Obvladovanje merilnih podatkov za pogoje toka zraka v merilni sekciji vetrovnika

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Obvladovanje merilnih podatkov za pogoje toka zraka v merilni sekciji vetrovnika

Urh Zupan

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Obvladovanje merilnih podatkov za pogoje toka zraka v merilni sekciji vetrovnika

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Urh Zupan

Mentor: doc. dr. Gregor Bobovnik, univ. dipl. inž.

Somentor: izr. prof. dr. Jože Kutin, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(4)

(5)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Gregorju Bobovniku za pomoč in usmerjanje tekom priprave te zaključne naloge. Zahvala gre tudi somentorju izr. prof. dr. Jožetu Kutinu.

Zahvaljujem se družini za zaupanje, potrpežljivost in podporo tekom študija strojništva. Prav tako se zahvaljujem vsem prijateljem in sošolcem za pomoč in sodelovanje pri študijskih aktivnostih.

(6)

(7)

Izvleček

UDK 533.6.07:531.7:53.088(043.2) Tek. štev.: UN I/1548

Obvladovanje merilnih podatkov za pogoje toka zraka v merilni sekciji vetrovnika

Urh Zupan

Ključne besede: vetrovniki

merilna zmogljivost pogoji toka zraka

nadzorni program za zajem podatkov

Pri umerjanju merilnikov hitrosti je pomembno poznavanje gostote toka zraka, saj je potrebno odčitek merila velikokrat korigirati na dejanske pogoje v toku zraka, ki so zagotovljeni pri umerjanju. V nalogi smo predstavili ustrezen model za določanje gostote vlažnega zraka in merilni sistem za merjenje vseh potrebnih parametrov (temperatura, tlak in relativna vlažnost). Naredili smo tudi analizo merilne zmogljivosti posameznih merilnikov. Izdelali smo nadzorni program, ki omogoča zajem podatkov iz etalonskega merilnika hitrosti in hkratno zapisovanje pogojev toka zraka in izračun njegove gostote.

(8)

Abstract

UDC 533.6.07:531.7:53.088(043.2) No.: UN I/1548

Management of measurement data of air flow conditions in a measuring section of the wind tunnel

Urh Zupan

Key words: wind tunnels

measurement capability air flow conditions

control program for data acquisition

When calibrating air velocity meters, it is crucial to know the air flow density, as the meter reading must often be applied to the actual conditions in air flow, which are ensured during the calibration. In this paper we present an appropriate model for determining the density of moist air and we also present the measuring system for all the necessary parameters (temperature, pressure and relative humidity). We also performed an analysis of the measurement capability of individual meters. We have created a control program that enables the acquisition of data from the LDA measuring system and the simultaneous recording of air flow conditions and the calculation of its density.

(9)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 2

2.1 Korekcija kazanja merilnikov hitrosti zraka ... 2

2.1.1 Vročežični anemometer ... 2

2.1.2 Pitotova cev... 3

2.2 Model gostote vlažnega zraka CIPM-2007 ... 4

2.3 Določanje merilne zmogljivosti (CMC analiza) ... 6

2.3.1 Ocena vplivov na podlagi rezultatov umerjanja ... 6

2.3.2 Ocena vplivov časovne stabilnosti ... 7

2.3.3 Ocena vplivov pri uporabi ... 7

2.3.4 Merilna zmogljivost ... 7

3 Metodologija raziskave ... 9

3.1 Merilna proga ... 9

3.1.1 Vetrovnik ... 9

3.1.2 LDA merilni sistem ... 13

3.2 Merilna oprema za merjenje pogojev toka zraka... 14

3.3 Programsko okolje LabVIEW ... 17

4 Rezultati in diskusija ... 18

4.1 Določitev merilne zmogljivosti merilnikov temperature, absolutnega tlaka in relativne vlažnosti ... 18

4.1.1 Merilnik relativne vlažnosti ... 19

4.1.2 Merilnik temperature ... 21

4.1.3 Merilnik absolutnega tlaka... 23

4.2 Opis programa in podprogramov ... 25

4.2.1 Podprograma (sub-VI)... 25

4.2.2 Glavni program ... 27

(10)

5 Zaključki ... 31

Literatura ... 32

(11)

Kazalo slik

Slika 1: Vetrovnik in njegove komponente [6] ... 10

Slika 2: Dimenzije vetrovnika [6] ... 11

Slika 3: Krmilnik vetrovnika (pogled od spredaj in zadaj) [6]... 12

Slika 4: LDA sistem [8] ... 14

Slika 5: Dimenzije ohišja digitalnega prikazovalnika [9] ... 15

Slika 6: Tlačno zaznavalo [12] ... 15

Slika 7: Zaznavalo temperature in relativne vlažnosti [10]... 16

Slika 8: Vročežični anemometer [11] ... 16

Slika 9: Rezultati umerjanja merilnika relativne vlažnosti grafično [13] ... 19

Slika 10: Rezultati umerjanja merilnika temperature grafično [14] ... 22

Slika 11: Rezultati umerjanja merilnika tlaka grafično [15] ... 24

Slika 12: Korekcija merilnikov pogojev okolice ... 26

Slika 13: Diagram poteka ali flowchart glavnega programa ... 27

Slika 14: Primer datoteke, iz katere beremo podatke ... 28

Slika 15: Uporabniški vmesnik ali front panel glavnega programa ... 28

Slika 16: Primer datoteke z izpisanimi podatki ... 29

Slika 17: Primer datoteke, kamor se izpisujejo vrednosti kazanja merilnika ... 30

(12)

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Konstante, uporabljene v enačbi CIPM-2007 [4] ... 6

Preglednica 3.1: Karakteristike vetrovnika [6] ... 10

Preglednica 3.2: Karakteristike LDA merilnega sistema [8] ... 13

Preglednica 3.3: Karakteristike tlačnega zaznavala [12] ... 15

Preglednica 3.4: Karakteristike zaznavala temperature in relativne vlažnosti [10] ... 16

Preglednica 3.5: Karakteristike vročežičnega anemometra [11] ... 16

Preglednica 4.1: Rezultati umerjanja merilnika relativne vlažnosti [13] ... 19

Preglednica 4.2: Rezultati starejšega umerjanja [7] ... 20

Preglednica 4.3: Rezultati CMC analize merilnika relativne vlažnosti ... 21

Preglednica 4.4: Rezultati umerjanja merilnika temperature [14]... 21

Preglednica 4.5: Rezultati CMC analize merilnika temperature ... 23

Preglednica 4.6: Rezultati umerjanja merilnika tlaka [15] ... 23

Preglednica 4.7: Rezultati CMC analize merilnika temperature ... 25

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A a B b C

K⁻²

K Pa⁻¹, Pa⁻¹, K⁻¹ Pa⁻¹ K⁻¹

K Pa⁻¹, Pa⁻¹ /

konstanta za izračun tlaka pare pri nasičenosti pri metodi za izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007 konstanta za izračun faktorja stisljivosti pri metodi za izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007

konstanta za izračun tlaka pare pri nasičenosti pri metodi za izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007 c K Pa⁻¹, Pa⁻¹ konstanta za izračun faktorja stisljivosti pri metodi za

izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007

D K konstanta za izračun tlaka pare pri nasičenosti pri metodi za izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007 d K² Pa⁻² konstanta za izračun faktorja stisljivosti pri metodi za

izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007 e

I

K² Pa⁻² /

konstanta za izračun faktorja stisljivosti pri metodi za izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007

