Szenzorfejlesztés szoláris szárítóban kialakuló természetes konvekció sebességterének mérésére Seres István 1 Klaus Gottschalk 2 Farkas István 1 Kocsis László 1 1 Szent István Egyetem Gödöllő, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék 2103 Gödöllő, Páter K. u. 1., Tel: (06-28) 522055, Fax: (06-28) 410804 E-mail: ifarkas@fft.gau.hu 2 Institut für Agrartechnik Bornim e. V. Max-Eyth-Allee 100, D-14469 Potsdam, Németország Tel.:+49 331 56990, Fax:+49 331 549630, E-mail: kgottschalk@atb-potsdam.de Összefoglaló A mezőgazdasági anyagok minőségmegőrző kezelése során sokszor alkalmaznak természetes konvekciót. A konvekciós áramlási kép ismerete, azaz az áramlás mérése az eszköztervezés, a beraktározás szempontjából, és a termékhalmaz tárolása szempontjából is fontos. Erre a mérési célra azaz, hogy egy termékhalmaz belsejében uralkodó áramlási viszonyokról információkat kapjunk, a jelenleg kereskedelemben elérhető érzékelők különböző okok miatt (mechanikai sérülékenység, egyéni kiértékelő egység használata, ár) nem alkalmasak. Emiatt kutatómunka kezdődött a SZIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszéke és a Potsdami Institut für Agrartechnik Bornim e.v. részvételével egy, a fenti céloknak eleget tevő, olcsó szenzor kifejlesztésére. Jelen dolgozatban a használt mérési elvek közül a célnak legjobban megfelelő elv kiválasztása, a szenzor működésének modellezése és a prototípussal végzett kísérleti eredmények kerülnek bemutatásra. 1. BEVEZETÉS Manapság az energiatakarékosság és a minőségmegőrzés egyaránt a mezőgazdasági kutatások középpontjában állnak, egyrészt gazdaságossági okokból, másrészt a mind élesebbé váló gazdasági verseny eredményeként. Ezen szempontok alapján a mezőgazdasági termékek betakarítás utáni minőségmegőrző kezelése, és ezen belül a megújuló energiafajták, főként a napenergia alkalmazása a jövőben is egyre nagyobb szerepet kap. A napenergiás szárítók jelentős része a természetes konvekciót használja ki a szárítóban felszabaduló nedvesség eltávolítására, illetve a száraz, meleg levegő beáramoltatására. Sok esetben ugyancsak a természetes konvekciót használják a hosszú távú zöldség és gyümölcstárolók (pl. burgonyatárolók) esetében a termékrétegek átszellőztetésére, a minőség megőrzésére. A természetes konvekciós eszközök, tároló raktárak esetén sokszor szükség van a kialakuló áramlási tér minél pontosabb megismerésére, mind a berendezés megtervezésekor, mind pedig a termék elrendezésének kialakításakor, elsősorban abból a célból, hogy a feladat szempontjából optimális áramlási kép megvalósítható legyen. A természetes áramlás kialakulásának meghatározására alacsony méréstartományú légsebességmérő szenzorokra van szükség, amelyek a kereskedelemben részben 182
beszerezhetők, de általában többféle szempontból sem optimálisak. A kapható légsebességmérő szenzorok egy jó része (pl. forgórendszerű sebességmérők, Bernoulli törvényen alapuló sebességmérők) a méréstartományuk miatt nem alkalmasak a természetes konvekció mérésére, míg a megfelelő méréstartománnyal rendelkező mérőeszközök, pl. a hődrótos anemométer esetén a magas ár, az alacsony mechanikai terhelhetőség, a nagy méret és az egyéni kiértékelő műszer igénye jelent akadályt egy nagyszámú szenzort tartalmazó komplex mérőrendszer kiépítésében. Ezen szempontok alapján a SZIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszék a Potsdami Institut für Agrartechnik Intézettel való együttműködés keretében egy olcsó, adatgyűjtő rendszerhez kapcsolható alacsony sebességtartományú légsebesség szenzor fejlesztésébe fogott. Jelen dolgozatban az eddig elvégzett munkát, a mérési elv kiválasztását mutatjuk be. A szenzor numerikus modellje (egy a hő- és anyagtranszport egyenletekre épülő fizikai alapú modell) és annak numerikus, számítógépes szimulációval történő megoldása segített a szenzor méreteinek meghatározásában. A prototípus és az első mérési eredmények, illetve az ebből levonható következtetések szintén bemutatásra kerülnek. 