Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10958-1:2015 về Khí tượng học - Đo lường gió - thử tính năng của phong kế cánh quay

• Số hiệu: TCVN10958-1:2015
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2015

Ký hiệu	Đại lượng
a	hằng số phần bù điểm "không" (m/s)
b	hằng số đoạn gió (cường độ biểu kiến) hoặc hằng số hiệu chuẩn (mét trên một vòng quay hay m.r^-^1)
Dp	khoảng cách đoạn gió (m) trên mỗi xung đầu ra cho các phong kế có tín hiệu đầu ra xung
°	ký hiệu cho độ định hướng
e	cơ số lôgarit tự nhiên
L	giá trị trung bình của các hằng số khoảng cách (m) tại vận tốc 5 m.s^-1 và 10 m.s^-1
LU	hằng số khoảng cách (m) tại vận tốc không khí trong ống khí động U (m/s)
MRU	độ phân giải phép đo vận tốc gió, nghĩa là số gia tốc độ nhỏ nhất (m.s) được báo cáo.
QU	tỷ lệ phản ứng lệch trục tại vận tốc không khí trong ống khí động U (m/s)
r	một vòng quay trục
R	tốc độ quay (số vòng quay trong 1 s, r.s^-1)
t	thời gian (s)
tf	thời gian (s) để đạt đến 74 % vận tốc cân bằng của phong kế Uf(m.s)
ti	thời gian (s) để đạt đến 30 % vận tốc cân bằng của phong kế Uf(m.s)
T	khoảng thời gian đo (s)
TR	độ phân giải thời gian của một phép đo (s)
U	vận tốc không khí trong ống khí động (m.s^-1)
Û	vận tốc gió chỉ thị (m.s^-1) tính từ hàm truyền của phong kế
Uf	vận tốc gió chỉ thị (m.s^-1) khi phong kế ở trạng thái cân bằng
Ui	vận tốc gió chỉ thị (m.s^-1) khi phong kế ở vị trí thông thường trong ống khí động
Umax	vận tốc hoạt động tối đa của phong kế (m.s^-1)
Umin	vận tốc hoạt động tối thiểu của phong kế (m.s^-1)
Ut	vận tốc gió tại thời điểm t (m.s^-1)
U0	ngưỡng khởi động (m.s^-1)
Uθ	vận tốc gió chỉ thị (m.s^-1) của phong kế tại góc tấn ngoại trục θ
θ	góc tấn lệch trục (°)
θs	góc mất tốc (°) cho phong kế dạng cánh quạt có trục cố định
t	thời gian phản hồi của phong kế (s) để đạt đến vận tốc cân bằng Uf

5. Tóm tắt phương pháp thử nghiệm

5.1. Phương pháp thử nghiệm này yêu cầu phải có một ống khí động như mô tả trong Phụ lục A. Những thông tin bổ sung liên quan đến việc kiểm tra ống khí động được liệt kê trong [7][10][12][13].

5.2. Ngưỡng khởi động (U₀) được xác định qua việc đo vận tốc thấp nhất mà tại đó một phong kế cánh quay bắt đầu và tiếp tục quay, đưa ra một tín hiệu có thể đo được khi gắn vào vị trí vận hành thông thường. Trục của phong kế dạng cánh quạt được chỉnh song song với hướng của dòng không khí, còn trục của phong kế dạng cốc được đặt vuông góc với hướng của dòng không khí.

5.3. Hàm truyền (Û = a + bR + ...) [1] [6] được xác định thông qua việc đo tốc độ quay hoặc tín hiệu đầu ra của phong kế tại các vận tốc gió khác nhau trong suốt phạm vi làm việc (phạm vi sử dụng mong muốn). Với các vận tốc gió mà phản ứng của phong kế là phi tuyến tính (gần ngưỡng) thì ghi các phép đo tại tối thiểu năm vận tốc khác nhau. Các phép đo tại ít nhất năm vận tốc khác nhưng đều nằm trên ngưỡng phi tuyến tính sẽ được ghi lại trong phạm vi làm việc của phong kế và ống khí động (xem Hình 1). Nếu việc ứng dụng phạm vi phi tuyến tốc độ cao hơn thì các phép đo ở tốc độ bổ sung phải được bao gồm trong phạm vi đo để cho phép xác định biểu thức đa thức phù hợp. Phải thực hiện ít nhất ba lần đo. Các giá trị của a và b được xác định bằng hồi quy bình phương nhỏ nhất của các phép đo riêng lẻ tại mỗi điểm dữ liệu.

Hàm truyền có thể xấp xỉ tuyến tính đối với một số phạm vi ứng dụng nhất định và với một số loại phong kế. Hàm truyền có thể là phi tuyến tính tại thời điểm vận tốc trong đường hầm quá thấp (thường gấp hai đến năm lần U₀) hoặc quá cao. Û là vận tốc gió (m.s^-1) được ước tính; a và b là các hằng số. Khi hàm truyền tuyến tính, các hằng số khác ngoài b sẽ được coi là bằng 0. Trong trường hợp tuyến tính này, hằng số a thường được gọi là phần bù điềm "không" (phần lệch so với vị trí 0); b là hằng số đoạn gió được tính bằng số mét trên một vòng quay của phong kế dạng cốc hoặc dạng cánh quạt; R là vận tốc quay tính bằng số vòng quay/giây. Chú ý rằng phần bù điềm “không” không giống như tham số ngưỡng khởi động. Ở một vài phong kế cảm ứng, hằng số a (phần bù điềm “không") có thể không lớn hơn “không”. Các hằng số a và b phải được xác định thông qua các phép đo trong ống khí động cho từng loại phong kế. Đối với trường hợp của các phong kế mà không trực tiếp đưa ra vận tốc quay, ví dụ nó chỉ đưa ra vận tốc gió (tính theo ASCII, hệ thập lục phân, v.v.) hoặc các đơn vị điện (vôn, mi-li- am-pe,v.v.) thì R và b sẽ có đơn vị tính khác phù hợp với dữ liệu đầu ra này.

CHÚ THÍCH: Mặc dù mô hình hàm truyền này không hoàn toàn thể hiện phản ứng của phong kế trong phần đầu phi tuyến tính của đường cong đồ thị nhưng đối với hầu hết các ứng dụng, việc tăng độ chính xác nhờ vận dụng nhiều phương pháp toán học chặt chẽ hơn lại không được đảm bảo. Những điểm dữ liệu trên miền bắt đầu phi tuyến tính có thể là cơ sở cho một mô hình toán học tiên tiến hơn của hàm truyền.