izhodni signal

k / faktor pokritja, merilna korekcija

M g mol^-1 molska masa

p Pa tlak

R J K⁻¹ mol⁻¹ splošna plinska konstanta rh

T

/ K

relativna vlažnost temperatura t

U U v Z x α β γ 𝜀

ᵒC / / m s⁻¹ / / / Pa⁻¹ K⁻² /

temperatura

razširjena merilna negotovost, negotovost korekcije standardna merilna negotovost, ocena vplivov hitrost

faktor stisljivosti molski delež

konstanta za izračun faktorja povečanja pri metodi za izračun gostote vlažnega zraka CIPM-2007

korekcijski faktor stisljivosti Indeksi

TA termični anemometer

pri prikaz

(14)

dej dejanski

PSC Pitotova statična cev v

z CO₂ O₂ nas um lez

vodna para zrak

ogljikov dioksid kisik

nasičenost umerjanje lezenje up

k apr pred nar po nar CMC ref_fit

uporaba korekcija aproksimacija

pred naravnanjem merila po naravnanju merila CMC analiza

korigirana referenčna vrednost

(15)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

LMPS Laboratorij za meritve v procesnem strojništvu

LDA laserska Dopplerjeva anemometrija (angl. laser Doppler anemometry)

LabVIEW platforma za oblikovanje sistema in razvojno okolje za vizualni programski jezik National Instruments (angl. Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)

CIPM Mednarodni odbor za tehtanja in meritve (fran. Comite international des poids et mesures)

TA termični anenometer

PSC Pitotova statična cev

KRISS angl. Korea Research Institute of Standards and Science LNE fran. Laboratoire National de Metrologie et d'Essais

CMC kalibracijska in merilna zmogljivost (angl. Calibration and Measurement Capability)

VI

Sub-VI virtualni instrument (angl. Virtual Instrument) virtualni instrument uporabljen kot podprogram

(16)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Delo je potekalo v Laboratoriju za meritve v procesnem strojništvu (LMPS) na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani. Vetrovnik se uporablja za generiranje stabilnih tokovnih razmer v testni merilni sekciji, kar omogoča preskušanje aerodinamskih lastnosti izbranih modelov in umerjanje različnih vrst merilnikov hitrosti zraka. V večini primerih je ključno tudi poznavanje gostote zraka v vetrovniku, ki pa je določena z uporabo ustreznega fizikalnega modela ter merjenja absolutnega tlaka, temperature in relativne vlažnosti z ustrezno merilno opremo.

1.2 Cilji

V diplomskem delu se bomo osredotočili na celovito obvladovanje podatkov o toku zraka v merilni sekciji vetrovnika, ki jih potrebujemo za določanje gostote zraka. Za določitev gostote bomo predstavili model za določanje gostote vlažnega zraka in osnove analize merilne zmogljivosti merilne opreme, uporabljene pri zajemu podatkov, potrebnih za določitev gostote zraka. Prav tako bomo predstavili merilni sistem z vsemi pripadajočimi komponentami, ki se uporablja za določanje referenčne hitrosti zraka pri umerjanju.

Osredotočili se bomo na zajem in zapis vseh veličin pri umerjanju merilnikov hitrosti zraka v vetrovniku, kar vključuje podatke iz LDA merilnega sistema in zajem ostalih parametrov toka zraka, kot so absolutni tlak, temperatura in relativna vlažnost znotraj merilne sekcije vetrovnika.

Glavni cilj diplomske naloge je torej pripraviti analizo merilne zmogljivosti merilne opreme za določanje parametrov toka zraka in izdelati nadzorni program, ki nam pri postopku umerjanja, poleg izmerjene hitrosti z LDA merilnim sistemom, zajame tudi parametre o toku zraka in izračuna hitrost zraka ter jih zapiše v datoteko.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Korekcija kazanja merilnikov hitrosti zraka

Pri umerjanju ne moremo zmeraj neposredno primerjati odčitek hitrosti na umerjanem merilniku z referenčno vrednostjo hitrosti, ampak je potrebna dodatna korekcija, ki upošteva razliko dejanske gostote zraka in gostote oziroma pogojev, ki so prednastavljeni v umerjanem merilniku.

V okviru te diplomske naloge se bomo osredotočili na dva tipa merilnikov hitrosti, pri katerih je omenjena korekcija gostote pomembna. To sta Pitotova cev in vročežični anemometer, za katera bomo definirali tudi ustrezni korekcijski enačbi za vpliv gostote.

2.1.1

Vročežični anemometer

Eden izmed najbolj običajnih tipov termičnih anemometrov je vročežični anemometer (angl.

hot-wire thermal anemometer). Deluje na principu konvekcijskega hlajenja vroče žice, katero segreje električni tok, to žico pa hladi obtekajoči tok fluida. Vročežični anemometer praviloma meri hitrost ene komponente hitrosti, kar pomeni, da je pomembna usmerjenost anemometra v vetrovniku.

Ker anemometri bazirajo na izmenjavi toplote, lahko vsi parametri, ki vplivajo na izmenjavo toplote, vplivajo na odziv samega merilnika. Največji vpliv na ta odziv ima koeficient prestopa toplote,.

Referenčni pogoji merjenja so velikokrat vnaprej podani s strani proizvajalca. Ker pa se dejanski pogoji razlikujejo od referenčnih, je potrebno izvesti sledečo korekcijo, da lahko vrednost, ki jo prikazuje merilnik, pretvorimo v dejansko vrednost, ki ustreza trenutnim pogojem iz okolice [1]:

𝑣_𝑇𝐴 = 𝑣_𝑝𝑟𝑖∙ 𝜌_𝑝𝑟𝑖 𝜌_𝑑𝑒𝑗

(2.1)

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

- 𝑣_𝑇𝐴 je prikazana hitrost na napravi, ki je korigirana glede na dejanske vrednosti temperature, tlaka in relativne vlažnosti (m/s),

- 𝑣_𝑝𝑟𝑖 je odčitek hitrosti na umerjanem merilniku (m/s),

- 𝜌_𝑝𝑟𝑖 je gostota obtekajočega fluida vnaprej določenih pogojev, podanih s strani proizvajalca (kg/m³),

- 𝜌_𝑑𝑒𝑗 je dejanska gostota obtekajočega fluida (kg/m³).

2.1.2

Pitotova cev

Pitotova cev je naprava, ki jo uporabljamo za merjenje hitrosti fluida in temelji na merjenju tlačne razlike. Primarna meritev Pitotove statične cevi je razlika v tlakih, ki pa je s hitrostjo povezana s sledečo enačbo:

𝑣_𝑃𝑆𝐶 = (1 − 𝜀) ∙ √2 ∙ 𝛥𝑝 𝜌

(2.2)

- 𝑣_𝑃𝑆𝐶 je izračunana hitrost (m/s), - 𝜌 je gostota fluida (kg/m³),

- 𝛥𝑝 je razlika v tlakih merjena med visoko-tlačno in nizko-tlačno luknjo Pitotove statične cevi (Pa),

- (1 − 𝜀) je korekcijski faktor stisljivosti, kot je opredeljeno v standardu ISO 3966:2008 [2].