2. A HASZNÁLATOS LÉGSEBESSÉGMÉRÉSI MÓDSZEREK ÁTTEKINTÉSE A légsebességmérők különféle szempontok alapján csoportosíthatók, a továbbiakban fizikai működési elv alapján kerültek áttekintésre. Mechanikai elven működő légsebességmérők Rotációs anemométerek, turbinák. Az egyik legegyszerűbb mérési elv, ami folyadékok és gázok esetén is használatos. A közeg mozgási energiáját alakítja át a szenzor forgási energiájává, majd a szögsebességet mérik. Magasabb sebességtartományban jó linearitású. Centrifugális sebességmérő. Működése a Centrifugális erőn alapszik, azaz egy könyökben haladó közeg esetén a könyök belső felületén kisebb a nyomás, mint a külső íven. A nyomáskülönbségből a sebesség meghatározható. A mérési elv az általunk használt esetre nem használható, mert nem elég érzékeny. Coriolis erőn alapuló sebességmérő. A Coriolis erő miatt kialakuló nyomáskülönbséget méri. Ezt a megoldást érzékenységi okokból nem használjuk a saját célunkra. Bernoulli törvényen alapuló sebességmérők: A folyadék sebességváltozásán alapuló nyomásváltozás mérésével a Bernoulli törvény (és a kontinuitási törvény) segítségével az áramlási sebesség meghatározható. Folyadékok és gázok esetén is használatos, de gázok alacsony sebességtartományú méréséhez nem elég pontos. A sebességváltozás előidézése általában az áramlási keresztmetszet megváltoztatásával állítható elő, aminek módja alapján az 1. ábrán bemutatott eszközök a legelterjedtebbek: 183
Mérőperem Venturi cső Mérőfúvóka Pitot cső 1. ábra Bernoulli törvényen alapuló sebességmérők főbb típusai Mágneses sebességmérő. Az elektromágneses indukción alapuló sebességmérő, mágneses tulajdonsággal bíró közegek mérésére alkalmas. Hullámjelenségen alapuló sebességmérők: Ultrahangos sebességmérők: A Doppler effektuson alapuló ultrahangos sebességmérő a közegáramlás miatt bekövetkező frekvencia változás mérésén alapszik. A kibocsátott ultrahang hullámok a közeggel együtt mozgó apró részecskékről visszaverődve a Doppler effektus miatt más frekvenciával érkeznek vissza, mint amivel kisugározta a készülék. A frekvencia eltolódás a közegsebességre jellemző. Az eszköz sematikus ábrája a 2. ábrán látható. adó vevő reflektáló részecskék Áramlás iránya 2. ábra Ultrahangos Doppler effektuson alapuló sebességmérő 184
Út-idő mérésen alapuló ultrahangos sebességmérő. Az áramlási cső két ellentétes oldalán, egy - az áramlási iránnyal 45 -os szöget bezáró - egyenes mentén elhelyezkedő jeladók illetve vevők között a jel terjedési idejét az áramló közeg sebessége csökkenti, illetve növeli az áramlás irányától függően. Doppler effektuson alapuló lézeres sebességmérő Mind gázok, mind folyadékok esetén használható eszköz, Hasonlóan az ultrahangos Doppler sebességmérőhöz, itt is szükséges olyan részecskék jelenléte a közegben, amelyekről a sugár visszaverődhet. Sok előnye mellett hátránya a magas ár. Az általunk megcélzott problémára nem használható az anyaghalmaz átlátszatlan volta miatt, de a szenzorhitelesítés során felhasználásra került a kontrolmérésekhez. Termikus elven működő sebességmérők Forródrótos anemométer. A működés elve hogy, egy elektromosan fűtött elem (vékony vezeték, lapka) felületi hőmérséklete a fűtőteljesítmény mellett a körülötte áramló közeg (levegő) sebességétől is függ. A szenzor kis mérete (jellemző méret: 0.005 mm átmérő és 1.0-2.0 mm hossz) miatt gyors változások, és alacsony légsebességek mérésére is alkalmas. 3. A KIFEJLESZETT SZENZOR MŰKÖDÉSI ELVE Ahogy az előző áttekintésből is látható, van néhány módszer, amelynek segítségével a természetes konvekció mérhető, de mindegyik módszernek van valami hátránya az általunk megfogalmazott célok elérése szempontjából. A Doppler interferenciás mérés kellően pontos, de elég bonyorult berendezést igényel, és egy termékhalmaz belső áramlási viszonyainak mérésére nem használható. A forródrótos anemométer majdnem mindenben megfelel a kívánalmaknak, de csak egyedi mérőberendezéssel használható, normál adatgyűjtő rendszerrel nem. Ezen indokok alapján kezdődött egy új érzékelő kifejlesztése a következő működési elv alapján. Ha egy néhány W teljesítménnyel melyiket fűtőszál mellett (vízszintes síkban) elhelyezünk egy hőmérsékletérzékelőt (pl. Pt100 platina ellenállás-hőmérőt), akkor a fűtőszál irányából a platina felé irányuló légáramlás az ellenállás-hőmérőt jobban, azaz magasabb hőmérsékletre melegíti, mintha nem lenne légáramlás a rendszeren át. A Pt100 szenzor hőmérséklete az ellenállása alapján meghatározható. Ezen elv alapján a légáramlásnak a Pt100 irányába mutató vízszintes komponense meghatározható. Ha a fűtőszál és a Pt100 által meghatározott egyenes mentén mindkét irányban mérni akarjuk a légsebességet, akkor 2 db (célszerűen szimmetrikusan elhelyezett) Pt100 érzékelőt kell használnunk, ahogy az a 3. ábrán is látható. Légáram fûtőszál Pt100 hőmérsékletfüggő ellenállások 3. ábra A szenzor működésének vázlata 185
4. AZ ÉRZÉKELŐ MŰKÖDÉSÉNEK MODELLEZÉSE A működési elv kiválasztását követően a szenzor tényleges működésének vizsgálatára és az optimális méretek meghatározására modellezést végeztünk. A szimulációt az ANSYS programcsomagnak az áramlástani jelenségekre kifejlesztett CFD (Computational Fluid Dynamics) moduljával végeztük. A program lamináris és turbulens áramlások kezelésére egyaránt alkalmas, képes figyelembe venni az áramló közeg kompresszibilitását, valamint az anyagi jellemzők hőmérsékletfüggése is betáplálható. Állandósult és tranziens jelenségek egyaránt modellezhetők vele. Az első vizsgálat a légcsatorna két dimenziós modellje volt (4. ábra), amelybe a bal oldalról vízszintesen érkező állandó sebességű levegőáramot vezettünk. Az alsó és felső oldalakon (a csatorna falai) a légáram nulla volt, míg a kilépő (jobb) oldalon a légnyomás értéke a külső nyomással egyezik meg. 0,1 m/s bemenő légsebesség mellett a csatornában kialakuló modellezett áramlási kép a 4. ábrán látható. 4. ábra Áramlási kép a légcsatornában a numerikus modell alapján (az értékek m/s-ban) A mérőcsatorna kialakítása után egy fűtőelem került definiálásra a légcsatorna tengelyében. Az így felépített modell alapján számított hőmérséklet-eloszlás 0,1 m/s belépő légsebesség mellett az 5. ábrán látható. 5. ábra Légcsatorna (0,01 m/s) hőmérséklet-eloszlása fűtőelemmel (az értékek Kelvinben) Alacsonyabb belépő sebesség mellett a sűrűségkülönbségből adódó felhajtóerő módosította a kialakuló áramlási képet (6. ábra). 186
6. ábra Légcsatorna hőmérséklet-eloszlása fűtőelemmel 0,01 m/s sebességtartományban (a hőmérséklet értékek Kelvinben) Mivel az általunk kifejlesztett szenzor az áramlás irányában kialakuló hőmérséklet változáson alapul, ezért a felépített modell szélcsatorna középvonalában, azaz a Pt100 érzékelők lehetséges elhelyezési pontjaiban meghatároztuk az állandósult állapotbeli a hőmérséklet értékeket. A modell szélcsatorna tengelye mentén számított hőmérsékleteloszlás a 7. ábrán látható. 7. ábra Hőmérséklet-eloszlás a modell szélcsatorna középvonala mentén (Kelvinben) Az 7. Ábrán látható eredmények alapján elmondhatjuk, hogy az általunk tervezett mérési elv megvalósítható. Az ábrából az is kiolvasható, hogy a Pt100 szenzort 5-30 mm távolságban érdemes elhelyezni a fűtőszáltól. A fenti ábra 10 cm/s légsebesség melletti adatokat mutatja, az ennél alacsonyabb légsebességek mérése érdekében a 7-10 mm távolság az optimális. A hőmérsékletkülönbség elegendő nagy ahhoz, hogy az ellenállás-különbség (és ez alapján a Wheatstone híd kimenő feszültsége) megfelelően mérhető legyen. 5. MÉRÉSI EREDMÉNYEK A modellépítéssel párhuzamosan elkészült a szenzor prototípusa, amellyel ellenőrző méréseket végeztünk. A prototípus egy maximum 10W/12V-os fűtőelemből és két, a fűtőelemre szimmetrikusan elhelyezett Pt100 hőmérsékletfüggő ellenállásból épül fel. A megépített prototípus a 8. ábrán látható. 187
8. ábra A kifejlesztett szenzor prototípusa Mivel a prototípust különféle körülmények között KÍVÁNJUK tesztelni, a Pt100 érzékelőknek a fűtőelemtől mért távolsága, azaz az érzékelő érzékenysége, és ilymódon a mérési tartomány változtatható. Azt erre kifejlesztett mechanikai szerkezet, amely egy csavarral állítható, a 9. ábrán látható. 9. ábra A prototípus méréstartományát változtató mechanikai szerkezet A prototípust két különböző szélcsatornában vizsgáltuk, Először egy egyszerűsített szélcsatornát építettünk a SZIEFizika és Folyamatirányítási Tanszékén. Ez a szélcsatorna egy 2.5 m hosszú, 10 cm átmérőjű henger alakú csatorna volt. Egy feszültség szabályozású ventillátor biztosította a légáramot, amit fojtással és szívószálakkal homogenizáltunk. A légsebességet egy Alhborn FVA 645-TH2 típusú forródrótos anemométerrel mértük. A mért légsebesség eloszlás a cső egy átmérője mentén a 10. ábrán látható. 188
0,25 légsebesség (m/s) 0,2 0,15 0,1 0,05 6V 7V 8V 9V 10V 11V 12V 0 0 2 4 6 8 10 12 távolság az egyik faltól (cm) 10. ábra Légsebesség eloszlás a szélcsatorna belsejében különböző ventillátor feszültségek esetén A szenzor érzékenységének vizsgálatához először a Pt100 ellenállás szenzor időállandóját vizsgáltuk nyugvó levegő közegben. (Áramló közegben az időállandó természetesen ennél kisebb). Az időállandó mérés eredménye a 11. ábrán látható. 11. ábra Pt100 ellenállás hőmérő időállandójának mérési eredménye Az eredmények alapján nyugvó levegő környezetben 31 s időállandó állapítható meg. Ez relatíve lassú működésű szenzort jelent, de a kívánt cél szempontjából ez nem probléma, mert a tároló házakban és szárítókban a gyors változások amúgy sem várhatók. Ha két, szimmetrikusan elhelyezett Pt100 érzékelőt egy Wheatstone hídba kapcsoljuk akkor az ellenállás jelet feszültség jellé konvertálhatjuk, és az eszközt irányfüggővé (az elrendezés szimmetriasíkjára merőleges áramlási irány mérésére alkalmassá) tehetjük. A kapcsolás sematikus rajza a 12. ábrán látható. 189
U 1 fűtőellenállás Pt100 Pt100 A B C R 1 R 2 D U 0 12. ábra Az érzékelők Whetasone híd kapcsolása A Wheatsote hídba kapcsolt szenzort szélcsatornában teszteltük. Az első mérési eredmények kimutatása a csatorna közepén mérhető légsebesség függvényében ábrázoltuk a Wheatstone híd kimenő feszültségét a 13. ábrán. Wheatstone híd fesültség (V) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 5 10 15 20 25 légsebesség (cm/s) 7 mm 10 mm 15 mm 13. ábra a prototípus kalibrációjának eredménye különböző Pt100 fűtőszál távolságok esetén A kalibrációt a potsdami Institute of Agricultural Engineering Bornim (ATB), Department of Post-harvest Technology Tanszékén végeztük. A kalibráció folytatása, pontosítása az Intézetben található lézer Doppler anemométerrel, illetve a szenzor továbbfejlesztése kilaterális együttműködés keretében tervezett. 190
6. KÖVETKEZTETÉSEK A mezőgazdasági termékhalmaz belsejében a természetes konvekció légsebességének mérése jelenleg nem megoldott, ez késztette a projektben résztvevő partnereket egy új szenzor fejlesztésének elkezdésére. Az alkalmazott módszerek analizálása után a termikus mérési elv került kiválasztásra, amely esetén a légáram a fűtőelemről a Pt100 ellenállásokra jutó konvektív hőáramra gyakorol befolyást. A modellezést az ANSYS CFD (Computational Fluid Dynamics) program segítségével végeztük. Elkészült a szenzor prototípus, és felépítettük továbbá a kísérleti szélcsatornát. Az első ellenőrző mérések azt mutatják, hogy a kiválasztott mérési elv alkalmas a kitűzött feladat megoldására. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A kutatási tevékenység a TÉT D-15/01 és a CHN-12/02 programok támogatásával valósult meg. IRODALOM ANSYS CFD FLOTRAN Analysis Guide, ANSYS Inc., Houston, 1994. ANSYS Operation Guide, ANSYS Inc., Houston, 1996. E. L. Upp and P. J. LaNasa: Fluid Flow Measurement, A Practical Guide to Accurate Flow Measurement, Golf Professional Publishing, Boston, ISBN: 0-8841-5758-X, 2002. http://www.omega.com/techref/flowcontrol.html http://www.dantecmt.com/lda/princip/index.html 191