CHÚ DẪN:

X vận tốc không khí trong ống khí động, U, (m.s^-1)

...

...

...

a phần bù điềm “không”, a, (m.s^-1)

b ngưỡng khởi động, U₀, (m.s^-1)

Hình 1 - Đường cong hiệu chuẩn của phong kế thông thường

5.4. Hằng số khoảng cách (L_U) phải được xác định ở những vận tốc gió khác nhau là 5 m.s^-1 và 10 m.s^-1. Hằng số này được tính dựa trên thời gian cần thiết để các rôto của phong kế có thể tăng tốc đến (1 - 1/e) hay 63 % của mức thay đổi tăng bước trong tốc độ quay sau khi thoát ra khỏi trạng thái bị hạn chế không thể quay [4]. Cuối cùng, U_f, là vận tốc gió ở vị trí cân bằng và đã được chỉ ra ở mỗi phong kế (xem Hình 2). Thời gian phản hồi _(T) chỉ có thể áp dụng được ở tốc độ kiểm tra cụ thể. Trong một số ứng dụng, việc tăng vận tốc gió ngoài phạm vi hoạt động của phong kế có thể được quan tâm.

CHÚ THÍCH: Khi có thay đổi giảm bước trong vận tốc sẽ có một hằng số khoảng cách khác. Giá trị này sẽ cho biết lượng quá tốc độ của máy trong điều kiện gió có gió mạnh (các phong kế báo cáo giá trị vận tốc gió cao hơn so với vận tốc gió thực). Đối với một số ứng dụng riêng của phong kế, hằng số khoảng cách khi giảm tốc độ gió có thể được quan tâm. Việc xác định hằng số khoảng cách khi giảm tốc độ gió vượt quá phạm vi nghiên cứu của tiêu chuẩn này.

Phản ứng của phong kế cánh quay trước thay đổi khi vận tốc không khí tăng ngay lập tức từ U = 0 tới U = U_f là ^[5]:

U_t = U_f(1-e^-(t/^t^))                                                (1)

Thời gian phản hồi là:

t = t_f - t_i                                                         (2)

...

...

...

L­_U = U­_t                                                           (3)

CHÚ DẪN:

X thời gian, t (s)

Y vận tốc gió chỉ thị mà phong kế đo được, U_i, (m.s^-1)

a phản hồi cuối cùng

b thời gian phản hồi, t

Hình 2 - Đường cong phản ứng của phong kế thông thường khi thay đổi tăng bước vận tốc gió

Để tránh những kết quả không chính xác đo các điều kiện hạn chế, như đã được chỉ ra trong Hình 2, thời gian đo nên từ 0,30 đến 0,74 của U_f. Từ đó tính toán được khoảng thời gian phản hồi т (s) sẽ nằm trong khoảng 1 % của giá trị lý thuyết (1- 1/e) là phản ứng trên lý thuyết của các thiết bị và được chuyển đổi sang hằng số khoảng cách bằng cách nhân với vận tốc không khí trong ống khí động (U) ^[1].

...

...

...

5.5.1. Đối với phong kế dạng cốc, phép đo được lấy từ các tín hiệu đầu ra khi phong kế nghiêng hướng vào gió (thể hiện hướng trục từ trên xuống) hoặc nghiêng xa hướng gió (thể hiện hướng trục đi lên), trong khi các đường ống khí động đang chạy ở một tốc độ ổn định. Tín hiệu đầu ra được đo khi trục của phong kế đặt ở các khoảng góc 5° trục thẳng đứng đến ± 30°. Tín hiệu đo được sẽ được chuyển sang tỷ lệ cho mỗi khoảng góc bằng cách chia tích cosin của góc với các tín hiệu đo được của phong kế ở vị trí thông thường (chiều thẳng đứng)

5.5.2. Đối với các phong kế dạng cánh quạt có gắn chong chóng gió, phép đo được lấy từ các tín hiệu đầu ra khi trục quay của phong kế nghiêng vào trong gió (thể hiện hướng trục từ trên xuống) hoặc nghiêng dốc lên trong gió (thể hiện hướng trục đi lên) trong khi các đường ống khí động đang chạy ở một tốc độ ổn định. Tín hiệu đầu ra được đo ở các khoảng góc 5° từ vị trí trục quay nằm ngang đến ± 30°. Tín hiệu đo được sẽ được chuyển sang tỷ lệ cho mỗi khoảng góc bằng chia tích cosin của góc và các tín hiệu đo được chia cho trục của phong kế ở vị trí thông thường (chiều nằm ngang). Thử nghiệm này đều có thể được thực hiện khi chong chóng gió được gắn vào hoặc bỏ ra. Nhưng trong trường hợp nào thì trục quay cũng phải được cố định theo hướng đi xuống của ống khí động.

5.5.3. Đối với các phong kế dạng cánh quạt có trục cố định, phép đo sẽ được lấy từ tín hiệu đầu ra khi phong kế quay trong không khí hết một góc tấn 360°. Tín hiệu được đo ở các góc khác nhau từ 0° đến 360° với các khoảng góc 10°, trừ góc 90° và 270°. Các phép đo bổ sung tại các góc 85°, 95°, 265° và 275° cũng được yêu cầu. Tín hiệu đo được ở mỗi góc tấn sẽ được chuyển sang tỷ lệ bằng cách chia mỗi giá trị đo cho tích của phép đo dọc theo trục của ống khí động ở góc tấn 0° (dòng chảy dọc trục) với cosin của góc thử. Thêm vào đó, góc mất tốc (θs) của cánh quạt được đo bằng cách định hướng sao cho trục quay của phong kế cánh quạt vuông góc với dòng không khí trong ống khí động, sau đó từ từ cho nó quay bên trong và bên ngoài các luồng không khí cho đến khi cánh quạt bắt đầu quay liên tục. Góc mất tốc là tổng các góc chặn mà khi ở những góc này, cánh quạt không quay liên tục. Phương pháp này được lặp lại ở góc 270°.

