第二章 實驗儀器與量測設備
本文之風扇實驗乃根據美國空氣移控協會（Air Movement and Control Association）所制定之標準規範（AMCA 210-85）[1]，至於噪音量測則參考文獻[33]的量測標準，於本章將詳細描述實驗量測設備及儀器架設。
2.1 風扇實驗量測設備
風扇性能量測設備，基本上與一般流體力學實驗雷同，以量測流量與靜壓之設備為主，相關的實驗量測儀器與設備有：噴嘴（Nozzel）、橫移式皮托管（Pitot Tube Transverse）、孔口板（Orifice Plate）、以及文氏管（Venturi Flowmeter）等。每一種儀器置放之位置皆有不同，針對不同之流場與測量方法，都有相當嚴格的規範。在AMCA 210-85[1]的規範中，主要有管型測試平台與箱型測試平台，此兩種測試法皆能滿足所需之量測要求。但在測試平台的設計上有其限制，從表1與表2[20]中可得知，表1所列之管型測試平台對於尺寸要求較為嚴格，因此其所能測試的風扇尺寸大小範圍較無彈性可言。而表2所列之箱型測試平台所能量測的風扇尺寸範圍比較有彈性，除此之外，箱型測試平台在量測流量上也有許多優點。在採用多重噴嘴的設計上可以減少我們操作的時間，並可配合流量範圍直接調整不同大小的噴嘴組合，使得我們的測試工作簡單許多。而在箱型測試平台中，其所需的夾持器具也較管型測試平台來得簡單。由上述的比較分析，本研究所選擇的實驗設備為AMCA 210-85的箱型測試平台。
在美國空氣移控協會（Air Movement and Control Association）所制定之標準規範AMCA 210-85[1]中，其箱型測試平台所包括的設備有：風箱（Main Chamber）、多重噴嘴（Multi Nozzle）、整流網（Straightener）、輔助風機（Auxiliary）以及風量調節裝置（Variable Supply）。在箱型測試平台中，風箱、整流網與多重噴嘴是為了提供良好品質的測試流場環境。而在量測資料擷取設備，主要元件有：靜壓孔（Static Pressure Tap）的位置、壓力轉換器（Pressure Transducer）、壓力校正器（Pressure Calibrator）、光學轉速計（Tachometer）、大氣壓力計（Barometer）、電源供應器（Power Supply）、乾濕球溫度計、應變放大器、數據擷取卡與個人桌上型電腦等。以上量測儀器與設備之規格與使用條件，將在後面詳述之。
箱型測試平台設備包含有主要風箱、多重噴嘴、整流網、輔助風機與風量調整裝置等，如圖2所示，下面將詳述使用條件。
1. 主要風箱
AMCA 210-85規範中的箱型測試風箱如圖3所示[1]，此箱型測試平台適合量測直徑為
a. 箱體的最大平均流速不得大於
b. 量測面的最大流速不得高於
c. 量測面最高流速高於
d. 若量測面在整流網上游時，迴流速度不得大於噴流速度的10﹪。
2. 多重噴嘴
使用多重噴嘴組時，因為各噴嘴直徑不同，故在組裝多重噴嘴時需保持其對稱形狀，以減輕流場的負擔，使量測更精準。而多重噴嘴牽涉到流場穩定性，其條件如下：
a. 使用多重噴嘴組時，兩相鄰噴嘴中心線的距離，至少是最大噴嘴直徑的3倍以上。
b. 噴嘴與測試風箱壁之間的距離至少為1.5倍直徑。
c. 使用多重噴嘴時，其針對每一流量有其相對的噴嘴口徑，所以需查表找尋適當的噴嘴直徑。
3. 整流網
在AMCA 210-85規範中所使用的整流裝置有整流器，面積比約50﹪~60﹪左右的鐵絲網或整流板。由於箱型測試平台要求低流速與均勻化分布，因此整流網主要的作用是提供一個標準且均勻的流場供實驗測試使用。其相關位置及條件如下：
a. 箱型測試平台的整流網相關位置如表3[20]及圖3所示。
