BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék 2. MÉRÉS

Hasonló dokumentumok
Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

3. Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Vízóra minıségellenırzés H4

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.

5. Fajhő mérése jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Al-Mg-Si háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram közelítő számítása

Ellenáramú hőcserélő

Fajhő mérése. (Mérési jegyzőkönyv) Hagymási Imre február 26. (hétfő délelőtti csoport)

Fázisátalakulások vizsgálata

Átmeneti jelenségek egyenergiatárolós áramkörökben

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Kiegészítő tudnivalók a fizikai mérésekhez

2. Laboratóriumi gyakorlat A TERMISZTOR. 1. A gyakorlat célja. 2. Elméleti bevezető

Segédlet a gyakorlati tananyaghoz GEVAU141B, GEVAU188B c. tantárgyakból

INTIEL Elektronika az Ön oldalán Programozható differenciál termosztát TD-3.1 Beüzemelési útmutató

3. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Villamos jelek mintavételezése, feldolgozása. LabVIEW 7.1

Lemezeshőcserélő mérés

Hőmérsékleti sugárzás

Mérési hibák

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

D/A konverter statikus hibáinak mérése

Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata

Modern fizika laboratórium

Fázisátalakulások vizsgálata

Modellkísérlet szivattyús tározós erőmű hatásfokának meghatározására

E23 laboratóriumi mérés Fizikai Tanszék

MINTA Írásbeli Záróvizsga Mechatronikai mérnök MSc. Debrecen,

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Méréselmélet és mérőrendszerek 2. ELŐADÁS (1. RÉSZ)

Elektronikus fekete doboz vizsgálata

Logaritmikus erősítő tanulmányozása

RhT Léghőmérséklet és légnedvesség távadó

A kálium-permanganát és az oxálsav közötti reakció vizsgálata 9a. mérés B4.9

Méréselmélet és mérőrendszerek

Tranziens jelenségek rövid összefoglalás

KÖZEG. dv dt. q v. dm q m. = dt GÁZOK, GŐZÖK ÉS FOLYADÉKOK ÁRAMLÓ MENNYISÉGÉNEK MÉRÉSE MÉRNI LEHET:

Dinamikus modellek szerkezete, SDG modellek

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

Oktatási Hivatal. A 2008/2009. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő fordulójának feladatlapja. FIZIKÁBÓL II.

Szinkronizmusból való kiesés elleni védelmi funkció

2. mérés Áramlási veszteségek mérése

Fázisátalakulások vizsgálata

Áramköri elemek mérése ipari módszerekkel

Fajhő mérése. Mérést végezte: Horváth Bendegúz Mérőtárs neve: Olar Alex Mérés ideje: Jegyzőkönyv leadásának ideje:

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Ohm törvénye. A mérés célkitűzései: Ohm törvényének igazolása mérésekkel.

NYOMÁS ÉS NYOMÁSKÜLÖNBSÉG MÉRÉS. Mérési feladatok

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

A mérési eredmény megadása

Fizikai mérések Arduino-val

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék HALLGATÓI SEGÉDLET

Folyamatirányítás. Számítási gyakorlatok. Gyakorlaton megoldandó feladatok. Készítette: Dr. Farkas Tivadar

ÖRVÉNYSZIVATTYÚ MÉRÉSE A berendezés

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Folytonos rendszeregyenletek megoldása. 1. Folytonos idejű (FI) rendszeregyenlet általános alakja

Reakciókinetika és katalízis

HALLGATÓI SEGÉDLET. Térfogatáram-mérés. Tőzsér Eszter, MSc hallgató Dr. Hégely László, adjunktus

Analóg-digitál átalakítók (A/D konverterek)

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

3. POLIMEREK DINAMIKUS MECHANIKAI VIZSGÁLATA (DMA )

25/1. Stacionárius és tranziens megoldás. Kezdeti és végérték tétel.

