Politechnika

Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu

MIERNICTWO WIELKOŚCI

ELEKTRYCZNYCH

I NIEELEKTRYCZNYCH

Kod przedmiotu:

ENS1A511254

Ćwiczenie pt.

Pomiary parametrów przepływu powietrza

Numer ćwiczenia

MEN 10

Opracowali:

dr inż. Jarosław Makal

dr inż. Adam Idźkowski

Białystok 2013

2

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej

instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami

zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.

3

Cel ćwiczenia:

Studenci zapoznają się z zagadnieniem pomiaru wartości prędkości

przepływającego powietrza. Umieją poprawnie zmierzyć wartość

prędkości i wydajności przepływu posługując się udostępnionymi

przyrządami. Wiedzą, jakie są źródła niepewności przy pomiarze tych

wielkości. Doskonalą umiejętność posługiwania się

termoanemometrem, suwmiarką. Potrafią obliczyć niedokładność

pomiaru na podstawie dostępnych danych.

1. WSTĘP

Przyrządy do pomiaru prędkości wiatru używane były już przez

Majów w Meksyku. W czasach późniejszych konstrukcjami tymi

zajmowali się m.in. R. Hooke (angielski fizyk), Leonardo da Vinci

(1452-1519). Pierwszy anemometr z obracającymi się elementami

skonstruował w 1846 r. irlandzki fizyk John T. R. Robinson. Realizuje

on tzw. pośrednią metodę pomiaru polegającą na pomiarze wartości

obrotowej wiatraczka (czaszy) i na tej podstawie wyliczanej wartości

prędkości liniowej powietrza. Charakterystyka przetwarzania takiego

anemometru wiąże ze sobą prędkość wiatru i prędkość obrotową

(podaje, w jaki sposób zachodzi to przetwarzanie). Zespół czynności

mających na celu określenie tej charakterystyki nazywa się kalibracją

lub wzorcowaniem przyrządu. Dokonuje tego zawsze producent

urządzenia i określa dla danego typu jego dokładność (niedokładność)

w postaci błędu granicznego. Może być on podawany jako:

% wartości zmierzonej,

% zakresu pomiarowego,

liczba najmniej znaczących cyfr wyświetlacza,

suma ww. niektórych składników.

4

Przepływ cieczy lub gazu może mieć charakter spokojny (laminarny)

lub gwałtowny, burzliwy (turbulentny). W tym drugim przypadku

prędkość przepływu zmienia się szybko w czasie i w przestrzeni. Przy

pomiarach przepływu laminarnego wystarczy zmierzyć prędkość

w jednym punkcie, natomiast w turbulentnym przepływie trzeba

dokonać przynajmniej kilku pomiarów i je uśrednić.

Na zdjęciu przedstawiono profesjonalny miernik służący do pomiaru

przepływu i wydajności powietrza oraz temperatury [1].

Miernik wyposażony jest w wirnik skrzydełkowy połączony

z miernikiem długim przewodem, umożliwiający przeprowadzenie

pomiarów w trudnodostępnych miejscach. Wynik prędkości oraz

temperatury jest bezpośrednio przedstawiany na dużym, trójpolowym

wyświetlaczu LCD. Dodatkową zaletą miernika jest możliwość

obliczenia rzeczywistej oraz średniej wydajności przepływu

powietrza. Posiada funkcje zatrzymania pomiaru, pamięci wartości

5

maksymalnych, minimalnych i średnich oraz funkcję automatycznego

odcięcia zasilania po 15 min. bezczynności. Po deaktywacji funkcji

oszczędności baterii może pracować w trybie ciągłym np. podczas

długotrwałych pomiarów. Przystosowany jest do zamontowania na

statywie.