b. 經過整流網的最高流速不得高於
c. 通常第一片整流網面積比在30﹪~40﹪，且在至少10倍孔距的下游裝設第二片面積比為50﹪~60﹪的整流網。
4. 輔助風機
利用馬達為0.6 Hp，風量為17 cmm-Aq的送風機，可提供實驗中足夠的風量與風壓，以克服在前箱經過整流網到後箱的壓力損失，進而模擬風扇為自由空氣出去之情況。
5. 風量調整裝置
利用數位變頻器控制馬達轉速，達到改變風機轉速，藉以調整風量。
風扇實驗量測所使用的儀器與擷取軟體是整個實驗中最重要的元件，因為越精確的儀器，才能量取到越精準的數據。實驗中所使用的元件包括，靜壓孔、壓力轉換器、壓力校正器、應變放大器、大氣壓力計、光學轉速計、電源供應器、數據擷取卡以及一台個人桌上型電腦。以上元件之規格如表4所示，元件用途則詳述如下：
1. 靜壓孔（Static Pressure Tap）
本實驗在風箱的每個量測截面取8點靜壓孔，經過數據擷取卡所取得的數值，再將8點數值加以平均，最後所得之平均值即為整個截面之壓力平均值。
2. 壓力轉換器（Pressure Transducer）
我們採用SCANIVALVE P23D型，最小可量至
3. 壓力校正器（Pressure Calibrator）
本實驗採用DIGITRON P200UL型，可量測範圍為0~19.99 mbar。壓力校正器主要是用來校正壓力轉換器。利用此壓力校正器可以得到壓力與電壓之間的關係。在確認所量測之壓力與電壓呈現線性關係後，我們便可由電壓值反推出我們所須知壓力值。其線性誤差約在0.2﹪以下。
4. 應變放大器（Pressure Electron Transducer）
我們採用KYOWA CDV-230型。應變放大器為連接數據擷取卡與壓力轉換器之間的媒介，其功用主要是調整電壓範圍與放大訊號，使我們擷取的電壓值可以更為準確。
5. 大氣壓力計（Barometer）
大氣壓力計主要作為參考狀態與密度修正之用途，我們選用之大氣壓力計的量測範圍在0~
6. 光學轉速計（Tachometer）
光學轉速計主要是量測出待測風扇的實際轉速，以提供風扇性能之比較參考，所選用的光學式轉速計可量測之風扇轉速範圍為0~10000 rpm。
7. 電源供應器（Power Supply）
電源供應器是提供穩定電壓與電流之用，使風扇馬達的轉速可維持在一定的轉速，
8. 數據擷取卡（Data Capture Card）
本數據擷取卡可直接擷取多種感應器輸入，並配合C語言所設計的DOS環境程式，可將壓力轉換器所量得之類比訊號轉成數位訊號，並可將所擷取之數值儲存於電腦中。
9. 個人桌上型電腦（Personal Computer）
我們所使用的個人電腦規格為AMD Athlon
將數據擷取卡所測得之數值儲存於電腦中，並利用已知之數據計算出風扇的流量與壓力，並以繪圖分析軟體繪製風扇性能曲線。
2.2 噪音實驗量測設備
在噪音量測方面，除了需要準備噪音計外，還必須有可擬似自由聲場的量測環境。而為了模擬人耳所感受的噪音值，本實驗採用量測指定位置的A權分貝（dbA），由參考文獻[33]我們採用可模擬自由聲場的半無響室環境設計，其中半無響室的條件如下：
1. 待測音源需遠離地板，以避免地板的反射音影響噪音源的判定，使半無響室的聲場相似於自由聲場。
2. 背景噪音必須小於15 db以下。
3. 噪音計架設位置需距離待測風扇出入口
4. 待測風扇噪音之聲壓位準需遠高於量測環境之背景噪音，以確保待測風扇噪音源分析不受外界干擾。
而本實驗所使用之噪音計量測範圍在30~130 db，可量測dbA與dbC，在此我們選擇dbA模式，取樣時間在0.1秒以內。
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