10.1. ANALÓG JELEK ILLESZTÉSE DIGITÁLIS ESZKÖZÖKHÖZ

Abszolútértékes és gyökös kifejezések Megoldások

Jegyzőkönyv. mágneses szuszceptibilitás méréséről (7)

5. Laboratóriumi gyakorlat

Minden mérésre vonatkozó minimumkérdések

3 Ellenállás mérés az U és az I összehasonlítása alapján. 3.a mérés: Ellenállás mérése feszültségesések összehasonlítása alapján.

Szá molá si feládáttí pusok á Ko zgázdásá gtán I. (BMEGT30A003) tá rgy zá rthelyi dolgozátá hoz

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

FIZIKA II. Egyenáram. Dr. Seres István

a) A logaritmus értelmezése alapján: x 8 0 ( x 2 2 vagy x 2 2) (1 pont) Egy szorzat értéke pontosan akkor 0, ha valamelyik szorzótényező 0.

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 12. mérés: Infravörös spektroszkópia május 6.

Multi-20 modul. Felhasználói dokumentáció 1.1. Készítette: Parrag László. Jóváhagyta: Rubin Informatikai Zrt.

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

7. Mágneses szuszceptibilitás mérése jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Függvények Megoldások

Világítástechnikai mérés

EGYENES ILLESZTÉSE (OFFICE

TxBlock-USB Érzékelőfejbe építhető hőmérséklet távadó

Szimmetrikus bemenetű erősítők működésének tanulmányozása, áramköri paramétereinek vizsgálata.

17. Diffúzió vizsgálata

Négypólusok tárgyalása Laplace transzformációval

Házi Feladat. Méréstechnika 1-3.

Hurokegyenlet alakja, ha az áram irányával megegyező feszültségeséseket tekintjük pozitívnak:

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

Elektromos áramerősség

Az egységugrás függvény a 0 időpillanatot követően 10 nagyságú jelet ad, valamint K=2. Vizsgáljuk meg a kimenetet:

Mérés és adatgyűjtés

TÉRFOGATÁRAM MÉRÉSE. Mérési feladatok

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Megoldás: Mindkét állítás hamis! Indoklás: a) Azonos alapú hatványokat úgy szorzunk, hogy a kitevőket összeadjuk. Tehát: a 3 * a 4 = a 3+4 = a 7

Mechatronika szigorlat Írásbeli mintafeladat

Ón-ólom rendszer fázisdiagramjának megszerkesztése lehűlési görbék alapján

Fajhő mérése. Mérő neve: Márkus Bence Gábor Mérőpár neve: Székely Anna Krisztina Szerda délelőtti csoport

Modern fizika laboratórium

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Átírás:

2. MÉRÉS VÍZMELEGÍTŐ IDŐÁLLANDÓJÁNAK MEGHATÁROZÁSA 1. Bevezetés A mérés célja, egy vízmelegítő időállandójának meghatározás adott térfogatáram és fűtési teljesítmény mellett. Az időállandó mellett a vízmelegítő redukált tömege is meghatározható, melynek segítségével a vízmelegítő főbb dinamikai tulajdonságai leírhatók. A paraméterek meghatározása a hőmérséklet szabályozás szempontjából fontos. A mérés rövid leírása: A mérés során egy átfolyó vízmelegítőbe belépő és az onnan kilépő folyadék hőmérsékletét mérjük. Az átfolyó víz térfogatáramát digitális vízóra segítségével mérjük. A mérés során állandósult térfogatáramot állítunk be, majd a vízmelegítőt kikapcsolva hagyva várjuk, hogy kialakuljon egy állandósult állapot. Ebből az állapotból indítjuk a mérést. A vízmelegítőt bekapcsoljuk és a változók értékét adatgyűjtő kártya segítségével rögzítjük. A mért adatokból a vízmelegítő redukált tömegét és időállandóját meghatározzuk. 2. Mérés során használt eszközök A méréshez használható berendezés A berendezés az alábbi ábrán látható: A vízmelegítő berendezés 1

