LOKALNE ČASOVNO SPREMENLJIVE VELIČINE

Transcript

1 LOKALNE ČASOVNO SPREMENLJIVE VELIČINE Eksperimentalne metode merjenja hitrostnih in temperaturnih LDA anemometrija, -HW anemometrija -kinetične metode -vizualizacijske metode -termovizija

2 -HW anemometrij Anemometrija na vročo žičko HW-anemometrija je zelo uporabna metoda za merjenje lokalne fluktuacije hitrosti in temperature v turbulentnem toku. Metoda je uporabna tako v podzvočnih, kot tudi v nadzočnih tokovih v izredno širokem frekvenčnem področju oscilacij turbulentnih vrtinčnih struktur. Prav tako je za metodo značilna izredno majhno področje detekcije, ki je določeno z dimenzijo HW senzorja. Tako za velike Re števila Re>>10 6 kot tudi za majhna Re števila Re<2400 je značilna stabilna korelacija med hitrostjo in toplotnim tokom odnosno temperaturo na žički HW anemometra. Relacije med hitrostjo in temperaturo pa so določene z kalibracijo, kar pomeni, da HW anemometrija ni direktna merilna metoda.

3 HW anemometrija uporabljamo predvsem, ko želimo analizirati izrazito nestacionarne fluktuirajoče hitrostne signale. Senzor je izdelan iz materiala, katerega električna upornost je značilno temperaturno odvisna merjenje energetskih strojev in naprav cta 3

4 merjenje energetskih strojev in naprav cta 4 Toplotni tok je uveden v kovinsko nitko HW anemometra z Julovo toploto, 2 ki je določena z : R w I w kjer je I w električi tok, R w pa električna upornost žičke. Za stacionarne tokovne razmere kjer sta segrevanje žičke in hlajenje te v toku fluidu časovno stacionarna lahko zapišemo: R w I 2 w = ( T T ) Φ ( U ) w a U je hitrost fluida, T a temperatura medija, T w temperatura nitke anemometra in Ф kon konvekcijski koeficijent, ki podaja intenzivnost energijskega toka iz žičke na fluid in je odvisen tako od lastnosti anemometra, kot tudi od lastnosti prestopa toplotnega toka iz žičke na tok fuida v okolici. Naslednja pomembna lastnost je temperaturna odvisnost el. upora žičke od temperature: R 0 -referenčna el. upornost T 0 refernčna temperatura χ -specifična el.upornost kon R w [ + ( T )] = R 1 T 0 χ w 0

5 merjenje energetskih strojev in naprav cta 5 Za nestacionarne tokovne razmere pa je potrebno upoštevati dinamično ravnotežje med dovedeno Julovo toploto, notranjo toploto žičke in spreminjajočim toplotnim tokom na površini nitke, ki je odvisen od hitrostnih razmer v merjenem kontrolnem volumnu. m w c w dt dt w = R w I 2 w ( T T ) Φ ( U ) w a con Kjer je m w masa senzorja žičke in c w pa specifična toplota žičke Kondukcijski in sevalni efekti niso upoštevani v dinamičnem popisu prenosa toplote iz žičke na tok fluida.iz navedenega zakona sledijo možni tehnični pristopi k snovanju merilne metode.

6 HW anemometrija obstaja v sledečih izvedbenih oblikah: merjenje energetskih strojev in naprav cta 6 1. Električni tok na HW senzorju je konstanten (constant current anemometer CCA): I w =const 2. Električna upornost odnosno temperatura žičke HW anemometra je konstantna (constant temperature anemometer CTA): R w = const 3. Električna napetost na HW je konstantna (constant voltage anemometer CVA): V w =R w I w =const HW anemometri so izdelani iz materialov: nikelj, platina, srebro,.. Premer žičk je v območju 0,5 do 5μm in dolžine od 0,5 do 2 mm

7 merjenje energetskih strojev in naprav cta 7 Izhodni signal Izhod iz anaemometra na vročo žičko je analogen. Hitrost posnemanja je odvisna od merilne kartice. Informacija o hitrosti je vedno na voljo. LDA signal posnamemo v naključnih intervalih, PIV signal pa v intervalih, v katerih deluje kamera

8 Idealni pretvornik (želene lastnosti) merjenje energetskih strojev in naprav cta 8 s izhodni signal je monotono proporcionalen fizikalni spremenljivki U=f(T) y u fizikalno spremenljivko merimo v točki v prostoru izhodni signal senzorja predstavlja vhodnega brez frekvenčnih popačenj nizek šum izhodnega signala (odvisen samo od el.vezja) z s u( x, yz, ) x pretvornik ne moti fizikalnega procesa na izhod ne vplivajo druge spremenljivke s() t u() t t izhodni signal S(t) fizikalna spremenljivka pretvornik