Enako kot pri vročežičnemu anemometru, je potrebno za določitev gostote fluida beležiti pogoje okolja (temperatura, absolutni tlak, relativna vlažnost) [3]. V primeru, ko je gostota zraka pri umerjanja drugačna od prednastavljene vrednosti v umerjanem merilniku, je potrebno odčitek na merilu korigirati po sledeči enačbi:

𝑣_𝑃𝑆𝐶 = 𝑣_𝑝𝑟𝑖∙ √𝜌_𝑑𝑒𝑗 𝜌_𝑝𝑟𝑖

(2.3)

- 𝑣_𝑃𝑆𝐶 je prikazana hitrost na napravi, ki je korigirana glede na dejanske vrednosti temperature, tlaka in relativne vlažnosti (m/s),

- 𝑣_𝑝𝑟𝑖 je odčitek hitrosti na umerjanem merilniku (m/s),

- 𝜌_𝑝𝑟𝑖 je gostota obtekajočega fluida vnaprej določenih pogojev, podanih s strani proizvajalca (kg/m³),

- 𝜌_𝑑𝑒𝑗 je dejanska gostota obtekajočega fluida (kg/m³).

Torej, če želimo napraviti neko korekcijo izmerka hitrosti, moramo določiti dejansko gostoto zraka. Zato za določitev tega parametra uporabimo model za določevanje gostote vlažnega

(19)

2.2 Model gostote vlažnega zraka CIPM-2007

Opisani model za določanje gostote vlažnega zraka temelji na objavi [4]. Model CIPM-2007 je model za določanje gostote vlažnega zraka in upošteva dve konstantni vrednosti:

- splošna plinska konstanta: 𝑅 = 8,314472(15) ^𝐽

𝑚𝑜𝑙 𝐾 (predlagano s strani CODATA l. 2006),

- molski delež argona: 𝑥_𝐴𝑟 = 9,332(3)^{𝑚𝑚𝑜𝑙}

𝑚𝑜𝑙 (predlagano s strain KRISS l. 2002 in LNE l. 2006).

Gostoto vlažnega zraka ocenimo z enačbo stanja:

𝜌_𝑧 = 𝑝 𝑀_𝑧

𝑍 𝑅 𝑇∙ (1 − 𝑥_𝑣∙ (1 −𝑀_𝑣

𝑀_𝑧)) (2.4)

- 𝑝 je tlak (Pa),

- 𝑇 je temperature zraka (K), - 𝑥_𝑣 je molski delež vodne pare (/),

- 𝑀_𝑧 je molska masa suhega zraka (g/mol), - 𝑀_𝑣 je molska masa vode (g/mol),

- 𝑅 je splošna plinska konstanta (J/mol K), - 𝑍 je faktor stisljivosti.

Ključen je izračun molske mase suhega zraka, ki pa je vezan na način določitve molskega deleža ogljikovega dioksida v zraku. Če merjenje 𝑥_𝐶𝑂2 ni mogoče, lahko privzamemo vrednost 400 μmol/mol, ki je bila določena s strani International Union of Pure and Applied Chemistry. Če pa je merjenje 𝑥_𝐶𝑂2 mogoče, pa uporabimo sledečo enačbo za pridobitev izboljšane vrednosti molske mase suhega zraka:

𝑀_𝑧 = (28,96546 + 12,011 ∙ (𝑥_𝐶𝑂2− 0,0004)) ∙ 10⁻³ 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙⁻¹ (2.5) Vsi podatki oziroma konstante potrebne za naš izračun, ki so podane v članku [4], so zbrane v preglednici 2.1.

Prav tako je treba upoštevati negotovosti instrumentov, s katerimi merimo veličine, kot so tlak, temperatura, temperatura rosišča ali relativna vlažnost in molski delež ogljikovega dioksida. Pri upoštevanju teh dobimo nekatere konstante, ki so navedene v preglednici 2.1.

Zelo pomemben člen enačbe CIPM-2007 pa predstavljata molski delež vodne pare 𝑥_𝑣 in pa faktor stisljivosti Z. Za določitev 𝑥_𝑣 potrebujemo določiti vsaj enega izmed dveh parametrov: temperature rosišča ali relativna vlažnost (v okviru te diplomske naloge je tu izmerjena relativna vlažnost).

(20)

Molski delež vodne pare 𝑥_𝑣 je določen s pomočjo enačbe:

𝑥_𝑣 = 𝑟ℎ ∙ 𝑓(𝑝, 𝑡) ∙ 𝑝_𝑛𝑎𝑠 𝑝

(2.7)

- 𝑟ℎ je relativna vlažnost (0 < rh < 1),

- 𝑓 je faktor povečanja, ta je določen z enačbo (2.8) (konstante so navedene v preglednici 2.1):

𝑓 = 𝛼 + 𝛽 ∙ 𝑝 + 𝛾 ∙ 𝑡 (2.8) - 𝑝 je tlak okolice (Pa),

- 𝑡 je temperature zraka (ᵒC),

- 𝑝_𝑛𝑎𝑠 je tlak pare pri nasičenosti (Pa), ta je določen z enačbo (2.9) (konstante so navedene v preglednici 2.1):

𝑝_𝑛𝑎𝑠= 1 𝑃𝑎 ∙ 𝑒𝑥𝑝 [𝐴 𝑇²+ 𝐵 𝑇 + 𝐶 + 𝐷/𝑇] (2.9) - 𝑇 je temperature zraka (K),

- 𝐴; 𝐵; 𝐶 so konstante, ki so definirane v preglednici 2.1.

Enačba za določitev faktorja stisljivosti Z, ki vsebuje konstante iz preglednice 2.1, temperaturo t, T ter molski delež vodne pare 𝑥_𝑣:

𝑍 = 1 − 𝑝

𝑇 ∙ (𝑎₀+ 𝑎₁𝑡 + 𝑎₂𝑡²+ (𝑏₀+ 𝑏₁𝑡)𝑥_𝑣+ (𝑐₀+ 𝑐₁𝑡)𝑥_𝑣²) + 𝑝²

𝑇² ∙ (𝑑 + 𝑒𝑥_𝑣²) (2.10)

Priporočena območja temperature in tlaka, ki ju uporabimo v enačbi CIPM-2007, so sledeča:

600 ℎ𝑃𝑎 ≤ 𝑝 ≤ 1100 ℎ𝑃𝑎 15 ᵒ𝐶 ≤ 𝑡 ≤ 27 ᵒ𝐶

Skupaj s konstantami v preglednici 2.1 imamo vse potrebno za izračun gostote vlažnega zraka po metodi CIPM-2007.

(21)

Preglednica 2.1: Konstante, uporabljene v enačbi CIPM-2007 [4]

Konstanta Vrednost Konstanta Vrednost

R 8,314472 [J/mol K] 𝑎₀ 1,58123 ∙ 10⁻⁶ [K/Pa]

𝑀_𝑧 28,96546 ∙ 10⁻³

[kg/mol]

𝑎₁ -2,9331 ∙ 10⁻⁸ [1/Pa]

1 −𝑀_𝑣 𝑀_𝑧

0,3780 [/] 𝑎₂ 1,1043 ∙ 10⁻¹⁰ [1/K

Pa]

A 1,2378847 ∙ 10⁻⁵

[1/K²]

𝑏₀ 5,707 ∙ 10⁻⁶ [K/Pa]

B -1,9121316 ∙ 10⁻²

[1/K]

𝑏₁ -2,051 ∙ 10⁻⁸ [1/Pa]

C 33,93711047 [/] 𝑐₀ 1,9898 ∙ 10⁻⁴ [K/Pa]

D -6,3431645 ∙ 10³ [K] 𝑐₁ -2,376 ∙ 10⁻⁶ [1/Pa]

α 1,00062 [/] d 1,83 ∙ 10⁻¹¹ [K²/Pa²]

β 3,14 ∙ 10⁻⁸ [1/Pa] e -0,765 ∙ 10⁻⁵ [K²/

Pa²]

γ 5,6 ∙ 10⁻⁷[1/K²]

2.3 Določanje merilne zmogljivosti (CMC analiza)

CMC je izraz za kalibracijsko in merilno zmogljivost (Calibration and Measurement Capability). Predstavlja oceno merilne negotovosti merjene veličine, ki jo lahko zagotovimo ob normalnih pogojih uporabe merilnika oziroma merilnega sistema v obdobju med dvema umerjanjema. Izražena je kot razširjena merilna negotovost merjene veličine [5].

