TPR2 – Calorimetry of Hot-Cat performed by means of IR camera

First issue: 08/02/2015

Introduction
Some recent experimental measurements by the Martin Fleischmann Memorial Project (MFMP) highlighted a possible error in the Hot-Cat calorimetric measurement; the calorimetric measurement we are referring to is described in the document known as “TPR2” or Lugano Report. In particular, in the report of the MFMP experiment the following consideration is stated:

The main revelation was that the emissivity required for the camera to correctly interpret the temperatures on the surface was very close to 0.95. When we plugged in the emissivities cited from literature in the Lugano report (0.8 to 0.4), the apparent temperature was 1200° to 1500°C at 900W in.

GSVIT already long ago had suggested that the measures and the calorimetric analysis performed by the Lugano Report authors (in the following AA) (G.Levi, E.Foschi, B.Höistad, R.Pettersson, Lars Tegnér, H. Essén) contained a fundamental error since they considered the Alumina as a gray body, as far as thermal radiation is concerned.

The experimental measurements by MFMP were carried out on a replica device (a simulacrum of the real Hot-Cat), confirmed what was only a hypothesis by GSVIT and, where correct, they allow to affirm that the method adopted by the TPR2 AA to calculate the reactor surface temperature (and therefore the amount of heat irradiated) was incorrect.
In general, it is difficult to define the error generated from a wrong method set-up on the outside temperature and radiated power measurements, since it is not sufficient that the simulacrum be identical in shape, dimensions and materials. Actually, Alumina can assume 7 polymorphic forms with different crystalline structure and industrially the word “pure Alumina” starts to be used for 99% purity. We want to recall here the results of the analysis of samples of the Hot-Cat Alumina as reported in TPR2:

The results confirmed that it was indeed alumina, with a purity of at least 99%. Details of this analysis will be found in Appendix 2.

However, although the presence of small percentages of impurities can alter its characteristics (what is exploited to make it fit better various applications) we did not succeed in finding in the literature a significant correlation between impurities and the Emissivity value (ε).

Assuming that MFMP used an alumina very similar to the Hot-Cat alumina, the resulting error in the Radiated Power estimation could be close to 2. In a similar way, the surface temperature would be overestimated by a few hundreds degrees; thus, considering that a wrong temperature measurement has a direct impact also on convection transferred heat by: Q=h*A*(Ts-Tamb), the error on the estimation of the emitted Power may be even higher.

Errors of this level of magnitude would be so important to question seriously the Report content and its conclusions.

Analysis
As previously highlighted in a technical analysis coming from Alan Fletcher, AAs adopt as their calorimetric method a measurement of Radiated Power based on the well known Stefan-Boltzmann law linking the Power emitted to (T)4, where T is the object absolute temperature. This measurement technique requires full knowledge of the value of the surface Emissivity of the object whose temperature one would like to estimate; the reason is that the temperature of the body is a key element for the calculation of the Power radiated through the Stefan-Boltzmann law.

The TPR2 AA decided to measure the Hot-Cat temperature by using only a thermo camera (model Optris PI160) and it is worthwhile to remember that they also said that it was not possible to place a reference thermocouple directly onto the reactor surface to establish a reliable reference of the actual temperature:

We also found that the ridges made thermal contact with any thermocouple probe placed on the outer surface of the reactor extremely critical, making any direct temperature measurement with the required precision impossible.

(This is a claim already disputed in the past because incomprehensible; this claim was proven wrong by MFMP that, instead were successful in placing it). The AA decided to calibrate the camera, used for measuring the surface temperature, according to this procedure:

  1. The temperature provided by the camera is fed to a diagram that maps the Emissivity temperature of pure Alumina (Figure 6 of TPR2)
  2. The diagram is checked to verify if the Emissivity value actually corresponds to the read temperature
  3. When no match is found, the camera Emissivity settings are adjusted until a perfect match between the temperature indicated by the camera and the temperature on the ordinate of the Emissivity/Temperature diagram for Alumina is met
  4. Eventually, the camera Emissivity is set to the found value

This method is correct only if the Alumina surface behaves as a gray body and the used diagram contains Emissivity data [see Note 1] for Alumina very similar to the one actually used. One has to remember that the Emissivity ε of a material is the fraction of energy radiated from the material compared to the energy radiated by a blackbody of the same temperature. Since the blackbody Emissivity is by definition unitary , any real object has Emissivity less than 1: if this value does not depend on the wavelength (λ) such material is called gray body. If instead the Emissivity versus wavelength has a completely different shape, such a material cannot be defined a gray body. This is, for example, the case of Alumina.

