Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu MIERNICTWO WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH I NIEELEKTRYCZNYCH Kod przedmiotu: ENS1A511254 Ćwiczenie pt. Pomiary parametrów przepływu powietrza Numer ćwiczenia MEN 10 Opracowali: dr inż. Jarosław Makal dr inż. Adam Idźkowski Białystok 2013
Wszystkie prawa zastrzeżone. Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli. 2
Cel ćwiczenia: Studenci zapoznają się z zagadnieniem pomiaru wartości prędkości przepływającego powietrza. Umieją poprawnie zmierzyć wartość prędkości i wydajności przepływu posługując się udostępnionymi przyrządami. Wiedzą, jakie są źródła niepewności przy pomiarze tych wielkości. Doskonalą umiejętność posługiwania się termoanemometrem, suwmiarką. Potrafią obliczyć niedokładność pomiaru na podstawie dostępnych danych. 1. WSTĘP Przyrządy do pomiaru prędkości wiatru używane były już przez Majów w Meksyku. W czasach późniejszych konstrukcjami tymi zajmowali się m.in. R. Hooke (angielski fizyk), Leonardo da Vinci (1452-1519). Pierwszy anemometr z obracającymi się elementami skonstruował w 1846 r. irlandzki fizyk John T. R. Robinson. Realizuje on tzw. pośrednią metodę pomiaru polegającą na pomiarze wartości obrotowej wiatraczka (czaszy) i na tej podstawie wyliczanej wartości prędkości liniowej powietrza. Charakterystyka przetwarzania takiego anemometru wiąże ze sobą prędkość wiatru i prędkość obrotową (podaje, w jaki sposób zachodzi to przetwarzanie). Zespół czynności mających na celu określenie tej charakterystyki nazywa się kalibracją lub wzorcowaniem przyrządu. Dokonuje tego zawsze producent urządzenia i określa dla danego typu jego dokładność (niedokładność) w postaci błędu granicznego. Może być on podawany jako: % wartości zmierzonej, % zakresu pomiarowego, liczba najmniej znaczących cyfr wyświetlacza, suma ww. niektórych składników. 3
Przepływ cieczy lub gazu może mieć charakter spokojny (laminarny) lub gwałtowny, burzliwy (turbulentny). W tym drugim przypadku prędkość przepływu zmienia się szybko w czasie i w przestrzeni. Przy pomiarach przepływu laminarnego wystarczy zmierzyć prędkość w jednym punkcie, natomiast w turbulentnym przepływie trzeba dokonać przynajmniej kilku pomiarów i je uśrednić. Na zdjęciu przedstawiono profesjonalny miernik służący do pomiaru przepływu i wydajności powietrza oraz temperatury [1]. Miernik wyposażony jest w wirnik skrzydełkowy połączony z miernikiem długim przewodem, umożliwiający przeprowadzenie pomiarów w trudnodostępnych miejscach. Wynik prędkości oraz temperatury jest bezpośrednio przedstawiany na dużym, trójpolowym wyświetlaczu LCD. Dodatkową zaletą miernika jest możliwość obliczenia rzeczywistej oraz średniej wydajności przepływu powietrza. Posiada funkcje zatrzymania pomiaru, pamięci wartości 4
wentylator maksymalnych, minimalnych i średnich oraz funkcję automatycznego odcięcia zasilania po 15 min. bezczynności. Po deaktywacji funkcji oszczędności baterii może pracować w trybie ciągłym np. podczas długotrwałych pomiarów. Przystosowany jest do zamontowania na statywie. Wbudowany pirometr o szerokim zakresie pomiarowym (od -50 do +500 C) i wysokiej rozdzielczości optycznej (30:1) umożliwia bezkontaktowy pomiar temperatury obiektów ruchomych, niedostępnych lub niebezpiecznych w dotyku. Celownik laserowy pozwala na precyzyjne określenie punktu pomiarowego. Miernik charakteryzuje się wysoką czułością i dokładnością pomiarów. Użytkownik ma możliwość zmiany jednostek odczytu: dla temperatury ºC lub ºF oraz dla prędkości przepływu: m/s, km/h, ft/min, mph, knots. 2. OPIS ĆWICZENIA W tym ćwiczeniu źródłem przepływu powietrza jest wentylator kanałowy o wydajności ok. 180m 3 /h (wartość podana przez producenta) wbudowany w kanał utworzony z typowych rur i kształtek PCV o zmniejszających się średnicach (rys. 1). Montaż i demontaż poszczególnych odcinków jest bardzo prosty, aby umożliwić pomiar prędkości i wydajności przepływu powietrza przy różnych średnicach rur. I II III IV Rys. 1. Uproszczony model kanału przepływu powietrza ze zmiennymi przekrojami 5