Wbudowany pirometr o szerokim zakresie pomiarowym (od -50 do

+500°C) i wysokiej rozdzielczości optycznej (30:1) umożliwia

bezkontaktowy pomiar temperatury obiektów ruchomych,

niedostępnych lub niebezpiecznych w dotyku. Celownik laserowy

pozwala na precyzyjne określenie punktu pomiarowego. Miernik

charakteryzuje się wysoką czułością i dokładnością pomiarów.

Użytkownik ma możliwość zmiany jednostek odczytu: dla

temperatury ºC lub ºF oraz dla prędkości przepływu: m/s, km/h,

ft/min, mph, knots.

2. OPIS ĆWICZENIA

W tym ćwiczeniu źródłem przepływu powietrza jest wentylator

kanałowy o wydajności ok. 180m3/h (wartość podana przez

producenta) wbudowany w kanał utworzony z typowych rur

i kształtek PCV o zmniejszających się średnicach (rys. 1). Montaż

i demontaż poszczególnych odcinków jest bardzo prosty, aby

umożliwić pomiar prędkości i wydajności przepływu powietrza przy

różnych średnicach rur.

Rys. 1. Uproszczony model kanału przepływu powietrza ze zmiennymi

przekrojami

II III I IV

wen

tyla

tor

6

Uzyskuje się w ten sposób różne wartości prędkości przepływów przy

zachowaniu tej samej wydajności. Pomiar termoanemometrem

odbywa się na końcu każdego odcinka toru zgodnie z instrukcją

obsługi przyrządu.

Przystępując do realizacji tego ćwiczenia każdy student powinien

umieć objaśnić pojęcia: wydajności przepływu i prędkości powietrza

oraz znać metodę obliczania ich wartości. Powinien też wiedzieć jak

obliczyć wartość średnią z serii prób, odchylenie standardowe serii

i odchylenie standardowe średniej.

Przed rozpoczęciem ćwiczenia studenci otrzymują termoanemometr

wraz z instrukcją obsługi. Zapoznają się również ze sposobem

regulacji prędkości wentylatora za pomocą autotransformatora.

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Pomiar wartości prędkości przepływu

A) Pomiar punktowy prędkości (VEL) przepływu powietrza należy

wykonać u wylotu kanału o średnicy 100mm w trzech

położeniach wirnika skrzydełkowego (wzdłuż średnicy

przekroju). Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.

Każdy członek zespołu powinien samodzielnie zmierzyć przynajmniej

trzykrotnie wartość prędkości powietrza przy użyciu

termoanemometru.

Błąd graniczny termoanemometru (na podstawie instrukcji) gr

………………………………….

7

Tabela 1.

Imię i nazwisko L.p. Wynik pomiaru punktowego prędkości

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Wynik pomiaru=wartość średnia

serii x

Odchylenie standardowe serii x

Odchylenie standardowe średniej N

xx

Niepewność tak otrzymanego wyniku pomiaru obliczana jest

w następujący sposób:

.3

)()()~(

2

2222 gr

xBAc xuxuxu

W przypadku, gdy

)()( xuxu AB

22

przyjmuje się kp=2 (p=0,95) lub kp=3 (p=0,997) i niepewność

rozszerzona

)~()~( xukxU cp .

Zapis wyniku pomiaru

......)~(~ pkdlaxUxx p

8

B) Pomiar średniej prędkości przepływu powietrza (AVG) należy

wykonać w środku wylotu kanału dla każdego przekroju. Wyniki

pomiarów zapisać w tabeli 2.

Każdy członek zespołu powinien samodzielnie zmierzyć średnią

wartość prędkości powietrza przy użyciu termoanemometru i obliczyć

niepewność wyniku pomiaru.

Tabela 2.

Imię i nazwisko Wynik pomiaru

Przekrój m/s km/h

I

II

III

IV

W pomiarach bezpośrednich dokonywanych jednorazowo (gdy nie ma

serii pomiarów) wartość niepewności rozszerzonej (dla kp=3, p=0,997)

jest praktycznie taka sama jak wartość błędu granicznego przyrządu.

