Pomiary prędkości przepływu gazów

• Metoda wzorcowania anemometrów w Akredytowanym Laboratorium LAB-EL (AP 067)
• Tunel aerodynamiczny
• Jakie anemometry wzorcujemy

Kilka słów wstępu

W ostatnich dniach faktycznie wieje. W historii pomiarów zarejestrowanych w naszej stacji meteorologicznej http://www.meteo.com.pl/ za okres ostatniego tygodnia, prędkość wiatru dochodziła w podmuchach do 27 m/s, to jest blisko 100 km/godz. Prędkość wiatru, to przepływ powietrza spowodowany różnicą ciśnień. Pomiarów prędkości przepływu powietrza i innych gazów dokonuje się za pomocą anemometrów. Pomiary przepływu powietrza wykonuje się nie tylko dla potrzeb meteorologicznych, ale i w systemach klimatyzacyjnych i wentylacyjnych. Kominiarze używają elektronicznych anemometrów podczas przeprowadzania obowiązkowych kontroli przewodów wentylacyjnych i kominowych w budynkach.

Wzorcowanie anemometrów

Wszelkie przyrządy pomiarowe, w tym anemometry, w celu potwierdzenia prawidłowości ich wskazań, poddawane są procedurom wzorcowania realizowanym w akredytowanych laboratoriach pomiarowych.

Akredytowane w PCA (AP 067) laboratorium LAB-EL, wzorcuje przyrządy do pomiaru temperatury, w tym pirometry i kamery termowizyjne, higrometry do pomiaru wilgotności względnej, barometry i ciśnieniomierze różnicowe oraz mierniki zawartości ditlenku (potocznie: dwutlenku) węgla w powietrzu. W 2014 r. laboratorium LAB-EL zgłosiło do akredytacji anemometry. Ocena akredytacyjna PCA jest przewidziana na początek 2015 r.

Wzorcowanie przyrządów pomiarowych, to porównanie ich wskazań ze wskazaniami wzorca, tj przyrządu wzorcowanego w innym laboratorium akredytowanym o lepszej zdolności pomiarowej CMC, co wynika z ogólnych zasad tzw. spójności pomiarowej. Stanowisko laboratoryjne, oprócz wzorca, musi posiadać możliwość wytworzenia odpowiedniego środowiska pomiarowego, czyli w tym przypadku przepływu powietrza.

Tunel aerodynamiczny

Do tego celu wykorzystuje się tzw. tunele aerodynamiczne, w których wytwarza się odpowiedni przepływ powietrza. Zbudowanie takiego tunelu okazało się sprawą niebagatelną, ponieważ w celu uzyskania tzw. przepływu laminarnego (równomiernego, warstwowego), nie zaś turbulentnego (z zawirowaniami), należy zastosować odpowiedni kształt kanału przepływowego. Na rys.1 przedstawiono schematycznie elementy tunelu zbudowanego w firmie LAB-EL dla potrzeb laboratorium wzorcującego, a na rys. 3 widok kompletnego stanowiska do wzorcowania anemometrów.

Podstawowym elementem wytwarzającym strumień powietrza w tunelu jest sterowany poprzez falownik wentylator, powodujący zasysanie powietrza do tunelu. Na wejściu znajduję się tzw. ulownica zbudowana w postaci stalowej siatki o strukturze „plastra miodu”. Jest to tzw. prostownica strumienia powietrza. Kolejnym elementem tunelu jest konfuzor. Jest to kanał przepływowy z malejącym przekrojem poprzecznym. Przepływające z dużą prędkością powietrze, podlega przemianie adiabatycznej. Zmniejszający się przekrój poprzeczny powoduje wzrost prędkości przepływu i spadek ciśnienia. Po zmniejszeniu przekroju kanału, następuje odcinek w stałym przekroju poprzecznym stanowiący przestrzeń pomiarową zwaną dyszą pomiarową. To tutaj będzie umieszczany wzorcowany anemometr. Następnym elementem tunelu jest dyfuzor. Jest to kanał przepływowy z rosnącym przekrojem poprzecznym. W dyfuzorze (w wyniku wzrostu przekroju poprzecznego) następuje spowolnienie przepływu powietrza, co odpowiada przemianie energii kinetycznej strumienia w energię ciśnienia.