9 Dejanski pretvornik merjenje energetskih strojev in naprav cta 9 kalibracijska krivulja prostorska ločljivost (končna velikost merilnega volumna) časovna ločljivost (frekvenčni odziv) razmerje signal - šum vpliv senzorja na merjeno spremenljivko (LDA : CTA) odvisnost od več različnih spremenljivk (anemometer : T, v, položaj ) U (V) v (m/s) 1 2 prilegano MATLAB

10 merjenje energetskih strojev in naprav cta 10 tok I mere senzorja : dolžina nekaj mm debelina 5 μm hitrost U podpora žičke senzor (tanka žička) Princip delovanja Senzor je tanka žička, nameščena na podporo. Žička je v toku s hitrostjo U. Ko tok teče skozi žičko, nastaja toplota ( I 2 R w ) V ravnovesnem stanju nastajanje stabilnega ravnotežja med produkcijo toplote in odvedeno toplototo (primarno konvektivni mehanizem) Če se hitrost spremeni, se spremeni koeficient konvektivnega prenosa toplote. Pri tem se spremeni temperatura žičke in končno dosežemo novo ravnovesno stanje.

11 merjenje energetskih strojev in naprav cta 11 Zapis z enačbami de dt = W H E = toplotna energija, shranjena v žički E = C w T s C w = toplotna kapaciteta žičke W = moč, ki generira Joulovo toploto W = I 2 R w upoštevaj! R w = R w (T w ) H = toplota, ki se prenese z žičke na okolico

12 merjenje energetskih strojev in naprav cta 12 Toplota, ki se prenaša v okolico Toplota, ki se prenaša v okolico, je vsota : - konvekcije s fluidom - prevajanja na podporo - sevanja v okolico konvekcija Q c = Nu A (T w -T a ) Nu = λ d/k f = f (Re, Pr,... ), Prevodnost po trdnini: f(t w, l w, k w, T podpora ) sevanje f(t w4 -T f4 ) H =

13 merjenje energetskih strojev in naprav cta 13 Poenostavljena statična analiza 1 V ravnovesju se v žički ne kopiči toplotna energija: de = O W = H dt in Joulovo gretje W je enako konvektivnemu odvajanju toplote H Predpostavke : - izgube zaradi sevanja zanemarimo - zanemarimo prevodnost na podporo - temperatura žičke T w je enaka po celotni žički -natočni kot na žičko je normalen in uniformen po celotni dolžini - hitrost fluida je majhna v primerjavi z zvočno hitrostjo - gostota in temperatura fluida sta konstantni

14 merjenje energetskih strojev in naprav cta 14 Poenostavljena statična analiza 2 Statičen prenos toplote: W = H I 2 R w = ha(t w -T a ) I 2 R w = Nuk f /da(t w -T a ) h = koeficient prenosa toplote A = površina dela, kjer poteka izmenjava toplote d = premer žičke k f = toplotna prevodnost fluida Nu = brezdimenzijski koeficient toplotnega prenosa V področju prisilne konvekcije velja Nu = A 1 + B 1 Re n = A 2 + B 2 U n I 2 R w2 = E 2 = (T w -T a )(A + B U n ) Kingov zakon Napetost je merilo za hitrost.

15 merjenje energetskih strojev in naprav cta 15 Statična prenosna funkcija Odvisnost hitrosti od napetosti :koeficienti Kingovega zakona A = 1.51, B = 0.811, n = 0.43) 2,4 5 E volts 2,2 2 1,8 du/de/u volts^ , U m /s U m /s izhodna napetost kot funkcija hitrosti odvod napetosti kot funkcija hitrosti

16 merjenje energetskih strojev in naprav cta 16 CTA umerjanje Kljub trdemu delu še nihče ni našel univerzalnega in točnega izraza za prenost toplote iz žic in filma. Pred meritvijo je potrebno senzor kalibrirati. Kalibracija : pri različnih hitrostih in pravokotnem natoku pri različnih kotih in konstantni hitrosti Za umerjanje moramo imeti na voljo fluid z natančno določeno smerjo in hitrostjo toka, za namestitev sonde pa pozicionirno mizo.

