ĆWICZENIE II - Zasada działania czujników pomiarowych stosowanych w energetyce wiatrowej, błąd pomiaru..

LABORATORIUM MONITORINGU ENERGII WIATROWEJ

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ

Zasada działania czujników pomiarowych stosowanych w energetyce wiatrowej, błąd pomiaru i jego redukcja, analiza wpływu warunków atmosferycznych na pracę elektrowni wiatrowych.

Ćwiczenie II

Kraków 2005

CZUJNIKI WYKORZYSTYWANE W METEOROLOGII

I METROLOGII WIAROWEJ

Czujniki prędkości wiatru- Anemometry

Anemometry są przyrządami do pomiaru prędkości powierza. W anemometrach mechanicznych, miarą prędkości jest liczba obrotów rotora czujnika pomiarowego.

Do pomiaru prędkości powietrza używane są:

-          anemometry mechaniczne,

-          termoanemometry,

-          anemometry ultradźwiękowe.

Anemometry mechaniczne

Do pomiarów małych prędkości powietrza służą anemometry skrzydełkowe. Przy średnicy wirnika 6 cm zakres pomiaru wynosi do 2¸10 m/s, przy średnicy 15cm wynosi do 0,1¸2 m/s. Anemometry o większej średnicy mają większą czułość, ale są trudniejsze w użyciu. Częściej używane w meteorologii są anemometry czaszowe. Przyrządy te nadają się do pomiaru prędkości wiatru w zakresie 3¸50 m/s. Przetworniki elektryczne tego typu anemometrów są realizowane w różnoraki sposób. Najpopularniejszym rozwiązaniem jest przetwornik optoelektroniczny złożony z ruchomej tarczy z nacięciami umieszczonej na osi wirnika i transoptora szczelinowego. Transoptor taki stanowi zespół diody nadawczej najczęściej emitującej promieniowanie podczerwone) i fototranzystora. Ilość impulsów powstałych na skutek okresowego przesłaniania strumienia światła z diody nadawczej jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika anemometru. Przy dostatecznie dużej ilości szczelin na tarczy rozdzielczość pomiaru sięga w tego typu przyrządach 0,05 m/s. Innym rozwiązaniem jest przetwornik indukcyjny. Na osi rotora umieszczony jest magnes stały. Do obudowy przytwierdzona jest cewka pomiarowa. Zmienne pole magnetyczne indukuje w cewce prąd zmienny. Okres przebiegu elektrycznego jest równy czasowi pełnego obrotu wirnika. Wadą tego typu rozwiązania jest mała rozdzielczość (przy krótkich czasach pomiaru) ilości impulsów na wyjściu cewki oraz zmiana amplitudy sygnału przy zmianie prędkości obrotowej wirnika. Rysunek rys.1. prezentuje poglądowo ideę działania przetworników.

rys.1. Przetworniki anemometru czaszowego.

Termoanemometry

Podstawowym elementem sondy termoanemometrycznej jest cienkie włókno metalowe o średnicy d= 0,5¸5 mm i długości l= 0,025¸2 mm, wykonane z platyny lub wolframu, rozpięty między dwoma stalowymi wspornikami (rysunek rys.2.).

rys.2. Termoanemometr

Włókno sondy, podłączone do obwodu elektrycznego, którego podstawowym elementem jest mostek Wheatstone’a, jest podgrzewane prądem elektrycznym i jednocześnie chłodzone opływającym powietrzem. Gdy ustalona jest równowaga termiczna, strumień ciepła przekazywany do powietrza (konwekcja wymuszona), jest kompensowany dopływem energii elektrycznej- wzór poniżej:

gdzie:

I.- prąd płynący w obwodzie

Rw- rezystancja gorącego włókna

Uw- spadek napięcia na włóknie

a- współczynnik przejmowania ciepła

(Tw-Tp)- różnica temperatury włókna i przepływającego powietrza

Stosowane są dwa podstawowe układy termoanemometrów:

-          Stałotemperaurowy- CTA (Tw= const, Rw= const, =f(v))

-          Stałoprądowy- CCA (I= const, (Tw, Rw)=f(v))

v- prędkość strugi powietrza.