Merilno zmogljivost določimo na podlagi treh ocen:

- ocena vplivov na podlagi rezultatov umerjanja (poročila o umerjanju) 𝑢_𝑢𝑚, - ocena vpliva časovne stabilnosti do naslednjega umerjanja 𝑢_𝑙𝑒𝑧,

- ocena vplivov, povezanih s pogoji uporabe 𝑢_𝑢𝑝.

Merilna negotovost na poročilih o umerjanju je izražena kot razširjena merilna negotovost;

standardna negotovost pomnožena s faktorjem pokritja k = 2, ki pri normalni porazdelitvi verjetnosti ustreza intervalu zaupanja približno 95,45%. Zaokrožena je na dve značilni števki.

2.3.1

Ocena vplivov na podlagi rezultatov umerjanja

Oceno vplivov lahko razberemo iz zadnjega poročila o umerjanju. Ocena zajema sistematske vplive na merjenje, kar privede do merilnih pogreškov (e) oz. merilnih korekcij (k), prav tako pa ocena zajame tudi njihove merilne negotovosti. Merilna negotovost, ki je podana na poročilu, je posledica vplivnih veličin pri umerjanju, kot so referenčne vrednosti (etalonska vrednost) in značilnosti samega merila (ločljivost, ponovljivost…).

(22)

Standardno merilno negotovost pri umerjanju (um) določimo kot:

𝑢_𝑢𝑚 = 𝑈_𝑘 2

(2.11)

- 𝑈_𝑘 je razširjena merilna negotovost podana na poročilu o umerjanju.

2.3.2

Ocena vplivov časovne stabilnosti

Ta ocena je pomembna zato, ker se merilna značilnica nekega merilnika spreminja v času.

Ta pojav imenujemo časovno lezenje. Zaradi tega pride do premika ničle značilnice ali pa do spremembe občutljivosti.

Časovno lezenje je ocena lezenja za periodo med dvema kalibracijama. Označimo ga z D (ang. Drift). Parameter D popisuje razliko med dvema merilnima korekcijama k.

𝐷 = 𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖}− 𝑘_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖} (2.12)

V primeru naravnavanja merila:

𝐷 = 𝑘𝑛𝑜𝑣𝑖,𝑝𝑟𝑒𝑑 𝑛𝑎𝑟− 𝑘𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖,𝑝𝑜 𝑛𝑎𝑟 (2.13)

Prispevek časovne stabilnosti k merilni zmogljivosti (ulez) popiše enačba:

𝑢_𝑙𝑒𝑧 = 𝐷

√3

(2.14)

2.3.3

Ocena vplivov pri uporabi

Ocena vpliva pri uporabi vključuje vse vplive vezane na pogoje uporabe merilnika, in to so vpliv temperature, vpliv relativne vlažnosti, ločljivost merilnika, postopek merjenja … Prispevek merilne negotovosti zaradi pogojev uporabe (uup) popiše enačba:

𝑢_𝑢𝑝 = 𝛥𝐼_𝑇

√3

(2.15)

- 𝛥𝐼_𝑇 je mejni pogrešek oziroma odstopanje, do katerega pride pri uporabi.

2.3.4

Merilna zmogljivost

Če so vse ocene znane, lahko po spodnjih enačbah podamo merilno zmogljivost določenega

(23)

Merilna zmogljivost brez upoštevanja merilne korekcije:

𝑈_𝐶𝑀𝐶 = |𝑘| + 2 ∙ √𝑢_𝑢𝑚² + 𝑢_𝑙𝑒𝑧² + 𝑢_𝑢𝑝² (2.16)

V kolikor rezultate umerjanja uporabimo za korekcijo kazanja merila, jih aproksimiramo z enačbo (2.17). Približna ocena negotovosti aproksimacije z eksperimentalnim standardnim odmikom od aproksimiranih vrednosti podaja spodnja enačba. Ta enačba je nekakšno merilo kvalitete aproksimacije:

𝑢_𝑎𝑝𝑟 = √∑^𝑁_𝑡=1(𝐼_𝑡− 𝐼_𝑡^′)² 𝑁 − 𝑀

(2.17)

- 𝐼_𝑡− 𝐼_𝑡^′ je razlika med kazanjem merila in aproksimacijsko krivuljo, - 𝑁 je število točk, v katerih umerjamo,

- 𝑀 je število neznanih koeficientov značilnice, ki popisuje relacijo med referenčnimi in merjenimi vrednostmi (v primeru linearne značilnice 𝑀 = 2).

Enačba za določitev merilne zmogljivosti z upoštevanjem merilne korekcije je sledeča:

𝑈_𝐶𝑀𝐶 = 2 ∙ √𝑢_𝑢𝑚² + 𝑢_𝑙𝑒𝑧² + 𝑢_𝑢𝑝² + 𝑢_𝑎𝑝𝑟² (2.18) V okviru te diplomske naloge bomo izvedli CMC analizo merilnikov KIMO Transmitter C310, ki jih uporabljamo za merjenje temperature, absolutnega tlaka in relativne vlažnosti v merilni sekciji vetrovnika.

(24)

3 Metodologija raziskave

Vsa merilna oprema se nahaja na merilni progi v Laboratoriju za meritve v procesnem strojništvu (LMPS) na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani.

3.1 Merilna proga

Merilna proga vsebuje dve glavni komponenti, kateri bomo podrobneje opisali. Ti dve komponenti sta vetrovnik s pripadajočo merilno opremo za merjenje pogojev v toku zraka ter LDA merilni sistem, ki omogoča merjenje referenčne hitrosti zraka.

3.1.1

Vetrovnik

Vetrovnik WT 180-3000 francoskega podjetja KIMO Instruments je zasnovan, da vzpostavi homogeno in stabilno hitrostno polje v merilni sekciji. KIMO je razvil reguliran vetrovnik za kalibracijske storitve, zato je ta določen vetrovnik namenjen predvsem umerjanju merilnikov hitrosti zraka, kot so Pitotova cev in vročežični anemometer [6]. Slika 1 prikazuje vetrovnik in pripadajoče komponente, ki se nahaja v LMPS na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani, slika 2 pa prikazuje njegove dimenzije.

(25)

Metodologija raziskave

Slika 1: Vetrovnik in njegove komponente [6]

Prednosti tega vetrovnika so, da prihaja do zelo majhne turbulence fluida, ima širok razpon hitrosti zraka, ni občutljiv na tlačne izgube ter ponuja možnost za kalibracijo več vrst anemometrov. Tehnične karakteristike vetrovnika so bolj podrobno podane v preglednici 3.1.

Preglednica 3.1: Karakteristike vetrovnika [6]

TEHNIČNE KARAKTERISTIKE Merilno območje hitrosti zraka Od 0,30 m/s do 40 m/s

Stopnja turbulence < 1%

Napajanje 3-fazni 380 V

Moč motorja 3 kW

Premer aspiracijskega stožca 355 mm Premer izhoda kompresijskega lijaka 172 mm

Glasnost 90 dB pri 1 m

Ustrezno območje temperature Od 10 °C do 30 °C Ustrezno območje tlaka okolice Od 800 hPa do 1100 hPa Ustrezno območje relativne vlažnosti Od 10% do 90%

Masa ̴ 150 kg

(26)

(27)

Zrak vstopa preko kontrakcijskega stožca skozi panj (angl. honeycomb), kar pripomore k poravnavi toka. Ko fluid vstopi v kompresijski lijak, ta začne pospeševati zaradi zožitve samega lijaka. Po izhodu fluida iz kompresijskega lijaka ta vstopa v merilno sekcijo, kjer lahko opravljamo meritve parametrov zraka.

