Eksperymentalna weryfikacja wielokanałowego termoanemometrycznego systemu pomiarowego jako anemometru z falą cieplną

Transkrypt

1 205 Prce Instytutu Mechniki Górotworu PAN Tom 6, nr 3-4, (2004), s Instytut Mechniki Górotworu PAN Eksperymentln weryfikcj wieloknłowego termonemometrycznego systemu pomirowego jko nemometru z flą cieplną JAN KIEŁBASA, PAWEŁ LIGĘZA, ELŻBIETA POLESZCZYK, ANDRZEJ RACHALSKI Instytut Mechniki Górotworu PAN, ul. Reymont 27; Krków Streszczenie Oprcowno lortoryjny komputerowy system pomirowy o szerokich możliwościch metrologicznych djący się łtwo dptowć do wymgń konkretnego prolemu metrologicznego. System skłd się z czujników pomirowych, czteroknłowego sterownego ukłdu stłoprądowo-stłotemperturowego, krt szykich przetworników nlogowo-cyfrowych z pmięcią orz komputer PC z oprogrmowniem. W rmch relizownych prc przeprowdzono eksperymentlną weryfikcję i optymlizcję systemu pomirowego. Bdni prowdzono n stnowisku pomirowym skłdjącym się ze sterownego tunelu erodynmicznego prcującego w zkresie młych prędkości przepływu orz dnego systemu pomirowego relizującego metodę nemometru z flą cieplną. Przedstwiono wyniki pomirów uzysknych dl różnych ksztłtów, częstotliwości i mplitud fli cieplnej. Słow kluczowe: metrologi, termonemometri, system pomirowy, nemometr flowy 1. Wprowdzenie Oszrem zinteresowń Prcowni Metrologii Przepływów Instytutu Mechniki Górotworu PAN są metody pomiru prędkości przepływu płynów ze szczególnym uwzględnieniem metod cieplnych. Oprcowno tu wiele nowych metod pomirowych, prowdzono prce nd poszerzeniem zkresu możliwości metrologicznych metod klsycznych, rozwijno technologię konstrukcji czujników. Równolegle z prowdzoną dziłlnością nukowo-dwczą trwły prce zmierzjące do zstosowni oprcownych metod w przyrządch pomirowych. Powstło wiele konstrukcji prtury pomirowej prcującej w oprciu o nowe koncepcje metrologiczne. Przyrządy pomirowe powstwły zrówno jko modele jednostkowe oprcowne dl potrze konkretnego, specjlistycznego zgdnieni metrologicznego, jk również udowno niewielkie serie przyrządów o rdziej uniwerslnym zstosowniu. Oprcown i wykonn prtur pomirow znlzł zstosownie w dnich lortoryjnych i przemysłowych. Dotychczsowe rozwiązni przyrządów pomirowych oprte yły o zliżoną koncepcję struktury zestwu pomirowego. Zestw tki skłdł się z kompletu wymiennych czujników o jednkowej konstrukcji, osdki czujnik stnowiącej jego złącze elektryczne i uchwyt mechniczny orz specjlizownego, nlogowego lu nlogowo-cyfrowego ukłdu elektronicznego relizującego zdny lgorytm pomirowy. Cechą chrkterystyczną tego rozwiązni ył stły i stosunkowo wąski zkres możliwości metrologicznych zestwu. Zmin wymgń metrologicznych, relizcj innego lgorytmu pomirowego czy pró zstosowni nowej metody wymgły w zsdzie oprcowni i udowy nowego zestwu pomirowego. Tki stn rzeczy, tkże corz częściej występujące zpotrzeownie n specjlizowną prturę pomirową do rdzo zróżnicownych zgdnień metrologii przepływów skłoniły zespół do oprcowni lortoryjnego komputerowego systemu pomirowego o możliwie szerokich możliwościch metrologicznych djącego się łtwo dptowć do wymgń konkretnego prolemu metrologicznego.

2 206 Jn Kiełs, Pweł Ligęz, Elżiet Poleszczyk, Andrzej Rchlski System ten skłd się z czujników pomirowych, czteroknłowego sterownego ukłdu stłoprądowo-stłotemperturowego, krt szykich przetworników nlogowo-cyfrowych z pmięcią orz komputer PC z oprogrmowniem. Algorytm prcy systemu determinowny jest przez progrm. Możn wyróżnić oprogrmownie podstwowe, związne ze sterowniem prcą ukłdu stłoprądowo-stłotemperturowego, komunikcją ukłdu z komputerem, osługą przetworników nlogowo-cyfrowych i ukłdów sterujących, orz oprogrmownie specjlizowne relizujące wyrne lgorytmy pomirowe orz lgorytmy kwizycji, przetwrzni i wizulizcji dnych. Oprogrmownie specjlizowne, oprcowywne indywidulnie do dnego zgdnieni dwczego jest wykorzystywne w procesie wzorcowni czujników orz podczs prowdzeni dń n stnowisku pomirowym. W rmch relizownych prc przeprowdzono eksperymentlną weryfikcję i optymlizcję systemu pomirowego. Bdni prowdzono n stnowisku pomirowym skłdjącym się ze sterownego tunelu erodynmicznego prcującego w zkresie młych prędkości przepływu orz dnego systemu pomirowego relizującego metodę nemometru z flą cieplną. Przedstwiono wyniki pomirów uzysknych dl różnych ksztłtów, częstotliwości i mplitud fli cieplnej. Rezulttem prowdzonych prc jest system pomirowy o szerokim oszrze plikcyjnym. Przewiduje się możliwość zstosowni systemu w specjlizownych zgdnienich dwczych w wrunkch lortoryjnych, tkże w wyrnych zstosownich technicznych i przemysłowych. Innym potencjlnym oszrem zstosowń systemu jest proces dydktyczny w zkresie metrologii przepływów. 2. Sterowny ukłd stłotemperturowy Rezystncyjne przetworniki tempertury stnowią klsę przetworników pomirowych, w których wykorzystno zleżność rezystncji elementu czynnego od tempertury. Znjdują zstosownie nie tylko do pomiru tempertury jko termometry rezystncyjne, le tkże do pomiru tkich wielkości fizycznych jk prędkość przepływu płynów, skłd chemiczny i stężenie gzów, ciśnienie w gzch rozrzedzonych, tkże w dnich klorymetrycznych orz olometrch. Wżną grupę stnowią tu czujniki, w których elementem czynnym jest drut o średnicy pojedynczych mikrometrów lu cienk foli. Czujniki te znne pod nzwą czujników z zimnym/grznym drutem (folią) posidją uniktowe włściwości. Njwżniejsze z nich to możliwość pomiru sygnłów szykozmiennych, pomir zliżony do punktowego, znikom inwzyjność pomiru, rk elementów ruchomych i elektryczny sygnł wyjściowy. Jednym z podstwowych zstosowń tych czujników jest nemometri dni pól prędkości orz tempertury w przepływch płynów [1]. O jkości pomirów nemometrycznych decyduje wyór metody pomirowej, czujnik nemometryczny orz ukłd jego zsilni. Oecnie stosuje się dw podstwowe sposoy zsilni czujników: ukłd stłoprądowy CCA orz ukłd stłotemperturowy CTA. Ukłd stłoprądowy, w którym czujnik zsilny jest prądem o stłej wrtości, stosowny jest njczęściej do pomirów termometrycznych, orz rzdziej do pomirów nemometrycznych. Ukłd stłotemperturowy, w którym czujnik zsilny jest w tki sposó, y tempertur ngrznego czujnik ył utrzymywn niezleżnie od zewnętrznych wrunków odierni ciepł n stłym poziomie, jest podstwowym ukłdem nemometrycznym. Posid on doskonłe włściwości sttyczne i dynmiczne orz dory stosunek sygnłu do szumu. Klsycznie ukłd stłotemperturowy relizuje się poprzez umieszczenie czujnik w niezrównowżonym mostku rezystncyjnym, który nstępnie jest równowżony poprzez zmknięcie pętli sprzężeni zwrotnego. Oprcowno [2] inny typ ukłdu stłotemperturowego nie zwierjący mostk rezystncyjnego, w którym czujnik zsilny jest linią czteroprzewodową o rozdzielonych doprowdzenich prądowych i npięciowych. Pozwl to n elimincję wpływu rezystncji doprowdzeń czujnik n prcę ukłdu i prowdzenie precyzyjnych pomirów szczególnie dl młych rezystncji, długich doprowdzeń i młych współczynników ngrzni czujnik. Wprowdzenie do tego ukłdu możliwości sterowni zewnętrznym sygnłem cyfrowym orz połączenie z ukłdem stłoprądowym w ukłdzie źródł prądowego prowdzi do powstni nowego, uniwerslnego ukłdu zsilni czujników nemometrycznych. Ukłd ten zostł nzwny sterownym ukłdem stłotemperturowym [2]. Sterowny ukłd stłotemperturowy stnowi system zsilni rezystncyjnego czujnik pomirowego umożliwijący wyór i relizcję dwóch funkcji: stłoprądowej lu stłotemperturowej. Wrtość rezystncji czujnik zdwn jest sygnłem cyfrowym. Ukłd przeznczony jest do lortoryjnych prc dwczych w dziedzinie nemometrii. Umożliwi on relizcję wielu funkcji i metod pomirowych [3], z których wymienić możn:

3 Eksperymentln weryfi kcj wieloknłowego termonemometrycznego pomiry termometryczne w ukłdzie stłoprądowym, pomiry nemometryczne w ukłdzie stłotemperturowym, pomiry w ukłdzie nemometru ze zmiennym w czsie ngrzniem czujnik, genercj i detekcj fl temperturowych w przepływch, złożone metody i lgorytmy pomirowe, dnie chrkterystyk prądowo-npięciowych czujników nemometrycznych. Ukłd ten zstosowno w konstrukcji komputerowego wieloknłowego termonemometrycznego systemu pomirowego. 3. Komputerowy system pomirowy Ze względu n przyjęte rozwiązni konstrukcyjne i zstosowną technologię relizcji termonemometryczną prturę pomirową możn podzielić n nstępujące klsy: przyrządy nlogowe, przyrządy zintegrowne z czujnikiem, przyrządy nlogowo-cyfrowe, przyrządy nlogowo-cyfrowe z wyjściem do PC, przyrządy mikroprocesorowe z wyjściem do PC, specjlizowne krty komputerowe, specjlizowne systemy komputerowe. Prezentowny system pomirowy zlicz się do tej osttniej klsy. System tki skłd się z czujników pomirowych, termo nemometrycznych ukłdów przetwrzni, krt przetworników nlogowo-cyfrowych orz komputer PC wrz z oprogrmowniem. Podczs projektowni systemu pomirowego przyjęto nstępujące złożeni konstrukcyjne: możliwie szeroki oszr plikcyjny ukłdu, cztery identyczne knły pomirowe, pomir prędkości i tempertury w kżdym knle, sterownie funkcjmi ukłdu z komputer PC, możliwość relizcji złożonych lgorytmów pomirowych, pomir prmetrów czujnik i funkcje testujące, zezpieczenie czujnik pomirowego w stnch przejściowych. Zprojektowny i zrelizowny system pomirowy posid cztery identyczne knły. Schemt lokowy pojedynczego knłu pomirowego przedstwi rysunek 1. Podstwowym elementem kżdego knłu pomirowego jest sterowny cyfrowo ezmostkowy ukłd stłotemperturowy. Ukłd ten zudowny jest ze wzmcniczy pomiru prądu K I i npięci K U czujnik, przetwornik cyfrowo-nlogowego DAC orz sterownego regultor PI. Elementem pozwljącym n zdnie dowolnego z przyjętego zkresu współczynnik ngrzni włókn pomirowego jest progrmowny przetwornik DAC. Dodtkowo pełni on funkcję węzł sumcyjnego sygnłu prądowego i npięciowego. Sygnłem wyjściowym z ukłdu może yć npięcie proporcjonlne do prądu czujnik, npięcie n czujniku wzmocnione we wzmcniczu K, lu npięcie wyjściowe regultor PI. Wyór źródł sygnłu relizuje sterowny multiplekser nlogowy S. Wyrny wyjściowy sygnł nlogowy po przejściu przez ntylisingowy filtr dolnoprzepustowy LPF jest dostępny n wyjściu nlogowym A OUT. Cyfrowy sygnł wejściowy D IN poprzez ukłd sterujący C umożliwi progrmownie przetwornik DAC, multiplekser S i złącznie ukłdu stłotemperturowego poprzez złączenie regultor PI, tkże włącznie genertor testu częstotliwościowego G. Dodtkowy ukłd to źródło prądowe I 0 umożliwijące stłoprądową prcę czujnik przy wyłączonej funkcji stłotemperturowej. Pozwl to n pomir rezystncji nie ngrznego czujnik orz prcę knłu w tryie pomiru tempertury. Ukłd posid również funkcję zezpieczeni czujnik przed przepleniem w stnch przejściowych i wryjnych. Prezentowny ukłd zostł zrelizowny w technice nlogowo-cyfrowej, umieszczony jest w metlowej oudowie ekrnującej zwierjącej złącz czujników, złącze cyfrowych sygnłów sterowni orz złącze zewnętrznego zsilni. Zrezygnowno z wewnętrznego zsilcz ze względu n minimlizcję zkłóceń. Ukłd zmontowno n oprcownej komputerowo płycie z opismi elementów.

