Wzorcujące tunele aerodynamiczne dla anemometrów: ISO 17025 i MEASNET

Większość tuneli aerodynamicznych to obiekty badawcze: model jest badanym przedmiotem, a tunel środowiskiem. Tunel wzorcujący odwraca tę relację. Tutaj to tunel jest przyrządem, a obiekt w strumieniu jest oceniany względem niego.

To odwrócenie ról zmienia wszystko w sposobie specyfikacji obiektu. Nikt nie oczekuje od tunelu wzorcującego imponującej prędkości czy ogromnego odcinka pomiarowego. Oczekuje się od niego referencyjnej prędkości wiatru, którą można obronić, wraz z budżetem niepewności, przed jednostką akredytującą.

1. Czego w rzeczywistości wymagają normy

W sektorze energetyki wiatrowej — będącym największym pojedynczym motorem popytu na wzorcowanie anemometrów — obowiązującymi dokumentami są norma IEC 61400-12-1 oraz MEASNET Anemometer Calibration Procedure (Procedura Wzorcowania Anemometrów MEASNET). Obecna Wersja 3 (grudzień 2020 r.) stosuje Załącznik F do normy IEC 61400-12-1, Wydanie 2 (2017); wcześniejsze wersje procedury opierały się na wydaniu z 2005 r., dlatego przed zadeklarowaniem zgodności warto potwierdzić, do której rewizji faktycznie odwołuje się dane laboratorium lub klient.

W centrum uwagi znajdują się dwa wymagania dotyczące jakości przepływu:

Intensywność turbulencji osiowej poniżej 2% w miejscu umieszczenia anemometru.
Jednorodność przepływu na poziomie 0,2% na obszarze zajmowanym przez anemometr.

Oprócz tego oczekuje się, że samo laboratorium będzie działać zgodnie z akredytacją ISO/IEC 17025 dla odpowiednich wielkości mierzonych, przy czym krajowa akredytacja (np. DAkkS w Niemczech) i członkostwo w MEASNET stanowią drogę do uznawanych wzorcowań. Porównywalność jest weryfikowana poprzez badania biegłości typu round robin pomiędzy instytutami, gdzie wymagana jest średnia wartość zgodności na poziomie 1% lub lepszym.

Zwróć uwagę na charakter tych liczb: są one rygorystyczne, ale nie są to wartości turbulencji poniżej 0,1% podawane dla badań aerodynamicznych o niskiej turbulencji. Tunel wzorcujący jest zoptymalizowany pod kątem stabilności i spójności pomiarowej, a nie najniższej możliwej do osiągnięcia turbulencji.

2. Dlaczego te liczby są trudniejsze do osiągnięcia, niż się wydaje

Przyrząd blokuje własne odniesienie. Anemometr czaszowy w małym odcinku pomiarowym nie jest pomijalną przeszkodą. Rozmiar odcinka pomiarowego musi być dobrany tak, aby efekt zablokowania mieścił się w granicach procedury dla przyrządów, które zamierzasz wzorcować — dlatego podejście „po prostu użyjemy małego tunelu” kończy się niepowodzeniem już podczas pierwszego przeglądu akredytacyjnego.

Prędkość referencyjna musi posiadać spójność pomiarową. Prędkość jest wielkością wyliczaną, a nie obserwowaną: na podstawie różnicy ciśnień, gęstości powietrza, a co za tym idzie — z wywzorcowanej aparatury pomiarowej ciśnienia, temperatury i wilgotności, z których każda ma własny łańcuch spójności pomiarowej i wkład w budżet niepewności.

Stabilność ma większe znaczenie niż zakres. Punkty wzorcowania zazwyczaj znajdują się w umiarkowanym paśmie prędkości, a każdy punkt musi być utrzymywany stabilnie wystarczająco długo, aby umożliwić uśrednienie. Precyzyjna, powtarzalna kontrola prędkości w dolnym zakresie to trudniejszy problem inżynieryjny niż wysoka prędkość maksymalna.

Jednorodność przepływu jest mierzona, a nie zakładana. Wartość 0,2% dotyczy całego obszaru zajmowanego przez anemometr, co oznacza, że odcinek pomiarowy musi zostać zmapowany, a to mapowanie musi być utrzymywane.

Budynek jest częścią niepewności. Stabilność temperatury w laboratorium, pomiary barometryczne, a nawet ruch personelu wpływają na wyniki na tym poziomie dokładności.

3. Konsekwencje projektowe

Tunel wzorcujący to niewielka maszyna zbudowana z tolerancjami klasy przyrządowej:

Wysoki stopień kontrakcji z prostownikiem strugi typu „plaster miodu” (honeycomb) i wieloma siatkami kondycjonującymi, zwymiarowanymi tak, aby zapewnić wymaganą intensywność turbulencji i jednorodność przepływu w płaszczyźnie pomiarowej.
Odcinek pomiarowy zwymiarowany pod kątem zgodności blokady z daną rodziną przyrządów, a nie dla największego wyobrażalnego czujnika.
Zdefiniowane, powtarzalne mocowanie dla badanego urządzenia, o stałej geometrii względem sondy referencyjnej.
Zintegrowana aparatura pomiarowa referencyjna — ciśnienie, temperatura, wilgotność — z interwałami wzorcowania i spójnością pomiarową zaplanowanymi od samego początku.
Napęd i system sterowania dostrojone pod kątem stabilności przy niskich prędkościach, w tym czasu, w jakim tunel stabilizuje się po zmianie wartości zadanej.
Kontrola warunków środowiskowych w pomieszczeniu , a nie tylko samego przepływu.
Automatyka i przetwarzanie danych , które generują świadectwo z deklaracją niepewności, ponieważ przepustowość decyduje o tym, czy laboratorium jest biznesem, czy tylko hobby.