In practice, the AA did not adopt any of the techniques suggested by Optris GmbH (IR camera manufacturer) on page 10 of this document to estimate the correct Emissivity value:

Experimental Determination of Emissivities. In the addendum you will find emissivity dates for various materials from technical literature and measurement results. There are different ways to determine the emissivity.
Method 1: With the help of a thermocouple. With the help of a contact probe (thermocouple) an additional simultaneous measurement shows the real temperature of an object surface. Now the emissivity on the infrared thermometer will be adapted so that the temperature displayed corresponds to the value shown with the contact measurement. The contact probe should have good temperature contact and only a low heat dissipation.
Method 2: Creating a black body with a test object from the measuring material. A drilled hole (drilling depth ≤ ⅓) in thermal conducting material reacts similar to a black body with an emissivity near 1. It is necessary to aim at the ground of the drilled hole because of the optical features of the infrared device and the measuring distance . Then the emissivity can be determined.
Method 3: With a reference emissivity. A plaster or band or paint with a known emissivity, which is put onto the object surface, helps to take a reference measurement. With an emissivity thus adjusted on the infrared thermometer the temperature of the plaster, band or paint can be taken. Afterwards the temperature next to this surface spot will be taken, while simultaneously the emissivity will have to be adjusted until the same temperature is displayed as is measured beforehand on the plaster, band or paint. Now the emissivity is displayed on the device.

The AA have made use of specific “Dots” (whose Emissivity value is known) only for the measurement of some parts (the cable rods) whose materials (at much lower temperatures) were not analyzed and verified:

“Dots” of known emissivity, necessary to subsequent data acquisition, were placed in various places on the cable rods. It was not possible to perform this operation on the dummy reactor itself (and a fortiori on the E-Cat), because the temperatures attained by the reactor were much greater than those sustainable by the dots.

It was not possible to extract any samples of the material constituting the rods, as this is firmer than that of the reactor.

It should be noted that (see Figure 1) the Alumina (Al203) Spectral Emissivity values are known in literature and in particular those within the measurement bandwidth of the Optris OP160 thermal imager, this band ranging from 7.5 to 13 µm.

The Emissivity values ε = f (λ, T) are well documented in the publication by the US Department of Commerce National Bureau of Standards, Volume 7 (1971):

Precision Measurement and Calibration – Radiometry and Photometry

Figura 1 - NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

Figure 1 – NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

As shown in Figure 2A, 2B and Figure 3, for example, for temperatures ranging from 1200K to 1600K (i.e., from about 930 to 1330°C), the Spectral Emissivity measured values, within the camera measurement range, are between 0.85 and 0.95.

Figura 2 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figure 2 – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figura 2B - Table 2 details

Figure 2B – Table 2 details

Figura 3 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

Figure 3 – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

In addition to scientific literature, the results of the MFMP measurements show as well how the Alumina Spectral Emissivity value of their simulacrum varies greatly depending on the wavelength λ, for wavelengths close to 10 µm, i.e. in the ordinary camera range, this value is about 0.95 as confirmed by the document : Handbook of the Infrared Optical Properties of Al203. Carbon, MgO and Zr02. Volume 1 (an excerpt of which is available at this link), while the measured value of Total Emissivity (see Figure 4) to be used for calculating the power radiated, for a T around 1000°C, is less than half that value. Note how precisely in the neighborhood of these temperatures (which are probably those taken from the Hot-Cat during the test) one has minimum Emissivity, which in some measurement results to be lower than 0.3.

Figura 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

Figure 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

Furthermore, these measures show that the dispersion of the Total Emissivity real data, at the same temperature, well exceeds the error and the uncertainty that the AA are mentioning in TPR2:

The error associated with the plot’s trend has been measured at ± 0.01 for each value of emissivity: this uncertainty has been taken into account when calculating radiant energy.

In the AA report [ref. 3], R. Morrell, Handbook of properties of technical & engineering ceramics, Part 2, p. 88, in the comments for chart in Figure A4. 10, the author suggests readers should not to take that chart too literally:

Such data should be considered tentative because it is known that emissivity can vary with grain size, porosity and surface finish through varying degrees of translucency and optical scattering.

