Experimentální studium proudových polí prohozu vzduchového tkacího stroje

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Disertační práce

Experimentální studium proudových polí prohozu vzduchového tkacího stroje

metodami laserové anemometrie

Vypracoval: Ing. Michal Kotek

Školitel: Prof. Ing. Václav Kopecký CSc.

2010

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou disertační práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména §60 - školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé disertační práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li disertační práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Disertační práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací se školitelem, Prof. Ing. Václavem Kopeckým, CSc.

Datum:

Podpis:

Poděkování

Děkuji svému školiteli, panu Prof. Ing. Václavu Kopeckému, CSc. za cenné rady, komentáře a připomínky v průběhu celého období vzniku disertační práce. Dále děkuji pracovníkům Výzkumnému ústavu textilních strojů za konzultace při stavbě modelu prohozního ústrojí a zapůjčení odměřovače.

Disertační práce vznikla za finančního přispění Výzkumného centra Textil I a II a projektu Nestandardní aplikace fyzikálních polí č. grantu 102/08/H08.

Anotace:

Disertační práce se věnuje rozvoji moderních experimentálních metod v mechanice tekutin a jejich využití při studiu proudových polí v prohozu tryskového tkacího stroje.

Pro experimentální studium proudových polí byl zvolen laserový anemometrický systém PIV. Nejprve byly definovány základní postupy pro synchronizaci s periodickými nestacionárními ději, které se při běžném provozním režimu v prohozu tkacího stroje vyskytují. Postupy byly navrženy pro několik základních uspořádání PIV systému a zobecněny pro aplikace na podobných typech proudění. Ověření těchto synchronizačních postupů a jejich využitelnost na dalších výzkumných projektech je v práci rovněž zmíněno.

Proudová pole v prohozním ústrojí byla sledována společně s prohazovanou útkovou nití.

K tomuto účelu byly navrženy techniky pro záznam, předzpracování a analýzu obrazových dat PIV systému. S využitím těchto technik byla zkoumána podoba proudového pole v nejbližším okolí útkové nitě i samotný pohyb útkové nitě v proudu. V předkládané práci je popsáno několik technik pro sledování útkové nitě a určení dynamiky jejího chování. Je zde nastíněn postup určování výkonových ztrát v proudícím vzduchu vlivem zanesené útkové nitě. Zobecnění tohoto řešení umožňuje experimentálně sledovat chování dvoufázového proudění tekutiny a pevného objektu.

Abstract:

The aim of this thesis is to evolve the novel techniques of experimental fluid mechanic and their application on the study of air jet weaving machine. Laser anemometric system PIV was selected for experimental studies of flow fields in weft propulsion mechanism.

The basic synchronization procedures were defined to observe periodical unsteady flow fields. The four variable synchronization configurations were set to cover wide range of flow field’s applications.

Flow fields in weft propulsion mechanism were visualized simultaneously to the thread motion. For this purpose the unique techniques of recording, image pre-processing and analyzing, as well as weft tracking algorithm were designed. Flow field in the vicinity of the weft and the motion of the thread itself were investigated. In this thesis the energy dissipation estimation was described.

This solution enables experimental tracking of two-phase flow (fluid and solid object) behaviour in general.

Obsah:

Seznam obrázků: ... 8

Seznam použitých symbolů... 10

Úvod:... 12

Kapitola 1: Specifika zkoumání dějů v prohozním ústrojí vzduchových tryskových tkacích strojů ... 14

1.1 Tkací stavy... 14

1.2 Problematika vzduchového prohozu ... 15

1.3 Analytické a numerické metody pro sledování rychlosti proudu a útku ... 15

1.4 Dosavadní experimentální studie proudových profilů vzduchového prohozu ... 20

1.5 Základní principy systému PIV využitého v experimentální části práce ... 22

1.5.1 Využití korelací pro analýzu PIV záznamů ... 24

1.5.2 Základní požadavky a nástroje pro získání validních PIV dat ... 25

Kapitola 2: Postupy a techniky navržené při řešení disertační práce ... 29

2.1 Synchronizační metodiky ke studiu periodických nestacionárních proudů ... 30

2.1.1 Synchronizační postupy s využitím interních prvků PIV systému... 32

2.1.1.1 Triggerování PIV systému signálem z měřeného zařízení ... 32

2.1.1.2 Synchronizace programovatelnými výstupy ... 33

2.1.1.3 Synchronizace měření s využitím Timer boxu a Dynamic Studia ... 36

2.1.2 Návrh externí synchronizační jednotky... 39

2.1.2.1 Principy zpožďování signálu v jednotce ... 41

2.1.2.2 Ovládání synchronizační jednotky ... 43

2.1.2.3 Volba rozsahů jednotky a komunikace s řídícím softwarem... 44

2.1.3 Uplatnění navržených synchronizačních metodik v praktických experimentech... 45

2.1.3.1 Využití synchronizovaného PIV měření při studiu impaktních proudů ... 46

2.2 Metodika sledování pevných objektů unášených proudem tekutiny... 49

2.2.1 Separace sytících částic a unášených objektů, maskování ... 50

2.2.2 Využití separačního algoritmu pro automatické maskování ... 52

2.2.3 Analýza pohybu objektů unášených v proudu... 55

2.2.4 Sledování objektů v proudu pomocí rychloběžné kamery ... 57

Kapitola 3: Návrh uspořádání experimentu a měřicího systému ... 62

3.1 Popis a nastavení měřicího systému pro studium dějů v prohozním ústrojí ... 62

3.1.1 Pulzní laser New Wave Geminy... 63

3.1.2 Kamera HighSense 12bit ... 63

3.1.3 Vysokorychlostní kamera NanoSense ... 64

3.1.4 Synchronizační Hub FlowMap ... 64

3.1.5 Synchronizační karta National Instruments + Timer Box ... 64

3.1.6 Operační a zpracovatelské softwary ... 65

3.1.7 Generátory stopovacích částic pro PIV měření ... 65

3.1.8 Nastavení parametrů PIV systému ... 66

3.1.9 Využití vlastních softwarových algoritmů pro sledování útku... 68

3.2.1 Uspořádání experimentu při sledování proudového pole samotné tkací

trysky………. ... 69

3.2.2 Uspořádání experimentu při sledování proudového pole s vloženým útkem………...71

Kapitola 4: Výsledky experimentální studie dějů v prohozním ústrojí... 77

4.1 Postupy měření ... 77

4.2 Měření proudového pole samostatné tkací trysky ... 78

4.2.1 Rozběh proudu trysky... 78

4.2.2 Oblast ustáleného proudu, paralela s kontinuálním režimem... 82

4.2.3 Časový vývoj rychlosti proudu v průběhu tkací periody... 84

4.3 Měření proudového pole trysky se zavedenou útkovou nití, sledování pohybu útku ... 85

4.3.1 Podoba proudového pole se zaneseným útkem ... 86

4.3.2 Změny rychlostních profilů proudu v důsledku zavedení útku, odhady ztrát výkonu proudícího vzduchu ... 88

4.3.3 Časový vývoj rychlosti útku v rámci tkací periody... 93

Závěr:... 98

Použitá literatura:... 101

Vybraná publikační činnost autora: ... 102

Seznam obrázků:

Obr. 1: Schéma vzduchového prohozu [12] ... 14

Obr. 2: Rychlostní diagram proudu a útku [12] ... 16

Obr. 3: Výsledek simulace pohybu útku v proudovém poli tkací trysky [13] ... 18

Obr. 4: Výsledek simulace - vystřelení útku z tkací trysky [13] ... 19

Obr. 5: Měřicí systém LDA při měření vzduchového prohozu [8] ... 20

Obr. 6: Rychlostní profil tkací trysky měřený metodou LDA [8] ... 21

Obr. 7: Měření v provozním kanálku se štafetovými tryskami metodou LDA[8]... 21

Obr. 8: Měření v provozním kanálku - výsledný profil proudového pole [8] ... 22

Obr. 9: Záznam dat PIV systémem – převzato a upraveno z [3] ... 23

Obr.10: Schéma zpracování PIV dat pomocí korelací ... 23

Obr. 11 Grafické znázornění roviny vzájemné korelace [3] ... 25

Obr. 12 Vektorová mapa a mapa skalární vertikální rychlosti rozběhu proudění ve vodě v čase t=0s ... 31

