TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Anemometrické metody Učební text Ing. Bc. Michal Malík Ing. Bc. Jiří Primas Liberec 2011 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Anemometrie Než se začneme věnovat jednotlivým anemometrickým metodám, bylo by dobré říci si něco alespoň obecně o Anemometrii. Termín anemometrie vychází z řeckého slova anemos, které znamená vítr. Jedná se o vědní disciplínu, jejíž oblastí zájmu je zkoumání proudění v tekutinách. Ať již se jedná o měření rychlosti, popřípadě tlaku proudění nebo zaznamenávání směru proudění. Anemometrické metody Anemometrickými metodami se rozumí metody měření parametrů proudění tekutin (rychlosti, tlaku, směru,.) za použití rozličných měřících přístrojů a zařízení a využívající nejrůznější fyzikální principy. Můžeme sem zahrnout jak například čistě mechanické miskové anemometry známé z meteorologických stanic, termoanemometrické sondy, nebo optické metody využívající podstatně složitější principy (PIV, LDA, ). Mechanické anemometry Jedním s prvních měřících aparátů zkonstruovaných za účelem měření rychlostí proudění vzduchu byly právě mechanické anemometry. Jejich konstrukce se však mění od doby svých začátků, kdy J.T.R. Robinson sestrojil roku 1846 první miskový anemometr (viz obr. 1). Princip byl jednoduchý. Proud vzduchu se opírá do misek umístěných na rotoru, tím ho roztáčí (misky mají na vnitřní straně mnohem větší aerodynamický odpor než na straně vnější, takže se rotor vždy točí jedním směrem). Z průměrné rychlosti otáček lze následně určit rychlost větru. V původním designu bylo celé zařízení symetrické, takže se proud tekutiny vždy opíral do jedné misky na vnitřní straně a do jedné na straně vnější. Dnes používané miskové anemometry mají z důvodu větší efektivity pouze 3 misky. Protože koeficient udávající poměr rychlosti otáčení a skutečné rychlosti větru závisí na tvaru a velikosti misek i vlastních ramen, na kterých jsou připevněny, je tento koeficient pro každý anemometr různý. Druhým běžným konstrukčním typem mechanického anemometru je tzv. vrtulový anemometr, někdy nazývaný také větrník. Konstrukce je opět velmi jednoduchá. Vrtule na horizontální ose je obrácena po (popřípadě proti podle orientace listů vrtule) proudu vzduchu, který ji roztáčí a lze tak měřit jeho rychlost. Oproti miskovému anemometru má 2
větrník nevýhodu v tom, že musí být vždy přesně orientován rovnoběžně s vektorem proudění vzduchu. Toho se docílilo tak, že na osu rotace vrtule bylo připevněno křídlo a celé zařízení je připevněno na kolmé vertikální ose, která mu dovoluje otočit se do požadovaného směru (viz obr. 2). Křídlo funguje jako korouhev, která zajišťuje správnou orientaci vrtule. Zařízení tak může sloužit nejen k získávání informace o rychlosti větru, ale také o jeho směru. Za zmínku stojí také pravděpodobně první design anemometru. Jedná se o lehké kyvadlo, které je větrem vychylováno. Z výchylky je možné určit rychlost větru. Přepočet opět závisí na velikosti a tvaru kyvadla, ale také na jeho hmotnosti. Termoanemometrické sondy Tato metoda měření staví na závislosti velikosti elektrického odporu většiny kovů na jejich teplotě. Využívá velmi tenký kovový drátek (průměr až v řádu mikrometrů, nejčastěji wolfram), který je žhaven elektrickým proudem na teplotu vyšší než je teplota okolního vzduchu. Vzduch proudící kolem drátku jej ochlazuje, a tak mění jeho vlastnosti. Lze najít závislost mezi elektrickým oporem a rychlostí proudění. Tento princip se využívá v praktických aplikacích v několika podobách: CCA (anemometr se stálým proudem), CVA (anemometr se stálým napětím) a CTA (anemometr se stálou teplotou). Výsledkem je tedy elektrický obvod, postavený tak, aby zachovával jednu veličinu konstantní elektrický proud, elektrické napětí, nebo teplotu drátku. Existují také anemometry, kde se udržování jedné z veličin provádí pulsně (PWM), takže ve výsledku daná veličina kolísá mezi horní a dolní mezí. Ačkoliv jsou termoanemometrické sondy relativně křehké, mají velmi rychlou odezvu a velkou prostorovou citlivost v porovnání s jinými kontaktními metodami, a proto se často využívají například při podrobném zkoumání turbulentních proudění. Akustické anemometry Akustické anemometry fungují tak, že jsou skrz prostředí vysílány nadzvukové akustické vlny a výstupem je čas, za který vlna urazila určitou vzdálenost. Pokud se prostředí, skrz které byla akustická vlna vyslána, pohybuje (je přítomné proudění vzduchu), čas se mění. Měření probíhá v prostoru mezi vysílačem a přijímačem. Pokud se těchto párů využije více, je možné z měření získat jedno-, dvou-, 3
