Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
PNEUMATYCZNA SONDA KULOWA Budowa i zasada działania
Autor Robert Jurowicz
Gliwice 2009

1. Klasyczny pomiar sondą kulową 5 - otworową.

1. Budowa sondy kulowej

Czujkę sondy stanowi kulka o średnicy kilku milimetrów, w której nawiercono 5 otworków pomiarowych. Sposób rozmieszczenia otworków przedstawia Rys 1 Od każdego otworka odchodzi rurka wyprowadzona przez trzon sondy na zewnątrz dla połączenia z manometrem. Przy opływie kulki przez strumień tworzy się na niej pewien rozkład ciśnień. Mierząc ciśnienie w 5 punktach na powierzchni kulki określamy wielkość i kierunek prędkości oraz ciśnienia całkowite i statyczne.

Budowa sondy kulowej.

Przestrzenna lokalizacja kątów α i ϕ.

1. Zasada działania oraz zastosowanie sondy kulowej

Sonda kulowa służy do określania wektora prędkości płynącego czynnika tj. kierunku w przestrzeni i wartości ciśnienia całkowitego i statycznego w danym punkcie pomiarowym. Może być stosowana z równym powodzeniem do pomiarów w gazach i cieczach. Sonda kulowa jest szczególnie przydatna, gdy mamy do czynienia z przestrzennym charakterem przepływu (sprężarki, turbiny, wentylatory, klimatyzacja).

Zasada działania sondy polega na tym, że w zależności od jej położenia w stosunku do kierunku prędkości płynu, w punktach położenia otworów na powierzchni sondy, ustalają się konkretne wartości ciśnień. W każdym z wymienionych otworów pojawia się ciśnienie, które jest sumą ciśnienia statycznego oraz dynamicznego:

gdzie:

k_n - bezwymiarowy współczynnik ciśnienia dla n-tego otworu

p_n - ciśnienie całkowite w n-tym otworze

p_a - ciśnienie atmosferyczne

p_s - ciśnienie statyczne

ρ - gęstość czynnika

c - prędkość strumienia

Jeśli połączymy n-ty otwór do przetwornika ciśnienia, który jest podłączony z atmosferą, to będzie zachodził związek między wskazaniem i pozostałymi wielkościami:

γ - ciężar właściwy cieczy manometrycznej

dla i-tego otworu

po odjęciu stronami otrzymujemy

a stąd można obliczyć prędkość C,

wstawiając (1) do równania (5) otrzymujemy:

Współczynnik k_i i k_n są nieznanymi funkcjami kąta ϕ. W celu określenia kąta ϕ trzeba znać związek między wskazaniami manometru i kątami. Funkcją opisującą ten związek jest charakterystyka k_ϕ = f(ϕ). W ten sposób, jeśli w wyniku wzorcowania otrzymujemy zależność k_ϕ(ϕ), to w trakcie badań eksperymentalnych po wyznaczeniu odpowiednich różnic i obliczeniu k_ϕ, z charakterystyki odczytujemy wartość kąta ϕ

Dla obliczenia prędkości bezwzględnej i ciśnienia statycznego w punkcie pomiarowym należy uwzględnić otwory o takich numerach „n” i „i”, aby zapewnić jak największą dokładność pomiaru, to znaczy otwory, dla których różnice k_n i p_i są największe. Takie warunki spełniają różnice (p₁- p₂) lub (k₁- k₂).

Biorąc (p₁- p₂) otrzymujemy:

Przy dużych wartościach kąta ϕ można posługiwać się wzorem:

wówczas, jeśli wynik nie będzie obarczony błędem, powinna być zachowana zależność:

pozwala ona kontrolować poprawność wyników pomiaru.

O ile różnica wyników nie przekracza 2 - 3% wówczas średnią prędkość możemy obliczyć ze wzoru:

Kierunek prędkości możemy wyznaczyć obracając sondę w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach wokół osi Y lub Z . Sondę obraca się tak długo dopóki nie wyrównają się wartości ciśnień w otworkach położonych symetrycznie w stosunku do otworka centralnego. Obracając sondę wokół osi Y możemy doprowadzić do równowagi ciśnień w otworkach 4 i 5 co pozwala określić wartość kąta α.