Rys. 1. Schematyczny przekrój aerodynamicznego tunelu pomiarowego w LAB-EL 

Pomiary strumienia przepływu w tunelu

Jak już wspomniano wcześniej, tunel aerodynamiczny służy do wytworzenia wzorcowego środowiska metrologicznego w dyszy pomiarowej, natomiast do pomiaru wartości strumienia przepływu wykorzystywane są dwie metody. Dla niskich zakresów prędkości przepływu tj. dla zakresu od 0,1 do 3,7 m/s, wykorzystuje się zwężkę pomiarową (tzw. kryzę, rys. 2a) oraz pomiar różnicy ciśnień mierzonych przed i za zwężka.  Dla zakresów wyższych od 3,7 do 50,5 m/s (do 182 km/godz) stosuje się pomiar ciśnienia różnicowego uzyskanego z wzorcowej rurki spiętrzającej tzw. „rurki Pitota”, a mówiąc poprawnie - jej modyfikacji „rurki Pradtla” (rys. 2b). Oprócz głównych przyrządów pomiarowych, takich jak wzorcowy ciśnieniomierz różnicowy oraz rurka Prandtla, system pomiarowy wyposażony jest w falownik do precyzyjnego sterowania prędkością obrotową wentylatora, miernik ciśnienia różnicowego z rurki spiętrzającej, miernik parametrów mikroklimatu pomieszczenia (temperatury, wilgotności względnej i ciśnienia barometrycznego) oraz termometr do pomiaru temperatury powietrza w tunelu.

Wszystkie przyrządy pomiarowe podłączone są do koncentratora danych LB-480, a ten z kolei poprzez sieć LAN, do komputera PC. Całość systemu obsługuje program SCADA LBX, który poprzez system dynamicznej wymiany danych DDE przekazuje dane pomiarowe do konkretnych komórek arkusza kalkulacyjnego Excel, gdzie następuje automatyczne przeliczanie według zaprogramowanych formuł np. wyliczanie błędów i innych składowych budżetu niepewności.

Rys. 2a.  Pomiar przepływu - zwężka pomiarowa (kryza)
1 - pomiar przed zwężką, 2 - pomiar za zwężką,
8 - zmiany ciśnienia, 9 - zmiany temperatury

Rys. 2b.  Pomiar przepływu - rurka spiętrzająca Prandtla

Jak wzorcujemy

Wzorcowanie anemometrów przebiega zgodnie z opisem w procedurze wzorcowania, a z grubsza polega na umieszczeniu badanego anemometru w dyszy pomiarowej, ustawieniu warunków początkowych (zerowanie układu pomiarowego), ustawieniu w zależności od zadanej prędkości wzorcowania wartości częstotliwości pracy falownika odpowiadającej prędkości obrotowej wentylatora, uzyskaniu stabilnych warunków przepływu i odczytaniu z wyświetlacza przyrządu (w przypadku, gdy anemometr posiada wyświetlacz) lub z programu LBX aktualnej wartości mierzonej i zapisaniu wszystkich danych w arkuszu stanowiącym protokół wzorcowania. Następnie wyliczane są błędy wzorcowanego przyrządu oraz jego niepewności wzorcowania na podstawie budżetu niepewności. Jako dowód przeprowadzenia wzorcowania wystawiane jest świadectwo wzorcowania.

Rys. 3. Widok stanowiska do wzorcowania anemometrów w LAB-EL

Jakie anemometry wzorcujemy

W ofercie firmy LAB-EL występują dwa rodzaje anemometrów. Główną grupę stanowią anemometry wiatraczkowe (skrzydełkowe) Kestrel, które, w zależności od wersji, są wyposażone w różne dodatkowe możliwości pomiarowe. Przykładowo, Kestrel 4500 (rys. obok) mierzy także: temperaturę i wilgotność względną powietrza, ciśnienie barometryczne i kierunek magnetyczny Ziemi oraz rejestruje także wyniki pomiarów we budowanej pamięci, które za pomocą specjalistycznego interfejsu, można przepisać do komputera PC.

Druga grupa to produkowane w firmie LAB-EL termoanemometry serii LB-580 i LB-801, w których nagrzewany prądem czujnik temperatury jest chłodzony strumieniem powietrza, co powoduje zmianę jego rezystancji. Z pełną ofertą anemometrów można zapoznać się na stronie Internetowej LAB-EL: http://www.label.pl/po/ix.anemometry-wiatromierze.html.

Poddając się procesowi akredytacji otwieramy się na klientów wykorzystujących w swej działalności anemometry, które zgodnie z odpowiednimi przepisami, powinny być wzorcowane w laboratoriach posiadających certyfikat akredytacyjny.

Artykuł pt. "Ale wieje!" został opublikowany w pismach: POMIAR nr 1 (81)/2015; UTRZYMANIE RUCHU+DIAGNOSTYKA nr 1 (10)/2015; ENERGETYKA & ELEKTROTECHNIKA nr 1 (31)/2015