nebo až třídimensionální obraz o proudění vzduchu. Prostorová citlivost akustického anemometru záleží na vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem, ale běžně se pohybuje v rozmezí 10 20 cm. Ovšem frekvence měření může dosahovat 20 Hz nebo dokonce více, což dovoluje akustický anemometr využívat pro měření rychle se měnících turbulentních proudění. Velkou výhodou je také fakt, že akustický anemometr nemá žádné pohyblivé části, a proto je velmi dobře uzpůsoben pro dlouhodobé měření, při kterých by například mechanické anemometry vyžadovaly stálou údržbu. Nevýhody tohoto typu měřících přístrojů tkví v možném zkreslení vlastního proudění přítomností rámu, na kterém jsou připevněny páry vysílač/přijímač, ale také náchylnost k nepřesnostem pokud je v měřeném prostředí přítomný další materiál (déšť), který ovlivňuje rychlost šíření zvuku v prostředí. Akustické anemometry mají v dnešní době velké množství praktických aplikací, jako jsou například: meteorologické stanice, navigace lodí, letectví, atd. Bezkontaktní metody Výše zmíněné metody mají jednu společnou charakteristiku. Jejich podstatou je vkládání rozličných měřících přístrojů do cesty vzdušnému (nebo jinému) proudu, za účelem zjištění jeho vlastností. To vede k mnoha nepřesnostem při určování rychlosti proudění, protože samo tělo měřícího přístroje proudění ovlivňuje a zkresluje tak naměřené výsledky. Pokud chceme takovéto zkreslení kompenzovat, je nutné zavést koeficienty přepočtu, které jsou závislé na mnoha parametrech, mimo jiné na tvaru a velikosti měřícího přístroje. Pokud bychom tyto metody nazvaly kontaktními, podívejme se nyní na metody bezkontaktní, které se snaží vkládání jakýchkoliv cizích těles do cesty proudění omezit. Tyto metody jsou vesměs založeny na technologii LASERu jako monochromatického zdroje světla, který slouží k pozorování zkoumané oblasti. Pro pozorování tyto metody používají sofistikované optické zařízení v některých případech spojené s vyhodnocovacím softwarem. LDA Metoda LDA (Laser Doppler Anemometry) funguje na principu Dopplerova jevu. Základem je laserový paprsek, který prochází zkoumanou tekutinou, kde se na částicích přítomných v tekutině paprsek rozptyluje. Vlivem Dopplerova jevu zde dochází k posuvu frekvence odraženého paprsku a jejím porovnáním se známou frekvencí vyslaného signálu lze vypočítat rychlost částice. Je tedy zřejmé, že je pro tuto metodu nutná 4
přítomnost částic určité velikosti v proudu částic a samozřejmě také průhlednost tekutiny a optický přístup k vlastní tekutině (průhledná stěna tunelu). Částice vhodné velikosti lze do tekutiny dopovat uměle, jen je potřeba zajisti, aby měly velmi malou pádovou rychlost a aby byly schopné kopírovat trajektorie proudu tekutiny. Velikost částic nutných pro tuto metodu závisí na vlnové délce použitého zdroje světla. Toho lze využít například pokud chceme získat třídimenzionální vektor proudění. Stačí nám k tomu tři zdroje světla o různých vlnových délkách a částice o patřičných průměrech. Obvykle je Dopplerovo frekvenční posunutí (rozdíl frekvencí mezi paprskem původním a rozptýleným), ke kterému dochází při rozptýlení paprsku po dopadu na pohybující se částice, velmi malé. Abychom mohli dané frekvenční posunutí vůbec registrovat, musí být zdroj světla monochromatický s velmi úzkou spektrální čarou. Vyhodnocení takovýchto malých frekvenčních posunutí lze s vysokou přesností provést např. z interferenčního obrazce vznikajícího v detektoru. Z uvedených důvodů se jako zdroje světla v těchto systémech používají lasery, které mohou vyzařovat dostatečně monochromatické a koherentní záření nutné pro vznik interference. Podle volby porovnávacího svazku lze systémy LDA rozdělit na systémy s referenčním svazkem, systémy interferenční (diferenční) a systémy se dvěma směry pozorování. Signály z detektoru, kterým může být např. fotonásobič, lze sledovat na osciloskopu. Výsledná frekvence (zázněje) viditelná na interferenci příslušných světelných svazků je úměrná rychlosti částic ve zkoumané oblasti. PIV Metoda PIV (Particle Image Velocimetry) využívá obdobně jako metoda LDA LASER jako zdroj světla. V PIV je ovšem účelem LASERu pouze osvětlit zkoumanou plochu (laserový paprsek je opticky roztažen na plochu). I v této metodě je proud tekutiny nadopován trasovacími částicemi, které nám ulehčují sledovat její pohyb. Nakonec je osvětlený prostor minimálně dvakrát rychle za sebou nasnímán kamerou umístěnou kolmo na osvícenou plochu. Jedná se většinou o rychlokamery s vysokou vzorkovací frekvencí. Protože je znám čas mezi snímky, je pak již jen záležitostí softwaru aby porovnal posunutí vyfotografovaných částic na snímku a určil tak směr a rychlost jejich pohybu. Dostaneme tak dvojdimenzionální obraz s vykresleným polem vektorů, jejichž směr nám udává směr proudění v daném místě a velikost vektorů reprezentuje velikost rychlosti proudění. Je možné upravit snímací a osvětlovací 5
aparaturu abychom získaly až třídimenzionální záznam proudění. Vyhodnocování takovýchto snímků je však velmi náročné. V souvislosti s PIV je možné zmínit také metodu PTV (Particle Tracking Velocimetry). Jedná se o obdobu metody PIV ovšem s tím rozdílem, že výsledkem není pouze série snímků ale kontinunelní záznam proudících částic. I tato metoda má možné rozšíření na 3D. V takovém případě je nutné využít 3 4 kamery, ale zdrojem světla již nemusí být LASER, protože požadavky na koherentnost a monochromatičnost záření nám odpadly. Je pouze nutné, aby sledovaný objem byl dostatečně osvětlený, aby bylo možné dobře sledovat trasovací částice. Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně. 6