6. Lập hồ sơ

Dữ liệu cho tất cả các lần vận hành được ghi lại theo định dạng tương tự như ví dụ đưa ra ở Phụ lục B. Báo cáo thử nghiệm ít nhất phải bao gồm:

- Ngày, giờ, tên của ống khí động và địa điểm; nhận diện thiết bị đo vận tốc không khí trong ống khí động với số sê-ri và ngày hiệu chuẩn; kiểu và số sê-ri của phong kế được thử nghiệm, nếu có thể cả phiên bản phần mềm điều khiển, bao gồm cả nhận biết đơn nhất của thiết bị nếu có thể. Nên đưa thêm ảnh của phong kế thử nghiệm khi được gắn trên các thiết bị gá khác nhau trong đường ống khí động.

- Mô tả điều kiện của môi trường thử nghiệm và những hiệu chính để đạt được điều kiện tiêu chuẩn (A.2). Tối thiểu là các thông số của môi trường phải được liệt kê trong báo cáo thử nghiệm và phải liệt kê từng giá trị riêng lẻ cho mỗi thông số trong mỗi phép đo.

- Lập bảng dữ liệu được sử dụng để xác định kết quả của phương pháp thử nghiệm. (Phụ lục B)

- Phạm vi tốc độ ứng dụng mà phong kế được thử nghiệm.

...

...

...

7. Thiết bị, dụng cụ

7.1. Hệ thống đo

7.1.1. Quay

Độ phân giải của bộ cảm biến phong kế có thể hạn chế khả năng lặp lại của phép đo. Độ phân giải của hệ thống đo hoặc ghi dữ liệu thể hiện cho tốc độ gió với độ phân giải 0,02m.s^-1 hoặc tốt hơn.

7.1.2.Thời gian

Độ phân giải của thời gian (T_R) phải phù hợp với độ chính xác về khoảng cách quy định. Do đó, độ phân giải thời gian có thể thay đổi khi vận tốc trong ống khí động thay đổi. Độ phân giải một phép đo hằng số khoảng cách 0,1 m (M_R) yêu cầu một độ phân giải thời gian là 0,05 s ở vận tốc 2 m.s^-1 và 0,01 ở vận tốc 10 m.s^-1.

T_R = M_R/U                                                         (4)

7.1.3. Góc tấn

Độ phân giải của các góc tấn (θ) phải nằm trong khoảng 0,5°. Một thước đo góc thông thường có kích thước thích hợp với độ chia 0,5° sẽ cho phép đo với độ phân giải đầy đủ. Bộ gá phải được chế tạo cho phép chỉnh máy tới góc lệch trục trong khi ống khí động chạy ở tốc độ ổn định.

...

...

...

Phương pháp cơ học là cần thiết để giữ phong kế ở vị trí thử nghiệm thông thường mà nó có thể thoát khỏi những điều kiện hạn chế, hoặc tình trạng không quay, trong khi các đường ống khí động đang chạy ở tốc độ thử nghiệm. Cơ chế này không phải di chuyển rôto của phong kế khi được kích hoạt trong ống khí động đã dừng hoạt động.

7.2. Các kỹ thuật ghi dữ liệu

7.2.1. Đối với môi trường ống khí động, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối (hoặc điểm tụ sương) của môi trường bên trong khu vực ống khí động dùng thử nghiệm phải được ghi lại cho mỗi lần đo.

7.2.2. Đối với phép đo hệ số khoảng cách (L_U), những hệ thống ghi kỹ thuật số và các chương trình rút gọn thích hợp sẽ được thỏa mãn nếu tỷ lệ lấy mẫu ít nhất là 100 mẫu mỗi giây. Phải chú ý tránh các mạch điện có các hằng số thời gian làm hạn chế việc ghi đúng các tính năng của phong kế. Máy hiện dao động với bộ nhớ và khả năng sao chép đĩa cứng cũng có thể được sử dụng.

Một kỹ thuật đơn giản khác là sử dụng một máy ghi băng phản ứng nhanh (đáp ứng tần phẳng đến 10 Hz hoặc tốt hơn) với hệ số tăng ích đủ để các tín hiệu mà phong kế đưa ra khi đường ống khí động đang chạy ở vận tốc 2 m.s^-1 đủ để cung cấp độ lệch đầu ghi toàn thang trên máy ghi. Bộ đẩy của biểu đồ ghi chuyển động phải có tốc độ nhanh 50 mms^-1 hoặc hơn.

Với phong kế có đầu ra xung, phải chú ý đảm bảo rằng các xung là đủ thường xuyên để có thể cung cấp một độ phân giải đo lường thỏa đáng. Trường hợp độ phân giải phép đo bị hạn chế, kỹ thuật nội suy có thể là cần thiết để đo được chính xác khoảng cách cố định. Một số phong kế chỉ đưa ra vận tốc gió trung bình bên trong mà không cung cấp vận tốc gió tức thời. Ví dụ như những phong kế có thông tin dữ liệu đầu ra nối tiếp có thể gặp vấn đề về độ phân giải này. Trong những trường hợp này, cần điều chỉnh bộ phận bên trong phong kế, hoặc phần cứng hoặc phần mềm điều khiển, để có phương pháp thực hiện các phép đo liên quan trực tiếp đến tốc độ quay của cánh quạt hay dạng cốc. Nhà sản xuất phong kế phải được tư vấn để xác định các thay đổi cần thiết này.

8. Quy trình thử

8.1. Ngưỡng khởi động (U₀)

8.1.1. Đặt vận tốc ống khí động về "0". Từ từ tăng tốc độ ống khí động cho đến khi cánh quạt hay cánh dạng cốc bắt đầu chuyển động và tiếp tục quay trong khi đưa ra một tín hiệu đầu ra có thể đo được.

...

...

...

8.1.2. Lặp lại quy trình trong 8.1.1 mười lần và ghi lại các kết quả. Tính toán và ghi lại giá trị trung bình cộng (Ū₀) của 10 lần thử.

Những dao động gây ra bởi ống khí động hoặc các nguyên nhân khác có thể khiến các phép đo ngưỡng khởi động bị sai số. Chú ý loại bỏ bất kỳ sự dao động nào trong khu vực ống khí động thử nghiệm trong suốt quá trình đo ngưỡng khởi động.