Merilna sekcija je narejena iz transparentnega materiala oziroma iz prozorne plastike.

Dolžina merilne sekcije znaša 200 mm. Znotraj sekcije so nameščena merilna zaznavala temperature, absolutnega tlaka in relativne vlažnosti in ta zaznavala so povezana z digitalnim prikazovalnikom KIMO Transmitter C310.

Na izstopu merilne sekcije se nahaja difuzor, kjer se zaradi razširitve notranjega premera vetrovnika obnavlja statični tlak, kar poskrbi da tok ostaja brez turbulence. Za difuzorjem se nahaja elektromotor, ki poganja ventilator. Ventilator ustvarja sesalni učinek, zaradi katerega zrak izstopa iz vetrovnika [7].

Eden izmed sestavnih delov vetrovnika KIMO WT 180-3000 pa je krmilnik, ki ga prikazuje slika 3. Prižgemo ga s tipko START, ki zagotavlja toplotno zaščito elektromotorja in ugasnemo ga s tipko STOP. S krmilnikom lahko zaženemo ali ustavimo tudi delovanje elektromotorja, vendar šele ko mine 30 sekund po vklopu tipke START. To krmilimo z stikaloma RUN/STOP. Na samem krmilniku je zaslon, ki nam pove, s kolikšno močjo deluje motor v procentih. Krmilnik ima možnost tako ročnega (s potenciometrom) kot daljinskega (preko računalnika) upravljanja. To reguliramo s stikalom LOCAL/REMOTE.

Slika 3: Krmilnik vetrovnika (pogled od spredaj in zadaj) [6]

(28)

3.1.2

LDA merilni sistem

Merjenje z LDA (angl. Laser Doppler Anemometry) je brezdotična merilna metoda merjenja hitrosti tekočine v majhnem območju, ki ga imenujemo merilni volumen. Ta metoda omogoča merjenje z zelo visoko časovno ločljivostjo. Prav tako ima visoko merilno točnost ter velik merilni razpon. Z LDA lahko merimo več komponent hitrosti hkrati (le z več- komponentnim merilnim sistemom), prav tako pa lahko merimo tudi turbulentne tokove.

Metoda temelji na teoriji sipanja svetlobe in Dopplerjevem efektu [8].

Komponente LDA merilnega sistema in njihove karakteristike so podane v preglednici 3.2, shemo LDA sistema z vsemi komponentami in povezavami pa prikazuje slika 4.

Preglednica 3.2: Karakteristike LDA merilnega sistema [8]

LDA sonda

Izdelovalec ILA GmbH

Model LDV system fp50 shift/unshift

Valovna dolžina 532 in 561 nm

Moč Od 75 do 200 mW

Goriščna razdalja 500 mm

Merilna negotovost 𝑈_{𝛥𝑚𝑖𝑡𝑡} = 0,19% (𝐶𝐻2)

LDA krmilnik

Izdelovalec ILA GmbH

Model 2D LDA controller

Serijska številka 968

Modul za spektralno analizo Od 50 do 200 MHz, 8 bit

Vhodni signal Od +/- 100 mV do +/- 1 V

Pozicionirni sistem

Izdelovalec Isel Germany

Št. osi 3

Dolžina hoda 800 mm

Krmilnik pozicionirnega sistema

Izdelovalec ILA R&D GmbH

Model Traversiercontroller

(29)

Slika 4: LDA sistem [8]

3.2 Merilna oprema za merjenje pogojev toka zraka

Če želimo zajeti in zapisati vse veličine, ki so potrebne pri umerjanju merilnikov hitrosti zraka v vetrovniku, moramo v merilni sekciji meriti tudi pogoje v toku zraka. Pri omenjenem vetrovniku v ta namen uporabljamo digitalni merilnik KIMO transmitter C310, katerega dimenzije prikazuje slika 5. V merilniku je integrirano zaznavalo za absolutni tlak, dodatno pa je nameščeno tudi kombinirano zaznavalo za temperaturo in relativno vlažnost. Merilnik je priključen na računalnik z uporabo protokola Modbus [9].

Karakteristike zaznaval temperature, tlaka, relativne vlažnosti in hitrosti zraka, kot so merilno območje, merilna točnost, enote in resolucija so prikazane na slikah 6, 7, 8 in v preglednicah 3.3, 3.4, 3.5.

(30)

Slika 5: Dimenzije ohišja digitalnega prikazovalnika [9]

Slika 6: Tlačno zaznavalo [12]

Preglednica 3.3: Karakteristike tlačnega zaznavala [12]

SPI-2 pressure board

Merilno območje Od 800 do 1100 hPa

Merilna točnost ± 2 hPa

Enote in resolucija 0,1 mbar / 0,1 mmHG / 0,1 hPa

(31)

Slika 7: Zaznavalo temperature in relativne vlažnosti [10]

Preglednica 3.4: Karakteristike zaznavala temperature in relativne vlažnosti [10]

SHDI-150 Hygrometry/Temperature probe Merilno območje Od 5 do 95%RH

Od -40 do +180 ᵒC Merilna točnost Vlažnost:

- Točnost, ponovljivost, histereza, linearnost: ±1,5%RH (od 15 do 25ᵒC),

- tovarniška kalibracijska negotovost: ±0,88%RH.

Temperatura:

- ±0,3% merjene vrednosti Enote in resolucija 0,1 %RH/ 0,1 ᵒC

Slika 8: Vročežični anemometer [11]

Preglednica 3.5: Karakteristike vročežičnega anemometra [11]

SVS Hot Wire Probe

Merilno območje Od 0 do 30 m/s Od -20 do +80 ᵒC

Merilna točnost Hitrost zraka: 3 % merjene vrednosti in 0,03 m/s za hitrosti do 3 m/s, 3 % merjene vrednosti in 0,1 m/s za hitrosti nad 3 m/s

Temperatura: ± 0,3% merjene vrednosti Enote in resolucija 0,1 m/s / 0,1 ᵒC

(32)

3.3 Programsko okolje LabVIEW

Velik poudarek te diplomske naloge je bil na programiranju v programskem okolju LabVIEW, kjer smo izdelali program, ki zajema parametre LDA merilnega sistema skupaj s podatki o toku zraka in jih skupaj zapiše v novo datoteko.

LabVIEW ali Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench je platforma za oblikovanje sistema in razvojno okolje za vizualni programski jezik National Instruments.

Grafični jezik se imenuje ‘G’. Ta jezik je razvil LabVIEW in se običajno uporablja za zbiranje podatkov, nadzor instrumentov in industrijsko avtomatizacijo v različnih operacijskih sistemih vključno z Microsoft Windows, Linux in macOS. Zadnji različica programa je LabVIEW 2020, mi pa smo naredili svoj program v verziji LabVIEW 2017 [16].

LabVIEW programi se imenujejo VI (ang. Virtual Instruments). Vsak VI ima tri glavne komponente. Ena izmed komponent je okno, kjer izdelujemo tako imenovane blokovne diagrame (ang. Block diagram). Blokovni diagrami so produkt grafičnega programiranja.

