Ilmavirran ultraäänimittaus suorakulmaisessa säätöpellissä
Yli-Olli, Juhani (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021090745475
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021090745475
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää, millä edellytyksin ultraääneen perustuva ilmavirran mittaus soveltuu suorakulmaiseen ilmastointikanavaan. Pyöreässä kanavassa mittaustapa on saatu toimimaan hyvin. Lisäksi tavoitteena oli löytää toimiva rakenne suorakulmaiselle VAV-säätöpellille, joka koostuu säätöpellistä ja ultraäänianturista.
Ilmastointikanavan kooksi valittiin mittauksen kannalta mahdollisimman epäedullinen koko. Häiriölähteeksi valittiin 90˚ kanavakäyrä, joka sijoitettiin ennen anturia ja säätöpeltiä. Virtausta simuloitiin eri virtausnopeuksilla ja säätöpellin asennoilla, jotta löydettäisiin rauhallinen mittauskohta kanavasta. Ultraäänimittausta testattiin eri kohdista kanavaa vaihdellen häiriön suuntaa, suojaetäisyyttä häiriölähteeseen sekä anturin ja säätöpellin järjestystä. Lisäksi testattiin useamman anturin käyttöä ja virtauksen tasaimia. Tuloksia verrattiin ennalta määriteltyihin tarkkuusvaatimuksiin.
Simulointien perusteella löytyi rauhallisia mittauskohtia, jotka kuitenkin käytännön mittauksissa osoittautuivat häiriöisiksi. Mittausta häiritsivät turbulenttinen virtaus ja suurella kuristuksella kanaviston tärinä. Mittaus toimi melko hyvin virtauksen suunnassa ennen säätöpeltiä. Kuitenkin häiriön suunta vaikutti anturin tarkkuuteen. Tuotteistuksen kannalta parempi mittauspaikka olisi säätöpellin jälkeen, jotta kanaviston rakenne voitaisiin eliminoida. Mittaus oli kuitenkin häiriöinen lähellä säätöpeltiä, mutta toimi paremmin kauempana kanavassa. Tämä johtaisi tuotteen jakamiseen säätö- ja mittausosaan, mikä ei olisi toivottu tulos. Jotta tuotteesta saataisiin kompaktin kokoinen, testattiin virtauksen tasaimia säätöpellin ja anturin välissä. Tulokset vaikuttivat lupaavilta. Optimaalista tasaimen silmäkokoa tulisi hakea jatkotutkimuksissa. Useamman anturin käyttö osastoimalla kanava tuotti myös hyviä tuloksia.
Näiden kahden tuloksen pohjalta kannattaisi tehdä jatkotutkimuksia oikean rakenteen löytämiseksi. Lisäksi pitäisi tutkia muita kanavakokoja, joissa sivujen pituudet ovat lähempänä toisiaan. Mahdollisesti tasaimia ja useampaa anturia joudutaan käyttämään vain hankalimmissa kanavakoissa. The aim of this thesis was to find out the conditions under which ultrasonic airflow measurement is suitable for a rectangular air conditioning duct. In the round duct, the measurement method works well. In addition, the aim was to find a functional structure for a rectangular VAV-damper consisting of a damper and an ultrasonic sensor.
The size of the air duct was chosen to be as unfavorable as possible from the measurement point of view. A 90˚ duct curve was chosen as the source of interference, which was placed before the sensor and the damper. The flow was simulated at different flow rates and damper positions to find a stable measurement point in the channel. Ultrasonic measurement was tested at different points in the duct, varying the direction of the interference, the protective distance to the source of interference and the order of the sensor and damper. In addition, the use of multiple sensors and flow equalizers were tested. The results were compared to predefined accuracy requirements.
Based on the simulations, stable measurement points were found, which, however, proved to be disturbing in practical measurements. The measurement was disturbed by turbulent flow and, at high throttle, duct vibration. The measurement worked quite well in the direction of flow before the damper. However, the direction of the interference affected the accuracy of the sensor. From the point of view of productization, a better measuring point would be after the damper in order to eliminate the structure of the ductwork. However, the measurement was disturbed near the damper, but worked better farther into the duct. This would lead to the division of the product into a control and measuring part, which would not be the desired result. To make the product compact, a flow equalizer was tested between the damper and the sensor. The results seemed promising. The optimal equalizer mesh size should be sought in further studies. The use of multiple sensors by partitioning the channel also produced good results.