(In TPR2 Figure 6, Plot 1 was reportedly derived from this table).

The main issue at this point is the fact that the right way to proceed for AA would have been to use the Spectral Emissivity values for temperature measurements (for example, 0.900.95 similar to the values reported by MFMP) and the Total Emissivity value for the calculation of the radiated power by means of the Stefan-Boltzmann formula (typically 0.40 at high temperature). To be noted how these issues show how awkward (and in some ways not very cautious) was the choice to adopt this type of calorimetry.

The value of Emissivity to be used for the thermal imager during acquisition is much higher than that to be used for calculating the Radiated Power. If we consider an operating temperature of 1000°C, the peak spectral emission maximum (Wien peak), is approximately 2.3 µm.

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Since the Alumina Total Emissivity, as also reported in Figure 6 of the Report, decreases with increasing temperature (i.e., the decrease of the peak emission wavelength), the Total Emissivity to be used for power calculation actually coincides with the value indicated by the diagram (@ 1000°C it is about 0.4), while in the case of the temperature measurement by thermal imager, even if we are observing a body at 1000°C, the value of Emissivity to be used (i.e. the Emissivity within the camera measurement Spectrum) will still be what is appropriate for the reading range of the camera used (7.5-13 μm in this case).

As already noted in other occasions, in order to reduce the Emissivity error problem, those taking measurements in foundries or in the analysis of ovens do not use ordinary cameras (as that used by the AA), but cameras with a reading window in the field 3-5 μm. In our case, the choice of a camera with a reading window equal to 7.5-13 μm for certain aspects appears to be conditioned by the fact that only in that spectral range Alumina shows an Emissivity close to 1.

As an example, Figure 5 shows the Spectral Irradiance at a temperature of 1200K.
For an immediate comparison we calculated and report:

a) the blackbody spectrum @ T=1200K (blue curve)

b) the grey body spectrum @ T=1200K, with 0.45 Total Emissivity (gray curve)

c) the Alumina spectrum (red curve), according to Al203 Spectral Emissivity data @ T=1200K, based on the National Bureau of Standards data (see Figure 2). The missing ε=f(λ) values were obtained by interpolation.

Figura 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Figure 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Integration of the Black Body Spectrum @ T=1200K provides the theoretical value of Irradiance (Radiant Power RP) that turns out to be 117,573 W/m2. On the other hand, if integration is carried out only within the thermal camera measurement range (7.5 13 μm), one gets the RP value in the measurement bandwidth. Under these conditions, as a consequence of the used values, it is evident that the Grey Body with 0.45 Emissivity (value set in accordance with the TPR2 Plot1 @ T 1200K) has an irradiation significantly lower compared to the Alumina body while being at the same 1200K temperature.

Under these conditions the Black Body RP is 9.96 kW/m2 and, taking the ratio between the Alumina RP (9.4 kW/m2) and that of the Grey Body RP (4.48 kW/m2), one get a 2.1 factor clearly indicating the presence of a large measurement error due to incorrect use of Emissivity parameters.

In the same way, Figure 6 shows the Spectral Irradiance at a temperature of 1400K. As before, for the sake of comparison we calculated and report here:

a) the blackbody spectrum @ T=1400K (blue)

b) the Grey body spectrum @ T=1400K, with 0.4 Total Emissivity (gray)

c) the Alumina spectrum (red) according to data for Al203 Spectral Emissivity @ T=1400K, coming from National Bureau of Standards (see Figure 2). Missing ε=f(λ) values were obtained by interpolation.

Figura 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Figure 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Similarly, integration of the Black Body Spectrum @ T=1400K provides the theoretical value of Irradiance (Radiant Power RP) equal to 217,819 W/m2. Integration limited to the camera spectral range of measurement (7.513 μm), provides the RP value in the measurement bandwidth. Under these conditions, as a consequence of the used values, it is evident that the Grey Body with 0.4 Emissivity (value set in accordance with the instructions in the Plot1 TPR2 @ T 1400K) has an irradiation significantly lower compared to the Alumina at the same temperature.

In these conditions the Black Body RP is 13kW/m2 and the ratio between the Alumina RP (12.4 kW/m2) and the Grey Body RP (5.2 kW/m2), provides a 2.38 factor indicating the presence of a measurement error due to incorrect use of the Emissivity parameters.