Obr. 13 Vektorová mapa a podoba proudnic rozběhu proudění ve vodě v čase t=0,25s .. 31

Obr.14: Schéma základní synchronizace... 32

Obr.15: Schéma signálů při synchronizaci programovatelnými výstupy... 34

Obr.16: Schéma synchronizace programovatelnými výstupy využité při měření SYJ s frekvencí 10 - 100 Hz ... 35

Obr. 17: Jednotka Timer box se signály pro lasery a kamery [3]... 36

Obr. 18: Nastavování parametrů měření a synchronizace... 37

Obr. 19: Graf naměřených skutečných hodnot posunutí oproti nastaveným ... 38

Obr. 20: Menu pro nastavení parametrů výstupních signálů Timer boxu ... 38

Obr.21: Schéma synchronizace s externí jednotkou... 40

Obr.22: Úprava signálu v synchronizační jednotce... 41

Obr.23: Časový průběh zpožďovaných signálů v jednotce – absolutní a relativní posuv... 42

Obr.24: User interface navrženého řídícího softwaru ... 43

Obr. 25: Experimentální zařízení generující impaktní proudy ... 46

Obr. 26: Výsledky studie impaktních proudů v časech period 0T; 0,25T; 0,5T; 0,75T ... 47

Obr. 27: Vlevo experimentální zařízení pro měření usměrňovacího efektu syntetizovaných proudů, vpravo optická závora pro sledování polohy a otáček motoru ... 48

Obr. 28: Vektorové mapy vývoje pulsací v časech 0T; 0,1T; 0,25T; 0,5T ... 48

Obr. 29: Vizualizace proudu vzduchu s částicemi unášejících útkovou niť ... 49

Obr. 30: PIV data měření proudu trysky se zaneseným útkem... 50

Obr. 31: Po prahování a inverzi obrazu zbývá pro eliminaci stále příliš mnoho platných obrazů stopovacích částic... 50

Obr. 32: Binární obraz separovaného útku... 51

Obr. 33: Zpracovaný PIV záznam připravený pro výpočet korelací - invertovaný ... 51

Obr. 34: Separovaný obraz útkové nitě ... 52

Obr. 35: Detail separovaného objektu ... 52

Obr. 36: Jednotlivé fáze automatického maskování (původní data, prahovaný obraz, maskované objekty)... 53

Obr. 37: Výsledek automatického maskování stěn a usazených bublin ... 54

Obr. 38: Maskování hrubé stěny rozevíraného difuzoru... 54

Obr. 39: Skelet objektu se zvýrazněnými významnými body ... 55

Obr. 40: Rychlosti bodů na objektu... 56

Obr. 41: Záznam rychlokamery, doba expozice 30µs ... 59

Obr. 42: Zaostřený, prahovaný a skeletovaný obraz objektu... 59

Obr. 44: Přehled časových rozestupů v jednotlivých okamžicích tkací periody ... 67

Obr. 45Měřené hlavní trysky tkacího stroje ... 69

Obr. 46: Míšení vzduchu ze sytící a bypassové větve před tryskou ... 70

Obr. 47: Odměřovač ROJ Super Elf... 72

Obr. 48: Schéma signálového zapojení modelu prohozu společně s PIV signálem ... 74

Obr. 49: Uspořádání jednotlivých prvků modelu prohozního ústrojí………..76

Obr.50 Podoba proudu v čase 17,25 ms – max. rychlost 36 m/s ... 79

Obr. 51 Podoba proudu v čase 17,5 ms – max. rychlost 47 m/s ... 80

Obr. 52 Podoba proudu v čase 17,75 ms – max. rychlost 60 m/s ... 80

Obr. 53 Vektorová a skalární mapa v čase 18,0 ms – max. rychlost 103 m/s ... 81

Obr. 54: Porovnání profilů ustálené části pulzního režimu (nahoře) a stacionárního (dole) ... 82

Obr. 55: Skalární mapy části pulzního režimu (nahoře) a stacionárního (dole, porovnání jádra trysky ... 83

Obr.56: Průběh rychlosti v ose trysky ... 85

Obr. 57: Měření proudového pole trysky v časech 17,5ms, 20ms, 21ms ... 86

Obr. 58: Měření proudového pole trysky v časech 22ms,34ms... 87

Obr. 59:Proudové pole v čase 25ms, bez zavedeného útku (maximální rychlost 109m/s).. 89

Obr. 60:Změna proudového pole v čase 25ms zavedením útkové nitě (maximální rychlost 82m/s) ... 89

Obr. 61: Srovnání velikosti rychlostí v proudu – vlevo bez útku, vpravo s útkem ... 90

Obr. 62: Porovnání proudových profilů ve vzdálenosti 20mm od trysky... 90

Obr. 63: Skalární mapa velikosti rychlostí fragmentů útku ... 93

Obr. 64: Graf časového vývoje rychlosti útku ... 94

Obr. 65: Série záznamů z vysokorychlostní kamery ... 96

Obr. 66: Porovnání rychlostí útku změřených oběma metodami a rychlosti vzduchu ... 97

Seznam použitých symbolů

Značka Rozměr Význam

Cf koeficient tření

D [s] posunutí signálu

dmax [s] maximální možné zpoždění

d_rel relativní zpoždění v periodě

du [m] průměr útku

Ek [J] kinetická energie

f [Hz] frekvence

f(k,l) funkce hodnot jasu v obraze

F_d [N] hnací síla

K 1. koeficient validace korelace

k koeficient průměrové validace

L 2. koeficient validace korelace

lt [m] délka útku v trysce

l_obl [m] délka vyhodnocované oblasti

M zvětšení obraz/objekt

m [kg] hmotnost vzduchu

P [W] výkon proudu vzduchu

R vrcholy v korelační rovině

S_k [m²] plocha kolmá k proudu vzduchu

S vektor posunutí v korel. rovině

s [s] délka trvání synchron. signálu

V [m³/s] objemový průtok vzduchu v [m/s] okamžitá rychlost proudu vmax [m/s] maximální rychlost v oblasti

z funkce vířivosti

∆h [m] diferenční výška

∆l [m] posunutí mezi expozicemi

∆T [s] zpoždění v modulátoru

∆t [s] doba mezi expozicemi obrazu

∆x posunutí v ose x

∆y posunutí v ose y

Φfg vzájemná korelační funkce

Úvod:

Disertační práce navazuje na dlouholetý experimentální výzkum vzduchového prohozu tkacích strojů, prováděný ve VÚTS v Liberci a od roku 1995 na TU v Liberci. Ranné práce Prof. Ing. Václava Kopeckého CSc. byly prováděny metodou LDA (Laserová Dopplerovská Anemometrie). Protože LDA je bodová metoda měření, nebylo realizovatelné měření celého proudového pole v prohozu současně a měření probíhalo v kontinuálním režimu činnosti trysek. Byla zkoumána zejména součinnost rozběhlého proudu hlavní trysky a přídavných tzv. štafetových trysek [9]. Idealizaci kontinuálního proudění je možné přijmout především v oblasti prohozního kanálu, kam obvykle vstupuje útek do již ustáleného proudu tvořeného řízenými štafetovými tryskami. V případě hlavní tkací trysky je zmíněná idealizace sporná.

