Laboratorium Techniki PIV zlokalizowane jest w pomieszczeniu C-314. Głównym obszarem zainteresowań badań prowadzonych w tym laboratorium jest przeprowadzanie eksperymentów walidacyjnych modeli matematycznych opisujących przepływ ciepła i płynów oraz wyznaczanie właściwości fizycznych płynów z wykorzystaniem obrazowych technik pomiarowych.

Stanowiska badawcze

Stanowisko do wyznaczania krzywych sorpcji i efektywnego współczynnika dyfuzji wody

Stanowisko to zostało zbudowane aby wyznaczyć izotermy sorpcji oraz efektywny współczynnik dyfuzji wody w papierze. Krzywa sorpcji jest to krzywa równowagi pomiędzy wodą zabsorbowaną przez ośrodek porowaty, a otaczającym ten ośrodek powietrzem. Dla zadanych parametrów powietrza tj. ciśnienia, temperatury i wilgotności pozwala ona na określenie równowagowej zawartości wilgoci w ośrodku porowatym. Efektywny współczynnik dyfuzji wody w ośrodku porowatym jest zastępczym współczynnikiem opisującym transport wody w ośrodku porowatym bez względu na to czy jest ona w postaci związanej na powierzchni ciała porowatego, czy jest w postaci ciekłej czy też parowej. Obie wielkości są szeroko wykorzystywane w analizie i projektowaniu procesów suszenia. Obie wielkości wyznacza się w oparciu o zarejestrowane na zbudowanym stanowisku tzw. krzywe sorpcji, czyli krzywe pokazujące zmiany masy początkowo suchej próbki umieszczonej w powietrzu o określonych parametrach tj. temperatury, ciśnienia i wilgotności. Badaną próbkę umieszcza się w eksykatorze zawierającym nasycony roztwór soli, który w stałej temperaturze wymusza stałą określoną wilgotność powietrza. Temperatura powietrza wewnątrz eksykatora utrzymywana jest w zadanej tolerancji za pomocą regulatora sterującego włączaniem i wyłączaniem grzejnych lamp halogenowych, w oparciu o sygnał temperaturowy z czujnika PT100 umieszczonego wewnątrz eksykatora. W skład stanowiska wchodzą (zdjęcie i schemat poniżej):

  • precyzyjna waga analityczna Sartorius CP224S-OCE o dokładności 0,1 mg
  • eksykator z próbką, wypełniony roztworem nasyconym soli (w eksperymentach wykorzystuje się roztwory KCl, NaCl, MgCl2, LiCl, NaBr - zapewniające wilgotność powietrza w zakresie 0,1-0,8)
  • zbiornik szklany izolujący eksykator od wpływu warunków otoczenia
  • halogenowe lampy grzejne
  • regulator temperatury
  • sonda PT100
  • komputer do akwizycji danych
  • masa próbki rejestrowana przez wagę jest przesyłana do pamięci komputera poprzez interfejs szeregowy wagi i zapisywana na dysku z częstotliwością kilku próbek na sekundę
  • akwizycja danych jest realizowana za pomocą programu napisanego w środowisku LabView

 

 

 

Stanowisko pomiarowe do rejestracji krzywych sorpcji.

schemat stanowiska - sorpcja

Schemat stanowiska pomiarowego do rejestracji krzywych sorpcji.

 

krzywa sorpcji dla KCl, 30 st. C

Krzywa sorpcji wody w papierze, roztwór KCl, temperatura powietrza 30oC, wilgotność powietrza 84 %.

 efektywny wspolczynnik dyfuzji wody w papierze'

Efektywny współczynnik dyfuzji wody w papierze wyznaczony tzw. metodą nachylenia krzywych sorpcji w funkcji temperatury i wilgotności papieru.

 

Po ukończeniu badań dla papieru wykorzystywanego w produkcji przepustów elektrycznych stanowisko zostało zdemontowane, jednak jego prostota pozwala na bardzo szybki montaż i uruchomienie.

Stanowisko do pomiaru własności reologicznych cieczy

Głównym elementem stanowiska jest wysokiej klasy reometr AR2000ex firmy TA Instruments pracujący w trybie kontrolowanego naprężenia (Controled Stress - CS) i w trybie kontrolowanego odkształcenia z regulowaną szybkością ścinania (Controled Rate - CR), pozwalającego  na charakterystykę reologiczną cieczy w zakresie:

  • analizy płynięcia (analiza wiskozymetryczna)
  • analiza pełzaniowa wraz z powrotem pełzaniowym
  • analiza oscylacyjna
  • analiza relaksacji naprężeń
  • pomiar siły normalnej
  • pomiar napięcia powierzchniowego (reologia powierzchni cieczy)