Based on these two results, further research would be worthwhile to find the right structure. In addition, other channel sizes where the duct side lengths are closer together should be explored. Possibly equalizers and more sensors will have to be used only in the most difficult ducts sizes.
Ilmastointikanavan kooksi valittiin mittauksen kannalta mahdollisimman epäedullinen koko. Häiriölähteeksi valittiin 90˚ kanavakäyrä, joka sijoitettiin ennen anturia ja säätöpeltiä. Virtausta simuloitiin eri virtausnopeuksilla ja säätöpellin asennoilla, jotta löydettäisiin rauhallinen mittauskohta kanavasta. Ultraäänimittausta testattiin eri kohdista kanavaa vaihdellen häiriön suuntaa, suojaetäisyyttä häiriölähteeseen sekä anturin ja säätöpellin järjestystä. Lisäksi testattiin useamman anturin käyttöä ja virtauksen tasaimia. Tuloksia verrattiin ennalta määriteltyihin tarkkuusvaatimuksiin.
Simulointien perusteella löytyi rauhallisia mittauskohtia, jotka kuitenkin käytännön mittauksissa osoittautuivat häiriöisiksi. Mittausta häiritsivät turbulenttinen virtaus ja suurella kuristuksella kanaviston tärinä. Mittaus toimi melko hyvin virtauksen suunnassa ennen säätöpeltiä. Kuitenkin häiriön suunta vaikutti anturin tarkkuuteen. Tuotteistuksen kannalta parempi mittauspaikka olisi säätöpellin jälkeen, jotta kanaviston rakenne voitaisiin eliminoida. Mittaus oli kuitenkin häiriöinen lähellä säätöpeltiä, mutta toimi paremmin kauempana kanavassa. Tämä johtaisi tuotteen jakamiseen säätö- ja mittausosaan, mikä ei olisi toivottu tulos. Jotta tuotteesta saataisiin kompaktin kokoinen, testattiin virtauksen tasaimia säätöpellin ja anturin välissä. Tulokset vaikuttivat lupaavilta. Optimaalista tasaimen silmäkokoa tulisi hakea jatkotutkimuksissa. Useamman anturin käyttö osastoimalla kanava tuotti myös hyviä tuloksia.
Näiden kahden tuloksen pohjalta kannattaisi tehdä jatkotutkimuksia oikean rakenteen löytämiseksi. Lisäksi pitäisi tutkia muita kanavakokoja, joissa sivujen pituudet ovat lähempänä toisiaan. Mahdollisesti tasaimia ja useampaa anturia joudutaan käyttämään vain hankalimmissa kanavakoissa.
The size of the air duct was chosen to be as unfavorable as possible from the measurement point of view. A 90˚ duct curve was chosen as the source of interference, which was placed before the sensor and the damper. The flow was simulated at different flow rates and damper positions to find a stable measurement point in the channel. Ultrasonic measurement was tested at different points in the duct, varying the direction of the interference, the protective distance to the source of interference and the order of the sensor and damper. In addition, the use of multiple sensors and flow equalizers were tested. The results were compared to predefined accuracy requirements.
Based on the simulations, stable measurement points were found, which, however, proved to be disturbing in practical measurements. The measurement was disturbed by turbulent flow and, at high throttle, duct vibration. The measurement worked quite well in the direction of flow before the damper. However, the direction of the interference affected the accuracy of the sensor. From the point of view of productization, a better measuring point would be after the damper in order to eliminate the structure of the ductwork. However, the measurement was disturbed near the damper, but worked better farther into the duct. This would lead to the division of the product into a control and measuring part, which would not be the desired result. To make the product compact, a flow equalizer was tested between the damper and the sensor. The results seemed promising. The optimal equalizer mesh size should be sought in further studies. The use of multiple sensors by partitioning the channel also produced good results.
Based on these two results, further research would be worthwhile to find the right structure. In addition, other channel sizes where the duct side lengths are closer together should be explored. Possibly equalizers and more sensors will have to be used only in the most difficult ducts sizes.