To be noted that in Figures 5 and 6 the diagrams on the left side show the evolution of the spectrum of Planck as a function of frequency (f). Given the characteristic of inverse proportionality between frequency and wavelength, the left part of the diagram as a function of the wavelength (λ) [the diagram on the right] corresponds to the right side of the diagram as a function of the frequency and vice versa.

Figure 7 shows the link between Radiant Power and Temperature with reference to a measurement in the spectral range 7.5 13 μm. The black curve reports precisely the Black body Radiant Power that acts as a reference and calibration curve for the camera.

The graph takes the Emissivity ε as parameter in order to show how it affects the estimation of actual body temperature when measured using this IR camera methodology.

Figura 7 - Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

Figure 7 – Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

For example, let us consider the 1100K T1 temperature detected by a thermal imager with a wrongly set 0.45 Emissivity (correct value 0.90).

The RP deduced from the graph of Figure 7 for ε=0.45 (about 4 kW/m2) is in fact the one that competes to the curve with ε=0.90 but for an actual temperature T2 of only 800K (temperature overestimated by 300K).

Based on these temperature values, applying the Stefan-Boltzmann relation: P=ε*σ*(T^4-Tamb^4) to calculate the thermal power per unit area radiated by a body (σ=5.67*10^-8 [W/(m2*K4)] and Tamb 300K, i.e. 27°C), we obtain:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1100^4-300^4) = 40.4 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(800^4-300^4) = 14.7 [kW/m2]

To compare through the SB the power radiated, the Total Emissivity (for these temperatures from the TPR2 Plot1 ε1=0.49 and ε2=0.65) should consider. The ratio between Pmeas and Preal is 2.7 and this result indicates a large overestimation of the thermal power radiated from the body.

Nevertheless, the error may be even higher. Consider for example a temperature T1 of 1320K (about 1050°C) as seen by the camera which has been set (incorrectly) the value of emissivity 0.42 derived from the Plot1 TPR2 instead of the correct value 0.90.

The RP can be deduced from the graph in Figure 7 for ε between 0.40 and 0.45 (about 4.8 kW/m2) is actually the one that pertains to the curve ε = 0.90 but with an actual temperature T2 of only 880K (overestimation of the temperature = 440K).

Based on these temperature values, applying again the SB equations:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1320^4-300^4) = 72.1 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(880^4-300^4) = 19.8 [kW/m2]

As in the previous example, the Total Emissivity is considered for the SB (for these temperatures from the TPR2 Plot1 ε1=0.42 and ε2=0.59). The ratio between Pmeas and Preal is 3.6 i.e. still a huge overestimation of the thermal power radiated by the body and if, under these conditions, even higher Tmeas values were considered, it is not possible exclude that the error term (which continues to rise quickly, as well as the thermal power overestimation) would be even worse.

Coming back for a while to measurements and data in the MFMP report, it is interesting to see how what we report here is not just theory. The MFMP Test case is represented in Figure 8.

Figura 8 - MFMP Test case

Figure 8 – MFMP Test case

The MFMP have made a change in the emissivity value, by changing the camera settings, applying the change for comparison only to certain observed areas. The value has been changed from 1 to 0.7 for zones 7, 8 and 9.

Let us consider, for example, the area 7 of the device captured by the camera. The corresponding effect on the temperature indicated by the camera is to increase the read values from 985.7°C to 1276.5°C (a change of more than 290°C).

The following Figure 9 (where the area of interest in Figure 7 has been expanded) shows good agreement between the MFMP experimental data and the calculation of the temperature error that would be expected after the erroneous setting of Emissivity, due for example to the uncertainty on the actual value to be applied.

Figura 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Figure 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Finally, applying the SB to this Test case and using data of Total Emissivity (as from TPR2 Plot1), one would gain an overestimation of actual radiated thermal power by a 2.6 factor.

Experimental verification on a Alumina tube
A further experimental verification of the fact that the Emissivity of the Alumina in the field of 8-14 μm is approximately 0.95 was obtained by performing a simple test that makes use of a Pyrometer (a thermal imager was not available).