A berendezés elemei: 1. Áramerősség-mérő 2. A vízmelegítő kapcsolója 3. Feszültségmérő 4. Hálózati víz 5. Digitális vízóra (YF-S201) 6. LM35DZ hőmérséklet szenzor 7. Szelep 8. Vízmelegítő 9. LM35DZ hőmérséklet szenzor A méréshez használható szenzorok Hőmérséklet szenzor: A belépő és kilépő víz hőmérsékletét LM35DZ típusú hőmérsékletszenzorral mérjük. A szenzor adatlapja a tárgy honlapján megtalálható. A LM35DZ hőmérséklet szenzor javasolt bekötési diagramja az adatlap alapján A szenzor beépítése során a kábelek a szenzor következő lábaira lettek bekötve: Sárga: föld, vagy negatív Piros: táp Zöld: jel a földhöz képest Érzékenység: 10mV/ C, Pontosság: ±0.9 C Digitális vízóra A térfogatáram mérésére egy YF-S201 típusú digitális vízóra szolgál. 2

YF-S201 típusú digitális vízóra A működése megegyezik a háztartásokban is használt vízórával, annyi különbséggel, hogy a turbinakerékre nem egy óramű van szerelve, hanem egy mágnes. A mágnes elhaladását egy úgynevezett Hall-szenzor érzékeli, és a jel vezetéken lead egy impulzust. Az impulzusok frekvenciája (adott idő alatt leadott impulzusok száma) lesz arányos a térfogatárammal. A szenzor kalibrációs görbéje: l q = 0.1407f + 0.1053 [ perc ] ahol q a térfogatáram l/percben, míg f az impulzusok frekvenciája [Hz]-ben. A sűrűség ismeretében pedig ebből a tömegáram is meghatározható. A szenzorok bekötésének módját később ismertetjük. 3. A mérés leírása A szenzorok és a számítógép csatlakoztatása előtt érdemes a berendezést kipróbálni, hogy az esetlegesen szivárgó víz ne tehessen kárt a számítógépben vagy az adatgyűjtőkártyában. A mérés megkezdése előtt a szenzorokat az adatgyűjtő-kártyához kell csatlakoztatni. A hőmérséklet szenzorokat érdemes a kártya 5V os kimenetéről táplálni, jelét pedig két csatornán differenciál módban mérni. A YF-S201 digitális vízóra mérő digitális jelét a kártya erre alkalmas PFI 0 csatornáján számlálóval mérni. A javasolt kapcsolási rajz a 2. ábrán látható. 3

A szenzorok bekötése az NI USB 6001 adatgyűjtő-kártyába A mérés során először egy állandósult kezdeti állapot elérése a célunk. A 1. ábrán 7- essel jelölt szelepet kinyitjuk, és beállítjuk a kívánt térfogatáramot. (A 2-es jelű kapcsolót 0 helyzetben hagyjuk, tehát a vízmelegítő nem fűti a vizet.) Ellenőrizzük a be és kilépő víz (6 és 9 jelű szenzor az 1. ábrán) hőmérsékletét. Amennyiben egy közel állandósult állapot állt be, elindítjuk a mérés rögzítését. Rögzítjük a két hőmérő jelét, illetve számoljuk a vízóra által leadott impulzusokat. Ezek után bekapcsoljuk a vízmelegítőt a kapcsoló 1-es helyzetbe állítva. A mérés ideje nagyjából 5-10 perc a térfogatáramtól függően. Közben lejegyezzük az analóg feszültség (3-as jelű) és árammérő (1-es jelű) eszközök értékeit. 4. A mérés kiértékelése Vízmelegítő modellezése A vízmelegítőt írjuk le egy koncentrált paraméterű modellel. A belépő víz hőmérsékletét tételezzük fel konstansnak T 1, a kilépőt pedig időben változó, amit T-vel jelölönk a továbbiakban. A vízmelegítő hőmérsékletét is írjuk le ezzel a hőmérséklettel, ami nyílván durva közelítés, hisz a jelentős hőmérséklet különbségek lehetnek benne. A vízmelegítő energia egyenlete a következőképp foglalható össze: 4

