TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Vizualizace teplotních polí metodou plif Návod na cvičení Darina Jašíková 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
Úvodní informace Při tomto cvičení se seznámíte s možnostmi bezkontaktní vizualizace a měření teplotních polí kapalin. Metoda Planar Laser Induced Fluerescence je využívána pro zjišťování prostorového rozložení teplotního pole a rozdílů koncentrací v kapalinách. Nasazení metody je obzvláště vhodné pro sledování dějů, uvnitř uzavřených nádob. Seznam pomůcek a laboratorního vybavení Technika pro metodu plif, tj. pulsní laser, digitální kamery, stativ, sada optických barevných filtrů Skleněná nádoba, čerpadlo s termostatem, koncentrát barviva Rhodamin B pro vizualizaci teploty, propojovací materiál (hadičky, ventily, redukce) Odvzdušňovací ultrazvukový generátor Topná spirála Měřák s teplotní sondou Postup pro vypracování cvičeni Teoretická příprava Vysvětlete pojmy teplota, teplo, koncentrace, vlnová délka světla. Zopakujte si základy metody plif, které byly předneseny na přednášce, vysvětlete obrázek 1. Obrázek 1 Princip excitovaného a emitovaného světla částicí Praktická příprava Na základě znalosti o vlnových délkách barev vyberte vhodný filtr pro vizualizaci teplotních polí, pokud víte, že vlnová délka vyzářeného světla se pohybuje v rozmezí 570nm až 600nm. Ve vašich úvahách vám pomůže obrázek 2. Podle schématu na obrázku 3 zapojte systém skleněné nádoby, čerpadla s termostatem. Naplňte nádrž a celý okruh vodou Pitná voda obsahuje rozpuštěný vzduch, který se ve formě bublinek usadí na stěnách skleněné nádoby. Bubliny znesnadňují měření, proto je nutné je odstranit. Pro odstranění bublin použijte ultrazvukový generátor. 2
Pod dohledem lektora ponořte sondu generátoru do vody. Dbejte na to, aby byla sonda celým objemem ponořena. Zapněte generátor po dobu 5sec na 80% výkon. Odvzdušnění opakujte dle potřeby. Vypočítejte objem vody v systému a na základě tohoto výpočtu dávkujte koncentrát roztoku Rhodaminu B. Koncentrát obsahuje 0.1g barviva na 1litr vody. Požadovaná koncentrace roztoku v systému by měla být okolo 0,001g/l. Při výpočtu vycházejte ze směšovací rovnice 1 nebo logické úvahy., kde [1] m 1, m 2 jsou hmotnosti roztoků, které směšujeme w 1, w 2 jsou hmotnostní zlomky koncentrací látek v směšovaných roztocích w hmotností zlomek rozpuštěné látky ve výsledném roztoku (čisté vody je 0) Na termostatu nastavte teplotu 20 C a nechte kolovat vodu v systému, dokud nedojde k úplnému promísení. Stav teploty průběžně kontrolujte měřákem s teplotním čidlem. Do nádoby umístěte topnou spirálu tak, aby byla povětšině ponořena. Sledujte postup ohřevu v časovém intervalu 5sec. Z tohoto časového údaje vypočítejte nastavení frekvence snímání. Nejprve spusťte měření a poté zapněte topnou spirálu. Děj měřte po dobu 10minut. Obrázek 2 Sada barevných filtrů Obrázek 3 Schéma pro zapojení skleněné nádoby, termostatu, čerpadla a regulačních ventilů, Legenda: 1-nádrž s roztokem, 2-čerpadlo s termostatem LAUDA master PROLINE RP845, 3, 5-regulační ventil, 4 rozdvojka, 3
Obrázek 4 Uspořádání měřicí techniky, 1 LASER Nd:4A6, pulzní, vlnová délka = 532 nm, 2 KAMERA DANTEC DYNAMICS model: C4742-53-12NRB, 3 MULTIMETR Agilent U1252A, 4 snímaná plocha, 5 laserový řez, 6 nádrž s roztokem, 7 teplotní sonda Agilent U1181A, 8 čerpadlo s termostatem LAUDA master PROLINE RP845 Obrázek 5 Uspořádání měřicí techniky reálná situace v laboratoři Obrázek 6 Správné ponoření sondy ultrazvukového generátoru s bublinkami vzduchu na skle nádoby 4
Otázky k zamyšlení: Jmenujte alespoň 3 metody pro prostorové měření teplot Zamyslete se nad možnostmi odstranění rozpuštěného vzduchu z kapalin. Najděte další fluorescenční barviva, která je možné použít pro vizualizaci a měření prostorových teplotních polí a uveďte vlnové délky emitace a emise. Zpracujte do přehledné tabulky. 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. 5
6