Zakres pomiarowy termoanemometrów wynosi 0,01¸500 m/s.

Anemometry ultradźwiękowe

Zasad działania tego typu anemometrów zależy od różnicy czasu przejścia przez płyn lub gaz fali ultradźwiękowej w kierunkach zgodnym i przeciwnym do kierunku przepływu. Na rysunku rys.3.

przedstawiono zasadę działania przepływomierza ultradźwiękowego.

rys.3. Zasada działania anemometru ultradźwiękowego.

Pod kątem a w stosunku do osi przepływu w odległości l od siebie znajdują się dwa nadajniki- odbiorniki ultradźwięków. Zakładając że średnia prędkość przepływu na szerokości D jest równa v, a prędkość ultradźwięków w medium c, czas przejścia fali ultradźwiękowej w kierunku zgodnym z ruchem płynu wynosi:

Dla kierunku przeciwnego wynosi

Dla kąta a= 45o z obu równań otrzymamy:

Wynik pomiaru nie zależy od propagacji fali ultradźwiękowej w medium, nie zależy więc od temperatury, gęstości ani składu chemicznego płynu lub gazu.

W praktycznych rozwiązaniach stosuje się trzy sondy pomiarowe rozmieszczone pod kątem 120o względem siebie. Czas w którym dźwięk pokonuje odległości dzielące sondy jest precyzyjnie mierzony. Na podstawie tych pomiarów mikroprocesor precyzyjnie wylicza prędkość przepływu powietrza.

Czujniki kierunku wiatru

Czujniki kierunku wiatru są najczęściej konstruowane jako "oś z brzechwą". Do dobrze ułożyskowanej, pionowej osi, przymocowany jest element poprzeczny (poziomy), na którego jednym z końców znajduje się brzechwa (element pionowy o jakiejś, na ogół niewielkiej powierzchni), na drugim - obciążenie, równoważące masę brzechwy. W przypadku działania wiatru, na powierzchni brzechwy powstają różnice ciśnień, w wyniku ich istnienia pojawia się moment skręcający. Brzechwa stabilizuje swoje położenie względem wiatru. gdy różnice ciśnienia na obu jej powierzchniach bocznych wyrównują się. Jest to sytuacja, gdy brzechwa ustawia się zgodnie z kierunkiem wiatru (równoległe do kierunku przepływu powietrza). W tym przypadku przeciwny do położenia brzechwy koniec, zawierający przeciwwagę, wskazuje kierunek z którego wieje wiatr (kierunek wiatru). Punktem odniesienia dla pomiaru jest kierunek północny. Różne są natomiast rozwiązania konstrukcyjne układu elektronicznego określającego chwilowe położenie wskaźnika. Do najczęściej spotykanych rozwiązań należą:

przetworniki kontaktronowe,

przetworniki optyczne z tarczą kodową,

przetworniki potencjometryczny.

Przetwornik Kontaktronowy

Przetwornik kontaktronowy składa się z zespołu przełączników magnetycznych (kontaktronów). Kontaktron jest to zespół dwóch zestyków, umieszczonych w bańce szklanej, które zwierają się pod wpływem stałego pola magnetycznego. W przetworniku tego typu magnes trwały jest przytwierdzony do osi pionowej wiatrowskazu i wykonuje ruch obrotowy (3600) zgodnie z obrotem wskaźnika pod wpływem zmiany kierunku wiatru (rysunek rys.4.).

rys.4. Czujnik kierunku wiatru z przetwornikiem kontaktronowym (widok z góry)

Kontaktrony rozmieszczone są na okrągłej płycie drukowanej, umieszczonej prostopadle do osi obrotowej, przez której środek przechodzi os wskaźnika. W zależności od położenia kątowego magnesu zwarty jest jeden, lub dwa sąsiednie kontaktrony. W ten sposób dla 8 kontaktronów uzyskuje się rozdzielczość 22,50 (16 kombinacji załączenia). Dla ograniczenia liczby sygnałów wyjściowych dodatkowym elementem tego typu przetworników jest koder elektroniczny. Dla 8 kontaktronów liczba linii wyjściowych wyniesie n= log 2 8 (kontaktrony są elementami dwustanowymi włącz-wyłącz, obu stanom można przyporządkować sygnały cyfrowe „0” i „1”).