17 merjenje energetskih strojev in naprav cta 17 Umerjanje odvisnost od hitrosti toka fluida Žičko namestimo tako, da nateka fluid nanjo pod pravim kotom. Iz umeritvene krivulje s prileganjem določimo koeficiente A, B in n. 2 2 E = A + BU n E (V) U (m/s) 1 2 prilegano MATLAB

18 merjenje energetskih strojev in naprav cta 18 Umerjanje - odvisnost od smeri toka fluida - 1D senzor Koordinatni sistem senzorja c 2 eff = c 2 N + k 2 T c 2 T + k 2 B c 2 B c N c T c B = c cosα cosϑ = c sinα = c cosα sinϑ Hitrostni vektor c razstavimo v normalno c n, tangencialno c t in binormalno komponento c b.

19 merjenje energetskih strojev in naprav cta 19 Odvisnost od smeri toka fluida - 2D senzor Če vstavimo izraze za c N, c T in c B v enačbo za c eff, dobimo kosinusni zakon, ki opisuje občutljivost žičke na smer toka. c eff je izmerjena vrednost, c N, c T in c B pa so neznanke! Če imamo 2D senzor z dvema žičkama, lahko določimo samo dve neznanki, zato postavimo c B = 0. Analogno kot prej (1D) lahko zapišemo oziroma v koordinatah u in v

20 merjenje energetskih strojev in naprav cta 20 Odvisnost od smeri toka fluida - 2D senzor (2) Kako rešiti sistem enačb s prejšnje strani? Iz enačbe s prileganjem določimo koeficienta k i. Če imamo proceduro, katere natančno ne poznamo, je zelo pomembno, da jo preverimo. V tem primeru lahko senzor postavimo v znan tok pod določenim kotom.

21 merjenje energetskih strojev in naprav cta 21 Odvisnost od smeri toka fluida - 2D senzor (3) Nato uvedemo brezdimenzijsko spremenljivko f in argumenta A1 in A2 iz katerih izračunamo kot α konstanti C1 in C2 ter hitrost c

22 merjenje energetskih strojev in naprav cta 22 CTA Dinamična kalibracija Potrebujemo tok s sinusnimi variacijami določene amplitude, ki so naložene na povprečen tok mikrovalovna simulacija turbulence < 500 Hz zvočna simulacija > 1000 Hz vibriranje sonde v laminarnem toku < 1000 Hz vse metode so zapletene in omejene na nizke frekvence.

23 merjenje energetskih strojev in naprav cta 23 CTA Dinamična kalibracija b a Na diagramu je predstavljena tipična odzivna karakteristika HW anemometra na sinusno vzbujanje v tokovnem polju: a: M<1 in b: M>1

24 merjenje energetskih strojev in naprav cta 24 Tipi senzorjev 1 Senzorji iz žice - volframova žica 5 μm, dolžina 5 mm - s platino prevlečen volfram, premer 5 μm, dolžina 1.2 mm - z zlatom prevlečena žica, dolžina žice 3 mm, aktivni del 1.25 mm, bakreni konci. Prednosti : - natančno določena dolžina merjenja (merni volumen) - majhna disipacija energije na držala žičke - uniformna porazdelitev temperature po žički - majhen vpliv senzorja na tok

25 merjenje energetskih strojev in naprav cta 25 Tipi senzorjev 2 Za optimalen frekvenčni odziv, mora imeti senzor majhno termično vztrajnost. Zapišemo lahko naslednje : -žička naj bo kolikor je mogoče kratka (za dobro prostorsko ločljivost želimo imeti senzor << velikost vrtincev - razmerje (l/d) naj bo velik, s čimer se izognemo toplotnim izgubam na držalo žičke) -žička naj bi bila odporna na oksidacijo pri visokih temperaturah (želimo meriti pri visokih temperaturah, kjer je visoko razmerje signal šum) - temperaturni koeficient upornosti naj bo velik (za veliko občutljivost, razmerje signal šum in frekvenčni odziv) -žičk s premerom, manjšim od 5μm, ni mogoče izdelati tako, da imajo konstanten premer

26 merjenje energetskih strojev in naprav cta 26 Tipi senzorjev 3 Film senzorji (film probes) : tanek kovinski film (nikel). Odporni na korozijo, obrabo, fizične poškodbe, vplive električnega polja... Fiber film senzorji (fiber film probes) : Hibridni film, nanešen na tanko žički podobno palico (fiber)

27 merjenje energetskih strojev in naprav cta 27 Tipi senzorjev 4 X-senzorji za 2D tokove : dva senzorja pravokotna drug na drugega. Omogoča meritve v območju ± 45. Tri aksialni senzorji za 3D tokove trije senzorji, ki tvorijo ortogonalni sistem. Omogoča meritve v območju ± 70.