Na tento výzkum přímo navázala předkládaná práce, ve které bylo experimentální studium vzduchového prohozu realizováno metodou PIV (Particle Image Velocimetry). Metoda PIV je schopna určovat v jediném okamžiku celé pole rychlostí proudění.

Cílem této disertační práce bylo měření proudových polí v nestacionárních, resp. pulzních provozních režimech, které popisují poměry ve skutečném prohozním ústrojí tkacího stroje. Protože vlastním účelem proudění trysek v prohozu je pohyb útkové nitě, bylo rozhodnuto výzkum rozšířit nejen na identifikaci nestacionárního proudového pole tkací trysky, ale i na dynamickou interakci proudu s unášenou útkovou nití.

Pro měření proudových polí i pohybu nitě byla zvolena metoda laserové anemometrie – PIV a její nové zobecnění na měření pohybu útkové nitě.

Hlavním rozdílem mezi měřením kontinuálního proudového režimu a měřením časově rozlišených režimů je nutnost vnést do měření časový rozměr. Časově rozlišená měření lze provádět buď velmi rychlým snímáním po sobě jdoucích měření, nebo pomalejším měřením se současnou fázovou synchronizací s periodickým jevem. I když použitý měřící PIV systém Dantec Dynamics obsahuje v sobě jisté omezené možnosti synchronizace měření, ukázalo se, že bude nutné vyvinout vlastní daleko náročnější synchronizační systém.

Celá problematika práce byla rozdělena do několika dílčích cílů řešených v jednotlivých krocích:

1) Identifikace potřebných vlastností synchronizačního zařízení, návrh a výroba elektroniky, stanovení synchronizačních postupů pro studium nestacionárních periodických proudových polí

2) Sestavení funkčního modelu prohozního ústrojí, jeho řízení a synchronizace s měřicím zařízením

3) Návrh a realizace nových algoritmů pro sledování pohybu pevných objektů unášených proudem tekutiny

4) Výzkum proudového pole se zaneseným útkem, sledování vývoje rychlosti unášeného útku

5) Studium interakce a výměny hybnosti mezi proudící tekutinou a útkem.

V této disertační práci je v prvé kapitole podán obecný úvod do problematiky vzduchových prohozů. Druhá kapitola se zabývá obecnými synchronizačními postupy, vývojem nové výkonné synchronizační jednotky, vývojem algoritmů a software pro softwarovou identifikaci pevných objektů unášených proudem tekutiny a použitím rychloběžné kamery pro sledování objektů v proudu. Ve třetí kapitole je popsána konstrukce originálního zkušebního zařízení a všechny ostatní prvky experimentu. Čtvrtá kapitola uvádí výsledky všech měření a jejich analýzu.

Kapitola 1

Specifika zkoumání dějů v prohozním ústrojí vzduchových tryskových tkacích strojů

1.1 Tkací stavy

U tkacích strojů s vysokou frekvencí prohazování útku a potažmo s vysokou tkací rychlostí se využívá tryskového prohazovacího principu. Jako nosné medium slouží voda nebo stlačený vzduch. Disertační práce se zabývá prohozem vzduchového tkacího stroje.

Útkovou niť transportuje skrz prošlup s osnovními nitěmi místo dříve nejčastěji využívané hmotné mechanické součástky pouze proud vzduchu. Principiální náčrt některých součástí prohozu je na Obr.1.

Obr. 1: Schéma vzduchového prohozu [12]

Do útkového otvoru 1 hlavní tkací trysky 2 je zavedena útková nit. Tkací tryska pracuje na principu ejektorového jevu. Proudem stlačeného vzduchu je zachycen útek a vystřelen z trysky do kanálku s lamelami 3, mezi nimiž jsou nataženy osnovní nitě. Síla samotného proudu hlavní trysky by nestačila přenést útek až dvoumetrovým prošlupem, proto do

kanálku ústí pomocné štafetové trysky 4, s jejichž pomocí je nosná síla složeného proudu dostatečná na překonání celé délky prošlupu.

Současné špičkové tkací stroje dokáží pracovat až při 15 prohozech za sekundu. Náklady na provoz pneumatického tkacího stroje jsou nižší než u mechanických strojů.

Optimalizací prohozního cyklu a vhodně nastavenými parametry stroje se snižuje stále značná energetická náročnost. Typická hodnota průtoku tlakového vzduchu tkacími tryskami činí 17m³/hod.

1.2 Problematika vzduchového prohozu

Měření vzduchového prohozu klade vysoké nároky na použitou metodu, která musí vyhovět požadavkům vyplývajícím z charakteru proudu:

1) prostorová členitost proudu

2) zkoumaná oblast s malými příčnými rozměry (6 mm x 6 mm)

3) nestacionární periodický charakter proudu ve skutečném provozním režimu 3) vysoké rozpětí rychlosti - od nulových až po subsonické hodnoty

4) velké příčné i podélné gradienty rychlosti 5) směšování jednotlivých proudů uvnitř kanálu 6) vysoká turbulence

Jednoduchá orientační měření pro hrubé nastavení tkacích strojů probíhají za pomoci základních anemometrických pomůcek – tlakové sondy, vrtulkové anemometry, základní termické anemometry. Pro podrobnější studie jsou tyto základní kontaktní metody nevyhovující a jsou nahrazovány moderními laserovými anemometrickými metodami.

Laserové systémy LDA a PIV ve vhodném uspořádání plně vyhovují výše zmíněným kritériím. Při použití synchronizovaného měření lze navíc získat podrobný časový vývoj proudových polí v prohozu s rozlišením v řádu ms. Podrobné snímání je důležité zejména při popisu rozběhové oblasti tkací periody.

1.3 Analytické a numerické metody pro sledování rychlosti proudu a útku

Proudové pole kapaliny za tkací tryskou se chová jako tzv. vynořený paprsek. Proud se dělí na tři oblasti a to A – celistvá část, B – roztříštěná část, C – kapičková část. Oblast C se

vyskytuje pouze u hydraulických tkacích stavů. U pneumatických stavů dochází k dalšímu brzdění a rozšiřování kužele hlavního proudu. Pro jednotlivé typy tkacích stavů, použitých medií a materiálů prohazovaného útku jsou stanovovány rychlostní diagramy. Rychlostní diagram na Obr. 2 popisuje chování tryskového vodního prohozu.

Rychlostní diagram ukazuje akceleraci útkové nitě. Podoba grafu závisí zejména na viskozitě pracovní látky a na drsnosti povrchu. U hydraulického tkacího stroje, pro který je zobrazený graf vynesen, je vzhledem k vysoké viskozitě vody relativní rychlost vr mnohem menší než rychlost proudu vp. Relativní rychlost lze určit ze vztahu:

u p

r v v

v = − (1)

Útková rychlost vu u vzduchového tkacího stroje dosahuje typicky hodnot kolem 30% vp. Pro dosažení stejných prohozních rychlostí tak musí vzduchové tkací stroje pracovat s podstatně vyššími rychlostmi média. Viskozita je navíc závislá na teplotě pracovní látky; např. viskozita vody se snižuje při stoupající teplotě.

Tážná síla útku je v tryskovém prohozu přímo úměrná drsnosti povrchu. Vliv drsnosti se projevuje zejména při vzduchovém prohozu, kde je viskozita hnacího média velmi nízká a navíc zde nepůsobí přilnavost. Určování drsnosti povrchu útkové nitě není triviální záležitost. Závisí na jemnosti příze, množství odstávajících vláken apod. Z uvedených důvodů jsou pro tkaní vzduchovými stavy nejvhodnější předené materiály.