Przetwornik optyczny z tarczą kodową

Przetwornik tego typu pozwala na absolutny pomiar kąta. Tarcza podziałowa takiego przetwornika posiada pewną ilość ścieżek. Każdej ścieżce jest przyporządkowany fotoelement (transoptor szczelinowy). Tarcza kodowa jest osadzona na osi pionowej wskaźnika kierunku i obraca się razem z tą osią. Zespół transoptorów szczelinowych stanowią nadajniki podczerwieni (diody elektroluminescencyjne), umieszczone nieruchomo nad tarczą i fototranzystory umieszczone pod nią. Odczytane wartości cyfrowe są dostępne na wyjściu najczęściej w postaci kodu Gray’a charakteryzującego się zmianą kodu tylko na jednym bicie w każdym kolejnym kroku pomiarowym (tabela 1). O rozdzielczości przetwornika decyduje liczba ścieżek (bitów).

Tabela 1. Kod Gray’a tarczy kodowej.

Przetwornik potencjometryczny

Mierniki potencjometryczne wykorzystują w swojej konstrukcji potencjometr obrotowy o charakterystyce liniowej. Ruch osi wiatrowskazu jest przenoszony na ruch obrotowy wałka potencjometru. Przetworniki tego typu charakteryzuje duża rozdzielczość (rzędu 1o) przy równocześnie stosunkowo niskiej dokładności (30). Ich wadą jest duża wrażliwość na zmiany warunków temperaturowych oraz na zmiany wilgotności, a także mała trwałość mechaniczna (elementy cierne). Ponadto w tego rodzaju przetwornikach istnieje obszar „martwy” pomiaru kąta (pomiędzy początkiem a końcem warstwy rezystancyjnej). Stosując tego rodzaju przetwornik należy zadbać o to, aby obszar ten przypadł na najrzadziej występujący kierunek wiatru. Sygnałem wyjściowym z tego typu przetwornika jest zmienna rezystancja. Umieszczając potencjometr w zamkniętym obwodzie ze źródłem prądowym, na wyjściu uzyskuje się sygnał napięciowy o wielkości wprost proporcjonalnej do położenia kątowego wskaźnika.

Pomiar temperatury powietrza

Temperatura

Temperatura jest jednym z parametrów stanu termodynamicznego ciała (układu ciał) charakteryzującym stopień jego nagrzania. Temperaturze przypisuje się wymiarowaną wartość liczbową, niezależną od wymiarowanych wartości liczbowych masy, długości i czasu. Przyporządkowanie pewnych wartości liczbowych pewnym temperaturom stanowi podstawę do określenia skali temperatury. Przyjmując że przy ciśnieniu 1013,25 hPa temperatura lodu wynosi 0oC, a wrzącej wody 100oC otrzymuje się tzw. Skalę Celsjusza, gdzie jednostką jest 1oC. Przy założeniu że temperatura lodu wynosi 32oC, a wrzącej wody 212oC, otrzymuje się skalę Fahrenheita o jednostce 1oF. Zależność pomiędzy obiema skalami wyraża wzór:

tC=5/9(tF-32)

Na podstawie II zasady termodynamiki wprowadzono pojecie bezwzględnej skali temperatury, zwanej termodynamiczną skala temperatury. Punktem początkowym tej skali jest temperatura zera absolutnego, w której zanika ruch cząsteczek. Jednostką temperatury bezwzględnej jest 1 K (Kelwin). Ze skalą Celsjusza jest ona związana zależnością:

TK= tC+273,15.

Metody pomiaru

Do pomiaru temperatury powietrza służą termometry stykowe. Czujnik temperatury ma styk bezpośredni z badanym ośrodkiem (powietrzem) i wymienia ciepło na zasadzie przewodzenia, konwekcji lub promieniowania. Do pomiaru temperatury tą metodą służą:

-          termometry rozszerzalnościowe,

-          termometry ciśnieniowe,

-          termometry elektryczne- termo...