8.2. Hàm truyền (Û = a + bR +...)

8.2.1. Đặt vận tốc gió trong đường hầm khoảng hai lần ngưỡng khởi động (U₀) được xác định trong 8.1. Sau khi vận tốc không khí trong ống khí động đã đạt đến trạng thái cân bằng, đo tín hiệu đầu ra của phong kế trong một khoảng thời gian đo cố định (T) kéo dài từ 30 s đến 100 s. Khoảng thời gian đo này (T) sẽ cung cấp độ phân giải phép đo vận tốc gió (M_RU) là 0,1m.s^-1 hoặc lớn hơn cho hầu hết các phong kế. Một số phong kế có độ phân giải thấp với một xung tín hiệu đầu ra có thể cần khoảng thời gian đo (T) dài hơn để đạt được độ phân giải phép đo vận tốc gió (M_RU) ít nhất là 0,1 m.s^-1. Độ phân giải phép đo tốc độ gió (M_RU) (m.s^-1) cho phong kế với một xung tín hiệu đầu ra là kết quả của phép chia đoạn gió khoảng cách trên mỗi xung đầu ra (D_p) (m) cho khoảng thời gian đo (T)(s).

(M_RU) = (D_p) / T                                                  (5)

Nếu độ phân giải phép đo gió (M_RU) của phong kế quá lớn, các hệ số hồi quy bình phương tối thiểu được xác định trong 8.2.4 sẽ không hợp lệ.

Ghi lại vận tốc trong ống khí động và tốc độ quay (R) của phong kế hoặc dữ liệu đầu ra tương đương. Tăng vận tốc trong ống khí động lên gấp ba lần U₀ và ghi lại các kết quả đo. Lặp lại với vận tốc ống khí động tăng gấp bốn lần, năm lần và sáu lần U₀.

8.2.2. Đặt vận tốc không khí trong ống khí động ở khoảng 10 % vận tốc hoạt động tối đa của phong kế (U_max). Sau khi vận tốc trong ống khí động đã đạt đến trạng thái cân bằng, đo đầu ra của phong kế cho những khoảng thời gian đo cố định (T) như đã được sử dụng trong 8.2.1. Ghi lại vận tốc trung bình của không khí trong ống khí động và tốc độ quay phong kế (R) hoặc các dữ liệu đầu ra tương đương. Tăng vận tốc không khí trong ống khí động lên khoảng 20 % U_max và sau khi đã đạt đến trạng thái cân bằng, ghi lại các kết quả đo giống như trước trong khoảng thời gian đo cố định tương tự. Lặp lại phương pháp này với vận tốc không khí đạt khoảng 30 %, 40 % và 50 % của U­_max. Để xác định được hàm truyền yêu cầu bổ sung tối thiểu năm phép đo ở những vận tốc khoảng cách bằng nhau và gần bằng U_max. Việc xác định được hàm truyền hoàn chỉnh là rất cần thiết cho một thiết kế mới hoặc một sự thay đổi lớn trong thiết kế phong kế.

Trong trường hợp việc đo vận tốc không khí bị giới hạn do một phần của phạm vi ứng dụng, ví dụ như do hạn chế về vận tốc trong ống khí động, phép ngoại suy các dữ liệu sẽ vượt quá phạm vi của phép đo thực tế và có thể làm tăng độ không đảm bảo đo. Nếu không thể tiến hành thử nghiệm với U_max, báo cáo thử nghiệm phải ghi là rằng phong kế đã không được thử nghiệm đến U_max và vận tốc thử nghiệm cao nhất phải được ghi trong báo cáo.

...

...

...

8.2.4. Sử dụng dữ liệu ghi lại được từ 8.2.2 và 8.2.3 để xác định giá trị của các hằng số (a, b,.v.v.) trong phương trình hàm truyền (Û = a + bR + ...) bằng hồi quy bình phương nhỏ nhất. Không sử dụng các dữ liệu gần ngưỡng U₀ ghi được trong 8.2.1 cho phép tính này.

CHÚ THÍCH: Đối với phần lớn phong kế cánh quạt và dạng cốc có thiết kế tốt, phương pháp hồi quy tuyến tính sẽ đưa ra một giá trị xấp xỉ của hàm truyền trên phạm vi làm việc của phong kế. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này không loại trừ việc sử dụng một phương trình hồi quy bậc cao hơn để thiết lập mô hình hàm truyền của phong kế.

8.2.5. Sử dụng giá trị của các hằng số trong hàm truyền (a, b, v.v.) tính được ở 8.2.4 để tìm ra Û cho mỗi R đo được ở 8.2.1 và 8.2.2. Lấy U đo được trừ đi Û. Báo cáo độ chênh lệch (m.s^-1) cho mỗi vận tốc thử nghiệm trong hầm ở 8.2.1 và 8.2.2.

CHÚ THÍCH: Những dữ liệu còn lại có thể được sử dụng để xác định những phần phi tuyến tính của hàm truyền và các giá trị ngoại lai.

8.3. Hằng số khoảng cách (L_U)

8.3.1. Đặt vận tốc trong ống khí động ở mức 5 m.s^-1. Giữ cho các cánh quạt và cánh dạng cốc không tiếp tục quay và không để các cánh thoát khỏi trạng thái đứng yên này theo như phương pháp ở 7.1.4. Ghi lại mười phép đo cho L₅.

8.3.2. Lặp lại quy trình 8.3.1 với vận tốc 10 m.s^-1 cho L₁₀

8.3.3. Từ những dữ liệu đã ghi được, đo thời gian (t_i) (s) từ lúc vận tốc rôto đạt 0,30 vận tốc cân bằng cuối cùng (U_f) tới thời điểm (t_f) khi tốc độ rôto đạt 0,74 tốc độ cân bằng cuối cùng (U_f) (xem Hình 2). Cần chạy thử một lần để xác định tốc độ cân bằng cuối cùng (U_f). Khi t ≥ 7t, tốc độ rôto sẽ đạt 99,9 % tốc độ cân bằng (U_f). Tốc độ này sẽ không vượt quá 0,01 m.s^-1 của tốc độ cân bằng lý thuyết (U_f) tại vận tốc thử nghiệm là 10 m.s^-1.

Thời gian phản hồi (t) là:

...

...

...

