Przejdź do treści

Laboratoria

Tunel aerodynamiczny TANPOZ

Tunel Aerodynamiczny Niskich Prędkości o Obiegu Zamkniętym (TANPOZ) to tunel badawczy, którego budowa modułowa pozwala na łatwe zmiany konfiguracyjne, przez co umożliwia pomiary szerokiej klasy zagadnień przepływowych. Przystosowany jest do wykonywania pomiarów przy użyciu optycznych metod pomiarowych, w szczególności cyfrowej anemometrii obrazowej (PIV).

Parametry tunelu:

  • prędkość strumienia powietrza (w rdzeniu potencjalnym): płynnie regulowana od 0,1 do 62 m/s (Ma < 0,2),
  • intensywność turbulencji < 0,5%,
  • ciśnienie statyczne w przestrzeni pomiarowej zbliżone do ciśnienia atmosferycznego,
  • stabilna oraz regulowana temperatura, oraz wilgotność względna strumienia,
  • komora pomiarowa zamknięta o rozmiarach: 1,5 x 0,5 x 0,5 m,
  • komora pomiarowa półotwarta z komorą Eiffla o rozmiarach: 0,9 x 0,5 x 0,5 m,
  • możliwość generowania przepływów zmiennych w czasie przy użyciu generatora podmuchów.

Aparatura kontrolno-pomiarowa:

  • zestaw do cyfrowej anemometrii obrazowej StereoPIV,
  • anemometry,
  • manometry,
  • barometr,
  • higrometry,
  • termometry.

Cyfrowa anemometria obrazowa

Podstawową techniką pomiarową wykorzystywaną w LOMP jest cyfrowa anemometria obrazowa (PIV — Particle Image Velocimetry). Polega ona na wyznaczaniu chwilowych pól prędkości obserwowanego płynu. Do analizowanego przepływu wprowadzany jest znacznik, o którym zakładamy, że porusza się identycznie jak otaczające go medium. W obszarze pomiarowym płyn wraz ze znacznikiem oświetlany jest silnym impulsem laserowym uformowanym w kształcie noża świetlnego. Obraz rejestrowany za pomocą szybkiej kamery cyfrowej zsynchronizowanej z laserem zawiera informacje o rozmieszczeniu cząstek posiewu, które rozpraszają światło znacznie silniej niż otaczające medium.

Pojedynczy pomiar polega na rejestracji dwóch zdjęć w krótkim i znanym odstępie czasu, a następnie lokalnym porównaniu rozmieszczenia cząstek znacznika. W wyniku takiego porównania uzyskuje się pola przemieszczeń, które odniesione do czasu pomiędzy zdjęciami dają szukane pola prędkości. Rezultatem pojedynczego pomiaru w dwóch wymiarach jest zwykle wektorowe pole prędkości zawierające od kilku do kilkudziesięciu tysięcy wektorów. Wykonując serię takich pomiarów, możemy uzyskać informacje o charakterze statystycznym.

Laboratorium Optycznych Metod Pomiarowych

Historia stosowania metod optycznych w IMG PAN sięga lat 70. XX wieku. Nawiązano wtedy ponad 20-letnią współpracę z (nieistniejącym dzisiaj) Max-Planck Institut für Strommüngsforschung w Getyndze. Rezultatem tej współpracy były m.in. obustronne staże naukowe realizowane przez pracowników IMG PAN oraz MPIfS. Wymiana myśli oraz doświadczeń przyczyniła się do pogłębienia wiedzy z zakresu mechaniki płynów, termoanemometrii oraz wizualizacji przepływów.

Jednym z owoców tej współpracy jest Laboratorium Optycznych Metod Pomiarowych (LOMP), którego działalność koncentruje się na wykorzystaniu przede wszystkim optycznych metod pomiarowych w mechanice ośrodków ciągłych. Typowe obszary zastosowania to: przypływy gazów i cieczy, przemieszczenia i odkształcenia ciał stałych, przepływy wielofazowe.

