Anemometrie - žhavené senzory

Transkript

1 Anemometrie - žhavené senzory Fyzikální princip metody Metoda je založena na ochlazování žhaveného senzoru proudícím médiem. Teplota senzoru: C Ochlazování závisí na: Vlastnostech senzoru Fyzikálních vlastnostech média (tepelné vodivosti, viskozitě, ) Stavu média o Teplotě o Tlaku o Rychlosti proudění Základní vlastnosti metody Výhody Malý měřící bod (u jednoho senzoru 1 x 0,005mm 2 ) Vysoká citlivost Měření rychlostí HW 1

2 Vysoká přesnost (dána kalibrací a podmínkami při měření) Vysoké frekvence (až 400kHz) Velký rozsah rychlostí (u vzduchu od 0,01 m/s 5Ma) Citlivost na další fyzikální veličiny (T, p, koncentrace) Relativně nízká cena Nevýhody Intrusivní metoda Křehká sonda Citlivost na znečistění Indikace smyslu proudu Citlivost na další fyzikální veličiny (T, p, koncentrace) 1. Oblast použití metody Přesná bodová měření rychlosti Malé rychlosti Turbulence Mezní vrstva Kombinovaná měření Měření rychlostí HW 2

3 Ochlazovací zákon Ochlazovací zákon Vztah mezi rychlostí proudění média a výstupním napětím z anemometru. Obecně: E = F( U) King (1914) E = A BU Collis-Williams (1959) 2 N E = A BU Oster, Wygnanski (1982) Měření rychlostí HW 3

4 U 4 = Am E m= 0 m BEZROZMĚRNÝ TVAR Obecně: Nu = F ( Re,Pr,Kn, Gr, Ma, ϕ,...) Nu Q = πl λ T T T Ud Re = ν ( )[ ] W m W W ( T, P ) m c pomocné vztahy: 2 EW Q = Jouleovo teplo R W ( ) Rw = R0 1 + α0 Tw T0 závislost odporu na teplotě RD = RP + RL + RW odpor větve Wh. mostu (dekády) = odpor přívodů + odpor elektrod + odpor drátku 1 Tm = ( T + TW) střední (filmová) teplota 2 King (1914) Nu = A + B Re Collis, Williams (1959) Měření rychlostí HW 4

5 0,17 N Tm = + Nu A B Re T Andrews (1972) ( 1 ) N Nu = A + B Re C Kn Nu Collis-Williams T m 0,17 Nu = A + B Re T N Re = 0,02 44 N = 0,45, A = 0,24, B = 0,56 Re = N = 0,51, A = 0, B = 0,48 Zobecněný Collis-Williamsův zákon T m Nc = Nu = A + B Re T M A, B, N, M konstanty určované kalibrací N Měření rychlostí HW 5

6 1.1. Směrová citlivost Efektivní rychlost: Taková rychlost proudění kolmá k drátku, která způsobí stejné ochlazování jako daná rychlost obecného směru t ( sin ϕ cos ϕ ) ( ϕ) ( 1 κ cos ϕ) U = W + k W = W + k n U = F W = + W ,95 κ 0,8 2 0,05 k 0, k 1 = 2 1 κ k 1 0 pro 20 ϕ 160 (Hinze) V = U + k U + h U Jørgensen (k 0,15, h 1,02) e N T B 1.2. Směrová charakteristika V e /U κ Měření rychlostí HW 6 φ [deg]

7 Vliv blízkosti stěny Wills (1962) N N N N N 0,45 ν kor měř 0,45 dw U = U Re 1 = 1 laminární proud 1 = 0,5 ± 0,1 turbulentní proud 0,63 2y 2 = exp 0,217 dw 1 2 Měření rychlostí HW 7

8 pozn.: měření proudů s nízkou střední rychlostí (např. blízko stěny) nebezpečí výskytu zpětného proudění -> měřen pouze modul! Měření rychlostí HW 8

9 Kalibrace 1.3. Kalibrace Statická Dynamická o Přímá nízké frekvence o Nepřímá el.signál Matematicky regrese nebo interpolace Teplotní kalibrace Re = konst., T m = ~ => závislost na teplotě teplotní korekce (součinitel M u C-W zákona) Rychlostní kalibrace Měření rychlostí HW 9

10 Re = ~, T m = konst. => závislost na rychlosti (Re) (součinitele A, B, N u C-W zákona) Směrová kalibrace V ef (φ) regrese - určení součinitelů (k, h) interpolace závislosti Měření rychlostí HW 10

11 2. Anemometrická aparatura Účel aparatury: Žhavení senzoru pomocí Jouleova tepla Indikace ochlazování změna teploty změna el.odporu 2.1. Metoda konstantního proudu CCA Sondou protéká konstantní el. Proud nastavuje se (řádově jednotky ma) Měření rychlostí HW 11

12 2.2. Metoda konstantní teploty CTA Napájení Wheatstonova mostu pomocí servozesilovače zpětná vazba, udržuje konstantní el.odpor sondy -> konstantní teplota drátku. Měření rychlostí HW 12

13 2.3. Frekvenční charakteristika CCA konst. do cca 700Hz CTA konst. do kHz Měření rychlostí HW 13

14 Obdélníkový test Měření rychlostí HW 14

15 Typy sond Drátkové sondy Průměr drátku: 1-10µm Použití: plyny Materiál drátku: Wolfram Platina Film Film Nikl, tloušťka méně než 1µm Měření rychlostí HW 15

16 1D 2D Měření rychlostí HW 16

17 3D Měření rychlostí HW 17

18 2.4. Filmové sondy Měření rychlostí HW 18

19 Různé tvary podložky: Cylindrické ø µm V Ploché jiný Použití: plyny, kapaliny Materiál: podložka nevodivá el. i tep. (křemenné sklo) film Ni, Pt (tl. ~0,1µm) Odolnější proti znečistění Větší průměr > víry Stěnové filmy (měří povrchové tření) - indikace přechodu mezní vrstvy do turbulence Měření rychlostí HW 19

20 Měření rychlostí HW 20

21 Měření rychlostí HW 21

22 sonda typu Kovacnay pro měření vířivosti Měření rychlostí HW 22