Uzyskuje się w ten sposób różne wartości prędkości przepływów przy zachowaniu tej samej wydajności. Pomiar termoanemometrem odbywa się na końcu każdego odcinka toru zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu. Przystępując do realizacji tego ćwiczenia każdy student powinien umieć objaśnić pojęcia: wydajności przepływu i prędkości powietrza oraz znać metodę obliczania ich wartości. Powinien też wiedzieć jak obliczyć wartość średnią z serii prób, odchylenie standardowe serii i odchylenie standardowe średniej. Przed rozpoczęciem ćwiczenia studenci otrzymują termoanemometr wraz z instrukcją obsługi. Zapoznają się również ze sposobem regulacji prędkości wentylatora za pomocą autotransformatora. 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Pomiar wartości prędkości przepływu A) Pomiar punktowy prędkości (VEL) przepływu powietrza należy wykonać u wylotu kanału o średnicy 100mm w trzech położeniach wirnika skrzydełkowego (wzdłuż średnicy przekroju). Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1. Każdy członek zespołu powinien samodzielnie zmierzyć przynajmniej trzykrotnie wartość prędkości powietrza przy użyciu termoanemometru. Błąd graniczny termoanemometru (na podstawie instrukcji). gr 6
Tabela 1. Imię i nazwisko L.p. Wynik pomiaru punktowego prędkości 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Wynik pomiaru=wartość średnia serii Odchylenie standardowe serii Odchylenie standardowe średniej x x x Niepewność tak otrzymanego wyniku pomiaru obliczana jest w następujący sposób: W przypadku, gdy u ( ~ 2 2 2 2 2 gr c x) ua( x) ub( x) x u 2 B N x 2 ( x) u ( x) przyjmuje się k p =2 (p=0,95) lub k p =3 (p=0,997) i niepewność rozszerzona U( ~ x ) k u ( ~ x). Zapis wyniku pomiaru ~ x U( ~ x) dla k... p... p x p A c 3. 7
B) Pomiar średniej prędkości przepływu powietrza (AVG) należy wykonać w środku wylotu kanału dla każdego przekroju. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 2. Każdy członek zespołu powinien samodzielnie zmierzyć średnią wartość prędkości powietrza przy użyciu termoanemometru i obliczyć niepewność wyniku pomiaru. Tabela 2. Imię i nazwisko Wynik pomiaru m/s km/h Przekrój I II III IV W pomiarach bezpośrednich dokonywanych jednorazowo (gdy nie ma serii pomiarów) wartość niepewności rozszerzonej (dla k p =3, p=0,997) jest praktycznie taka sama jak wartość błędu granicznego przyrządu. 8
Pomiar wartości wydajności przepływu powietrza (CMM) A) Przed rozpoczęciem tego pomiaru należy wprowadzić do pamięci przyrządu wartości pola powierzchni dla każdego przekroju. W tym celu studenci dokonują pomiaru wartości średnicy przekroju za pomocą suwmiarki. Wyniki zapisywane są w tabeli 3. Tabela 3. Wartości średnicy przekroju wylotu kanału (mm) Nr pomiaru Przekrój I Przekrój II Przekrój III Przekrój IV 1 2 3 4 5 wartość średnia Błąd graniczny suwmiarki (na podstawie instrukcji). gr Po odpowiednim ustawieniu funkcji i parametrów przyrządu należy zmierzyć średnią wartość wydajności przepływu w środku wylotu kanału kolejno dla wszystkich dostępnych przekrojów (pamiętając o wprowadzeniu ich wartości do pamięci przyrządu). Nie należy przy tym zmieniać nastawy autotransformatora. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 4. 9
Tabela 4. Nr pomiaru 1 2 3 4 wartość średnia Wartość wydajności przepływu powietrza dla kolejnych przekrojów (m 3 /min) Przekrój I Przekrój II Przekrój III Przekrój IV Otrzymane wyniki należy podać również w m 3 /h. Wartość wydajności przepływu powietrza dla kolejnych przekrojów (m 3 /h) Przekrój I Przekrój II Przekrój III Przekrój IV wartość średnia Zadanie dodatkowe Znając prędkość przepływu powietrza i powierzchnię przekroju kanału można obliczyć wydajność przepływu. Na podstawie uśrednionych wyników z tabeli 2 i 3 należy obliczyć przy pomocy kalkulatora wartości wydajności przepływu dla każdego przekroju i porównać z wynikami z tabeli 4. Ewentualne znaczne różnice obowiązkowo skomentować. 10
4. OPRACOWANIE WYNIKÓW W sporządzonym raporcie zespół zamieszcza: wyniki przeprowadzonych pomiarów (tabele 1-4), uśrednione wyniki pomiarów wraz z ich niepewnościami (tylko jeśli jest to wymagane), komentarze do każdej tabeli (zwrócić uwagę na fizyczne aspekty przepływu powietrza i ich potwierdzenie w wynikach pomiarów). 5. ZALICZENIE ĆWICZENIA Student zalicza ćwiczenie jeśli: umie prawidłowo zmierzyć prędkość i wydajność przepływu powietrza przy pomocy dostępnego anemometru (45%), potrafi określić dla każdego wyniku pomiaru jego niepewność (25%), oblicza wydajność przepływu na podstawie danych wartości średnicy kanału i prędkości powietrza (10%), poprawnie wyjaśnia i komentuje wszystkie dane zawarte w raporcie końcowym (20%). 6. LITERATURA 1. Termo-anemometr/pirometr DTTA-8894. Instrukcja obsługi. AISKO. www.pirometr.pl 2. Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik. Główny Urząd Miar, 1999, ISBN 83-906546-1-x. 3. Turkowski M. Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002, ISBN 83-7207- 222-1. 4. Miłek M. Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego 2006, ISBN 83-7481-023-8. 11
7. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciwpożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad: Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 12