4. Uzasadnienie biznesowe

Liczba wyszukiwań dla tego tematu jest niewielka; jednak intencja zakupowa jest niemal absolutna. Deweloperzy farm wiatrowych, niezależne instytuty pomiarowe i producenci OEM turbin potrzebują wywzorcowanych anemometrów, ponowne wzorcowanie jest okresowe, a nie jednorazowe, a akredytacja tworzy pozycję nie do podważenia: akredytowane laboratorium w regionie, w którym go brakuje, przejmuje zlecenia, które obecnie wędrują za granicę.

Ten sam obiekt zazwyczaj obsługuje szerszą populację czujników niż tylko anemometry czaszowe — anemometry ultradźwiękowe, rurki Pitota, czujniki przepływu, aparaturę pomiarową HVAC i procesową — pod warunkiem, że odcinek pomiarowy, koncepcja mocowania i budżet niepewności zostały zaprojektowane z myślą o takim zastosowaniu.

5. Co należy określić podczas zakupu

Akredytację, którą zamierzasz uzyskać , oraz procedury, które musisz spełnić. To determinuje całą specyfikację i nie może zostać dodane później.
Rodziny przyrządów do wzorcowania wraz z ich wymiarami — to określa rozmiar odcinka pomiarowego poprzez limity blokady.
Zakres prędkości i wymaganą stabilność , w tym czas stabilizacji dla każdego punktu.
Docelowy budżet niepewności , rozbity na poszczególne składowe.
Przepustowość , która determinuje automatykę, projekt mocowania oraz to, jak duża część procesu jest wykonywana ręcznie.
Plan badań biegłości (round robin) , ponieważ to porównywalność z innymi instytutami sprawia, że Twoje świadectwa są warte wydawania.

6. Częste błędy

Kupowanie tunelu ogólnego przeznaczenia z nadzieją na jego akredytację. Jakość przepływu w jednym punkcie jest osiągalna; udokumentowana jednorodność przepływu na całym obszarze przyrządu, wraz ze spójnością pomiarową, to decyzja projektowa.
Traktowanie niepewności jako zadania do wykonania po pomiarach (post-processing). Jest to wymóg architektoniczny.
Zbyt mały odcinek pomiarowy. Limity blokady nie wybaczają błędów, a powiększenie gotowego odcinka pomiarowego to nie modyfikacja, to budowa nowego tunelu.
Ignorowanie środowiska laboratoryjnego. Doskonały przepływ w niestabilnym pomieszczeniu daje niestabilne wyniki.
Planowanie wyłącznie pod kątem anemometrów czaszowych. Zestaw czujników ulega zmianie; tunel aerodynamiczny — nie.

7. Specyfikowanie z pewnością

Tunel wzorcujący to mała, precyzyjna, nudna maszyna, która zarabia pieniądze przez dziesięciolecia — pod warunkiem, że jej specyfikacja zaczyna się od akredytacji i jest opracowywana wstecz.

Projektujemy i budujemy tunele wzorcujące oraz tunele o niskiej turbulencji dokładnie w oparciu o tę logikę: najpierw wymagana niepewność, potem jakość przepływu, następnie geometria, a na końcu napęd. Powiązane lektury:

improving flow quality

oraz nasze

comparison of wind tunnel types

Powiedz nam, jaka akredytacja i jakie przyrządy Cię interesują , a my przedstawimy koncepcję odcinka pomiarowego, docelową jakość przepływu oraz strukturę niepewności, na której będziemy bazować.

Źródła i uwagi

MEASNET Anemometer Calibration Procedure, Wersja 3 (grudzień 2020 r.), która stwierdza, że stosuje Załącznik F do normy IEC 61400-12-1 Wydanie 2 (2017), podczas gdy wcześniejsze wersje procedury (V1 1997, V2 2009) były powiązane z wydaniem z 2005 r.: MEASNET Anemometer Calibration Procedure.
Intensywność turbulencji osiowej poniżej 2% w miejscu umieszczenia anemometru oraz jednorodność przepływu na poziomie 0,2% na obszarze zajmowanym przez anemometr odzwierciedlają wartości stosowane w praktyce wzorcowania w energetyce wiatrowej; sama obecna procedura MEASNET odsyła czytelnika do tekstu normy IEC 61400-12-1 Wydanie 2:2017 w celu zapoznania się z dokładnymi klauzulami, która jest płatnym dokumentem i nie została tutaj powielona. Przed wpisaniem obecnych limitów liczbowych do specyfikacji należy je potwierdzić z tekstem tej normy.
Akredytacja ISO/IEC 17025 oraz członkostwo w MEASNET jako podstawa uznawanych wzorcowań: Ammonit wind tunnel, DIN EN ISO/IEC 17025 and MEASNET, IDR-UPM anemometer calibration laboratory.
Wytyczne projektowe (wymiarowanie odcinka pomiarowego pod kątem blokady, aparatura pomiarowa referencyjna, stabilność przy niskich prędkościach, automatyka) stanowią praktykę inżynieryjną firmy TunnelTech.

Wzorcujące tunele aerodynamiczne: Spełnienie wymagań norm ISO/IEC 17025, IEC 61400-12-1 i MEASNET