28 merjenje energetskih strojev in naprav cta 28 Izbira primernega senzorja Uporabljaj senzorje z žičko, če je to le mogoče relativno poceni boljši frekvenčni odziv mogoče jih je popraviti Uporabljaj film senzorje v surovih okoljih trpežnejši slabši frekvenčni odziv jih ni mogoče popraviti elektično izolirani zaščiteni pred mehanskimi in kemičnimi vplivi

29 merjenje energetskih strojev in naprav cta 29 Tipi anemometrov anemometer s konstantnim tokom (CCA, constant current anemometer) princip : tok skozi senzor je konstanten prednost : zelo dober frekvenčni odziv slabosti : problematičen za uporabo izhodna napetost se s hitrostjo zmanjšuje velika možnost uničenja sonde anemometer s konstantno temperaturo (CTA, constant temperature anemometer) princip :upornost žičke je kostantna, za kar skrbi ojačevalnik v anemometru prednosti : preprosta uporaba visoka frekvenžni odziv nizek šum sprejet kot standard slabost : bolj zapleteno elektronsko vezje V nadaljevanju se bomo omejili na CTA.

30 merjenje energetskih strojev in naprav cta 30 CTA motilni dejavniki Potrebujemo tok s sinusnimi variacijami določene amplitude, ki so naložene na povprečen tok Anemometer meri hitrost preko prenosa toplote čez žičko. Vse Qc = Nu A (Tw-Ta) Nu = h d/kf = f (Re, Pr, M, Gr, α) Vse, kar spremeni prenos toplote (razen spremenljivke toka, ki jo merimo), je motilni dejavnik Ne sistemski dejavniki so: kontaminacija, zračni mehurčki v vodi, vibracije senzorja,... Sistematski dejavniki so spremembe zunanje temperature, bližina stene, nastanek vrtincev za cilindričnimi senzorji...

31 merjenje energetskih strojev in naprav cta 31 CTA kontaminacija senzorja 1 Najobičajnejši vzroki za kontaminacijo so prah umazanija oljne pare kemikalije Učinki spremenjena občutljivost senzorja (DC drift) poslabšan frekvenčni obseg Kaj narediti? očistiti senzor ponovno kalibrirati

32 merjenje energetskih strojev in naprav cta 32 CTA kontaminacija senzorja 2 Nizke hitrosti majhnen vpliv na prenos toplote prenos toplote se lahko celo poveča e Visoke hitrosti več stika z delci večji problem v laminarnem toku ob stenah turbulentni tok ima čistilni učinek cm/sec Vpliv umazanije se povečuje, če se zmanjša premer žičke Nabiranje kemikalij se povečuje, če se temperatura žičke povečuje. V tekočini raztopljeni plini povzročijo nastanek mehurčkov, kar zmanjša prestop toplote, pri kalibraciji pa pokvari kalibracijsko krivuljo (slika zgoraj desno).

33 merjenje energetskih strojev in naprav cta 33 CTA nastanek vrtincev 1 (vpliv merilne metode na dinamiko toka okoli žičke) Vrtinci nastanejo pri Re približno 50. Izberi majhne premere žičke in filtriraj signal z nizkoprepustnim filtrom.

34 merjenje energetskih strojev in naprav cta 34 CTA nastanek vrtincev 2 Vibracije nosilcev žičke in pritrdilnih elementov senzorja Nosilci žičke lahko vibrirajo zaradi vrtinčenja toka za njimi ali zaradi vibracij, ki se prenesejo iz okolice. Nosilci žičke imajo lastno frekvenco v področju 8-20 khz. Vedno uporabljaj toge pritrdilne elemente.

35 merjenje energetskih strojev in naprav cta 35 CTA vpliv temperature 1 Prenos toplote iz senzorja na fluid je sorazmeren razliki temperature med senzorjem in fluidom. ( )( n T T A BU ) 2 E = + w a Ko se spremeni temperatura fluida Ta, se spremenijo prenos toplote lastnosti toka fluida Merive v zraku majhen vpliv pri visokih temperaturah žičke razlike v spremembi lastnosti fluida so majhne Meritve v tekočini večji vpliv spremembe temperature na lastnosti fluida

36 merjenje energetskih strojev in naprav cta 36 CTA vpliv temperature 2 Izhod iz anemometra je odvisen od hitrosti in temperature Ko se temperatura okolice povečuje, je izmerjena vrednost hitrosti premajhna, če je ne korigiramo. Hot-wire calibrations at diff. temperatures Relative velocity error for 1C temp. increase 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1, T=20 T=25 T=30 T=35 T=40-1,5-1,7-1,9-2,1-2,3-2,5-2, Tdiff=10 C

37 merjenje energetskih strojev in naprav cta 37 CTA vpliv temperature 3 Primer kalibracije sonde pri različnih temperaturah.