4 208 Jn Kiełs, Pweł Ligęz, Elżiet Poleszczyk, Andrzej Rchlski R I - K I + I 0 G DAC PI S LPF A OUT Rs I s C D IN V,T G U s + K U - K Rys. 1. Pojedynczy knł progrmownego ukłdu pomirowego Sterownie prcą ukłdu z pomocą sygnłu cyfrowego umożliwi relizcję nstępujących funkcji podstwowych: Zdnie poziomu ngrzni czujnik w knłch 1 do 4 poprzez zpisnie dwunstoitowej liczy inrnej do przetwornik cyfrowo-nlogowego ukłdu stłotemperturowego. Progrmowy pomir rezystncji czujnik w knłch 1 do 4. Pomir ten dokonywny jest poprzez itercyjne zdwnie poziomów ngrzni czujnik i odczyt stnu ukłdu komprcji rezystncji, który umożliwi porównnie wrtości rezystncji czujnik i rezystncji zdnej. Wyór tryu prcy torów pomirowych w knłch 1 do 4. Tory pomirowe mogą relizowć funkcję stłoprądowego termometru rezystncyjnego lu termonemometru stłotemperturowego prcującego z zdnym poziomem ngrzni czujnik. Włączenie testu częstotliwościowego termonemometrów jednocześnie w knłch 1 do 4. Test ten umożliwi regulcję prmetrów dynmicznych ukłdów stłotemperturowych. Jednym z możliwych zstosowń prezentownego systemu pomirowego jest relizcj nemometru z flą cieplną. Anemometr tki znjduje zstosownie w precyzyjnych, wzorcowych pomirch prędkości przepływu gzów w zkresie młych prędkości. W systemie pomirowym zstosowno czujnik termonemometryczny trójwłóknowy, o włóknch równoległych i leżących w jednej płszczyźnie. Pierwsze włókno pełni funkcję ndjnik fli cieplnej, ntomist dw pozostłe są detektormi. Ide pomiru poleg n generowniu fli cieplnej o zdnych prmetrch i pomirze prędkości przepływu poprzez pomir przesunięci fzowego sygnłów n detektorch. Ndjnik fli cieplnej współprcuje z pierwszym knłem systemu pomirowego. Knł ten relizuje funkcję sterownego ukłdu stłotemperturowego i umożliwi wymuszenie n ndjniku periodycznych zmin tempertury o zdnym ksztłcie, mplitudzie i częstotliwości. Zdnie prmetrów przeiegu odyw się n drodze progrmowej. Detektory fli cieplnej podłączone są do drugiego i trzeciego knłu systemu pomirowego. Knły te relizują funkcję stłoprądową, więc prcują w tryie pomiru tempertury. Przeiegi sygnłu tempertury n detektorch są w procesie pomirowym rejestrowne w systemie pomirowym, nstępnie oliczne są dl niech współczynniki szeregu Fourier. N podstwie przesunięci fzowego pierwszych hrmonicznych sygnłu, przy znjomości częstotliwości fli cieplnej i odległości detektorów wyznczn jest prędkość przepływu medium. 4. Stnowisko pomirowe Eksperymenty mjące n celu doświdczlną weryfikcję wieloknłowego termonemometrycznego systemu pomirowego jko nemometru z flą cieplną yły prowdzone n stnowisku pomirowym [4]

5 Eksperymentln weryfi kcj wieloknłowego termonemometrycznego przedstwionym n rysunku 2. Stnowisko to umożliwi wytworzenie i kontrolownie odpowiednich wrunków metrologicznych przepływu orz pozwl n zdnie chrkterystyk czujnik przy różnych jego położenich w stosunku do kierunku prędkości. Specjlne oprzyrządownie dje możliwość stosowni różnorodnych uchwytów i urządzeń koordyntometrycznych ndjących stnowisku chrkter uniwerslny. dysz wylotow sitki ulownic wentyltor silnik v koordyntometr CCC 2002 zsilcz stolik PC IBM 586 Klwitur Rys. 2. Schemt stnowisk pomirowego zsilcz wentyltor W skłd stnowisk pomirowego wchodzą: tunel erodynmiczny, ulownic i system sitek wyrównujących przepływ (wyposżenie tunelu), wentyltor z npędem, koordyntometr orotowy, koordyntometr x-y, rotor sterowny komputerowo przez sterownik orotów, sterowny komputerowo czteroknłowy system termonemometryczny CCC 2002, ukłd sterujący, złożony z komputer PC 586 wyposżonego w krty przetwornikowe orz uniwerslne oprogrmownie,) zestw sond pojedynczych i wielowłóknowych wrz z odpowiednimi uchwytmi. Knł