Základní vztah, kterým je definována přenosová síla mezi pracovní látkou a útkem:

2 / )

( ⋅Π⋅ ⋅ ²⋅ρ

= _{f u t p}

d C d l v

F (2)

kde: F_d = hnací síla

C_f = koeficient tření médium – útek d_u = průměr útku

l_t = délka útku v trysce v_p = rychlost média v trysce ρ = hustota média

Obr. 2: Rychlostní diagram proudu a útku [12]

Koeficientem (C⋅Π⋅d_u) jsou charakterizovány vlastnosti každé útkové nitě. Chlupatost a drsnost povrchu útku ovlivňuje parametr Cf. Průměr útku du bývá zpravidla obtížně měřitelný vzhledem k nestejnoměrnosti a měkkosti nití. Celý koeficient uvedený v závorce se tedy určuje pro každý materiál experimentálně. Za použití tenzometrů se určuje síla působící na útek. Měření probíhají pouze s upevněným neprohazovaným útkem. Většina materiálů se při působení proudícího vzduchu na stojící útek v trysce roztrhá. Náhradní způsob zjišťování těchto charakteristických vlastností přízí představuje zachycení vývoje rychlostí nosného média a útku. Jedna z variant měření rychlosti nosného média je popsána v kapitole 1.4. Měření pohybu útku se v praxi řešilo pomocí světelných závor a měřením času průletu mezi jednotlivými místy. Další variantu představuje vizualizační měření s využitím stroboskopu. Na první pohled lze hnací sílu zvýšit prodloužením délky směšovací oblasti trysky l_t. Při prodloužení trysky však dochází k nežádoucím turbulencím uvnitř samotné trysky. V důsledku toho narůstá tlaková ztráta v trysce a rychlost se opět snižuje. Zvýšení vstupního tlaku má pak za následek destruktivní namáhání povrchu trysky uvnitř směšovací komory. Délkový parametr l_t má tak své dané fyzikální limity.

Všechna tato zjištění by měla vést ke správnému časování tkacího stroje, nastavení optimálního tlaku přívodního vzduchu vzhledem k energetické náročnosti a také nalezení vhodného okamžiku uvolnění útkové nitě do trysky. Při nastavování strojů ve výrobě se hledají výše zmíněné parametry podle předchozích zkušeností s experimentálním ověřením kvality vznikající tkaniny, popřípadě ze znalosti z již popsaných materiálů útku a jejich geometrických vlastností.

Další možnosti při sledování dějů v prohozním ústrojí dávají matematické simulace.

Pomocí komerčních CFD softwarů lze vypočítat podobu proudového pole. Dále experti zkoumají možnosti simulačních výpočtů pro pohyb útkové nitě. Výpočty přecházejí na komplikované dvoufázové modely (vzduch – útek) [13]. Vzhledem ke složitosti geometrické charakteristiky útkové nitě jsou v matematickém modelu využívány idealizace a náhrady nitě kovovým drátem s moduly pružnosti a pevnosti rovným bavlně. Tímto způsobem byl simulován nejen rozběh útkové nitě v proudu, ale také způsob brzdění útku.

V případě že útek není z vysokých prohazových rychlostí postupně brzděn, dochází k propružení přiráženého útku (Obr. 3) a následným kazovým nerovnostem v tkanině.

Obr. 3: Výsledek simulace pohybu útku v proudovém poli tkací trysky [13]

Za pomocí simulací lze popsat nejen maximální rychlosti útku vzhledem k rychlosti hnacího média, ale rovněž problematickou oblast při zastavování útku. Na Obr. 3 dochází před zastavením k zákmitům rychlosti a následnému krabatění vyráběné textilie.

Další simulace [13] popsaly vystřelení útkové nitě z trysky. Bylo simulováno v jaké vzdálenosti od trysky dochází vlivem slábnutí rychlostního pole ke krabacení nitě. V praxi se tomuto jevu předchází zavedením proudu vzduchu do prohozního kanálku. Na simulacích je zachycen útek v prvních 25ms po uvolnění. Získání obdobných výsledků experimentálním způsobem představovalo jeden z hlavních úkolů této práce. Dosavadní praxí byly získány pouze časy průletů čela útku. Přesná podoba deformací a krabacení celé délky útku není tímto způsobem zachytitelná. Ke sledování tohoto jevu se nabízelo využít modifikovaný laserový PIV systém. Při krátkém intenzivním osvětlením, které poskytuje pulzní laser, by měla být přesně vykreslena podoba prohazovaného útku v jednotlivých okamžicích tkací periody obdobně, jako na simulacích na Obr. 4. Tyto metody navíc umožní odhalit a dokumentovat nežádoucí nelinearity na čele útku (krabacení čela) vloženého do nedostatečně rozběhnutého proudu.

Obr. 4: Výsledek simulace - vystřelení útku z tkací trysky [13]

Rozšiřování databáze charakteristik a zkušeností s jednotlivými materiály, ať již formou matematických simulací nebo experimentální studie, umožňuje jednodušší seřizování tkacích stavů a efektivnější výrobu textilií. Odstranění chyb vzniklých špatně načasovaným vložením a následně nevhodným brzděním útku pomáhá zvyšovat kvalitu tkané textilie.

Z metodiky sledování pohybu útku navržené v této práci může vzniknout užitečný nástroj nápomocný při vývoji textilních strojů.

1.4 Dosavadní experimentální studie proudových profilů vzduchového prohozu

V uplynulých letech byl vzduchový prohoz podrobně zkoumán pomocí laserových anemometrických metod. Předchozí měření se soustředila na provozně nejdůležitější ustálenou oblast tkací periody. Tryska při nich byla sledována v kontinuálním režimu. Bylo zkoumáno jak proudové pole tkací trysky, tak i jeho následná podoba po zavedení do prohozního kanálku s přidanými štafetovými tryskami. Experiment byl realizován bez zavedené útkové nitě.

Měření probíhala na systému LDA, uzpůsobeném pro měření ve stísněných prostorech prohozního kanálu. Zvláštní důraz byl kladen na potlačení optického šumu vznikajícího odrazem laserového světla od lesklého povrchu kanálu.

Obr.5: Měřicí systém LDA při měření vzduchového prohozu [8]

Podrobná měření tkací trysky systémem LDA dokázala odhalit pokles rychlosti uprostřed proudu způsobený špatným návrhem trysky. Na tomto příkladě byly demonstrovány přínosy podrobných experimentálních studií při návrhu komponent pro tkací stroje. Měření prováděná systémem LDA byla časově velmi náročná. Vzhledem k tomu, že se jedná o bodovou měřicí metodu, muselo být postupně traverzováno všemi měřenými body, v každém bodě se pro potřeby statistiky analyzovalo několik tisíc tzv. dopplerovských vzryvů.

Obr.6: Rychlostní profil tkací trysky měřený metodou LDA [8]

Na Obr. 6 je zachycen profil osové rychlosti tkací trysky při vstupním tlaku 0,3MPa.

Společně s proudovým polem samotné tkací trysky byla měřena podoba proudu uvnitř prohozního kanálku. Uspořádání dopplerovského anemometru bylo upraveno tak, aby bylo možné měřit s maximálním prostorovým rozlišením (minimální velikost optické sondy vzhledem k měřitelné dopplerovské frekvenci) a co nejblíže u stěny kanálku. Při použití bočního rozptylu, polarizační separace a dalších technik k odstranění optického šumu, bylo možno snímat data ve vzdálenosti pouhého 1mm od stěny.

Obr. 7: Měření v provozním kanálku se štafetovými tryskami metodou LDA[8]

Na Obr. 7 je zachyceno měření jednosložkovým LDA systémem v prohozním kanálku se soustavou štafetových trysek. Takto prováděná měření zdokumentovala ovlivnění proudových polí uvnitř prohozního kanálku různými variantami uspořádání a několika typy štafetových trysek.

Obr. 8: Měření v provozním kanálku - výsledný profil proudového pole [8]

Proudové pole bylo charakterizováno osovou rychlostí a intenzitou turbulence. Vzhledem ke zvolené hustotě měřicí sítě bylo možné vynést podrobné prostorové profily – viz. Obr.