Hằng số khoảng cách (L_U) được xác định bằng cách nhân vận tốc trong ống khí động (U) với thời gian phản hồi (t). Hằng số khoảng cách là:

L_U = Ut                                                  (7)

Các bước này phải được tiến hành với mỗi phép đo trong mười phép đo ở vận tốc 5 m.s^-1 và 10 m.s^-1. Giá trị trung bình của mười phép đo ở 5 m.s^-1 và mười phép đo ở 10 m.s^-1 cho hằng số khoảng cách nằm trong khoảng 10 % trung bình cộng của hai mươi phép đo ở 5 m.s^-1 và 10 m.s^-1.

8.4. Tỷ lệ phản ứng lệch trục (Q_U) - Máy đo gió dạng cốc

8.4.1. Đặt thiết bị cố định góc lệch trục cho phong kế dạng cốc như đã nêu trong 7.1.3 và đặt phong kế thẳng hàng với vị trí thông thường (trục quay thẳng đứng). Để vận tốc ống khí động ở mức 5 m.s^-1. Lấy một mẫu thử với phong kế được đặt thẳng đứng và một mẫu thử với máy được đặt ở mỗi khoảng góc 5° nghiêng vào luồng không khí, nghiêng dần lên tới 30°. Lấy thêm một mẫu thử với phong kế đặt thẳng đứng và một mẫu thử ở mỗi khoảng góc 5° nghiêng ra xa luồng không khí, nghiêng dần lên tới 30° so với trục thẳng. Chia mỗi giá trị cho tích của vận tốc gió khi phong kế ở vị trí thông thường với cosin của góc nghiêng để tính được tỷ lệ phản ứng lệch trục

Q_U = U_θ/(U_icosθ) (8)

8.4.2. Lặp lại quy trình ở 8.4.1 ở vận tốc 10 m.s^-1. Lập bảng kết quả bằng cách tính trung bình các tỷ lệ ở mỗi vận tốc cho mỗi khoảng góc 5°.

8.5. Tỷ lệ phản ứng lệch trục (Q_U) - Máy đo gió cánh quạt có gắn chong chóng gió

8.5.1. Đặt thiết bị cố định góc lệch trục cho phong kế cánh quạt có gắn chong chóng gió như đã nêu trong 7.1.3 và đặt trục quay của cánh quạt thẳng hàng với vị trí thông thường (nằm ngang). Đặt vận tốc trong ống khí động ở mức 5 m.s^-1. Lấy một mẫu thử với trục cánh quạt nằm ngang và một mẫu thử ở mỗi khoảng góc 5° thể hiện trục từ trên xuống (cánh quạt nghiêng xuống phía sàn của ống khí động), nghiêng đến 30°. Tiến hành thêm một phép đo ở vị trí thông thường (nằm ngang) và một phép đo ở mỗi khoảng góc 5° thể hiện trục đi lên (cánh quạt nghiêng lên trên về phía trần của ống khí động), nghiêng đến 30°. Tỷ lệ phản ứng lệch trục được tính bằng cách chia mỗi giá trị cho tích của giá trị đo ở vị trí thông thường với cosin của góc nghiêng. Xem phương trình (8).

...

...

...

8.6. Tỷ lệ phản ứng lệch trục (Q_U) - Máy đo gió cánh quạt có trục cố định

8.6.1. Đặt thiết bị cố định góc lệch trục cho phong kế cánh quạt như đã nêu trong 7.1.3 và đặt phong kế cánh quạt thẳng hàng với vị trí thông thường (nằm ngang), trục của cánh quạt ở vị trí 0° (được đặt thẳng trực tiếp trong luồng không khí). Đặt vận tốc trong ống khí động ở mức 5 m.s^-1. Tín hiệu được đo ở các góc khác nhau từ 0° đến 360° nhưng phải bao gồm các khoảng gốc 10°, trừ góc 90° và 270°. Các phép đo bổ sung tại các góc 85°, 95°, 265° và 275° cũng cần thiết. Tín hiệu đo được ở mỗi góc tấn sẽ được chuyển sang một tỷ lệ bằng cách chia mỗi giá trị đo cho tích của kết quả đo dọc theo trục của ống khí động ở góc tấn 0° (dòng chảy dọc trục) với cosin của góc thử nghiệm. Xem phương trình (8).

8.6.2. Thêm vào đó, góc mất tốc (θs) của cánh quạt được đo bằng cách định hướng sao cho phong kế vuông góc với dòng không khí trong đường hầm, sau đó từ từ cho quay bên trong và bên ngoài luồng không khí cho đến khi cánh quạt bắt đầu quay liên tục. Góc mất tốc là tổng các góc chặn mà khi ở những góc này, cánh quạt không quay liên tục. Phương pháp này được lặp lại ở góc 270°.

8.6.3. Lặp lại quy trình ở 8.6.1 và 8.6.2 với vận tốc 10 m.s^-1. Lập bảng kết quả bằng cách tính trung bình các tỷ lệ cho mỗi vận tốc ở mỗi khoảng góc.

8.7. Phép thử chấp nhận

Các phần của phương pháp thử này có thể được thực hiện để đánh giá các đặc tính tính năng của một phong kế. Các kết quả này có thể được sử dụng cho các mục đích như xác định liệu các đặc tính này có thay đổi theo thời gian hay không. Những nội dung tối thiểu của một phép thử chấp nhận bao gồm việc xác định ngưỡng khởi động (U₀) theo 8.1 và việc tiến hành đo ở ít nhất là năm vận tốc khác nhau trên một phạm vi phù hợp cho mục đích ứng dụng, việc sử dụng các kỹ thuật được đưa ra để xác định hàm truyền ở 8.2. So sánh các kết quả, sử dụng vận tốc phong kế chỉ thị (Û) từ hàm truyền hiện có với vận tốc không khí đo được trong ống khí động (U).

9. Chất lượng của phương pháp thử

9.1. Yêu cầu chung

Việc xác định độ không đảm bảo đo trong phương pháp này phải phù hợp với TCVN 6910-1 (ISO 5725-1) và TCVN 6910-2 (ISO 5725-2).

...

...

...

Chất lượng đo của ống khí động sẽ hạn chế độ không đảm bảo đo trong phương pháp thử này. Nên sử dụng một ống khí động với độ không đảm bảo đo 0,2 m.s^-1 hoặc tốt hơn.