Napęd urządzenia stanowi precyzyjny silnik kubkowy z łożyskiem powietrznym wykonanym z węgla porowatego o bardzo niskim momencie bezwładności na poziomie 15 uNms2. Badana próbka w geometrii stożek-płytka i płytka-płytka jest termostatowana za pomocą płytki Peltier’a. Łożysko powietrzne zasilane jest suchym powietrzem za pomocą wyciszonej sprężarki. Podstawowe parametry systemu pomiarowego:

  • zakres momentu obrotowego 0,03 uNm - 200 mNm
  • zakres prędkości obrotowej 0 - 300 rad/s
  • rozdzielczość pomiarowa momentu obrotowego 1nNm
  • rozdzielczość pomiarowa odkształcenia kontowego 40 nrad
  • zakres częstotliwości oscylacji 1,2 10-7 - 100 Hz
  • zakres pomiaru sił normalnych 0,005 - 50 N
  • termostatowanie próbek w zakresie -40 - 200oC

 

Reometr wraz z jednostką sterującą.

 

 Laboratorium dysponuje kilkoma geometriami pomiarowymi, pozwalającymi na pomiar własności reologicznych cieczy o bardzo szerokim zakresie lepkości:

  • stożek 40 mm, 2o, wykonany ze stali nierdzewnej, moment bezwładności 7.3 uNms2 (zdjęcie poniżej),
  • stożek 40 mm, 1o, wykonany z anodyzowanego aluminium, moment bezwładności 2,5 uNms2 (zdjęcie poniżej),
  • stożek 60 mm, 1o, wykonany z anodyzowanego aluminium, moment bezwładności 7,3 uNms2 (zdjęcie poniżej),
  • pierścień DuNouy do pomiaru własności reologicznych powierzchni rozdziału faz w tym napięcia powierzchniowego (zdjęcie obok).
geometria pomiarowa 

 

geometria pomiarowa

 

Poniżej przedstawiono kilka wybranych wyników pomiarów, prezentujących możliwości urządzenia.

 

 lepkosc wody

Lepkość wody w funkcji temperatury, wyniki porównane z danymi tablicowymi, układ pomiarowy: stożek 40 mm, 2o - stal nierdzewna.

 

 

liquid viscosity

 Ciecz analogowa o silnie nieniutonowskich własnościach, układ pomiarowy: stożek 40 mm, 1o - aluminium anodyzowane.

 

epoxy resin

Zależność lepkości od temperatury dla żywicy epoksydowej, układ pomiariwy: stożek 40 mm, 2o - stal nierdzewna.

Stanowisko do wizualizacji przepływu z powierzchnią swobodną

Stanowisko to docelowo ma pozwolić na realizację i rejestrację eksperymentu zalewania transformatora elektrycznego analogiem żywicy epoksydowej o zmierzonych właściwościach fizycznych. Podczas eksperymentu mierzone będą niektóre wielkości związane z kształtem powierzchni swobodnej oraz prędkość cieczy na powierzchni swobodnej, otrzymane dane eksperymentalne mają posłużyć do walidacji modeli matematycznych przepływów z powierzchnią swobodną. Głównymi elementami stanowiska są:

  • model formy transformatora średniej mocy (przekładnika napięciowego)
  • układ zasilania formy sterowany za pomocą zaworu pneumatycznego
  • układ sterowania zaworem
  • system oświetlaczy diodowych
  • szybka monochromatyczna kamera CMOS, CamRecord 600 firmy Optronis
  • monochromatyczna kamera do widzenia maszynowego - Pulnix TM-6740
  • komputer do akwizycji danych
  • środowisko programistyczne LabView do sterowania układem

Parametry kamery Optronis CamRecord 600:

  • rozdzielczość sygnału wyjściowego 10bit
  • rozdzielczość matrycy CMOS 1280x1024
  • prędkość rejestracji przy maksymalnej rozdzielczości 500 kl/s
  • prędkość rejestracji przy zmniejszonym obszarze obserwacji do 100000 kl/s
  • pamięć wewnętrzna 4 GB
  • tryb PIV - rejestracja dwóch klatek w bardzo krótkiej odstępie 200 ns
  • interfejs zewnętrzny - Gigabit Ethernet

Parametry kamery Pulnix TM-6740:

  • rozdzielczość sygnału wyjściowego 8bit
  • rozdzielczość matrycy CCD 640x480
  • prędkość rejestracji przy maksymalnej rozdzielczości 200 kl/s
  • prędkość rejestracji przy zmniejszonym obszarze obserwacji do 1250 kl/s
  • interfejs zewnętrzny - Camera Link
  • karta do akwizycji obrazu - NI PCI-1428 wyposażona w 16 MB wewnętrznej pamięci SDRAM