Oferujemy badania i ekspertyzy z zakresu:

  • przepływu płynów,
  • odkształceń i przemieszczeń ciał stałych,
  • przepływu płynu w modelach,
  • analizy szybkich procesów przepływowych/odkształceniowych o charakterze periodycznym i nieperiodycznym,
  • przepływów wielofazowych.

Laboratorium wyposażone jest w Tunel Aerodynamiczny Niskich Prędkości o Obiegu Zamkniętym (TANPOZ) przystosowany do pomiarów z wykorzystaniem różnych rodzajów metod optycznych, w tym cyfrowej anemometrii obrazowej (PIV — Particle Image Velocimetry).

System Wielopunktowego Pomiaru Pola Prędkości (SWPPP) umożliwia prowadzenie badań pól prędkości i wyliczanie strumienia objętości. System wykorzystuje sieć anemometrycznych czujników skrzydełkowych przesyłających dane pomiarowe drogą radiową do komputerowego układu akwizycji i analizy danych.

Zakres mierzonych przez czujniki prędkości wynosi od ± 0,2 do ± 20 m/s. Oprócz danych z czujników niezbędne jest wprowadzenie informacji o ich geometrycznym położeniu w płaszczyźnie przekroju wyrobiska, a także wyznaczenie wybranych na obrysie wyrobiska punktów brzegowych. Taką informację można uzyskać wykonując pomiary taśmą mierniczą w ustalonym układzie współrzędnych. Stosowana jest również metoda fotogrametrii. System nie wymaga znajomości pola przekroju wyrobiska.

Odpowiednie algorytmy obliczeniowe zaimplementowane do programu komputerowego, pozwalają na obliczenie strumienia objętości. W celu estymacji rozkładu prędkości wykorzystuje się metodę triangulacji liniowej. Metoda ta dzieli pole przekroju na obszary, w których oprócz prędkości znanej z pomiarów wprowadza się dodatkowe wartości prędkości na podstawie obliczeń lub przyjętych założeń. Powoduje to zagęszczenie siatki punktów pomiarowych. Na przykład, stosując układ 16 czujników rzeczywistych w przekroju wyrobiska, można zagęścić siatkę pomiarową do 55 punktów. System jest urządzeniem mobilnym, skonstruowanym z myślą o wykorzystaniu w podziemnych zakładach górniczych.

Na poniższych zdjęciach pokazano przykładowe możliwości rozłożenia systemu w różnych miejscach kopalnianej sieci wentylacyjnej.

 

System wielopunktowego pomiaru pola prędkości SWPPP jest bardzo dokładnym urządzeniem do pomiaru strumienia objętości. Zostało to potwierdzone w procesie walidacyjnym stosowanej metody pomiarowej przy wykorzystaniu tunelu aerodynamicznego znajdującego się w Laboratorium Wzorcującym Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe IMG PAN.

Na poniższej fotografii pokazano zamontowany do badań walidacyjnych system SWPPP w dużej komorze pomiarowej tunelu.

W Instytucie Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk od dawna prowadzone są prace naukowo-badawcze i konstrukcyjne, związane z wykorzystaniem czujników anemometrycznych do pomiarów przepływów gazów. Przedmiotem prac są dwa rodzaje czujników: skrzydełkowe i termoanemometryczne. Naukowy charakter działalności Instytutu sprzyja opracowaniu wielu unikalnych w skali światowej rozwiązań. Jakość tych rozwiązań i sprawdzenie ich w różnych warunkach środowiskowych były podstawą do wdrożenia opracowanych technologii w profesjonalnych rozwiązaniach komercyjnych.

Instytut Mechaniki Górotworu PAN jest wytwórcą anemometrów przeznaczonych do prac w strefach zagrożonych wybuchami gazów, ze szczególnym uwzględnieniem potrzeb podziemnych zakładów wydobywczych.