9.3. Độ lặp lại

9.3.1. Yêu cầu chung

Sử dụng thiết bị và quy trình này, ước tính độ lặp lại của phương pháp như sau:

9.3.2. Ngưỡng khởi động

Độ lặp lại của ngưỡng khởi động liên quan tới ống khí động sử dụng cho phương pháp này và độ chụm của kỹ thuật đo thời gian và khoảng cách cơ sở được sử dụng. Độ lặp lại của phương pháp này được ước lượng là 0,1 m.s^-1

9.3.3. Hằng số khoảng cách

Độ lặp lại được ước lượng bởi phương pháp này là 0,2 m hoặc tốt hơn.

9.3.4. Hàm truyền

...

...

...

9.3.5. Tỷ lệ phản ứng lệch trục

Độ lặp lại được ước lượng bởi phương pháp này là 0,02 m hoặc tốt hơn.

9.4. Độ không đảm bảo

9.4.1. Ngưỡng khởi động

Độ không đảm bảo đo của phương pháp này được ước lượng là không lớn hơn 0,2 m.s^-1. Các dữ liệu về phép đo thời gian và khoảng cách ở tốc độ dưới 2 m.s^-1 cũng được yêu cầu.

9.4.2. Hằng số khoảng cách

Độ không đảm bảo đo của phương pháp này được ước lượng không lớn hơn 0,3 m

9.4.3. Hàm truyền

Độ không đảm bảo đo của phương pháp này được ước lượng không lớn hơn 0,2 m.s^-1

...

...

...

Độ không đảm bảo đo của phương pháp này được ước lượng không lớn hơn 3 %.

PHỤ LỤC A

(quy định)

Những điều kiện tiêu chuẩn của ống khí động thử nghiệm

A.1. Ống khí động

A.1.1. Kích cỡ

A.1.1.1. Các vật rắn làm chặn gió trong khu vực ống khí động thử nghiệm bao gồm tiết diện mặt cắt ngang của cánh quay dạng cốc hay cánh quạt, bộ phận cảm biến và các thiết bị hỗ trợ. Mức độ chặn gió do việc thiết lập phong kế thử nghiệm gây ra là dưới 10 % đối với ống khí động có khu vực thử nghiệm mở và 5 % đối với ống khí động có khu vực thử nghiệm khép kín. Rất khó để đạt được mức độ chặn gió chỉ bằng hoặc nhỏ hơn 1 % diện tích mặt cắt của khu vực ống khí động thử nghiệm để giảm thiểu độ không đảm bảo đo.

A.1.1.2. Cần sử dụng hai ống khí động để có thể tiến hành những thử nghiệm hiệu chuẩn toàn thang đo và thử ngưỡng khởi động. Các ống khí động được thiết kế để vận tốc không khí cao hơn có thể có luồng không khí không đồng nhất ở khu vực thử nghiệm có tốc độ không khí thấp hơn

...

...

...

A.1.1.4. Kiểm định lại hàm truyền của phong kế bằng phương pháp thay thế. Trong ống khí động nhỏ hơn, ảnh hưởng của việc chặn gió có thể gây ra những sai số không được chấp nhận trong việc xác định hàm truyền, vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách thay chuẩn sao truyền chính ở vị trí của các thiết bị thử nghiệm để thiết lập mối quan hệ giữa vận tốc không khí trong ống khí động với số vòng quay trong một phút (r/min) của quạt gió trong hầm. Chuẩn sao truyền sau đó được thay thế bằng các thiết bị thử nghiệm và đầu ra được đo tương đối với vận tốc không khí trong ống khí động dựa trên r/min đã xác định của quạt gió. Máy đo gió truyền được cho chạy lại sau phong kế thử nghiệm để xác nhận việc hiệu chuẩn ống khí động đối với thử nghiệm hiệu chuẩn cụ thể. Vì phương pháp này đòi hỏi phải có chuẩn chuyển chính mà đã được hiệu chuẩn tại một phòng thí nghiệm quốc gia hoặc cơ sở hiệu chuẩn đã được công nhận, nên nó chỉ được áp dụng để thử nghiệm chế tạo hoặc thử nghiệm chấp nhận của các cảm biến giống hệt nhau.

A.1.1.5. Trong mọi trường hợp, cần hiểu rằng ảnh hưởng chặn gió do việc đặt phong kế trong khu vực ống khí động thử nghiệm gây ra có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm. Tuy nhiên, việc bù những ảnh hưởng này yêu cầu những phương pháp cụ thể mà không thuộc phạm vi của tiêu chuẩn này.

A.1.2. Dải vận tốc

Ống khí động phải có một bộ điều khiển vận tốc, cho phép điều chỉnh vận tốc dòng không khí từ 0 đến tối thiểu là 50 % dải vận tốc ứng dụng của phong kế được thử nghiệm. Bộ điều khiển vận tốc cần duy trì lưu lượng không khí trong khoảng ± 0,2 m.s^-1.

A.1.3. Hiệu chuẩn

Lưu lượng trung bình phải được kiểm định ở các mức vận tốc bắt buộc bằng cách sử dụng các chuẩn sao truyền mà đã được hiệu chuẩn tại phòng thí nghiệm quốc gia hoặc bằng một phương pháp vật lý cơ bản. Một phong kế cảm biến, ví dụ như phong kế dây nhiệt, phong kế la-ze Doppler hoặc các thiết bị cảm biến đo luồng không khí tương tự khác, phải được sử dụng để kiểm định tại vận tốc dưới 2 m.s^-1 khi xác định ngưỡng khởi động. Các kỹ thuật đo luồng không khí khác có thể sử dụng vài kỹ thuật khoảng cách và thời gian cơ sở, ví dụ như với khoảng cách đã biết, đo thời gian chuyển tiếp giữa hai thời điểm riêng biệt từ lúc phun khói đến khi xuất hiện các bong bóng xà phòng và đến lúc phun hơi nóng.

Nên lập một bảng về số vòng quay trong một phút (r/min) của máy quạt gió trong hầm hoặc một số chỉ số khác liên quan đến phương pháp điều chỉnh lưu lượng không khí bằng kỹ thuật này với vận tốc 2 m.s^-1 và nhỏ hơn ^[12][13].