Kierunek osi X jest zgodny z kierunkiem otworka 1. W praktyce sondę można obracać tylko wokół osi Z. Została więc opracowana metoda która pozwala po ustaleniu kąta α i po odczytaniu wartości ciśnień p₁ , p₂ , p₄ , p₅ określić kierunek wektora prędkości, jego wartość oraz wartość ciśnień w danym punkcie pomiarowym

W metodzie tej postępujemy następująco:

• obracamy sondę wokół osi X aż do wyrównania się ciśnień p₂ i p₃,

• odczytujemy wartości ciśnień p₁ , p₂ = p₃ , p₄ , p₅ ,

• obliczamy wartość współczynnika k_ϕ ,

• z charakterystyki sondy dla obliczonego k_ϕ odczytujemy wartość kąta ϕ oraz wartości współczynników k₁ , k₂ , k₄ , k₅ , Δα,

• wykorzystując określone zależności wyznaczamy wartość i kierunek prędkości oraz wartości ciśnień dynamicznego statycznego i całkowitego.

1. Wzorcowanie sondy kulowej pięciootworowej

Wzorcowanie sondy kulowej przeprowadza się w tuneliku do wzorcowania. Tunelik wytwarza jednorodny swobodny strumień, w którym jest określony kierunek oraz rozkład prędkości i ciśnień. Wzorcowanie polega na ustaleniu zależności między wskazaniem przyrządu a rzeczywistą wartością mierzonej wielkości.

Tunelik aerodynamiczny.

Tunelik przedstawia Rys 3, składa się, ze zbiornika wyrównawczego (1), dyfuzora wlotowego (2), dyszy wylotowej (3), króćca do mierzenia ciśnienia odniesienia (5), oraz uchwytu (4). W dyszy wylotowej znajduje się króciec do mierzenia ciśnienia odniesienia. Uchwyt służy do mocowania i ustawiania badanych sond w środku strumienia. Składa się on z dwóch tarcz ustawionych prostopadle do siebie, dzięki czemu sonda może być ustawiona w dowolnym położeniu kątowym. Cały uchwyt można obracać dookoła osi tunelika oraz przesuwać wzdłuż niej. Ze źródłem dmuchu tunelik połączony jest elastycznym przewodem w celu wyeliminowania przenoszenia drgań. Zależnie od prędkości jakie chcemy uzyskać na wylocie z tunelika, źródłem dmuchu może być wentylator, dmuchawa lub sprężarka.

Sondę mocujemy w uchwycie znajdującym się na wylocie z tunelika, który pozwala na obrót sondy wokół osi Y i Z oraz pozwala na odczyt kątów α i ϕ. Rys. 4 przedstawia stanowisko do wzorcowania sondy kulowej.

Stanowisko do wzorcowania.

Stanowisko do wzorcowania składa się z:

1. wentylatora,

2. tunelika aerodynamicznego,

3. badanej sondy,

4. manometru bateryjnego.

W czasie wzorcowania wykonujemy następujące czynności:

• mocujemy sondę w położeniu nominalnym,

• skręcamy sondę o kąt Δα taki aby ciśnienie p₂ = p₃ ,

• notujemy ciśnienia p₁, p₂, p₄, p₅, oraz p_odn i kąty α, ϕ, Δα,

• czynność powtarzamy przy kątach ϕ = - 30° ¸ + 30° co 5 stopni.

Następnie obliczamy:

Obliczone wartości współczynników kϕ , k₁, k₂ = k₃, k₄, k₅, oraz poprawką kąta Δα nanosimy na układ współrzędnych k = f(ϕ) i uzyskujemy charakterystykę sondy w funkcji kąta ϕ.

Przykładową charakterystykę wzorcowania sondy kulowej przedstawia Rys 5.

Charakterystyka wzorcowania sondy kulowej (4).

1. Pomiar kątów kierunkowych wektora prędkości

W celu wyznaczenia kątów kierunkowych wektora prędkości wykonujemy następujące czynności:

• obracamy sondę zamocowaną w uchwycie tak, aby ciśnienia w otworkach 2 i 3 były jednakowe (wektor prędkości leży w jednej płaszczyźnie symetrii otworków 2 i 3),

• na tarczy kątowej odczytujemy kąt α wyznaczony przez wskazówkę uchwytu,

• odczytujemy na manometrze ciśnienia w otworkach 1, 2, 4, 5,

• obliczamy współczynnik:

1. Pomiar kątów kierunkowych wektora prędkości

2. Określenie wartości wektora prędkości

3. Pomiar ciśnienia statycznego

4. Pomiar ciśnienia całkowitego

2. Metoda pomiaru bez konieczności obracania sondy

1. Podstawy teoretyczne metody, wzorcowanie.

3. Wnioski końcowe

4. Spis treści

- 8 -

- 7 -

---