of vibration takes place. This is done by analysis of the waveform of the second derivative of hot-wire anemometric voltage. The second method presented hereby is based on frequency analysis of voltage. It allows for measurement of very low velocities to be performed. Both these methods are absolute methods - obtained results are independent of coefficients characterizing the hot-wire anemometric sensor. These properties result in an anemometer with vibrating hot wire to be well suited for measurements in coal mine conditions.

PL

Artykuł zawiera omówienie metod pomiaru prędkości przepływu gazu anemometrem z drgającym grzanym włóknem (oscylacyjnym) oraz wyniki przeprowadzonych symulacji. W badanym anemometrze czujnik termoanemometryczny umieszczony prostopadle do przepływu poddawany jest sinusoidalnym drganiom. Pierwsza z przedstawionych metod polega na określeniu amplitudy drgań, przy której następuje zrównanie prędkości przepływu z prędkością oscylacji. Odbywa się to poprzez analizę przebiegu drugiej pochodnej napięcia termoanemometru, do której obliczania zastosowano algorytm Savitzky'ego-Golay'a. Przebieg czasowy drugiej pochodnej, a w szczególności liczba miejsc zerowych zależy od różnicy prędkości przepływu i oscylacji. W momencie ich zrównania druga pochodna posiada trzy miejsca zerowe w okresie. Regulacja prędkości oscylacji odbywa się poprzez zmianę amplitudy drgań, przy stałej ich częstotliwości. Zmiana amplitudy drgań przebiega w proponowanej metodzie w następujący sposób: Cały obszar możliwej zmiany amplitudy drgań dzielony jest na kilka części wyznaczających krok zmiany amplitudy drgań. Dla każdej zadanych amplitud mierzona wartość drugiej pochodnej w punkcie, gdzie oczekuje się wystąpienia trzeciego miejsca zerowego. Uzyskane w ten sposób wyniki zostaną poddane regresji wielomianem drugiego stopnia. Jedno z jego miejsc zerowych przypada dla amplitudy drgań równej zero, natomiast drugie jest poszukiwaną wartością amplitudy drgań, przy której następuje zrównanie mierzonej prędkości przepływu i prędkości oscylacji. Druga z przedstawionych metod opiera się na analizie częstotliwościowej sygnału napięcia. Wynik pomiaru zależy od stosunku pierwszej i drugiej harmonicznej napięcia. Metoda dedykowana jest do pomiaru bardzo małych prędkości. Zastosowanie analizy częstotliwościowej zmniejsza wrażliwość metody na obecność zakłóceń w sygnale. Obie metody pomiaru prędkości przepływu są metodami absolutnymi - wynik pomiaru jest niezależny od współczynników charakteryzujących czujnik termoanemometryczny. Termoanemometr z drgającym grzanym włóknem pozwala również na wyznaczenie zwrotu przepływu. W tym celu potrzebne jest dokonanie dwóch pomiarów na każdy okres oscylacji gdy włókno znajduje się w położeniu zerowym. Zwrot wyznacza się na podstawie różnicy zmierzonych napięć.

Słowa kluczowe

EN

anemometer vibrating hot-wire; absolute measurement; measurement of low velocity

PL

anemometr z drgającym grzanym włóknem; pomiar absolutny; pomiar małych przepływów

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 56, no 1
• Strony: 81--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Papierz K.

autor

Kiełbasa J.

• Strata Mechanics Research Institute of The Polish Academy of Sciences, ul. Reymonta 27, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Brunn H.H., 1995. Hot-wire anemometry: Principles and Signal Analysis. Oxford University Press, Oxford.
• Kiełbasa J., 2005. Measurements of steady flow velocity using thermal wave method. Archives of Mining Sciences, Vol. 50, No 2, p. 191-208.
• Kiełbasa J., 2008a. Angular characteristics of resistance asymmetry coefficient in a single-wire reverse flow sensor. Archives if mining Sciences, Vol. 53, No 1, 63-74.
• Kiełbasa J., 2008b. Bezwzględna metoda pomiaru prędkości przepływu z anemometrem z drgającym grzanym włóknem. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, Tom 10, Nr 1-4, 187-191.
• Kiełbasa J., 2010. Measurement of gas flow velocity: Anemometer with a vibrating hot wire. Review of Scientific Instruments, Vol. 81, 015101 - 015101-4.
• Li Y., Naguib A., 2003. An oscillating hot-wire technique for resolving the magnitude and direction of velocity measurements using single hot-wire sensors. Experiments in Fluids, Vol. 34, 597-606.
• Li Y., Naguib A., 2005. High-frequency oscillating hot-wire sensor for near-wall diagnostics in separated flows. AIAA J, Vol. 43, No 3, 520-529.
• Ligęza P., Poleszczyk E., Skotniczny P., 2008. Measurements of velocity profile in headings with the use of integrated hot-wire anemometric system. Archives of Mining Sciences, Vol. 53, No 1, 87-96.
• Moulin A.M., Gaster M., Woodburn C.N., Barnes J.R., Welland M.E., 1997. A directionally sensitive hot-wire anemometer. Experiments in Fluids, Vol. 22, p. 458-462.
• Persoons T., Hoefnagels A., Van den Bulck E., 2006. Calibration of an oscillating hot-wire anemometer for bidirectional velocity measurements. Experiments in Fluids, Vol.: 40, 555-567.
• Press W.H., 2007. Numerical recipes: the art of scientific computing. Cambridge University Press, Cambridge.
• Zieliński T. P., 2005. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów: od teorii do zastosowań. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa.
• DISA, 1969. Low velocity anemometer. DISA Information, No 7.