przepływowy tunelu tworzy rur metpleksow o średnicy 110 mm i długości ok mm. Podstwę, do której przymocowny jest tunel, tkże koordyntometr, stnowi konstrukcj z luminiowych ksztłtowników, posdowion n gumowych podkłdkch mortyzujących drgni. Wewnątrz knłu zmontowno ulownicę, wykonną w formie zwrtego pkietu cienkich rurek metpleksowych i system odpowiednio dornych sitek, które mją z zdnie wyrównnie przepływu. Wylot tunelu jest zoptrzony w dyszę wylotową o średnicy około 70 mm. Tunel zostł wywzorcowny przy pomocy rurki spiętrzeniowej Pitot-Prndtl i metodą fl cieplnych w zkresie młych prędkości (0-5 m/s). Uzyskno zleżność prędkości przepływu powietrz od orotów wentyltor. Przy pomocy precyzyjnego termonemometru HPA 98 [5] zdno w knle pomirowym profile poprzeczne prędkości, y stwierdzić, że w jego oszrze jest płskie pole prędkości z niepewnością mniejszą niż 1%. Urządzenie wytwrzjące przepływ w tunelu zostło wykonne specjlnie do osługi eksperymentów, które wymgją utrzymywni przez długi czs stilnych prmetrów przepływu. Npęd jest skonstruowny w oprciu o wentyltor npędzny silnikiem trójfzowym. Silnik jest sterowny z flownik typu SJ NFE firmy Hitchi. Relizuje on zsilnie wentyltor prądem zmiennym o częstotliwości Hz, co pozwl n uzysknie prędkości orotowej wentyltor

6 210 Jn Kiełs, Pweł Ligęz, Elżiet Poleszczyk, Andrzej Rchlski od 30 do 3000 orotów n minutę. Tk zudowny npęd dje możliwość wytworzeni prędkości przepływu w zkresie od 0 do 35 m/s. Czujnik pomirowy umieszcz się u wylotu knłu przepływowego i jest on opływny przez strumień wydmuchiwny z tunelu Czujnik pomirowy Pomir prędkości przepływu metodą fl cieplnych wymg zstosowni wielowłóknowego czujnik termonemometrycznego. Bz pomirow czujnik skłd się z trzech współpłszczyznowych, równoległych elementów czynnych, wykonnych z pltynownego powierzchniowo drutu wolfrmowego o średnicy 5 µm. Drut ten w porównniu z drutem wolfrmowym niepltynownym posid korzystniejsze włściwości metrologiczne w zstosowniu do czujników, gdzie wymgn jest większ długość elementu czynnego: mniejszą rezystncję n jednostkę długości wyższą możliwą temperturę prcy wyższ wrtość współczynnik temperturowego, któr wynosi (,,goły wolfrm K 1 ). Wymienione prmetry pozwlją n stosownie odpowiednich dl metody pomirowej współczynników ngrzni, njczęściej do wrtości N = 1.8. Mniejsz rezystncj jednostkow dje możliwość wykonni włókn o żądnej długości, którego prąd zsilni mieści się w grnicch nrzuconych przez ukłd elektroniczny. Zstosowny w pełniącym rolę nemometru z flą cieplną systemie pomirowym czujnik przedstwiono n rysunku 3. Detektor I Detektor II Ndjnik Rys. 3. Czujnik pomirowy Trójwłóknow sond do pomiru prędkości przepływu metodą fl cieplnych umieszczon jest sztywno n wylocie z tunelu w ten sposó, że płszczyzn, którą tworzą włókn jest prostopdł do płszczyzny przekroju poprzecznego tunelu. Licząc od strony nwietrznej: jko pierwsze usytuowne w przepływie jest włókno zwne ndjnikiem, które jest źródłem generownej fli cieplnej. Prmetry chrkteryzujące flę, czyli jej ksztłt, mplitud, częstotliwość, ilość okresów są zdwne progrmowo i relizowne przez termonemometr CCC Kolejne włókno detektor I orz trzecie detektor II są rozmieszczone równolegle do ndjnik w oszrze jego śldu cieplnego i prcują jko termometry. Włókn ndjnik i dwu detektorów są podłączone do kolejnych knłów pomirowych przyrządu oddzielnie, ekrnownymi przewodmi. Kżde z trzech włókien m długość ok.3.5 mm i rezystncję ok. 10 Ω. Odległość ndjnik od pierwszego detektor wynosi 3.0 mm, ntomist odległość między detektormi wynosi ok.5.5 mm. Dokłdny opis technologii wykonni i montżu tego czujnik termonemometrycznego jest zwrty w prcy [6].

7 Eksperymentln weryfi kcj wieloknłowego termonemometrycznego Czujnik trójwłóknowy użyty w eksperymentch m młe wymiry, w znikomy sposó zurz pole prędkości orz ze względu n swoje prmetry i włściwości jest uniwerslny w różnych zstosownich wrz z czteroknłowym termonemometrycznym systemem pomirowym. Specjlistyczne oprogrmownie systemu [7] relizuje tk różnorodne funkcje, że pomir prędkości metodą fl cieplnych stnowi tylko jedną z wielu możliwości plikcji metrologicznych. 5. Przeieg i wyniki eksperymentów Bdny system prcowł w ukłdzie fli cieplnej. Zstosowno fle sinusoidlne orz prostokątne. Średni wrtość współczynnik ngrzni ndjnik wynosił 1,5 mplitud fli 25%. Generowno fle w zkresie częstotliwości od 5 do 90 Hz. Bdni przeprowdzono dl prędkości od 0,10 do 4 m/s. N rys. 4 przedstwiono zleżność zmierzonego przesunięci fzy fli n odiornikch od częstotliwości dl prędkości przepływu 0,3 m/s. Zleżność t jest liniow, zgodnie ze wzorem n przyrost fzy fli o częstotliwości f i prędkości V n drodze l: 2 f l. Wzór ten jest podstwą do wyliczeni prędkości przepływu, pod V wrunkiem, że jest on równ prędkości fli [8]. Tk więc liniowość zmierzonej zleżności jest istotnym kryterium włściwego dooru częstotliwości generownej fli i odległości pomiędzy detektormi. N wykresch oserwujemy skok przyrostu fzy o wrtość 2π. Niejednoznczność wyznczeni różnicy fz ogrnicz zkres stosownych częstotliwości fli przy młych prędkościch. N rys. 5 przedstwiono frgment zmierzonej zleżności w zkresie do 30 Hz, który posłużył do wyliczeni prędkości przepływu. Zrówno dl fli prostokątnej jk i sinusoidlnej widć dorą jkość dopsowni prostej (współczynnik korelcji lepszy niż 0,999), orz pomimo młej ilości punktów użytych do dopsowni, młą różnicę współczynnik 5 4 Dne: s02_1811.sta 36v * 128c 6 5 Dne: p02_0911.sta 31v * 72c Rys. 4. Przesunięcie fzy fli cieplnej w funkcji częstotliwości dl prędkości przepływu v = 0,30 m/s; fl sinusoidln, prostokątn -0,2 Regresj Dfi =, ,1190 * f 95% p.ufnoœci Wsp. korelcji = -,9998 v=0,29 m/s 0,0 Regresj 95% p.ufnoœci Dfi = -,0159 -,1132 * f Wsp. korelcji = -,9997 v=0,30 m/s -0,8-0,6 Dfi [rd] -1,4-2,0-2,6 Dfi [rd] -1,2-1,8-2,4-3,2-3,0-3, , Rys. 5. Przesunięcie fzy fli cieplnej w funkcji częstotliwości fli dl prędkości przepływu v = 0,30 m/s i dopsown prost; fl sinusoidln, prostokątn

8 212 Jn Kiełs, Pweł Ligęz, Elżiet Poleszczyk, Andrzej Rchlski kierunkowego prostych, co wyrż się dorą zgodnością wyznczonych prędkości dl fli sinusoidlnej i prostokątnej. Metodę tę, którą możn nzwć metodą stłej odległości (o odległość między odiornikmi jest stł) i zmiennej częstotliwości zstosowno do określeni prędkości wzorcowej, do której odnoszono prędkość wyznczoną z przesunięci fzy fli cieplnej o ustlonej częstotliwości. Przykłdowy wykres tkiego dopsowni dl prędkości przepływu 2m/s przedstwiono n rys. 6. Z uwgi n większą prędkość, dl stosownych częstotliwości różnic fz jest wyznczn jednozncznie. N rys przedstwiono z- 0,0-0,2 Regresj 95% p.ufnoœci Dfi = -,0039 -,0167 * f Wsp. korelcji = -,9996 v=2,05 m/s 0,2 Regresj 95% p.ufnoœci Dfi =, ,0171 * f Wsp. korelcji = -,9997 v=2,00 m/s -0,4-0,2 Dfi [rd] -0,6-0,8-1,0-1,2-1,4-1,6-1,8 Dfi [rd] -0,6-1,0-1,4-1,8 Rys. 6. Przesunięcie fzy fli cieplnej w funkcji