8. U čtvrtého segmentu lze pozorovat efekt pomocné štafetové trysky.

Předešlá měření popsala podrobně proudová pole v kontinuálním režimu a bez vložené útkové nitě. V této disertační práci byly předchozí měření rozšířeny o studium nestacionárních přechodových oblastí na počátku a na konci prohozního cyklu. Dalším faktorem ovlivňujícím chování proudu je samotná útková niť. V dosavadních studiích bylo proudové pole prohozu měřeno vždy bez útkové nitě. Útková niť v proudu se stává zdrojem dalších nestacionarit, jež nebyly zatím důkladně popsány. Další neznámou představuje samotné chování útkové nitě uvnitř nosného vzduchového proudu.

1.5 Základní principy systému PIV využitého v experimentální části práce

Základní stavební kámen měřicího systému představoval laserový anemometr PIV firmy Dantec, jímž disponuje Ústav řízení systémů a spolehlivosti na Fakultě mechatroniky, informatiky a mezioborových studií při Technické univerzitě v Liberci. Zařízení patří k nejšpičkovějším a nejmodernějším měřicím nástrojům v oblasti experimentální mechaniky tekutin. V současné konfiguraci je zařízení uzpůsobeno pro měření rychlých proudových polí, dosahujících až subsonických hodnot. Měření lze provádět v kapalinách i

plynech, prostředí však musí být dostatečně transparentní, aby byla zaručena průchodnost laserového světla i možnost snímání proudu kamerou. Základní princip zařízení PIV je zachycen na Obr.9 a Obr.10.

Obr.9: Záznam dat PIV systémem – převzato a upraveno z [3]

Metoda PIV je vizualizační metoda umožňující přesnou kvantifikaci rychlostí v proudu.

Z digitálního obrazu se zjišťuje rychlost částic unášených proudem. Tyto částice jsou nasvětleny dvěma krátkými laserovými pulsy. Paprsek je ve speciální válcové optice formován do řezu a následně zaveden do zkoumané oblasti v proudu. Z boku snímá stopovacími částicemi rozptýlené laserové světlo digitální kamera. Kamera zaznamená dva obrazy částic s jejich počáteční a koncovou polohou. Tyto obrazy jsou podrobeny další analýze.

Obr.10: Schéma zpracování PIV dat pomocí korelací

Zachycený obraz z digitální kamery je rozdělen do sítě na tzv. vyhodnocované oblasti.

V každé vyhodnocované oblasti je vypočtena korelace obrazů, jejímž výsledkem je korelační rovina. Spojnice středu korelační roviny a nejvyššího vrcholu v ní určuje průměrné posunutí částic uvnitř dané vyhodnocované oblasti. Analogicky se provedou korelace ve všech ostatních vyhodnocovaných oblastech. Výsledkem je vektorová mapa zachycující celkovou podobu proudu v daném okamžiku.

1.5.1 Využití korelací pro analýzu PIV záznamů

Pro záznam obrazu se používají dva základní způsoby:

a) Při dvojnásobné expozici se počáteční i koncová poloha částic zaznamenává do stejného obrazu.

b) Pro jednotlivé expozice jsou použity dva obrazy – jeden pro počáteční a druhý pro koncovou polohu částic.

Podle způsobu snímaní obrazu je zvolena příslušná korelační funkce k získání průměrné hodnoty posunutí v dané oblasti. Obraz zaznamenaný digitální kamerou představuje data ve formě hodnot jasu v jednotlivých pixelech kamery. V průběhu měření byla využívána pouze metoda jednotlivých expozic a zpracování vzájemnou korelací (3).

Rovnice diskrétního výpočtu vzájemné korelace:

∑ ∑

−∞

=

∞

=

−∞

= ⋅ + +

=

Φ ^k

k l

fg(m,n) l f(k,l) g(k m,l n) (3)

Funkční hodnota f (k,l) představuje intenzitu světla zaznamenaného detektorem na pixelu s pozicí (k,l) v prvním obraze, g (k,l) hodnotu na stejné pozici v druhém obraze. Výsledek vzájemné korelace ukazuje Obr. 11. Výhodou oproti dvojnásobné expozici a následné autokorelaci je zejména jednoznačnost počáteční i koncové polohy částice. V korelační rovině se vyskytuje pouze jeden maximální vrchol RD. Jeho spojnice se středem korelační roviny udává vektor výsledného posunutí. Členy RC+RF představují hodnotu korelační šumu.

Obr. 11 Grafické znázornění roviny vzájemné korelace [3]

1.5.2 Základní požadavky a nástroje pro získání validních PIV dat

Délka vyhodnocované oblasti

Hlavním limitním předpokladem je délka vyhodnocované oblasti a jí úměrné maximální měřitelné posunutí. Z matematických simulací vyplývá, že maximální posunutí by nemělo být větší než čtvrtina délky vyhodnocované oblasti. Rovnice pro výpočet maximální rychlosti je tedy:

t M

v l^obl

∆

⋅

= ⋅

max 4 (4)

kde l_obl je délka strany vyhodnocované oblasti, M zvětšení a ∆t doba mezi expozicemi.

Značnou chybu způsobuje existence ztracených párů. Ty vzniknou tehdy, vyletí-li částice v době mezi světelnými pulsy z vyhodnocované oblasti, nebo do ní naopak vnikne. Taková částice pak nemá svůj protějšek v druhém obrazu a dochází ke vzniku náhodných korelací.

U rychlejších částic je pravděpodobnost opuštění vyhodnocované oblasti vyšší. Dojde k většímu uplatnění částic s nižší rychlostí a výsledná rychlost se poté jeví menší než ta skutečná. Tento jev se nazývá chyba stahování rychlosti k nule.

Hustota sycení

Podstatné hledisko pro udržení přesnosti měření představuje hustota sycení proudu částicemi. Při malém sycení existuje vyšší pravděpodobnost, že mezi expozicemi uniklá částice významným způsobem ovlivní výsledek korelace. Výsledky počítačových simulací ukázaly jaké sycení je třeba k dosažení dostačující přesnosti. Za předpokladu, že posunutí

částic nebude vyšší než čtvrtina vyhodnocované oblasti, bude pro vzájemnou korelaci vyhovující alespoň 5 částic na vyhodnocovanou oblast. Při obdobné simulaci pro autokorelaci vychází potřebné sycení dvojnásobné.

Doporučené hodnoty sycení v každé vyhodnocované oblasti jsou tedy:

• 5 částic pro vzájemnou korelaci

• 10 částic pro autokorelaci

V praxi je ovšem velmi obtížné přesně dávkovat dané množství částic do sledovaného objemu. Situace se o to více komplikuje při PIV měření proudícího tlakového vzduchu.

Množství stopovacích částic lze regulovat pouze podle experimentátorovi zkušenosti a validitě vypočtených výsledků korelace. V provedeném experimentu byl počet částic do zkoumané tratě odhadnut a následně podle obrazových dat z kamery upraven do žádaných hodnot. Pro přesnější a robustnější výpočet korelací byla udržována hodnota cca 10 částic na vyhodnocovanou oblast.

Peak validace

Směrodatný parametr kvality vypočtené korelace představuje výška hlavního vrcholu v korelační rovině. Tato funkce má odlišnou definici pro autokorelaci a pro vzájemnou korelaci. U vzájemné korelace je určujícím faktorem poměr dvou nejvyšších vrcholů v korelační rovině. Kritérium lze vyjádřit vztahem (5). Vektory nesplňující předepsaná kritéria jsou odstraněny.

vrchol L nejvyšší

druhý

vrchol hlavní

≥ (5)

Range validace

Range validace pracuje s již vypočtenými vektorovými mapami. Vyžaduje přibližnou znalost zkoumaného proudu. Je-li měřeným objektem například běžná tryska, neměly by se na jejím výstupu vyskytovat rychlosti přesahující rychlost zvuku. Nastavením limitu na 340m/s dojde spolehlivě k odstranění těchto nereálných rychlostí. Kromě limitu pro velikost rychlosti lze nastavit omezení pro jednotlivé složky. Vektory překračující zadaný rozsah jsou vyloučeny z dalšího zpracování. Tato metoda pracuje spolehlivě u homogenních proudů, pro mapy s obsahem různých rychlostí v jednotlivých oblastech je výhodná metoda klouzavého průměru.