Vízmelegítő melegedése=fűtőszál villamos teljesítménye Környezetnek leadott hőveszteség + a belépő víz energia árama+ belépő víz energiaárama- a kilépő víz energia árama Ezt matematikailag a következő egyenlettel írható le dt m 0 c f = P dt vill P veszt m c v (T T 1 ), (1) ahol m 0 a vízmelegítő tömege, c f a vízmelegítő átlagos fajhője, t az idő, P vill a bevezetett villamos teljesítmény, P veszt a környezetnek leadott hőveszteség, m az átáramlott víz tömegárama (szivárgásoktól eltekintünk), c v a víz fajhője. Mivel sem m 0 sem c f nem ismert, érdemes a redukált tömeg fogalmát bevezetni a víz fajhőjének felhasználásával m 0 c f = m red c v. (2) Ezt visszaírva az első egyenletbe kapjuk: dt m red c v = P dt vill P veszt m c v (T T 1 ). (3) Átrendezve a differenciál egyenletet: dt = P vill P veszt m (T T dt m red c v m 1 ). (4) red Ez egy elsőrendű inhomogén differenciálegyenlet. A megoldáshoz szükséges még egy kezdeti érték, feltételezzük, hogy T T 1 azaz hőmérséklet különbség a víz és a vízmelegítő közt 0 a t = 0 időpillanatban, mielőtt vízmelegítő fűtőszálát bekapcsolnánk. A veszteség (P veszt ) valószínűleg a hőmérséklettől és további paraméterektől (környezet hőmérséklete, páratartalma, légmozgás) függő változó. Ezeket a mérés során nem tudjuk figyelembe venni, ezért az egyszerűségért feltételezzük egy konstans értéknek. Ekkor a (4)-es egyenlet analitikusan megoldható: T T 1 = P vill P veszt (1 e t m /m red). (5) m c v Az egyenlet dimenziótlanítható a következő mennyiségek bevezetésével: Dimenziótlan hőmérséklet: T = m c v (T T P vill P 1 ). (6) veszt Dimenziótlan idő: ahol τ = m red m m t = t = t/τ, (7) m red hányados a rendszer időállandója. Fontos megjegyezni, hogy a redukált tömeg a rendszert jellemző paraméter, míg az időállandó már térfogatáram függő, ami változhat különböző beállítások (különböző szelepállás vagy hálózati tápnyomás) mellett. Paraméterek meghatározása a mérésből A vízmelegítő modellezése során a T és T 1 hőmérsékletet mérjük, a bevezetett villamos teljesítmény meghatározható a mért feszültség illetve áramerősség értékekből, míg a tömegáram a sűrűség és mért térfogatáram szorzataként határozható meg (m = ρ q). c v a víz fizikai tulajdonsága, mely különböző táblázatokból elérhető. Ismeretlen paraméter a veszteség (P veszt ) illetve a redukált tömeg (m red ). 5