W 2008 roku w Instytucie powołano Laboratorium Systemów Pomiarowych, które zostało objęte systemem jakości zgodnie z normą PN-EN 13980:2002. Laboratorium specjalizuje się w prowadzeniu badań naukowych w dziedzinie aerologii górniczej. Czujniki skrzydełkowe wykorzystywane są między innymi do analizy rozkładów pól prędkości w wyrobiskach górniczych. Ma to na celu uzyskanie informacji niezbędnej do symulacji komputerowej trójwymiarowych przepływów w krytycznych dla bezpieczeństwa miejscach sieci wentylacyjnej. W swoich badaniach Laboratorium korzysta również z systemów termoanemometrycznych, opracowanych w Pracowni Metrologii Przepływów IMG PAN.

Do zadań Laboratorium należy, oprócz prowadzenia prac naukowo-badawczych, projektowanie, wykonywanie oraz wdrażanie, zgodnie z wytycznymi Dyrektywy 94/9/WE urządzeń grupy I kategorii M1 i grupy II kategorii 1 o najwyższym poziomie bezpieczeństwa, w tym anemometrów skrzydełkowych, nowych modeli czujników anemometrycznych oraz innych czujników i systemów pomiarowych parametrów fizycznych atmosfery.

Czujniki anemometryczne poddawane są badaniom w tunelu aerodynamicznym Instytutu. Zachowanie najwyższej jakości parametrów metrologicznych gwarantowane jest dzięki ścisłej współpracy z akredytowanym zgodnie z normą PN-EN ISO/IEC 17025:2005 Laboratorium Wzorcującym Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe IMG PAN. Każdy anemometr posiada świadectwo wzorcowania zgodne z przepisami obowiązującymi w Unii Europejskiej.

Laboratorium Wzorcujące Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe jest częścią Instytutu Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk mieszczącego się w Krakowie przy ulicy Reymonta 27. W wyniku prowadzonych prac badawczych w Instytucie, związanych z metrologią przepływu, w roku 1970 zainstalowany został tunel aerodynamiczny (opracowany na Wydziale Mechanicznym, Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej). Tunel ten był z czasem gruntownie modernizowany, doposażany w nowe przyrządy pomiarowe a jego zakres realizowanych prędkości przepływu był rozszerzany.

W roku 1993 w Okręgowym Urzędzie Miar w Krakowie zostało zarejestrowane Laboratorium Pomiarów Przepływów Pracowni Wentylacji Kopalń, uprawnione do sprawdzania anemometrów i oznaczania świadectwa sprawdzenia oraz sprawdzonych anemometrów znakiem rejestracyjnym. W r. 1997 Laboratorium Pomiarów Przepływów Pracowni Wentylacji Kopalń brało udział w międzylaboratoryjnych pomiarach porównawczych w zakresie wzorcowań anemometrów, prowadzonych w ramach międzynarodowego programu EUROMET.

W r. 1998 w Pracowni Wentylacji Kopalń zaprojektowano i wybudowano komorę temperaturową, do której zakupiono precyzyjny termometr kwarcowy, a później zakupiono wzorcowy termometr platynowy i układ do realizacji punktu potrójnego wody. Inwestycje te umożliwiły rozszerzenie wzorcowań na przyrządy do pomiaru temperatury.
W związku z rosnącą ilością zamówień na wzorcowania anemometrów, ciśnieniomierzy, barometrów i psychrometrów, początkowo z przemysłu górniczego, a później również i z innych jednostek zajmujących się wentylacją, dyrektor Instytutu w dniu 10 maja 2004 r. powołał w Zakładzie Fizyki Przepływów IMG PAN Laboratorium Wzorcujące Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe.
Laboratorium Wzorcujące Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe zajmuje dwa pomieszczenia. W jednym z nich znajduje się tunel aerodynamiczny, umożliwiający wzorcowanie różnego typu anemometrów w zakresie prędkości powietrza od 0,1 do 40 m/s. W drugim pomieszczeniu znajdują się stanowiska wzorcowania ciśnieniomierzy, barometrów, termometrów i higrometrów.

W dniu 2 września 2008 r. Laboratorium Wzorcujące Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe otrzymało certyfikat akredytacji nr AP 118, wydany przez Polskie Centrum Akredytacji.

Więcej na stronie lwwpp.imgpan.pl

Skip to content