Validace klouzavým průměrem

Validace klouzavým průměrem pracuje rovněž s vektorovými mapami. Nesoustřeďuje se však na jeden samotný vektor, ale počítá s celým jeho okolím. Ve vybraném okolí bodu m x n je vypočtena průměrná velikost rychlosti. Rozdíl jednotlivých rychlostí od tohoto průměru musí být menší než určitý koeficient k vypočtený pro každou oblast zvlášť podle vztahu (6). Tento druh validace vyžaduje opět určité zkušenosti, neboť nesprávná volba jednotlivých parametrů zcela zkreslí výsledek.

( ) ( )

v

k =α⋅max , − , ⁽⁶⁾

Parametr α se dosazuje do funkce jako požadovaný akceptační faktor.

Podmínka odstranění daného vektoru:

( ) ( )

v , − , > k (7)

Na místo odstraněného vektoru lze dopočítat vektor náhradní. Ve většině případů se však doporučuje trvalá eliminace. Zamezí se tím rozšiřování chyb z okolních chybných vektorů.

V případě, kdy se následně statisticky zpracovává několik stovek záznamů, si lze dovolit vymazání chybného vektoru bez náhrady.

Filtrování klouzavým průměrem

Po validaci jednotlivých vektorů předchozími metodami lze provést filtraci vzniklé vektorové mapy. Pro tento účel se rovněž využívá technika klouzavého průměru, dle vztahu (8).

( ) ∑ ∑ ( )

+ −

− −

=

+ −

=

− −

=

⋅ ⋅

= ²

1

2 1

2 1

2 1

1 , ,

x n

x n i

y n j

y n j

j i n v

y m x

v ₍₈₎

Před aplikací tohoto filtru je třeba mít na paměti, že jediný vektor s extrémní hodnotnou neodstraněný v průběhu validace dokáže znehodnotit správnost vektorů v celém svém okolí. V praxi se tak tento filtr nasazuje raději po využití validace klouzavým průměrem s vhodně nastavenými parametry. Velikost oblastí při filtraci musí být zvolena s ohledem na charakter sledovaného proudu. V případě nasazení filtru o široké oblasti průměrování dochází k potlačení skutečných vírových struktur a k chybné interpretaci výsledků s vysokými gradienty rychlosti na malé ploše. Konkrétní případ představuje oblast

v blízkosti stěn. Pozorný experimentátor si povšimne, že filtr zkreslí příčný profil proudu a k tomu dopočítá nenulové rychlosti na okrajové stěně i mimo ní. S filtrem se tedy doporučuje pracovat velmi opatrně.

Statistické zpracování vektorových map

Snímky samotného proudu i útkové nitě byly snímány jednou za periodu a díky synchronizaci stále ve stejném časovém okamžiku tkací periody až 100krát za sebou.

Takto široký vzorek již bylo možné statisticky zpracovat. Po validaci správných vektorů se ukázalo jako vhodnější využít statistickou analýzu sta vzorků bez předchozí filtrace. Pokud byly PIV záznamy správně nasnímány (hustota sycení, potlačení odlesků apod.) a následně zvoleny vhodné parametry pro validace, poskytovala statistická analýza dokonalé výsledky o průměrné rychlosti i směrodatné odchylce v každé vyhodnocované oblasti. Oblasti bez stopovacích částic byly zamaskovány.

Výpočet mapy vířivostí

Zejména pro sledování a vizualizaci vírových struktur vznikajících při rozběhu proudu se osvědčily skalární mapy vířivostí vypočítaných ze vztahu (9). Podoba těchto skalárních map, představujících gradienty rychlosti, byla rovněž velkou měrou ovlivněna zvolenou filtrací. Z hodnot vířivostí lze následně vypočítat intenzity turbulencí a další žádané charakteristiky proudu.

( )

n m v n

m v x

n m v n m n v

m

z ^{y y x x}

∆

−

−

− +

∆

−

−

= ( +1, ) ( 1, ) ( , 1) ( , 1)

, (9)

Kapitola 2

Postupy a techniky navržené při řešení disertační práce

K zachycení dějů v prohozu tryskového tkacího stroje byl použit měřicí systém PIV. Tento systém byl vybrán zejména pro schopnost zachytit ucelený obraz proudového pole v daném okamžiku, což je nutné při sledování nestacionárních rychle se vyvíjejících proudění. Typický periodický charakter zkoumaného proudu udal směr, jímž se měření ubírala. K měřicímu systému byly navrženy doplňky a řídící obvody umožňující synchronizaci se spínacími signály jednotlivých akčních členů vzduchového provozu a tímto způsobem realizována fázová synchronizace všech prvků.

Nový náhled na proudové pole prohozu přineslo jeho proměření v reálných provozních podmínkách. Za provozu je proud z trysky časově opakovaně otevírán elektromagnetickým ventilem, což způsobuje jeho periodický nestacionární charakter. Podle předpokladů se na čele proudu tvoří vírové struktury a až po přechodové fázi rozběhu se proud začne ustalovat do profilu se zformovaným jádrem proudu trysky. Tento děj s rozběhovou fází tkací trysky nebyl doposud podrobně popsán. Během přípravy experimentu byla sestavena synchronizační metodika pro sfázování zkoumaného děje a měřicího systému. K tomu musely být nejprve popsány vstupní a výstupní signály jednotlivých komponent měřicího systému PIV, včetně hlavních řídících jednotek HUB a Timer Box. Jejich popis v dokumentaci dodané se systémem u některých komponent zcela chybí, nebo neobsahuje všechny potřebné parametry. Po prozkoumání možností integrované synchronizace vyšlo najevo, že je pro plnohodnotná měření nedostačující a musí být doplněna vlastní externí synchronizační jednotkou. Tato jednotka napomohla spolupráci jednotlivých akčních členů tohoto experimentu, v budoucnu poslouží jako užitečný nástroj pro obecná synchronizovaná měření periodických nestacionárních proudových jevů. Během realizace projektu, jež je popisován v této práci, došlo k posunu na poli hardwaru k využívanému systému PIV. Nově existuje možnost ovládání jednotlivých komponent systému prostřednictvím počítače a tzv. Timer boxu. V tomto Timer boxu se soustředí veškeré signály pro lasery, kamery i vstupní a výstupní triggery. Tento model navíc spolupracuje pouze s novým softwarovým prostředím. Navržené metodiky synchronizace byly tedy

rozšířeny i pro toto nové prostředí. V příslušných podkapitolách jsou rovněž diskutována úskalí a limity starého i nového systému synchronizovaného sběru dat.

Nové poznatky v oblasti přineslo zkoumání proudu se zakomponováním útkové nitě.

Měřením byl popsán a kvantifikován pohyb útku. Při měření pohybu útku v proudovém poli bylo třeba sestavit měřicí trať, simulující práci jednotlivých součástí prohozu tkacího stroje. Jednalo se o komponenty pro zavádění útku do tkací trysky, odvíjení útkové nitě a její odstřihnutí. Celý soubor prvků prohozního ústrojí byl synchronizován mezi sebou i s měřicím systémem. K tomuto účelu posloužila rovněž navrhovaná synchronizační jednotka.