38 merjenje energetskih strojev in naprav cta 38 CTA vpliv temperature 4 Priporočena korekcija zaradi temperature : Temperatura senzorja naj bo konstantna, izmeri temperaturo in korigiraj napetost ali kalibracijske konstante Korekcija temperature mora biti narejena preden napetost pretvorimo v hitrost. E corr = ((T w -T ref )/(T w -T acq )) 0.5 E acq. Gornji izraz da nekoliko premajhne vrednosti (0.4%) Izboljšana korekcija E corr = ((T w - T ref )/(T w - T acq )) 0.5(1±m) E acq. Izbira primernega m (m=0.2 za sondo pri a=0.8 izboljša kompenzacijo na manj kot ±0.05%/ C. Korekcijske formule za tekočine so drugačne.

39 merjenje energetskih strojev in naprav cta 39 CTA kaj je potrebno za dobro meritev? premisli, s kakšnim tokom imaš opravka (območje hitrosti, velikost, frekvenca) izberi pravilen senzor ijn anemometer izberi pravilno A/D kartico kalibriraj v odvisnosti od hitrosti, kota izmeri nekaj testnih točk premisli, če so rezultati smiselni glede na osnovne predpostavke izvedi eksperiment glede na rezultate testnih meritev (frekvenca vzorčenja, gostota merilnih točk, število izmerkov v eni merski točki) zmanjšaj količino podatkov (momenti, spektri, korelacijske funkcije) ovrednoti rezultate ponovno kalibriraj

40 merjenje energetskih strojev in naprav cta 40 Primeri uporabe anemometra na vročo žičko temperatura in relativna vlažnost atmosferski tlak smer toka odmevna soba ISO 3741 zvocni dušilci pomožni ventilator testirani ventilator detajl A zracni filter pretocne žaluzije umirjevalne mreže zvocni dušilci ΔpS ΔpV Δp7 šobe za merjenje pretoka merilna postaja ventilatorjev ISO 5801 smer toka detajl A pozicionirna miza testirani ventilatorn HW anemometer merilna postaja ventilatorjev ISO 5801 držalo HW anemometra 12 V napajalnik racunalnik z A/D pretvornikom izstopna projekcija meridianske hitrosti minicta - vezje HW anemometra ter ojacevalnik kontura zašcitne mreže smer toka

41 merjenje energetskih strojev in naprav cta 41 Merjenje ravni zvočnega hrupa detajl A temperatura in relativna vlažnost atmosferski tlak zvocni dušilci pomožni ventilator zracni filter pretocne žaluzije zvocni dušilci stena odmevne sobe pritrdilna plošca rotirajoci roki z mikrofonom odmevna soba ISO 3741 detajl A testirani ventilator Δp smer toka testirani ventilator Postavlja se vprašanje kakšnen je vpliv fluktuacij tokovnega polja na frekvenčne karakteristike izsevanega zvočnega tlaka na ventilatorju

42 merjenje energetskih strojev in naprav cta 42 Vpliv hitrostnih fluktuacij na izsevano zvočno moč 1, /3 Rubinstein-Zhou zakon 0,90 0,80 kaskada z natočnim kotom natočni kot na kaskado 30 natočni kot na kaskado 50 0,70 42 natočni kot na kaskado 70 amplituda [/] 0,60 0,50 0,40 Lp [db] natočni kot na kaskado 90 ustje cilinder 0,30 0, ,10 7 0, frekvenca [Hz] HW anemometrija Vpliv vrtinčne steze za mrežico ventilatorja frekvenca [Hz] Frekvenčni spekter izsevanega zvočnega tlaka

43 merjenje energetskih strojev in naprav cta 43 Vpliv zaščitne mrežice aksialnega ventilatorja na izsevano zvočno moč hrup puščanja vsled zračne reže FPL Vpliv zaščitne mrežice 56 Lp [dba] hrup vrtinčne steze ~ Hz frekvenca [Hz] brez mreže standardna mreža optimirana mreža A utežen -4/3 Rubinstein-Zhou zakon