9

Pomiar wartości wydajności przepływu powietrza (CMM)

A) Przed rozpoczęciem tego pomiaru należy wprowadzić do pamięci

przyrządu wartości pola powierzchni dla każdego przekroju.

W tym celu studenci dokonują pomiaru wartości średnicy

przekroju za pomocą suwmiarki. Wyniki zapisywane są w tabeli 3.

Tabela 3.

Wartości średnicy przekroju wylotu kanału (mm)

Nr pomiaru Przekrój I Przekrój II Przekrój III Przekrój IV

1

2

3

4

5

wartość

średnia

Błąd graniczny suwmiarki (na podstawie instrukcji) gr

………………………………….

Po odpowiednim ustawieniu funkcji i parametrów przyrządu należy

zmierzyć średnią wartość wydajności przepływu w środku wylotu

kanału kolejno dla wszystkich dostępnych przekrojów (pamiętając

o wprowadzeniu ich wartości do pamięci przyrządu). Nie należy przy

tym zmieniać nastawy autotransformatora. Wyniki pomiarów zapisać

w tabeli 4.

10

Tabela 4.

Wartość wydajności przepływu powietrza

dla kolejnych przekrojów (m3/min)

Nr

pomiaru

Przekrój I Przekrój II Przekrój III Przekrój IV

1

2

3

4

wartość

średnia

Otrzymane wyniki należy podać również w m3/h.

Wartość wydajności przepływu powietrza

dla kolejnych przekrojów (m3/h)

Przekrój I Przekrój II Przekrój III Przekrój IV

wartość

średnia

Zadanie dodatkowe

Znając prędkość przepływu powietrza i powierzchnię przekroju

kanału można obliczyć wydajność przepływu. Na podstawie

uśrednionych wyników z tabeli 2 i 3 należy obliczyć przy pomocy

kalkulatora wartości wydajności przepływu dla każdego przekroju

i porównać z wynikami z tabeli 4. Ewentualne znaczne różnice

obowiązkowo skomentować.

11

4. OPRACOWANIE WYNIKÓW

W sporządzonym raporcie zespół zamieszcza:

wyniki przeprowadzonych pomiarów (tabele 1-4),

uśrednione wyniki pomiarów wraz z ich niepewnościami (tylko jeśli jest

to wymagane),

komentarze do każdej tabeli (zwrócić uwagę na fizyczne aspekty

przepływu powietrza i ich potwierdzenie w wynikach pomiarów).

5. ZALICZENIE ĆWICZENIA

Student zalicza ćwiczenie jeśli:

umie prawidłowo zmierzyć prędkość i wydajność przepływu powietrza

przy pomocy dostępnego anemometru (45%),

potrafi określić dla każdego wyniku pomiaru jego niepewność (25%),

oblicza wydajność przepływu na podstawie danych wartości średnicy

kanału i prędkości powietrza (10%),

poprawnie wyjaśnia i komentuje wszystkie dane zawarte w raporcie

końcowym (20%).

6. LITERATURA

1. Termo-anemometr/pirometr DTTA-8894. Instrukcja obsługi. AISKO.

www.pirometr.pl

2. Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik. Główny Urząd Miar, 1999,

ISBN 83-906546-1-x.

3. Turkowski M. Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2002, ISBN 83-7207-

222-1.

4. Miłek M. Metrologia elektryczna wielkości nieelektrycznych, Oficyna

Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego 2006, ISBN 83-7481-023-8.

12

7. Wymagania BHP

Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie

się z instrukcją BHP i instrukcją przeciwpożarową oraz przestrzeganie zasad w nich

zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą

posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z

instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego.

W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad:

Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie

kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.

Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.

Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu

zgody przez prowadzącego.

Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez

konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod

napięciem.

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów

składowych stanowiska pod napięciem.

Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać

wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.

W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie

urządzenia.

Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w

funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia.

Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie

należących do danego ćwiczenia.

W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie

wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika

bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed

odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.