V první fázi byl pohyb útku zkoumán pomocí záznamové a osvětlovací techniky PIV systému. Zachycená data byla podrobena vlastním algoritmům pro analýzu obrazu. Jednalo se především o separaci útkové nitě od obrazu sytících částic proudu a následné určení jejího pohybu. Vyhodnocení pohybu útku z PIV obrazu bylo provedeno dvěma způsoby.

Jejich popis je detailně rozepsán v Kapitole 2.2. Při experimentech se sledováním útku byla dále využita vysokorychlostní kamera s pomocným osvětlovacím systémem. V tomto případě nebyl použit zavedený laserový řez jako u metody PIV, celá scéna byla nasvětlena silnou výbojkovou lampou. Výhody i nevýhody této techniky jsou opět rozebírány v příslušné podkapitole, spolu s podrobným popisem analýzy získaných dat.

2.1 Synchronizační metodiky ke studiu periodických nestacionárních proudů

Oproti bodovým měřicím technikám umožňuje metoda PIV zachytit celou zkoumanou oblast v jednom časovém okamžiku. Tím se nabízí možnost prozkoumat vývoj určitého jevu v čase. V případě pomalých dějů nedochází k žádným obtížím. Systém sbírá obrazy unášených částic v přesně definovaných časech a následné vyhodnocení dat podává okamžitý přehled o zkoumaném proudu. Experimentátor se však musí zamyslet nad omezeními vycházejícími z reálných možností použité techniky. Hlavní problém představuje rychlost kamer a laseru. Při použití vysoce citlivých kamer klesá frekvence pořizování obrazů k jednotkám Hertz.

Při prvotních měřeních se zakoupeným PIV systémem od firmy Dantec byly zkoumány vírové struktury generované pístovým pulsátorem ve vodní lázni. Frekvence pulsací

nezávisle a bez potřebné synchronizace. Při frekvenci snímání 4,5Hz bylo získáno 18 časových záznamů za periodu, čímž byl detailně popsán vývoj vírové struktury. Typické výsledky vývoje vírových struktur ve vodě s časovým rozestupem 0,5s jsou zachyceny na Obr. 12 a Obr. 13. Maximální horizontální rychlost v proudu dosahovala 0,13m/s.

0 5 10 15 2 0 25 3 0 35 4 0 45 50 55 60 65 70 75 80 8 5 90 9 5 mm

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 mm

Ve c tor map : Filte re d, 3 9 ×31 vectors (12 0 9 ) , 12 0 9 su b stitu ted

B u rst# ; r e c # : 1 ; 2 9 ( 9 ), Da te : 27 .1 1 .2 00 3 , Time : 1 7 :1 0:0 5 :5 45 An alo g in p uts: -1 .65 0 ; -1 .70 9 ; -1 .72 4 ; -1 .77 2

Obr. 12 Vektorová mapa a mapa skalární vertikální rychlosti rozběhu proudění ve vodě v čase t=0s

0 5 10 15 2 0 25 3 0 35 4 0 45 50 55 60 65 70 75 80 8 5 90 9 5 mm

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 mm

Ve c tor map : Filte re d, 3 9 ×31 vectors (12 0 9 ) , 12 0 9 su b stitu ted B u rst# ; r e c # : 1 ; 3 1 ( 5 0 ), Da te: 2 7 .1 1 .20 0 3 , Time : 1 7:10 :0 6 :04 5 An alo g in p uts: -1 .65 0 ; -1 .70 9 ; -1 .72 4 ; -1 .77 2

Obr. 13 Vektorová mapa a podoba proudnic rozběhu proudění ve vodě v čase t=0,25s

Obdobným způsobem bylo třeba zachytit a popsat proudové pole pulzující tkací trysky.

Oba dva typy proudění i přes svou odlišnost (jiná média, o tři řády odlišné rychlosti) vykazují podobné charakteristiky. Vzhledem k vysoké frekvenci pulsací vzduchové trysky již nebylo možné provádět náhodně spouštěná měření s vnitřním časováním PIV systému.

Bylo třeba nalézt vhodná řešení pomocí níže popsaných synchronizačních technik, které by bylo možné zobecnit na širší škálu dalších experimentů.

2.1.1 Synchronizační postupy s využitím interních prvků PIV systému

I přes omezení snímací frekvence PIV systému existují postupy jak podrobně popsat rychlé děje odehrávající se v řádech desítek milisekund. Tato měření vyžadují předpoklad opakovatelnosti děje. Postupným snímáním jednotlivých okamžiků v periodě lze zajistit detailní časové vzorkování, samozřejmě pouze s dokonalou synchronizací.

2.1.1.1 Triggerování PIV systému signálem z měřeného zařízení

Pro jednoduchá měření spadající do velmi úzkého intervalu budících frekvencí lze využít v omezené míře integrovanou synchronizační elektroniku řídící jednotky HUBu. Do HUBu lze přes BNC konektor přivést signál, jež spouští měření. Spuštění měření může být od příchozího signálu posunuto o definovaný časový okamžik. Tímto způsobem lze postupně proměřit stavy proudu v jednotlivých časech periody.

Ventil

Laser Řídící jednotka

d

d + (2 * p) 125

125

125

250

250

250

375

375

375

Obr.14: Schéma základní synchronizace

Po důkladné analýze signálů a parametrů integrovaného synchronizačního prvku bylo zjištěno velké množství nesrovnalostí a omezení. Hlavní limitující faktor představuje hodnota maximálního zvoleného zpoždění spouštěcího signálu. Tento signál nelze zpozdit o více než 105ms. Při postupném proměřování napříč celou budící periodou zkoumaného děje je tedy systém omezen minimální frekvencí 10 Hz. Při měření dějů s pomalejší frekvencí není možné postihnout konečné fáze. Zároveň musí brát experimentátor v úvahu omezení plynoucí z konstrukce jednotlivých prvků. Laser dokáže pracovat s maximální opakovací frekvencí 16 Hz, kamery i při použití speciální funkce binning (znásobení frekvence na úkor snížení rozlišení) tuto hodnotu také nepřekročí.

Jako řešení tohoto případu se nabízí zachycování každé N-té periody děje tak, aby výsledná perioda spadala do rozmezí 10 Hz – 15 Hz. Měřicí systém je na tuto eventualitu teoreticky připraven. Lze jí dokonce nalézt a nastavit v řídícím softwaru. Při podrobných testech a ověřování skutečných výstupů z řídící jednotky HUBu bylo zjištěno, že synchronizace po vydělení frekvence nepracuje správně. Časový odstup spouštěcího signálu od vstupního synchronizačního signálu do HUBu se po určité době začne měnit od nastavené hodnoty. Příčinu se nepodařilo zatím teoreticky vysvětlit, nicméně na osciloskopech bylo skutečně změřeno a prokázáno, jak se tento fázový závěs mění. Měřicí systém tuto změnu nijak neindikuje a nadále sbírá data z nesouvisejících časů periody.

S přihlédnutím ke zmíněným okolnostem nelze integrovaný synchronizační prvek systému považovat za využitelný a bylo nutno hledat jiné způsoby výměny řídících signálů.

2.1.1.2 Synchronizace programovatelnými výstupy

Při určitém typu měření lze využít synchronizačních signálů z HUBu primárně určených pro signály Q-switche laseru. Tato varianta byla navržena a odzkoušena při měřeních s opakovací frekvencí v řádech desítek Hertz. Vycházející puls spouštěl modulační sekvenci naprogramovaného signálu ve funkčním generátoru. Tímto způsobem bylo možno vygenerovat budící signál a posunout ho o požadovanou hodnotu. Časové schéma sekvence pulsů je zachyceno na Obr. 15.

Při měření tkací trysky pracoval elektromagnetický ventil s frekvencí 8 Hz oproti 4 Hz snímání. Obraz byl snímán pouze každou druhou periodu. Maximální zpoždění programovatelného výstupu dosahuje do doby dalšího sepnutí laseru. V tomto případě tak bylo možné signál posouvat skrz celou tkací periodu.

