Porovnání anemometrických měřicích metod
Typické určení měřicích metod:
- jednodrátková: měření velikosti vektoru rychlosti a její fluktuace v řádu stovek Hz. Může pracovat s odchylkou směru proudu od osy těla sondy do asi 50°;
- dvoudrátková: měření průmětu směru vektoru rychlosti do jedné určené roviny a jeho fluktuace do řádu stovek Hz. Může pracovat s odchylkou směru proudu od osy sondy do asi 35°;
- vícedrátková: měření vektoru rychlosti a jeho fluktuace v řádu stovek Hz. Může pracovat s odchylkou směru proudu od osy sondy do asi 40°.
Je třeba uvážit poměr velikosti sondy a měřeného prostoru. Měřené plyny musí být zcela čisté, unášené nečistoty mohou snadno sondu poškodit, anebo připečením na drátek zásadním způsobem změnit charakteristiku sondy. V robustnějším provedení pro použití v kapalinách měří fluktuace pouze v řádu desítek Hz. Naopak existují zařízení CTA schopná měřit i tempem 100 kHz. Minimální měřitelná rychlost je přibližně 0,02 m.s-1.
- jednobarevná: měření jedné složky vektoru rychlosti v určeném směru a její fluktuace v řádu až tisíců Hz. Po otočení lze měřit další složku vektoru rychlosti, jejich vektorové sčítání je však možné pouze po vyhodnocení časově střední hodnoty (v kvazistacionárním proudění);
- dvoubarevná: synchronní měření dvou složek vektoru rychlosti v určených směrech a jejich fluktuace v řádu až tisíců Hz;
- tříbarevná: synchronní měření tří složek vektoru rychlosti v určených směrech a jejich fluktuace v řádu až tisíců Hz.
Je nutný světlopropustný a paprsky laseru nedeformující vstup (případně i výstup) do měřeného prostoru. Sledovaná tekutina musí být průsvitná a musí unášet optimální množství mikročástic. Zcela exaktně může měřit libovolně nízké rychlosti včetně nuly. V případě malého množství vhodných částic může schopnost měřit fluktuace poklesnout až na jednotky Hz.
Příklady použití:
Při aplikacích na aerodynamických modelech (takto lze modelovat i hydraulické prvky) bylo toto zařízení již mnohokrát úspěšné. Především v případech stacionárních a kvazistacionárních rychlostních polí, kdy předmětem zájmu jsou pouze časově střední hodnoty, lze s výhodou nízké ceny a nenáročnosti na kvalifikovanost obsluhy použít tuto metodu a ještě navíc získat současně s informací o rychlosti i přehled o tlacích (což by u ostatních metod vyžadovalo opakovat měření s jinou sondou). Příklad měření, kdy použití pětiotvorové sondy bylo nejvýhodnější, je proudění na výstupu z čerpadlové, kolenové savky. Při použití LDA a PIV by byly problémy se sycením částicemi ve všech místech měřeného průřezu (médiem byl vzduch). Proto jedinou dobrou alternativou by byla CTA, měření by ovšem bylo mnohem pracnější a dražší.
Pro měření v laboratorních podmínkách na aerodynamické trati, to znamená na čistém vzduchu, při požadavku informací o rychlosti včetně fluktuací je volba CTA téměř jednoznačná. Příkladem vhodného použití CTA je měření na výstupu z kolenové savky reverzní turbíny v čerpadlovém režimu. Metoda PIV není příliš vhodná z důvodu dominantního pohybu média napříč měřenou rovinou. LDA je použitelná alternativa ale vzhledem k poměrně velkému měřenému prostoru (průměr 200 mm) je ovlivnění sondami CTA zanedbatelné a tedy možné a přitom jednodušší.
Pro měření rychlostního pole na výstupu hadicového čerpadla mimotělního oběhu krve, kromě LDA přichází v úvahu jedině PIV, ovšem za cenu mnohem složitějších úprav modelu. Sondy CTA (pro vodu) stejně jako tlakové sondy jsou nepřípustně velké do tohoto malého prostoru (průměr 6.4 mm). Měření rychlostních polí na vstupu a na výstupu z oběžného kola turbíny, a to na funkčním vzorku, má alternativu v pětiotvorové tlakové sondě. Velká pětiotvorová sonda však může ovlivnit proudové pole a u malé se projevují velké problémy se stoprocentním zavodněním hadiček. Pro PIV je nemožné vytvořit vhodné optické vstupy a nasycení celého zkušebního okruhu vhodnými částicemi by také byl velký problém. Pouze CTA do kapalin by mohlo přinést úspěch, na rozdíl od LDA ovšem nikoliv mezi točícími se lopatkami oběžného kola.
Unikátní vlastnost PIV, kterou je možnost studovat časový vývoj nestacionárních dějů v souvislosti celé sledované dvourozměrné oblasti vyniká na příkladu uvedeném na obr. 1. Zde je obzvlášť zajímavé, jak s časem “cestuje” bod rozdělení proudu před nátokovou hranou lopatky. Série byla pořízena v pravidelném rytmu 250 ms. Možnost rychlého získání časově středního obrazu rychlostního pole demonstruje obr. 2, vznikl na základě osmi okamžitých stavů rychlostního pole (čtyři z nich jsou na obr. 1). Na obr. 3 je znázorněno rozložení směrodatné odchylky rychlostí (příslušné k obr. 2); v každém vyhodnoceném bodě je elipsa a délky jejich hlavních os jsou úměrné odchylkám v příslušných směrech.
Časová náročnost měření
Při rozhodování o výběru metody měření, pokud charakter proudění a specifikace požadavků na měření dovolují použít více druhů metod, může někdy být rozhodujícím argumentem celková doba, potřebná na měření. Na mnoha modelech by požadavek na časově střední rychlostní pole, bez zjišťování rozptylu, mohly, při použití vhodných typů sond, splnit všechny čtyři popisované metody. Následuje příklad rozboru časové náročnosti jednotlivých metod, k získání 728 vektorů jako na obr. 2.
(7* (2+0.5)+1.5)* 728+1800 = 15632s = 260min.
728* (5+25)+2400 = 24240s = 404min.
(728* (3+1.5)+900)* 3+3000 = 15528s = 259min.
V případě vícedrátkové sondy: přecejchování sondy - 10min.; souhrnné zpracování - 20min.
728* (3+1.5)+600+1200 = 5076 = 85min.
4+16* 20+600 = 924 = 15min.
A navíc vektorové pole nemusí obsahovat pouze 728 bodů, ale může mít i několik tisíc vektorů aniž by to změnilo celkovou dobu měření.
Obr. 1. Okamžité stavy rychlostního pole při obtékání šikmé desky.
Obr. 2. Časově středované rychlostní pole obtékání pevné překážky.
Obr. 3. Rozložení rozptylu v rychlostním poli obtékání pevné překážky.