A.1.4. Biên dạng vận tốc

Các ống khí động phải có biên dạng vận tốc tương đối phẳng. Các luồng không khí trong đường ống khí động phải đồng nhất trong khoảng ± 1 % và xuyên suốt trong khu vực thử nghiệm cánh quay dạng cốc hay cánh quạt của phong kế. Ở những mức vận tốc không khí lớn hơn 10 m.s^-1, các ống khí động phải có một mức cường độ nhiễu quanh trục thấp hơn 2 % như khi được đo ở vị trí thử nghiệm phong kế ^[3]. Cường độ nhiễu quanh trục tính bằng cách chia độ lệch chuẩn của vận tốc không khí trung bình trong ống khí động cho vận tốc không khí trung bình trong ống khí động. Các dòng không khí đồng nhất và cường độ nhiễu có thể được đo bằng phong kế dây nhiệt, phong kế la-ze Doppler hoặc các thiết bị cảm biến đo luồng không khí tương tự khác.

...

...

...

A.2.1. Chênh lệch trong mật độ không khí ở trong môi trường thử nghiệm mà lớn hơn 3 % có thể hạn chế sự so sánh tương quan giữa các phép đo độc lập ngưỡng khởi động (U₀) và hằng số khoảng cách (L_U) vì các giá trị này phụ thuộc vào mật độ không khí. ^[8] [9] [10] [13]

A.2.2. Ghi lại các thông số của môi trường trong ống khí động và mật độ không khí cho tất cả các lần thử. Mật độ không khí hoặc có thể được tính toán hoặc xác định bằng cách sử dụng các bảng giống như trong tài liệu tham khảo ^[11^].

A.2.3. Các phép đo với ống Pitot tĩnh đang được hiệu chính với các điều kiện tiêu chuẩn cho không khí khô ở nhiệt độ môi trường là 15 °C, áp suất không khí là 1013,250 hPa và một hệ số nén là 0,99958. Những điều kiện này tương ứng với mật độ không khí là 1,2250 kg/m^3 [11].

A.2.4. Áp suất không khí, nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối phải được đo trong khu vực ống khí động thử nghiệm để có thể tính toán mật độ không khí chính xác. Kích thước và vị trí của cảm biến nhiệt cần được lựa chọn cẩn thận để giảm thiểu ảnh hưởng lên các luồng không khí tại vị trí thử nghiệm phong kế.

Sai số 10 hPa trong kết quả đo áp suất không khí sẽ dẫn đến sai số khoảng 1 % trong tính toán mật độ không khí tại 1013,250 hPa. Những sai số trong đo nhiệt độ không khí thậm chí có ảnh hưởng lớn hơn đến việc tính toán mật độ không khí. Sai số 3 °C trong phép đo nhiệt độ không khí sẽ làm thay đổi kết quả tính mật độ không khí khoảng hơn 1 % ở 15 °C. Nhiệt độ không khí trong khu vực thử nghiệm ở ống khí động khép kín có thể tăng thêm 10 °C hoặc nhiều hơn trong suốt các thử nghiệm của phong kế. Một sai số trong phép đo nhiệt độ sẽ gây ra sai số lớn trong việc tính toán mật độ không khí và cũng gây ra một sai số tương ứng trong tính toán vận tốc không khí trong ống khí động khi phép đo vận tốc không khí được thực hiện bằng ống Pitot tĩnh hoặc hệ thống đo lường phụ thuộc vào mật độ. Vì vậy, việc đo chính xác nhiệt độ không khí trung bình trong khu vực thử nghiệm là rất quan trọng. Do có thể có sự phân tầng nhiệt độ trong khu vực thử nghiệm nên cần sử dụng nhiều cảm biến nhiệt trong luồng không khí để xác định chính xác nhiệt độ không khí trung bình ở khu vực thử nghiệm. Bảng A.1 tóm tắt ảnh hưởng của các sai số trong phép đo các thông số môi trường đến việc tính toán mật độ không khí.

Bảng A.1 - Ảnh hưởng của các sai số trong phép đo các thông số môi trường đến việc tính toán mật độ không khí

Thông số về môi trường

Sai lệch trong phép đo thông số

D mật độ không khí

...

...

...

Áp suất

1 hPa

0,10

Nhiệt độ

1 °C

0,34

Điểm tụ sương

1 °C

0,02

...

...

...

3,5 %

0,02

A.2.5. Dữ liệu cho tất cả các lần chạy thử nghiệm cần được ghi lại theo định dạng tương tự như những ví dụ ở Phụ lục B

PHỤ LỤC B

(tham khảo)

Các ví dụ định dạng cho việc ghi chép dữ liệu các lần thử nghiệm

Bảng B.1 - Ngưỡng khởi động (U₀) - Các kết quả đo trong ống khí động (trong 8.1)

...

...

...

1

2

3

4

5

6

7

8

9

...

...

...

Nhiệt độ (°C)

...

...

...

Điểm tụ sương (°C) Hoặc:

Độ ẩm tương đối (%)

...

...

...

...

...

...

Áp suất khí quyển (hPa)

...

...

...

Mật độ không khí (kg.m^-3)

...

...

...

Vận tốc không khí trong ống khí động U, tại ngưỡng (m.s^-1)

...

...

...

Ngưỡng khởi động trung bình cho mười phép thử Ū₀ =       m.s^-1

Bảng B.2 - Hàm truyền (trong 8.2)

Các phép đo trên dải vận tốc không khí ứng dụng của phong kế

...

...

...

Lần thử

1

2

3

4

5

6

7

...

...

...

9

10

11

12

13

14

15

Nhiệt độ (°C)

...

...

...

...

...

...

Điểm tụ sương (°C)

Hoặc:

Độ ẩm tương đối (%)

...

...

...

...

...

...

...

...

...

Áp suất khí quyển (hPa)

...

...

...

...

...

...

Mật độ không khí (kg.m^-3)

...

...

...

Vận tốc không khí trong ống khí động, U, (m.s^-1)

...

...

...

...

...

...

Tốc độ quay R (r.s^-1)

...

...

...

...

...

...

Giá trị a và b tính được (trong 8.2.4)

a = m.s^-1

b = m.r^-1

Dự đoán Û(m.s^-1) (trong 8.2.5)

...

...

...

...

...

...

...

...

...

Bảng B.3 - Hằng số khoảng cách (L₅) - Các kết quả đo trong ống khí động ở vận tốc 5 m.s^-1 (trong 8.3)

Lần thử

1

...

...

...

3

4

5

6

7

8

9

10

Nhiệt độ (°C)

...

...

...

...

...

...

Độ ẩm tương đối (%)

...

...

...

...

...

...

Áp suất khí quyển (hPa)

...

...

...

Mật độ không khí (kg.m^-3)

...