Na grafu zeleně značené signály pro spínání laseru a červeně znázorněné signály pro snímání kamery jsou fixovány k bodu 0 interního časovače PIV systému. První modrý graf pod těmito průběhy ukazuje podobu spouštěcího signálu elektromagnetického ventilu a signálu vstupujícího do řídících obvodů dalších akčních členů prohozního ústrojí. Krátký puls (50µs) byl namodulován do podoby TTL spouštěcího signálu pro prvky prohozu. Na spodním průběhu je prezentován signál programovatelného výstupu, jež byl posunutu o 110ms a následně rovněž modulován. Tímto způsobem bylo možné proměřit celou tkací periodu a připravit signály pro všechny prohozní prvky.

Nevýhodou tohoto způsobu synchronizace je jeho obrácený princip. Měřený děj je spouštěn signálem ze samostatně běžícího měřicího systému a to celé řadě aplikací nevyhovuje. Navíc jsou do měření zahrnuty nejistoty ze zpoždění na modulačních členech a dalších akčních prvcích. Obecně lze tento systém synchronizace přirovnat k dopředné regulaci bez jakékoliv zpětné vazby.

Tento postup byl následně testován i při měřeních s řádově vyššími frekvencemi.

Konkrétně při měření syntetizovaných proudů (SYJ) s řídící frekvencí do 100 Hz. Klasická synchronizace triggerováním měřicího systému PIV budícím signálem aktuátoru SYJ

Obr.15: Schéma signálů při synchronizaci programovatelnými

výstupy

t [ms]

t [ms]

t [ms]

0

0

0

125

125

125

250

250

250

t [ms]

0 125 250

0 ms

110 ms

Jedinou možnost představovala synchronizace programovatelnými výstupy a snímání každé N-té periody. Číslo N záviselo od řídící frekvence SYJ aktuátoru. Systém PIV byl stále spouštěn vnitřním časovačem na frekvenci 1 – 4 Hz a pro každý výstupní puls bylo namodulováno N period řídících signálu SYJ aktuátoru s příslušnou frekvencí. Názorné časové schéma jednotlivých signálů je zobrazeno na Obr. 16.

Ventil

Laser

Kamera Řídící jednotka

d

d + (2 * p)

125

125

125

250

250

250

375

375

375

čas [ms]

čas [ms]

Obr.16: Schéma synchronizace programovatelnými výstupy využité při měření SYJ s frekvencí 10 - 100 Hz

Aby bylo možné použít pulsy programovatelných výstupu pro řízení akčních členů zkoumaného zařízení, musí se modulovat do požadovaných průběhů. K tomuto účelu je využíván generátor funkcí Agilent 33220A.

Tento generátor disponuje BNC konektorem do nějž je zaveden puls programovatelného výstupu z HUBu PIV systému. V generátoru byl tento puls modulován na požadovaný průběh funkce. V konkrétních případech měření tkací trysky a SYJ byl zvolen obdélníkový respektive sinusový průběh.

Při měření tkací trysky byly parametry nastavované na generátoru funkcí následující:

mód - external triggered, burst

amplituda 2,5 V

offset 2,5 V

obdélníkový průběh výstupní funkce

výstupní frekvence 8,00001 Hz

počet cyklů N = 2

Hodnota nastavované výstupní frekvence z generátoru musí „lehce“ přesahovat 8 Hz.

Důvodem je omezení generátoru, který není schopen spustit novou výstupní sekvenci před dokončením té předchozí. Do měření se tímto zanáší chyba 0,3µs na jeden synchronizační cyklus. Tato chyba je v porovnání s ostatními neurčitostmi akčních prvků zanedbatelná, navíc může být v případě potřeby kompenzována úpravou zpoždění programovatelného výstupu.

2.1.1.3 Synchronizace měření s využitím Timer boxu a Dynamic Studia

Během posledních tří let je systém PIV rozvíjen a jednotka HUB bývá nahrazována novým řešením. Veškeré řídící karty laserů, grabbery kamer a časovače vstupních i výstupních signálů jsou zasazovány přímo do hlavního počítače. Odpadá tak zdlouhavé přenášení dat z bufferu HUBu do počítače po ethernetu. S nástupem této koncepce byl výrobcem vyvinut i nový ovládací a zpracovatelský software Dynamic Studio. Synchronizace s tímto novým systémovým uspořádáním se liší od výše zmiňovaných a i pro ní jsou v této práci definovány základní postupy, doporučení a zjištěná omezení.

Roli měřicího centra s tímto systémem plně přebírá osobní počítač. Datová komunikace mezi ním, laserem a kamerami probíhá po vnitřních protokolech ovládajícího softwaru Dynamic Studio a nelze do ní vstupovat. Spouštěcí signály byly vyvedeny přes čítačovou měřicí kartu National Instruments PCI-6601 do jednotky Timer box s osmi výstupními a dvěma vstupními BNC konektory Obr. 17.

Obr. 17: Jednotka Timer box se signály pro lasery a kamery [3]

Signály pro spouštění každé flash lampy i Q-spínání laseru jsou vedeny jedním kabelem, jehož pozici je nutno definovat. K tomu lze na Timer box připojit do dvou vstupů spouštěcí triggerovací signál. Signál musí splňovat obdobné parametry jako u starého systému.

Výhodou tohoto nového řešení je jeho schopnost zpracovávat triggerovací signály o vyšších frekvencích. Prozatím byla ověřena možnost triggerování do 80 Hz. Systém při něm však vykazoval nesrovnalosti při posuvu signálu.

V dialogu Devices lze do systému přidat externí generátor pulsů a asociovat ho se vstupní konektorem (např In.1). Tento generátor lze následně použít pro spouštění synchronizovaného měření.

V záložce Acqusition agent se nastavují parametry snímání. Je třeba zvolit Mode external time clock“ . V tomto módu je nejprve analyzována vstupní frekvence, zvoleno její vhodné dělení pro potřeby laserů a kamer. Pod volbou módu se nastavuje přibližná očekávaná frekvence zkoumaného děje Trigger rate a rovněž hodnota zpoždění Trigger delay.

Zkoumáním systému osciloskopem bylo zjištěno, že hodnota Trigger delay vykazuje nepřesnost při požadované nulové hodnotě zpoždění. Minimální zpoždění dosahuje 5ms bez ohledu na nižší nastavenou hodnotu. Při hodnotě zpoždění nad 5ms se systém spouští již korektně, přidané zpoždění je v řádu mikrosekund. V jednoduchosti to naznačuje graf časového průběhu zpoždění na Obr. 19.

Obr. 18: Nastavování parametrů měření a synchronizace

Zpoždění spouštění měření pro žádaná Trigger delay

0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20 25

Nastavené Trigger delay [ms]

Skutečná hodnota zpoždění měření [ms]

Obr. 19: Graf naměřených skutečných hodnot posunutí oproti nastaveným

V praxi lze chybějící začátek zkoumané periody většinou nahradit měřením na periodě následující. To však pouze v případě, že frekvence zkoumaného jevu je vyšší než frekvence PIV systému. Pokud tomu tak není a během synchronizace nedochází k dělení triggerovací frekvence, je opět nutné použít obdobu programovatelných výstupů. Tato volba se aktivuje softwarově přidání zařízení Pulse receiver připojeným k jednomu z osmi výstupních BNC konektorů. Pro takovéto výstupní signály pak lze nastavit následující parametry:

• Activation time – zvolené zpoždění od záblesku laseru

• Activation time relatic – asociování výstupního signálu k danému laserovému záblesku 1. nebo 2. hlavy

• Activation pulse train – v těchto dialozích se definuje podoba výstupního pulsu

• Activation signal polarity – nastavení pozitivního nebo negativního charakteru signálu

Obr. 20: Menu pro nastavení parametrů výstupních signálů Timer