Druga komponenta so uporabniški vmesniki, imenovani Front panel. Ti prikazujejo vhode (controls) in izhode (indicators) blokovnega diagrama. Tretja komponenta je tako imenovana povezovalna plošča (angl. connector pane), ki nam omogoča uporabo podprogramov (angl. subVI) v drugih programih. Povezovalna plošča je prikazana kot neka ikona z določenimi vhodi in izhodi.

(33)

4 Rezultati in diskusija

V tem poglavju je predstavljena CMC analiza merilnikov pogojev okolice. Prav tako bomo predstavili LabVIEW program za sinhronizacijo podatkov in opisali njegovo delovanje.

4.1 Določitev merilne zmogljivosti merilnikov

temperature, absolutnega tlaka in relativne vlažnosti

Merilno zmogljivost vseh merilnikov smo naredili v skladu z metodologijo iz poglavja 2.3.

Kalibracija merilne opreme za merjenje pogojev toka zraka je bila opravljena v LMPS na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani, ki je akreditiran kalibracijski laboratorij pri Slovenski akreditaciji LK-015. Rezultati umerjanja so bili aproksimirani v odvisnosti od referenčne vrednosti:

𝐼_{𝑟𝑒𝑓_𝑓𝑖𝑡} = 𝐼_𝑚− 𝑛 𝑘

(4.3)

- 𝐼_{𝑟𝑒𝑓_𝑓𝑖𝑡} je korigirana vrednost, - 𝐼_𝑚 je povprečno kazanje merila,

- 𝑛 je začetna vrednost linearne značilnice med referenčnimi vrednostmi in povprečnim kazanjem merila,

- 𝑘 je smerni koeficient linearne značilnice med referenčnimi vrednostmi in povprečnim kazanjem merila.

Spremenljivka I predstavlja tlak, temperaturo ali relativno vlažnost. Negotovost aproksimacije je bila zatem ocenjena z uporabo enačbe (2.17).

Oceno časovnega lezenja smo naredili na podlagi preliminarnih meritev, opravljenih v okviru diplomske naloge [7].

(34)

Rezultati in diskusija

4.1.1

Merilnik relativne vlažnosti

Umerjanje merilka relativne vlažnosti je bilo izvedeno 6.8.2021 [13]. Rezultati umerjanja so prikazani v preglednici 4.1 in na sliki 9.

Preglednica 4.1: Rezultati umerjanja merilnika relativne vlažnosti [13]

Referenčna vrednost

𝒓𝒉_𝒓𝒆𝒇

% r.h.

Povprečno kazanje merila

𝒓𝒉_𝒎

% r.h

Korekcija k

𝒌 = 𝒓𝒉_𝒓𝒆𝒇− 𝒓𝒉_𝒎

% r.h

Negotovost korekcije

𝑼_𝒌

% r.h

10,8 8,2 2,6 1,5

30,8 27,5 3,3 1,5

45,4 40,5 4,9 1,5

55,7 50,2 5,5 1,5

70,3 64,0 6,3 1,5

78,9 71,5 7,4 1,5

84,5 76,9 7,6 1,5

Slika 9: Rezultati umerjanja merilnika relativne vlažnosti grafično [13]

(35)

Na podlagi rezultatov umerjanja [13] je bila določena linearna funkcijska odvisnost med kazanjem merilnika (indeks m) in referenčno vrednostjo (indeks ref) relativne vlažnosti:

𝑟ℎ_𝑚 = 0,9289 ∙ 𝑟ℎ_𝑟𝑒𝑓− 1,5462 Negotovost zaradi aproksimacije znaša: 𝑢_𝑎𝑝𝑟 = 0,29 % rh

Časovno lezenje je bilo ocenjeno na podlagi primerjave z rezultati preverjanja merilne opreme v [7], ki so predstavljeni v preglednici 4.2.

Preglednica 4.2: Rezultati starejšega umerjanja [7]

Referenčna Vrednost

% r.h.

Merjena vrednost

% r.h.

Korekcija k

% r.h.

26,6 24,3 2,3

36,94 34 2,94

50,26 46,2 4,06

51,4 47,2 4,2

76,25 71,8 4,45

Ker se vrednosti primerjav merjenih in referenčnih točk starejšega umerjanja razlikujejo od novejšega umerjanja, lahko predpostavimo, da je lezenje v vseh točkah umerjanja enako, zato v enačbi (2.13) uporabimo povprečne vrednosti korekcij 𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖} in 𝑘_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖}.

Povprečna vrednost novih in starih korekcij:

𝑘_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖} = ∑𝑘_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖,𝑖}

5 = 3,59

5

𝑖=1

𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖} = ∑𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖,𝑖}

7 = 6,87

7

𝑖=1

Sedaj imamo vse potrebno za izračun merilne zmogljivosti merilnika relativne vlažnosti po enačbi (2.18), uporabljenega v okviru te diplomske naloge. Rezultati CMC analize so prikazani v preglednici 4.3.

(36)

Preglednica 4.3: Rezultati CMC analize merilnika relativne vlažnosti Referenčna

vrednost 𝒓𝒉_𝒓𝒆𝒇

% r.h.

Povp.

kazanje merila

𝒓𝒉_𝒎

% r.h

Časovno lezenje

D

% r.h

𝒖_𝒖𝒎

% r.h

𝒖_𝒂𝒑𝒓

% r.h

𝒖_𝒍𝒆𝒛

% r.h

𝑼_𝑪𝑴𝑪

% r.h

10,8 8,2 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

30,8 27,5 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

45,4 40,5 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

55,7 50,2 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

70,3 64,0 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

78,9 71,5 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

84,5 76,9 3,28 0,75 0,29 1,89 4,1

4.1.2

Merilnik temperature

Umerjanje merilka temperature je bilo izvedeno 6.8.2021 [14]. Rezultati umerjanja so prikazani v preglednici 4.4 in na sliki 10.

Preglednica 4.4: Rezultati umerjanja merilnika temperature [14]

𝑻_𝒓𝒆𝒇 ᵒC

Povprečno kazanje merila

𝑻_𝒎 ᵒC

Korekcija k

𝒌 = 𝑻_𝒓𝒆𝒇− 𝑻_𝒎

ᵒC

𝑼_𝒌

ᵒC

18,20 18,40 -0,20 0,18

20,41 20,60 -0,19 0,18

23,04 23,20 -0,16 0,18

25,23 25,40 -0,17 0,18

27,91 28,10 -0,19 0,18

Ker pa prihaja do nehomogenosti temperaturnega polja v merilni sekciji, tu upoštevamo še oceno vpliva pri uporabi 𝑢_𝑢𝑝. Nekatera odstopanja merilnika temperature so znašala do nekaj desetink. To oceno izračunamo s pomočjo enačbe (2.15), kjer uporabimo:

𝛥𝐼_𝑇 = 0,3 °𝐶.

(37)

Linearna funkcijska odvisnost med kazanjem merilnika in referenčno vrednostjo temperature:

𝑇_𝑚 = 0,9984 ∙ 𝑇_𝑟𝑒𝑓 + 0,2193 Negotovost zaradi aproksimacije znaša: 𝑢_𝑎𝑝𝑟 = 0,02 ᵒC

Časovno lezenje je bilo ocenjeno na podlagi primerjave z rezultati preverjanja merilne opreme v [7]. Za izračun lezenja oziroma drifta vzamemo povprečne korekcije.

𝑘_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖} = −0,11 𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖} = ∑𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖,𝑖}

5 = −0,18

5

𝑖=1

Rezultati CMC analize merilnika temperature so prikazani v preglednici 4.5.

Slika 10: Rezultati umerjanja merilnika temperature grafično [14]

(38)

Preglednica 4.5: Rezultati CMC analize merilnika temperature Referenčna

vrednost 𝑻_𝒓𝒆𝒇

ᵒC

Povp.

𝑻_𝒎 ᵒC

D ᵒC

𝒖_𝒖𝒎

ᵒC

𝒖_𝒂𝒑𝒓

ᵒC

𝒖_𝒍𝒆𝒛

ᵒC

𝒖_𝒖𝒑

ᵒC

𝑼_𝑪𝑴𝑪

ᵒC

18,20 18,4 -0,07 0,09 0,02 -0,04 0,17 0,40

20,41 20,6 -0,07 0,09 0,02 -0,04 0,17 0,40

23,04 23,2 -0,07 0,09 0,02 -0,04 0,17 0,40

25,23 25,4 -0,07 0,09 0,02 -0,04 0,17 0,40

27,91 28,1 -0,07 0,09 0,02 -0,04 0,17 0,40

4.1.3

Merilnik absolutnega tlaka

Umerjanje merilka temperature je bilo izvedeno 2.8.2021 [15]. Rezultati umerjanja so prikazani v preglednici 4.6 in na sliki 11.

Preglednica 4.6: Rezultati umerjanja merilnika tlaka [15]

𝒑_𝒓𝒆𝒇 hPa

Kazanje merila 𝒑_𝒎

hPa

Korekcija k

𝒌 = 𝒑_𝒓𝒆𝒇− 𝒑_𝒎

hPa

𝑼_𝒌 hPa

919,43 921,80 -2,37 0,34

939,43 941,80 -2,37 0,34

959,45 961,90 -2,45 0,34

979,44 981,87 -2,43 0,34

999,46 1001,80 -2,34 0,34

1019,45 1021,70 -2,25 0,34

999,45 1001,80 -2,35 0,34

979,45 981,80 -2,35 0,34

959,46 961,90 -2,44 0,34

939,44 941,80 -2,36 0,34

919,46 921,80 -2,34 0,34

Rezultati umerjanja merilnika tlaka prikazujejo histerezo, ki pa jo zaradi minimalnega vpliva lahko zanemarimo.

(39)

Slika 11: Rezultati umerjanja merilnika tlaka grafično [15]

Linearna funkcijska odvisnost med kazanjem merilnika in referenčno vrednostjo tlaka:

𝑝_𝑚 = 0,9991 ∙ 𝑝_𝑟𝑒𝑓+ 3,2445 Negotovost zaradi aproksimacije znaša: 𝑢_𝑎𝑝𝑟 = 0,06 ℎ𝑃𝑎

Časovno lezenje je bilo ocenjeno na podlagi primerjave z rezultati preverjanja merilne opreme v [7]. Za izračun lezenja oziroma drifta vzamemo povprečne korekcije.

𝑘_{𝑠𝑡𝑎𝑟𝑖} = −2 𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖} = ∑𝑘_{𝑛𝑜𝑣𝑖,𝑖}

12 = −2,36

12

𝑖=1

Rezultati CMC analize za merilnik tlaka so prikazani v preglednici 4.7.

(40)

Preglednica 4.7: Rezultati CMC analize merilnika temperature Referenčna

vrednost 𝒑_𝒓𝒆𝒇

hPa

Povp.

𝒑_𝒎 hPa

D hPa

𝒖_𝒖𝒎

hPa

𝒖_𝒂𝒑𝒓

hPa

𝒖_𝒍𝒆𝒛

hPa

𝑼_𝑪𝑴𝑪

hPa

919,43 921,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

939,43 941,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

959,45 961,9 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

979,44 981,87 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

999,46 1001,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

1019,45 1021,7 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

999,45 1001,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

979,45 981,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

959,46 961,9 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

939,44 941,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

919,46 921,8 -0,36 0,17 0,06 -0,21 0,55

Določili smo merilne zmogljivosti merilnikov, katere smo v okviru te diplomske naloge uporabili za določitev pogojev okolice.

4.2 Opis programa in podprogramov

Program je uporaben pri sinhronizaciji parametrov zraka v vetrovniku, kar vključuje pogoje okolice, hitrost zraka in druge parametre. Program, ki smo ga izdelali v okviru te diplomske naloge, deluje s pomočjo dveh podprogramov, ki jih imenujemo sub-VI’s. Eden izmed teh podprogramov je komunikacija z digitalnim prikazovalnikom temperature, tlaka in relativne vlažnosti, ki se imenuje modbus. Drugi podprogram pa na podlagi pogojev okolice s pomočjo metode CIPM-2007 izračuna dejansko gostoto zraka v vetrovniku, ki je potrebna za korekcijo merilnikov hitrosti zraka kot sta Pitotova cev ali vročežični anemometer.

4.2.1

Podprograma (sub-VI)

V glavnem programu smo uporabili dva že predhodno narejena programa, katera lahko uvozimo v svoj glavni program. Enega izmed podprogramov smo tudi nadgradili.

V prvem podprogramu zagotavljamo komunikacijo z digitalnim merilnikom, ki nam na računalnik pošilja trenutne vrednosti temperature, tlaka in relativne vlažnosti znotraj merilne sekcije vetrovnika. Vendar te vrednosti niso ustrezno korigirane, zato smo na podlagi

(41)

Linearne značilnice za vse tri merilnike so:

- temperatura: 𝑇_𝑚 = 0,9984 ∙ 𝑇_𝑟𝑒𝑓+ 0,2193

- relativna vlažnost: 𝑟ℎ_𝑚 = 0,9289 ∙ 𝑟ℎ_𝑟𝑒𝑓− 1,5462 - tlak: 𝑝_𝑚 = 0,9991 ∙ 𝑝_𝑟𝑒𝑓+ 3,2445

Ker imamo znane smerne koeficiente k ter začetne vrednosti n vseh treh linearnih značilnic, lahko te vrednosti upoštevaamo v podprogramu za korekcijo kazanja merilnikov. Slika 12 prikazuje korekcijo teh treh merilnikov znotraj programa LabVIEW.

Drugi podprogram ali sub-VI pa na podlagi korigiranih vrednosti pogojev okolice izračuna gostoto zraka po metodi CIPM-2007.

Slika 12: Korekcija merilnikov pogojev okolice

(42)

4.2.2

Glavni program

Osnovna ideja glavnega programa je ta, da zbere vse podatke, ki so potrebni pri umerjanju nekega merilnika hitrosti zraka na enem mestu. Pri umerjanju dobimo zapis referenčnih vrednosti iz LDA merilnega sistema, preko komunikacije pa prejemamo korigirane vrednosti pogojev okolice. Vsakič, ko LDA merilni sistem zajame izmerek in ga zapiše v datoteko, ki jo hočemo prebrati, program zajame vse željene podatke in zraven vključi še pogoje okolice. Te zbrane podatke potem program zapiše v novo datoteko. Ko pa želimo umerjati nek merilnik hitrosti (npr. Pitotova cev, vročežični anemometer), moramo pa referenčne vrednosti primerjati z nekim kazanjem merila. Te vrednosti, ki jih prikaže merilo, ki ga umerjamo, je treba ob vsaki meritvi LDA merilnega sistema ročno zapisati v tabelo na uporabniškem vmesniku programa. Tako program v svojo datoteko izpiše še vrednosti kazanja merila.

Rezultat programa so zbrane in urejene referenčne in merjene vrednosti ter pogoji, v katerih smo opravljali meritve.

Delovanje programa, ki smo ga naredili v okviru te diplomske naloge, je opisano s pomočjo diagrama, ki ga imenujemo flowchart in je prikazan na sliki 13.

(43)

Merilni sistem podatke o hitrosti zraka zapiše v *.ldv datoteko. Glavni program to datoteko uporabi kot datoteko, iz katere bere izbrane parametre. Zapis podatkov v tej datoteki je prikazan na sliki 14.

Slika 14: Primer datoteke, iz katere beremo podatke

Izpisani podatki si sledijo od leve proti desni in ti so zaporedna številka zajema podatkov, koordinate merjenja X, Y, Z, nato pa so naslednji podatki zapisani najprej za smer x in potem še za smer y. Ti so povprečna izmerjena hitrost v m/s, povprečna izmerjena turbulenca v %, povprečna izmerjena frekvenca v Hz, število veljavnih preletov ter razdalja med interferenčnimi ravninami v μm. V zadnjih stolpcih sta podana še datum in čas začetka in zaključka meritve v posamezni točki.

Uporabniški vmesnik programa ali tako imenovan front panel vsebuje vhode (controls) in izhode (indicators), ki jih program potrebuje za delovanje. Prikazan je na sliki 15.

Slika 15: Uporabniški vmesnik ali front panel glavnega programa

(44)

Najprej je potrebno določiti iz katere datoteke bomo podatke brali, v katero datoteko bomo podatke, ki zajemajo hitrost zraka skupaj s pogoji okolice, pisali, ter v katero datoteko bomo pisali kazanje merila, katerega umerjamo.

Svetleča dioda (LED), ki se imenuje ‘updated!’, zasveti ob vsaki spremembi vhodne datoteke branja, zaradi česar se izvede celoten program enkrat. Stikalo zapisuj je ob zagonu programa že sklenjeno, saj se brez njega parametri zraka ne bodo izpisovali v novo datoteko, se pa bodo prikazali na uporabniškem vmesniku programa. Tipka ‘STOP!’ program zaustavi.

Okence, imenovano ‘Komponente’, zajema 6 stikal, s katerimi določamo, kateri parametri iz vhodne datoteke branja se bodo izpisovali v datoteko pisanja. Če stikalo ni sklenjeno, se namesto prebrane vrednosti izpiše ‘NaN’, kar pomeni not a number (slov. ni številka).

Značilnost merilnega sistema, na katerem izvajamo meritve je, da lahko v večih točkah hrakti zajema parametre zraka. Zato ob vsaki novi meritvi pritisnemo gumb ‘Naslednja točka’, ki kot prvi podatek v datoteki pisanja izpiše število meritve. Okence ‘indeks’ pa le pove, koliko meritev smo že izvedli.

Na uporabniškem vmesniku so prav tako prikazane korigirane vrednosti pogojev okolice ter dejanska gostota zraka v vetrovniku, katere dobimo s pomočjo podprogramov, ki skrbita za izračun gostote in komunikacijo.

Matrika ‘Izpis meritev’ prikaže vse zbrane podatke na enem mestu, ki se (če je gumb

‘Zapisuj’ vključen) pozneje zapišejo v svojo datoteko. V primeru umerjanja nekega merilnika hitrosti zraka pa uporabimo tabelo ‘Kazanje merila’. Ko program izpiše in zbere vse parametre, lahko mi iz merilnika hitrosti zraka prepišemo odčitek v tabelo na uporabniškem vmesniku. Ta se ob naslednji meritvi zapiše v svojo datoteko, ki je izbrana v okencu ‘Datoteka, kamor pišemo kazanje merila’. Tako imamo vse potrebno za umerjanje nekega merilnika zbrano na enem mestu.

Izpis podatkov v datoteko, kamor se izpisujejo hitrost zraka, pogoji okolice in ostali parametri (koordinate, število veljavnih preletov ali number of bursts, razdalja med interferenčnimi ravninami LDA ali fringe), je prikazan na sliki 16.

Slika 16: Primer datoteke z izpisanimi podatki

(45)

Datoteka, kamor izpisujemo kazanje merila pri umerjanju, je prikazana na sliki 17.

Tako glavni program zajame podatke iz ene datoteke, jih uredi in zapiše v dve novi datoteki.

Ena prikazuje parametre zraka v merilni sekciji vetrovnika, druga pa je namenjena izpisu kazanja merila pri umerjanju.

Slika 17: Primer datoteke, kamor se izpisujejo vrednosti kazanja merilnika

(46)

5 Zaključki

1) Spoznali smo različne metode merjenja hitrosti zraka znotraj merilne sekcije vetrovnika ter na kakšen način napravimo ustrezno korekcijo, ki se nanaša na dejanske pogoje pri umerjanju.

2) Spoznali in uporabili smo model CIPM-2007 za določevanje dejanske gostote vlažnega zraka, ki ima lahko zelo velik vpliv na izmerjene vrednosti hitrosti zraka.

3) Izvedli in razložili smo CMC analizo merilnikov, s katerimi merimo pogoje okolice, kar zajema temperaturo, absolutni tlak ter relativno vlažnost. Določili smo merilno zmogljivost vsakega merilnika posebej.

4) Predstavili smo celotni merilni sistem ter vse pripadajoče komponente skupaj s programskim okoljem.

5) Ustvarili smo program, ki nam omogoča zajem in zapis vseh veličin pri umerjanju merilnikov hitrosti zraka, kar vključuje podatke iz LDA merilnega sistema in parametre, ki popisujejo pogoje okolice, saj imajo ti velik vpliv na sam rezultat.

Predlogi za nadaljnje delo:

V nadaljevanju je potrebno oceniti merilno negotovost gostote, ki je določena na podlagi izmerjenih parametrov. Prav tako bi lahko izmerjene parametre vizualno predstavili v obliki grafov za boljšo predstavo samih izpisanih parametrov v odvisnosti od časa.

(47)

Literatura

[1] Guidelines on the Calibration of Solid Anemometer Part 2: Thermal Anemometers, EURAMET Calibration Guide No. 25, Version 1.0 (02/2021).

[2] ISO 3966:2008, Section 8.2. Measurement of fluid flow in closed conduits.

[3] Guidelines on the Calibration of Solid Anemometers, EURAMET Calibration Guide No. 24, Version 1.0 (02/2019).

[4] A. Picard, R. S. Davis, M. Gläser, K. Fujii: Revised formula for the density of moist air (CIPM-2007). Metrologia 45 (2008), str. 149–155.

[5] G. Bobovnik: Merilna zmogljivost in medlaboratorijske primerjave. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2020.

[6] WT180-3000 Wind tunnel: User manual, 2018.

[7] J. Letonje: Preverjanje merilnega sistema za določanje hitrosti zraka v vetrovniku:

diplomsko delo. Ljubljana, 2019.

[8] N. Hrušovar: Določanje homogenosti in stabilnosti tokovnega polja v merilni sekciji vetrovnika: magistrsko delo. Ljubljana, 2019.

[9] Multifunction Transmitter C 310: User manual, 2014.

[10] Temperature, hygometry, CO and CO₂ probes for class 310 transmitters: Technical data sheet, 2014.

[11] Air velocity and temperature probes for class 310 transmitters: Technical data sheet, 2014.

[12] Accessories and interchangeable boards for class 310 sensors: Technical data sheet, 2014.

[13] Poročilo o umerjanju 21A02-34. Laboratorij za meritve v procesnem strojništvu (akreditiran laboratorij pri SA – LK-015). 2021.

(48)

Literatura

[16] What is LabVIEW? – NI. Dostopno na: https://www.ni.com/sl-si/shop/labview.html, ogled: 20.08.2021

(49)