Jste zde

Primární etalon rychlosti proudění vzduchu

Název etalonu: Etalon rychlosti proudění vzduchu

Rok vyhlášení: předpoklad 2013

Pracoviště: odd. 6015 ČMI OI Brno

Garant: Mgr. Jan Geršl, Ph.D.

Mód:

Rozsah:

Nejistota (k = 2):

Anemometry

s etalonem LDA

(0,5 – 5) m/s

(5 – 50) m/s

0,01 m/s + 0,003 v

0,005 v

Anemometry s etalonem

Prandtlovou trubicí

(0,5 – 5) m/s

(5 – 50) m/s

0,01 m/s + 0,005 v

0,007 v

Měřidla průtoku

s etalonem LDA

(0 – 28600) m3/h

(0,006/v + 0,005) Q

v … rychlost v m/s

Měřidla průtoku s etalonem

Prandtlovou trubicí

(0 – 28600) m3/h

(0,007/v + 0,0076) Q

v … rychlost v m/s

V roce 2012 byla na ČMI OI Brno zbudována laboratoř rychlosti proudění vzduchu sestávající z aerodynamického tunelu a laserového dopplerovského anemometru (LDA) jako primárního etalonu rychlosti proudění.

Dodavatelem aerodynamického tunelu je německá firma Westenberg Wind Tunnels, která dodala tunely mimo jiné i pro německý metrologický institut PTB. Tunel ČMI je uzavřený s otevřeným měřicím prostorem. Dodavatelem LDA je německá firma ILA. Parametry tunelu jsou shrnuty v tabulce.

Rozsah rychlostí vzduchu

(0,5 – 50) m/s

Průměr výstupní trysky tunelu

45 cm (kruhový tvar)

Délka měřicího prostoru

63 cm

Plošná kontrakce na výstupní trysce

6

Intenzita turbulence

0,3 % pro v > 10 m/s

pro nízké rychlosti max 3 %

Nehomogenita střední rychlosti

(0,2 – 0,4) %

Intenzita turbulence je definována jako procentní podíl standardní odchylky podélné složky rychlosti ku střední hodnotě podélné složky rychlosti. Nehomogenitou rychlosti v dané oblasti se myslí maximální odchylka rychlosti v této oblasti od prostorově střední hodnoty rychlosti v této oblasti. Hodnota nehomogenity v tabulce platí pro oblast měřicího prostoru ve vzdálenosti cca (10 – 30) cm od výstupní trysky tunelu a ve vzdálenosti do cca 15 cm od osy měřicího prostoru.

Proud vzduchu před vstupem do měřicího prostoru prochází širokým tubusem zakončeným kontrakční tryskou. Tvar kontrakční trysky je určen na základě počítačového modelu tak, aby rychlostní pole na výstupu bylo co nejméně prostorově proměnlivé.

Měřicí prostor je chráněn plexisklovou komorou proti závanům vzduchu z okolí. Uvnitř komory je instalován i LDA etalon s posuvnou stolicí.

Měřicí prostor je vybaven zařízením pro uchycení zkoušených měřidel, které umožňuje otáčení měřidla do různých náběhových úhlů vzhledem k proudu vzduchu a měření tohoto úhlu. Zařízení tedy umožní také kalibrace měřidel směru proudění vzduchu s rozšířenou nejistotou kolem 0,3°.

Místnost, ve které je tunel umístěn, je klimatizována na teplotu v rozmezí (21 – 25)°C. Teplotu vzduchu v měřicím prostoru je možno udržet na stabilní hodnotě i v případě dlouhých měření při vysokých rychlostech. Tunel je za tímto účelem vybaven tepelným výměníkem a vnitřní regulací teploty, která udržuje teplotu v tunelu v rozmezí (Ta – 1°C, Ta), kde Ta je teplota okolního vzduchu.

Hlavním etalonem rychlosti proudění vzduchu je LDA systém od německé firmy ILA typu flowPOINT 50f-us. Jedná se o jednosložkové LDA s ohniskovou vzdáleností 500 mm a rozestupem laserových svazků na čočce 45 mm. Je zde použit Nd:YAG laser s výkonem 75 mW.

Systém LDA sestává z dvou laserových svazků, které se protínají v tzv. měřicím objemu pod úhlem Θ (viz Obr. 192). Měřicí objem je zaměřen do oblasti, ve které chceme určit rychlost proudění tekutiny. Měření s užitím LDA předpokládá, že se v tekutině nacházejí částice, na kterých se laserové světlo může vhodně rozptylovat. Tunel ČMI je za tímto účelem zakuřován kapalinou DEHS (di-ethyl-hexyl-sebakát). Jakmile částice kouře projde měřicím objemem LDA, laserové světlo se na ní rozptýlí a toto rozptýlené světlo je následně detegováno, signál z něj je zpracován a je z něj extrahována informace o rychlosti částice.

V měřicím objemu LDA je vytvořen interferenční vzor (Obr. 192). Vzdálenost interferenčních rovin je dána vlnovou délkou laserového světla a úhlem, pod kterým se protínají laserové svazky. Za ideálních podmínek pro vzdálenost interferenčních rovin platí

Pohybuje-li se částice měřicím objemem LDA rychlostí, jejíž složku kolmou na interferenční roviny označíme u, pak doba průletu mezi dvěma rovinami je dána jako T = d/u. Frekvence kolísání signálu rozptýleného světla je tedy dána jako f = 1/T = u/d. Změříme-li frekvenci f, můžeme složku rychlosti částice u určit jako

Vzhledem k nehomogenitám v geometrii laserových svazků nemusí teoretický vzorec platit zcela přesně v celém měřicím objemu LDA. Proto se přistupuje ke kalibraci vzdálenosti interferenčních rovin. K této kalibraci se používají simulátory prolétajících částic, u kterých je rychlost částice známa velmi přesně. Kalibraci laserového etalonu ČMI kotoučovým kalibrátorem provedla PTB.

Sonda LDA je umístěna na automatické 3D posuvné stolici s rozpětím 700 mm v každé ose. Je tedy možné zaměřit měřicí objem LDA do libovolného bodu v měřicím prostoru tunelu. Software LDA a posuvného systému umožňuje automatická měření rychlostních polí.

Při kalibraci se zkoušené měřidlo instaluje zhruba do středu měřicího prostoru. Měřicí bod LDA je umístěn v dostatečné vzdálenosti před měřidlem v místě, kde proudění vzduchu není výrazně ovlivněno samotným měřidlem. Jelikož LDA je zaměřeno jinam než do pozice zkoušeného měřidla, je třeba hodnotu rychlosti změřenou LDA korigovat o změnu rychlosti proudění mezi pozicí LDA a pozicí měřidla.

Sekundárním etalonem rychlosti proudění vzduchu je Prandtlova trubice Airflow napojená na vyhodnocovací systém Westibox s měřením tlakové diference a hustoty vzduchu.

V letech 2013 - 2014 bude anemometrická laboratoř ČMI rozšířena o přímou tažnou trať pro kalibrace v rozsahu rychlostí (0,05 – 1) m/s.

Obrázková galerie: