Ene LVI-tekniikan mittaukset LÄMPÖTILAN JA ILMAN KOSTEUDEN MITTAUS TYÖOHJE

Transkriptio

1 Ene LVI-tekniikan mittaukset LÄMPÖTILAN JA ILMAN KOSTEUDEN MITTAUS TYÖOHJE Teknillinen korkeakoulu LVI-tekniikka 2013

2 SISÄLLYSLUETTELO 1 LÄMPÖTILAN MITTAUS Harjoitustyön tavoitteet Mittausjärjestelyt Lämpötilan mittauslaitteet Lämpötilamittaukset Apumittaukset Lämpötilan mittaus - kanavailman ja kanavan pinnan lämpötilat Lämpötilamittausten raportointi Kanavassa kiertävän ilman ja kanavan pinnan lämpötilat Mittarien vertailu Virhetarkastelu ILMAN KOSTEUDEN MITTAUS Harjoitustyön tavoitteet Mittausjärjestelyt Kosteuden mittauslaitteet Vakiokosteuskaappi Kosteusmittarit Kosteuden mittaukset Apu- ja vertailumittaukset Varsinaiset mittaukset Kosteusmittausten raportointi Mittareiden kalibrointi Tulosten esittäminen Virhetarkastelu...8 Liite 1 TYÖSELOSTUKSEN YLEISRAKENNE...9 1

3 1 LÄMPÖTILAN MITTAUS 1.1 Harjoitustyön tavoitteet Harjoitustyön ensimmäisen osan tavoitteena on tutustuttaa opiskelijat lämpötilan mittauksen perusmenetelmiin ja laitteisiin, tuoda esille mittauksissa esiintyviä ongelmia ja virhetekijöitä sekä opetella tekemään mittausten luotettavuuden arviointia ja raportointia Mittausjärjestelyt Mittauslaitteistona on kiertoilmalaitteisto ja mittauksen kohteina kanavassa virtaavan ilman lämpötila sekä kanavan ulkopinnan lämpötila. Laitteisto on luonteeltaan demonstraatiolaitteisto siten, että lämpötilanmittaukseen liittyvät virhetekijät tulevat korostetusti esille. Puhallin kierrättää ilmaa mittauspiirissä, joka on koottu 125 mm kierresaumakanavasta ja yhteistä. Sähkövastuksella lämmitetään kiertävää ilmaa vakioteholla. Termisessä tasapainotilassa laitteistoon siirtyvä osa puhaltimen tehosta sekä sähkövastuksen teho ovat yhteensä yhtä suuret kuin laitteistosta ympäristöön siirtyvä lämpöteho. Kuva 1. Mittauslaitteisto. 1.3 Lämpötilan mittauslaitteet Lämpötilojen mittaus tapahtuu rauta-konstantaani -termoelementeillä, jotka on asennettu suojataskuihin ja kanavan pinnalle. Termoelementti on kahdesta eri materiaalia olevasta metallilangasta valmistettu anturi joka lämpösähköilmiön avulla tuottaa lämpötilaeroon verrannollisen sähkömotorisen voiman. Anturit on yhdistetty Squirrel- data loggeriin, johon lämpötilat saadaan tallennettua. Pintalämpötilat mitataan yhdellä kosketuspintalämpömittarilla ja kahdella infrapunapintalämpömittarilla. Seuraavassa taulukossa on kuvaus termoelementtien sijoituksesta kanavassa ja sen pinnalla: 2

4 Taulukko 1 Kuvaus termoelementtianturien sijoituksesta Termoelementti No T1 T2 T3 T4 T5 T6 Kuvaus Lyhyessä suojataskussa, juotettu kiinni suojataskun pohjaan ja johdettu spiraalinmuotoisena ulos Lyhyessä suojataskussa, juotettu kiinni suojataskun pohjaan ja johdettu suorana ylös Lyhyessä suojataskussa, lepää vapaasti osittain öljyllä täytetyn suojataskun pohjaa vasten, johdettu suorana ulos Lyhyessä suojataskussa, lepää vapaasti kuivan suojataskun pohjaa vasten, johdettu suorana ulos Kiinnitetty juottamalla kanavan pintaan ja johdettu kiinnityskohdasta n. yhden kanavan ympärysmitan pituudelta pitkin kanavan pintaa Kiinnitetty juottamalla kanavan pintaan, johdettu kiinnityskohdasta irti kanavan pinnasta T7 Kiinnitetty teippaamalla kanavan pintaan ja johdettu kiinnityskohdasta n. yhden kanavan ympärysmitan pituudelta pitkin kanavan pintaa T8 T9 Pitkässä suojataskussa, juotettu kiinni suojataskun pohjaan ja johdettu spiraalinmuotoisena ulos Lyhyessä suojataskussa, juotettu kiinni suojataskun pohjaan ja johdettu spiraalinmuotoisena ulos T10 Lyhyessä suojataskussa, jossa on elohopealämpömittari ja suojakuori, juotettu kiinni suojataskun pohjaan ja johdettu spiraalinmuotoisena ulos Termoelementtien suojataskujen halkaisijamitat ovat ds/du= 10/14 mm. Lyhyen suojataskun upotussyvyys on 30 mm ja pitkän 40 mm. Suojataskujen materiaali on messinki. Referenssi- eli vertailumittausten tekemiseen käytetään Fe-Co termoelementtejä R1-R5. Ne on sijoitettu suojataskuihin ds/du= 3/2 mm ja upotussyvyys on n. 160 mm. Suojataskun materiaali on messinki ja se on säteilysuojattu. (R4 poissa käytöstä) Kanavassa virtaavan ilman tilavuusvirta mitataan mittarenkaalla mikromanometriä käyttäen Lämpötilamittaukset Apumittaukset Apumittauksina mitataan työn alussa ja lopussa seuraavat suureet: o Vallitseva ilmanpaine o Staattinen paine-ero kanavassa huonetilaan nähden o Mittarenkaan paineyhteiden välinen paine-ero o Kanavistoon viety sähköteho 3

5 1.4.2 Lämpötilan mittaus - kanavailman ja kanavan pinnan lämpötilat Ensimmäisessä mittauksessa tutkitaan kanavassa virtaavan ilman ja kanavan pinnan lämpötilaa eri tavalla sijoitetuilla termoelementeillä ja eri pintalämpömittareilla. Kunkin termoelementin T1-T10 ja referenssiantureiden R1-R5 osoittamat lämpötilat kirjataan kymmeneltä (10) mittauskerralta taulukkoon. Virheiden välttämiseksi vuoksi taulukkoon pitää myös merkitä, mikä anturi on kytketty mihinkin mittauskanavaan. Termoelementtien lämpötilamittausten aikana jokainen ryhmän jäsen mittaa lisäksi kanavan pintalämpötilan kolmesta osoitetusta pisteestä tarkoitukseen varatuilla pintalämpötila mittareilla. 1.5 Lämpötilamittausten raportointi Työselostus tehdään lähtökohtaisesti tavanomaisen teknisen tutkimusraportin muotoon, jonka yleisrakenne on esitetty liitteessä 1. Lämpötilan mittaus ja kosteusmittaus käsitellään selostuksessa erillisinä osina Kanavassa kiertävän ilman ja kanavan pinnan lämpötilat Apumittausten mittaustuloksista lasketaan keskiarvot. Varsinaisten lämpötilamittausten mittaustuloksista lasketaan 1. Keskiarvot 2. Keskihajonnat 3. Keskiarvon keskihajonnat (keskivirheet) %:n luottamusvälit. Ilman keskinopeus kanavassa lasketaan perustuen mittarenkaan mittaustulokseen. Mittarenkaan paine-eron ja tilavuusvirran välinen yhteys on seuraavaa muotoa Q = K p ρ, (1) missä Q on tilavuusvirta, K on annettu laitevakio, p on paine-ero mittarenkaan paineyhteistä mitattuna, ρ on ilman tiheys mittarenkaan kohdalla. Ilman tiheys mittarenkaan kohdalla lasketaan paine-ero mittausten perusteella. Ilman lämpötilana käytetään elementtien R1 ja R5 lämpötilojen ja lineaarisen interpolaation avulla saatua arvoa. Kanavan ulkopinnan lämpötila termoelementin T5 kohdalla määritetään laskemalla lämmönsiirtymisen perusteorioita /2/ käyttäen lämpövastukset kanavailmasta ympäristöön ja niiden avulla pintalämpötila. Kanavailman lämpötilana ko. kohdalla käytetään referenssielementin R2 lämpötilaa. Näin saatua arvoa verrataan termoelementeillä ja pintalämpömittarilla mitattuihin pintalämpötilan arvoihin. Lopuksi lasketaan kanavistosta ympäristöön siirtynyt lämpöteho, jota verrataan kanavistoon tuotuun sähkötehoon. 4

6 1.5.2 Mittarien vertailu Johtopäätöksissä vertaillaan keskenään termoelementeillä T1 T4 ja R1 saatuja tuloksia, termoelementeillä T5 T7 ja R2 saatuja tuloksia sekä termoelementeillä T8 T10 ja R3 saatuja tuloksia. Termoelementtien sijoituksen ja kiinnityksen perusteella analysoidaan syitä poikkeamiin referenssimittauksen tuloksesta. Työselostukseen liitetään termoelementeillä mitatut ilman lämpötilat sekä pintalämpötilat ja ryhmän jäsenten mittaamat pintalämpötilat Virhetarkastelu Satunnaiset virheet oletetaan normaalijakautuneiksi luottamusrajan ollessa 95%. Lasketaan termoelementeillä T1 T10 ja R1 R5 sekä pintalämpömittarilla suoritetuille mittauksille yksittäisen mittauksen satunnaisvirhe ja laskettujen keskiarvojen satunnaisvirhe. Oletetaan, että termoelementtilangasta ei aiheudu mittausvirhettä. Saadut mittaustulokset esitetään virherajoineen työselostuksessa. Termoelementeillä T1 T4 ja T6 T10 mitattujen lämpötilojen keskiarvoille lasketaan systemaattiset virheet kun referenssiarvoina käytetään termoelementeillä R1, R3 ja R5 mitattujen lämpötilojen keskiarvoa. 5

7 2 ILMAN KOSTEUDEN MITTAUS 2.1 Harjoitustyön tavoitteet Harjoitustyön toisen osan tavoitteena on tutustuttaa opiskelijat ilman kosteuden mittauksen perusmenetelmiin ja laitteisiin, tuoda esille mittauksissa esiintyviä ongelmia ja virhetekijöitä sekä opetella tekemään mittausten luotettavuuden arviointia ja raportointia. 2.2 Mittausjärjestelyt Varsinaiset mittaukset käsittävät huonetilan kosteuden mittaamisen eri toimintaperiaatteisiin perustuvilla mittareilla. Lisäksi tutustutaan kosteusmittareiden kalibrointia varten rakennettuun vakiokosteuskaappiin ja testataan mittareiden luotettavuutta vertaamalla niiden näyttämää vakiokosteuskaapissa vallitsevaan tunnettuun kosteuteen. Mittareiden dynaamisia ominaisuuksia tutkitaan suoritettavien askelvastekokeiden avulla. 2.3 Kosteuden mittauslaitteet Vakiokosteuskaappi Useimmat kosteusmittarit vaativat toistuvaa kalibrointia. Tämä johtuu lähinnä siitä, että mekaanisissa kosteusmittareissa tapahtuu pysyviä muutoksia ns. tuntoelimen pituudessa ja sähköisissä mittareissa tapahtuu taas ryömintää. Mikäli kyseessä olevat mittaukset eivät ole tarkkuusmittauksia, vaan normaaleita arkipäivän mittauksia, voidaan kalibrointiin tarvittavat olosuhteet järjestää yksinkertaisimmin kosteuskaapin avulla. Vakiokosteuskaapin toimintaperiaate on seuraava: Kosteuskaappi on vesihöyryä läpäisemätöntä ja absorboimatonta materiaalia, joka on varustettu avattavilla luukuilla ja ikkunoilla. Kaapin pohjalle asetetaan avoimeen astiaan kylläistä suolaliuosta. Ilman kosteus suljetussa kaapissa saavuttaa arvon, joka on käytetylle suolaliuokselle ko. lämpötilassa ominainen ns. tasapainokosteus. Lähteessä /1/ on esitetty eräiden kylläisten suolaliuosten lämpötilasta riippuvia tasapainokosteuksia. Testattavat mittarit asetetaan joko kokonaisuudessaan hyllylle, tai niihin liitettävät anturit tuodaan tiiviiden läpimenoreikien kautta kaappiin. Ilmaa kierrätetään kaapin sisällä hidaskäyntisen puhaltimen avulla Kosteusmittarit Työssä käytetään seuraavia mittauslaitteita: o hiushygrometri (2kpl) o Bacharach-linkopsykrometri o Rotronic kapasitiivinen hygrometri: lähetin H3V-200, näyttölaite Squirrel 1202 o Vaisala kapasitiivinen hygrometri: näyttölaite HMI41 tai Squirrel 1202, mittapäät HMP45 ja HMP44L o Tinytag loggava kosteus- ja lämpötilamittari. 6

8 Hiushygrometrit Hiushygrometrin anturi on tavallisesti cm pitkä, lankamainen ja toisesta päästä yleensä jouseen tai painoon kiinnitetty. Langan venymä on likimain verrannollinen ilman suhteelliseen kosteuteen, ja se on luettavissa osoittimelta tai piirtopäätteeltä./1/ Psykrometrit Psykrometrillä saadaan selville ilman kuiva- ja märkälämpötila. Ennen mittausta on märkälämpömittarin sukka kostutettava huolellisesti tislatulla vedellä. Psykrometrin märkälämpömittarin asettumisaika on yleensä muutamia minuutteja ja tänä aikana on ilman oltava koko ajan liikkeessä märän sukan kohdalla. Psykrometrien yleisiä periaatteita on esitetty lähteessä /1/. Kapasitiivinen hygrometri Kapasitiivisten kosteusmittareiden toiminta perustuu kondensaattorin eristeeseen adsorboituneen veden aiheuttamaan kapasitanssiarvon muutokseen. Tuntoelin muodostuu hyvin ohuesta kalvosta, joka absorboi vesimolekyylejä ohuen metallielektrodin läpi. Elektrodien ja kalvon yhdessä muodostaman kondensaattorin kapasitanssi riippuu adsorboituneen veden määrästä ja on siten ympäröivän ilman suhteellisen kosteuden funktio. Työssä käytetään Rotronicin, Vaisalan ja TinyTagin kosteusmittareita, jotka näyttävät ilman suhteellisen kosteuden alueella 0 100%. 2.4 Kosteuden mittaukset Apu- ja vertailumittaukset Jotta suhteellinen kosteus voidaan laskea ilman kuiva- ja märkälämpötilojen perusteella täytyy ilmanpaine tietää. Mittaushuoneen ilmanpaine mitataan barometrillä. Vakiokosteuskaappien ja huoneen ilman lämpötila mitataan elohopealämpömittarilla Varsinaiset mittaukset Mittareiden ominaisuuksien vertailua varten suoritetaan kaksi mittaussarjaa. Molemmissa mittaussarjoissa tutkitaan mittareiden systemaattisia ja satunnaisia virheitä. 1. Kalibrointimittaukset kosteuskammioissa: Mitataan vakiokosteuskaappien kosteus hius- ja kapasitiivisilla hygrometreilla. Käytetään kahta eri suolaliuosta, joiden tasapainokosteudet ovat selvästi eri suuruusluokkaa. Mitattujen arvojen ja kaappien tasapainokosteuden perusteella kaikille mittareille määritetään kalibrointisuora. Koska etenkin hiushygrometrien aikavakio on suuri, kannattaa mittaukset ajoittaa niin, että mittarien asettumista odotettaessa voidaan suorittaa muita mittauksia (mittaukset huoneilmassa tai lämpötilamittaustyöhön liittyvät mittaukset). 2. Mittaukset huoneilmassa: Jokainen oppilas mittaa huoneilman kosteuden jokaisella kosteusmittarilla. Märän lämpömittarin tarkkailua jatketaan, kunnes alin lämpötila on saavutettu ja lämpötila alkaa jälleen nousta. Kapasitiivisille kosteusantureille suoritetaan askelvastetesti. Anturit siirretään mahdollisimman nopeasti vakiokosteuskaapista huonetilaan ja loggerilla tallennetaan muutos huonetilan 7

9 kosteuteen ajan funktiona. 2.5 Kosteusmittausten raportointi Työselostus tehdään lähtökohtaisesti tavanomaisen teknisen tutkimusraportin muotoon, jonka yleisrakenne on esitetty liitteessä 1. Lämpötilan mittaus ja kosteusmittaus käsitellään selostuksessa erillisinä osina Mittareiden kalibrointi Jokaisesta kosteusmittarista laaditaan ns. kahden pisteen kalibrointisuora, josta voidaan lukea oikea kosteuden arvo mittarilukeman perusteella. Mittarilta luettu (tai psykrometrilla mittarilukemien perusteella määritetty) suhteellinen kosteus (tai jänniteviesti) on vaaka-akselilla ja vakiokosteuskaapin tasapainokosteus pystyakselilla Tulosten esittäminen Mittausten perusteella saatavat suhteelliset kosteudet esitetään taulukkona ja Mollier diagrammilla. Psykrometreillä määritettävät suhteelliset kosteudet lasketaan ilman kuivalämpötilan, märkälämpötilan ja ilmanpaineen avulla (esim. kaavat ja 5.10 lähteestä /1/). Kapasitiivisten kosteusantureiden aikavakiot määritetään piirrettävästä askelvastekäyrästä. Aikavakion laskemista selostetaan mm. lähteessä /1/ Virhetarkastelu Virhetarkastelussa esitetään kunkin laitteen mahdolliset systemaattiset virheet, mittauksissa tulleet satunnaisvirheet, laitteiden lukematarkkuus ja kokonaisvirhe. Virhetarkasteluiden perustana tulisi käyttää 95 %:n luottamusväliä ja t-jakaumaa /1/. LÄHTEET 1 Sirén K, Ilmastointitekniikan mittaukset, Tietonova, Incropera De Witt, Fundamentals of heat and mass transfer (tai muu vastaava). 8

10 Liite 1 TYÖSELOSTUKSEN YLEISRAKENNE 1 Kansilehti, josta käy ilmi o työn nimi ja mittausten suoritusajankohta o mittausharjoituksiin osallistuneet o yhteyshenkilö, jolle mahdollinen palaute voidaan osoittaa 2 Sisällysluettelo sivunumeroineen 3 Lyhyt kuvaus suoritetusta harjoituksesta 4 Mittausjärjestelyjen ja käytettyjen mittalaitteiden kuvaukset 5 Mittausten suorittaminen 6 Mittaustulosten käsittely o kalibrointikorjaukset mittaustuloksiin (jos tiedossa) o toistomittausten tilastollinen käsittely (keskiarvot, keskihajonnat) o mittaustulosten perusteella laskettujen suureiden arvot o mahdollisten teoreettisten vertailulaskelmien teko o mittaustulosten keskinäinen vertailu 7 Virhetarkastelu o Tulosten virherajojen laskenta o i) toistomittausten perusteella jos riittävästi toistomittauksia o ii) mittalaitteiden suorituskyvyn perusteella (virheiden yhdistämislaki) o lopulliset tulokset virherajoineen 8 Johtopäätökset o johtopäätökset itse mittaustuloksista o johtopäätökset tutkittavista ilmiöistä jne. 9 Lähdeviitteet 10 Liitteet o loggeridata o laajat taulukot o ohjelmakoodit ym 9