częstotliwości fli dl prędkości przepływu v = 2,03 m/s i dopsown prost 0,308 Dne: s02_0911.sta 30v * 111c 0,308 Dne: p02_0911.sta 31v * 128c 0,304 0,304 0,300 0,300 0,296 0,292 0,296 0,292 0,288 0,288 0,284 0,284 0, , Rys. 7. Porównnie oliczonej prędkości przepływu dl różnych częstotliwości fli cieplnej v = 0,295 m/s; fl sinusoidln, prostokątn 0,72 Dne: s04_0911.sta 31v * 54c 0,72 Dne: p04_0911.sta 31v * 72c 0,71 0,71 0,70 0,70 0,69 0,69 0,68 0,68 0,67 0,67 0, , Rys. 8. Porównnie oliczonej prędkości przepływu dl różnych częstotliwości fli cieplnej v = 0,70 m/s; fl sinusoidln, prostokątn

9 Eksperymentln weryfi kcj wieloknłowego termonemometrycznego ,20 Dne: s06_0911.sta 31v * 188c 1,20 Dne: p06_0911.sta 31v * 193c 1,18 1,18 1,16 1,14 1,12 1,16 1,14 1,12 1,10 1,10 1,08 1,08 1,06 1,06 Rys. 9. Porównnie oliczonej prędkości przepływu dl różnych częstotliwości fli cieplnej v = 1,135 m/s; fl sinusoidln, prostokątn 1,64 Dne: s08_0911.sta 31v * 197c 1,64 Dne: p08_0911.sta 31v * 204c 1,62 1,62 1,60 1,58 1,56 1,60 1,58 1,56 1,54 1,54 1,52 1,52 1,50 1,50 Rys.10. Porównnie oliczonej prędkości przepływu dl różnych częstotliwości fli cieplnej v = 1,575 m/s; fl sinusoidln, prostokątn 2,3 Dne: s10_0911.sta 31v * 197c 2,3 Dne: p10_1011.sta 31v * 193c 2,2 2,2 2,1 2,0 2,0 1,9 1,9 1,8 1,8 Rys. 11. Porównnie oliczonej prędkości przepływu dl różnych częstotliwości fli cieplnej v = 2,025 m/s; fl sinusoidln, prostokątn leżność wskzń prędkości nemometru z flą cieplną dl różnych częstotliwości fli i prędkości przepływu. Jk widć, ukłd mierzy prędkość z dorą dokłdnością od 0,7 m/s. Ze wzrostem prędkości przesuw się grnic jednoznczności wyznczni fzy tk, że dl prędkości powyżej 1m/s oejmuje już cły zkres częstotliwości. Jednocześnie oserwujemy pogorszenie się dokłdności przy młych częstotliwościch, co spowodowne jest młą różnicą fz w tym zkresie, więc jej pomir orczony jest dużą niepewnością. Dl prędkości powyżej 3 m/s niedokłdność pomiru wzrst. Przyczyną jest wpływ niepewności określeni czsu

10 214 Jn Kiełs, Pweł Ligęz, Elżiet Poleszczyk, Andrzej Rchlski 3,6 Dne: s15_0911.sta 30v * 181c 3,4 Dne: p15_0911.sta 30v * 181c 3,3 3,4 3,2 3,2 3,0 3,0 2,9 2,8 2,8 Rys. 12. Porównnie oliczonej prędkości przepływu dl różnych częstotliwości fli cieplnej v = 3,17 m/s; fl sinusoidln, prostokątn przez system pomirowy n różnicę fz fli, który rośnie wrz z prędkością fli. Ay prwidłowo zmierzyć przesunięcie fzowe sygnłów muszą mieć one odpowiednią mplitudę. Poniewż, jk widomo fl ciepln znik wrz ze wzrostem odległości od ndjnik, decydując w tym przypdku jest wrtość mplitudy n drugim odiorniku. N rys.13 przedstwiono zkres pomirowy używnego systemu w funkcji częstotliwości fli cieplnej. Oczywiście, zleży on zrówno od prmetrów fli (mplitud, moc sygnłu) jk i użytego czujnik (wzjemnych odległości między ndjnikiem fli i odiornikmi) orz rodzju przepływjącego gzu. Jk widć oejmuje on szeroki zkres częstotliwości dl prędkości do ok. 4m/s. Jednk, dl uzyskni lepszej dokłdności pomiru nleżłoy go zwęzić. Pomir prędkości przepływu metodą fl cieplnych jest pomirem złożonym. Mimo iż prędkość wyliczn jest z prostej przedstwionej uprzednio zleżności, to nliz niepewności pomiru jest skomplikown. Po z jkością czujnik istotn jest jkość generownej fli orz dokłdność określeni jej częstotliwości i przesunięci fzowego. Nleży też wspomnieć, że n niepewność pomiru wpływją również zjwisk erodynmiczne związne z oecnością trójwłóknowego czujnik nemometrycznego w dnym przepływie. 5 Dne: vpr_vsi.sta 18v * 37c 4 grnic m³ej ró nicy fz grnic m³ej mplitudy zkres pomirowy grnic jednozncznoœci róznicy fzy Rys. 13. Zkres pomirowy dnego nemomtru z flą cieplną SLIMFAZG SLIMFAZD SLIMAMP