A használt hőmérséklet szenzorok pontossága ±0.9 C, így a T T 1 változó értéke az kezdeti egyensúlyi állapotban nem biztos, hogy nulla. Ezt korrigálnunk kell. Érdemes a ΔT = T T 1 változót bevezetni, hisz ebben a rendszert főleg hőmérsékletkülönbség írja le, az abszolút hőmérséklet szerepe (amíg nem forr a víz) nem jelentős. A korrekció könnyedén elvégezhető, ha a bekapcsolási előtti ΔT értékek átlagát kivonjuk ΔT-ből. Vegyük észre, hogy az (5)-ös egyenlet, egy új egyensúlyi hőmérséklet felé tart, ha kellően sok idő telik el, a szorzat második tagja 1. Az új egyensúlyi hőmérséklet értéke: = T T 1 = P vill P veszt m c v. (8) könnyedén számolható egy átlagolással a mérési adatsor végéből, abból pedig P veszt már meghatározható. m red kiszámításához valamiféle görbeillesztést kell végeznünk. Mivel egy exponenciális függvény, célszerű annak logaritmusát venni, és utána egyenest illeszteni. Ennek a lépései a következők. ΔT, segítségével rendezzük át az (5)-ös egyenletet ΔT = 1 e t m /m red, (9) majd fejezzük ki az exponenciális tagot: 1 ΔT = e t m /m red, (10) és vegyük mindkét oldal természetes alapú logaritmusát ln (1 ΔT ) = t m /m red, (11) m red Az egyenlet alapján a látjuk, hogy a ln (1 ΔT ) kifejezés az időfüggvényében egy C = m meredekségű egyenes. Matlabban a természetes logaritmust a log() függvénnyel számíthatjuk ki, míg az ln (1 ΔT ) meredekségét a vissza per operandussal. Ezt az operátor tulajdonképpen az origon átmenő egyenes meredekségét számolja ki számunkra. Például: C=time\log(1-DeltaT/DeltaT_inf); ahol C a meredekség, time az időpillanatok vektorba rendezve, DeltaT a mért hőmérsékletkülönbségek, DeltaT_inf a hőmérséklet különbség egyensúlyi értéke a mérés végén. A meredekség ( m /m red ) ismeretében az időállandó és a redukált tömeg könnyedén meghatározható. m red = m /C és τ = m red = 1 (11) m C Fontos, hogy a levezetés során azt feltételeztük, hogy a t=0 időpillanatban kapcsoljuk be a vízmelegítőt. Az illesztés során is ezt figyelembe kell vennünk, tehát a mért értékeket a bekapcsolásig törölnünk kell, vagy egy új változó bevezetésével ki kell vágnunk a mért jelből. Egy v vektor első n elemének törlését a v(1:n)=[]; parancs végzi el. Míg az első n elem kivágását 6

v2=v((n+1):end); parancsok segítségével oldható meg. Ez a sor létrehoz egy v2 vektort, ami már nem tartalmazza az első n elemet. A kiértékelés lépései összefoglalva: 1. ΔT = T T 1 számítása 2. ΔT korrigálása, hogy a vízmelegítő bekapcsolása előtt a hőmérséklet különbség 0 legyen 3. és m meghatározása, abból P veszt kiszámítása 4. A jel elejének kitörlése vagy kivágása. 5. f(t) = ln (1 ΔT ) görbe meredekségének kiszámítása. 6. Időállandó és redukált tömeg meghatározása 5. A jegyzőkönyv tartalma Minimum követelmény A jegyzőkönyvnek tartalmazni kell a kiszámolt redukált tömeget és időállandót. Egy ábrát, melyben a mért és az illesztett ΔT van ábrázolva idő függvényében. Extra pontért Más térfogatáramon a mérés megismétlése. A jelből látható, hogy nem egy, hanem inkább két tárolós rendszerrel van dolgunk. Mindkét időállandó meghatározása DMD segítségével. 6. Felkészülést segítő és ellenőrző kérdések Hogy határozható meg a tömegáram a térfogatáramból? Ismertesse a mérés menetét. Mit és milyen eszközökkel mérünk? Hogyan törli ki az első n elemét egy vektornak Matlab programozási környezetben? Hogyan határozná meg a e αt exponenciális függvényben a növekedési rátát? Írja fel a vízmelegítő energiamérlegét Hasznos hivatkozások https://www.mathworks.com/help/matlab/data_analysis/linear-regression.html 7

http:///letoltesek/targyak/bmegevgbg01/4_meres.pdf 8