...

...

Vận tốc cân bằng cuối cùng của phong kế U_f (m.s^-1)

...

...

...

Thời gian t_i ở 0,30 của vận tốc cân bằng U_f(s)

...

...

...

Thời gian t_f ở 0,74 của vận tốc cân bằng U_f(s)

...

...

...

Thời gian phản hồi т (s) t = t_f - t_i

...

...

...

Vận tốc không khí thực trong ống khí động, U(m.s^-1)

...

...

...

Hằng số khoảng cách tính được, L₅(m), L₅ = Uт

...

...

...

...

...

...

= m

Bảng B.4 - Hằng số khoảng cách (L₁₀) - Các kết quả đo trong ống khí động ở vận tốc 5 m.s^-1 (trong 8.3)

Lần thử

1

2

3

4

5

...

...

...

7

8

9

10

Nhiệt độ (°C)

...

...

...

Điểm tụ sương (°C) Hoặc:

Độ ẩm tương đối (%)

...

...

...

...

...

...

Áp suất khí quyển (hPa)

...

...

...

Mật độ không khí (kg.m^-3)

...

...

...

...

...

...

...

...

...

Thời gian t_f ở 0,30 của vận tốc cân bằng U_f(s)

...

...

...

Thời gian t_f ở 0,74 của vận tốc cân bằng U_f(s)

...

...

...

Thời gian phản hồi т(s) t = t_f - t_i

...

...

...

Vận tốc thực của không khí trong ống khí động U (m.s^-1)

...

...

...

Khoảng cách cố định tính được L₁₀(m) L₁₀ = U t

...

...

...

Khoảng cách cố định trung bình ở 10 m.s^-1

= m

Khoảng cách cố định L = ( + )/2 = m

Bảng B.5 - Tỷ lệ phản ứng ngoại trục (Q₅) ở vận tốc 5 m.s^-1 (trong 8.4.1 hoặc 8.5.1)

...

...

...

Góc tấn θ

0°

5°

10°

15°

20°

25°

30°

0°

...

...

...

-10°

-15°

-20°

-25°

-30°

Nhiệt độ (°C)

...

...

...

...

...

...

Điểm tụ sương (°C)

...

...

...

Độ ẩm tương đối (%)

...

...

...

...

...

...

Khí áp (hPa)

...

...

...

Mật độ không khí (kg.m^-3)

...

...

...

...

...

...

Vận tốc thực của không khí trong ống khí động U (m.s^-1)

...

...

...

Vận tốc gió được ước tính U_θ ở góc θ (m.s^-1)

...

...

...

...

...

...

Tỷ lệ phản ứng ngoại trục ở vận tốc 5 m.s^-1
Q₅ = U_θ/(U_icosθ)

...

...

...

Bảng B.6 - Tỷ lệ phản ứng ngoại trục (Q₁₀) ở vận tốc 10m.s^-1 (trong 8.4.2 hoặc 8.5.2)

Góc tấn θ

0°

...

...

...

10^o

15°

20°

25°

30°

0°

-5°

-10°

-15°

...

...

...

-25°

-30°

Nhiệt độ (°C)

...

...

...

Điểm tụ sương (°C)

...

...

...

...

...

...

Độ ẩm tương đối (%)

...

...

...

Khí áp (hPa)

...

...

...

...

...

...

Mật độ không khí (kg.m ^-3)

...

...

...

Vận tốc thực của không khí trong ống khí động U (m.s^-1)

...

...

...

...

...

...

Vận tốc gió được ước tính Ui ở góc θ (m.s^-1)

...

...

...

Tỷ lệ phản ứng ngoại trục ở vận tốc 10 m.s^-1
Q₁₀ = U_i/(U_θ=0cosθ)

...

...

...

...

...

...

Tỷ lệ phản ứng ngoại trục trung bình  (trong 8.4.2 hoặc 8.5.2)
 =(Q₅+Q₁₀)/2

...

...

...

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

...

...

...

[2] VDI 3786 Part 2, Environmental meteorology, Meteorological measurements concerning questions of air pollution - Wind. Verein Deutscher Ingenieure, December 2000

[3] MEASNET. Cup Anemometer Calibration Procedures. Version 1, September 1997

[4] SCHUBAUER, G.B. and ADAMS, G.H. Lag of Anemometers. Report No. 3245, National Bureau of Standards, 1954

[5] MACCREADY, P.B. JR. and JEX, H.R. Response Characteristics and Meteorological Utilization of Propeller and Vane Wind Sensors.Journal of Applied Meteorology, 3(2), 1964, pp. 182-193

[6] BAYNTON, H.W. Errors in Wind Run Estimates from Rotational Anemometers. Bulletin of the American Meteorological Society, 57(9), 1976, pp. 1127-1130

[7] BARLOW, J. B., RAE, W.H. and HARPER, J.J. Low-Speed Wind Tunnel Testing. Third Edition, John Wiley & Sons, 1999, pp. 328-427

[8] SCHUBAUER, G.B. and MASON, M.A. Performance Characteristics of a Water Current Meter in Water and in Air. Journal of Research of National Bureau of Standards, 18,1937, pp. 351-360

[9] RHYNE, R.H. and GREENE, G.c. Aerodynamic Tests of Propeller and Cup Anemometers at Simulated Mars Surface Pressures.Langley Working Paper LWP-742, Langley Research Center. N.A.S.A., 1969

[10] OWER, E. and PANKHURST, R.C. The Measurement of Air Flow. Fourth Edition, Pergamon Press, 1966, pp. 220-225

...

...

...

[12] LOCKHART, T.J. Relative Accuracy of Wind Tunnel Calibration Speeds. American Meteorological Society 7^th Symposium on Observations And Measurements Preprints, New Orleans, Louisiana, USA, 1991

[13] MEASE, N.E., CLEVELAND, W.G. JR., MATTINGLY, G.E. and HALL, J.M. Air Speed Calibrations at the National Institute of Standards and Technology, Proceedings of the 1992 Measurement Science Conference. Anaheim, California USA

[14] BROCK, F.V. and RICHARDSON, S.J. Meteorological Measurement Systems. Oxford University Press, New York, 2001, 290 pp.

[15] DEFELICE, T.P. An Introduction to Meteorological Instrumentation and Measurement. Prentice Hall, Upper Sadle River, 1998, 229 pp.