11 Eksperymentln weryfi kcj wieloknłowego termonemometrycznego Wnioski Prezentowny nemometr z flą cieplną, zudowny n zie termonemometrycznego wieloknłowego cyfrowego systemu pomirowego możn zstosowć do pomirów w szerokim zkresie młych prędkości. Jego prmetry, więc zstosowny czujnik, generown fl są wynikiem kompromisu pomiędzy wymgnimi wynikjącymi z istoty fizycznej zjwisk rozchodzeni się fl cieplnych w płynącym medium (tłumienie fli), konstrukcji czujnik orz ukłdów generowni fli i przetwrzni sygnłów zrówno w spekcie prturowym jk i progrmowym. Zletą tkiego nemometru jest nieczułość n zminy tempertury, skłdu przepływjącego gzu, orz ewentulne znieczyszczeni w przepływie pod wrunkiem, że prędkość fli równ jest prędkości przepływu. Ogrniczenimi metody jest wymóg jednorodności pol prędkości przepływu w oszrze czujnik, który jest tu zncznie większy niż dl czujnik z pojedynczym włóknem. Z uwgi n czs potrzeny n zrejestrownie określonej ilości okresów fli mierzony przepływ powinien yć stcjonrny. Litertur [1] Bruun H.H.: Hot-wire Anemometry. Principles nd Signl Anlysis; Oxford, University Press, Oxford 1995 [2] Ligęz P.: A four-point constnt-current/temperture controlled circuit for nemometric pplictions; Review of Scientific Instruments, nr 1, 2000 [3] Ligęz P.: Ukłdy termonemometryczne struktur, modelownie, przyrządy i systemy pomirowe; Wydwnictw AGH, Rozprwy, Monogrfie nr 98, Krków 2001 [4] Poleszczyk E.: Termonemometryczn metod wyznczni wektor prędkości przepływu gzu, Prce Instytutu Mechniki Górotworu, Rozprwy, Monogrfie, 1, [5] Ligęz P.: High-precision CTA, MTS News, 4, [6] Rysz J.: Konstrukcj specjlizownych czujników termonemometrycznych do systemu pomirowego, Prce Instytutu Mechniki Górotworu PAN, [7] Gwor M., Soch K.: Struktur oprogrmowni i możliwości metrologiczne sterownego komputerowo wieloknłowego termonemometrycznego systemu pomirowego, Prce Instytutu Mechniki Górotworu PAN, [8] Kiełs J.: Teoretyczne, prturowe i progrmowe ogrniczeni prcy nemometru z flą cieplną, Prce Instytutu Mechniki Górotworu PAN, Experimentl verifiction of multi cnl hot-wire mesurement system working s the therml wve nemometer Astrct This work presents the computer controlled multi cnl hot-wire mesurement system for pplictions in the lortory mesurement systems. The structure of this mesurement system is discussed in detils, nd the rnge of pplictions is given. This equipment is dedicted to develop complex computer hot-wire nemometric mesuring systems. The results of experimentl verifiction of multi cnl hot-wire mesurement system working s the therml wve nemometer is discussed in detils. Keywords: metrology, thermonemometry, mesurement system, wve nemometer Recenzent: Prof. dr h. inż. Andrzej Z. Smolrski, Instytut Mechniki Górotworu PAN