As can be verified by consulting the instrument Instruction Sheet, the Fluke 80T-IR Pyrometer has a window spectral response 8-14 μm very similar to that of the camera used by the AA in TPR2 (7.5-13 μm) and the instrument is calibrated for a 0.95 Emissivity.
Since the highest operating temperature for this instrument is 260°C, it was decided to limit the alumina temperature at about 160°C. The Pyrometer analog output signal (1 mV/°C) was sent to a milliVolt meter with full scale 200mV.

According to references, the Alumina Spectral Emissivity curve is weakly affected by the temperature so that the measurement is still significant. The AA as well made their calibration (or intended calibration) at a temperature of 450°C while the measures on the Hot-Cat were performed at much higher temperatures.

We used a pure Alumina tube (99.7%) by Sceram, 27mm outer diameter, 20mm inner diameter, 150mm length (code AAH01700, type C799 – DIN VDE 0335).

Four ceramic 68 ohm resistors (10W), in parallel, were inserted in the tube, as shown in Figures I and II.

Figura I

Figure I

Figura II

Figure II

A direct current coming from a stabilized power supply fed the resistors. To ensure good heat exchange between the resistors and the alumina tube, Portland dry powder cement filled any internal cavities, as shown in Figure III.

Figura III

Figure III

A type K thermocouple connected to a thermometer was placed within the alumina tube, as shown in Figure IV.

Figura IV

Figure IV

As shown in Figure V, the whole system was insulated with mineral wool to reduce the thermal exchange thus keeping the temperature remarkably uniform.

Figura V

Figure V

In the central area, the thermal insulation was removed to allow reading of the tube surface temperature by means of the optical Pyrometer.

The power supply voltage was adjusted to ensure that the system was maintained at a temperature of about 160°C (power approximately equal to 10W); comparative readings were then performed. For greater safety, once a thermal steady state was reached, 3 readings were performed with time intervals of tens of minutes (Figures VI, VII, VIII); the three measures provided very similar results.

Figura VI

Figure VI

Figura VII

Figure VII

Figura VIII

Figure VIII

The insulation was not particularly accurate since the presence of a thermal dissipation, and then a thermal gradient between the internal area measured by the thermocouple and the surface measured by the thermometer, provides an Emissivity value lower than the actual one.

The temperature read by the Pyrometer is lower than that read by the thermocouple of about 5°C, difference in part attributable to the thermal flow. Neglecting the difference in temperature resulting from this flow, and considering that the instrument Emissivity is calibrated @ 0.95, the effective Emissivity of the Alumina tube is in a first approximation equal to:

ε = 0.95*[(160 + 273)]^4 / [(165 + 273)]^4 = 0.907

At this temperature, using the TPR2 Emissivity values (0.70 at 160 °C), the Pyrometer read error would be around 34°C.

Conclusions
The MFMP experimental data are in agreement with those reported in the literature and confirm that the procedure and the Emissivity values, used by the TPR2 AA for measurements by the thermal imager, are incorrect. The GSVIT experimental test further showed that the pure Alumina Spectral Emissivity, in the reading field of the camera used to testing the Hot-Cat, is greater than 0.90. These data are very different from those plotted and used in the TPR2 by the AA that appear to be those related to Alumina Total Emissivity. In the 1200-1400°C temperature range, the TPR2 Plot1 considers an emissivity of about 0.40 while, according to the literature, the Spectral Emissivity, in the camera reading field, is stable around values close to 0.95. This kind of error can lead to a significant overestimation of the surface temperature and to an overestimation of thermal Power by a factor 2 or more. An error of such proportions (which appears likely in the light of the measurements) makes not reliable, in our opinion, the TPR2 measurement results of the heat produced by the Hot-Cat; on the contrary, a simple Mass Flow Calorimetry, similar to the one shown in a previous Post of ours, would have been feasible and most accurate.

Equipment used:
Skytronic 650 682 stabilized power supply
Hanna Hi935005 Thermometer
ICE 5600 Tester
Fluke 80T-IR Pyrometer
Radio Controlled Clock
Note 1: The graph of TPR2 Figure 6 shows the values of the alumina Total normal emissivity, that is in a direction perpendicular to the surface, εn (T, θ=0, φ). Since alumina is a dielectric material, the Emissivity value remains (within certain limits) weakly dependent on angle and can be taken as Total Emissivity.
Annunci
Pubblicato in Hot-Cat - Calorimetria, Hot-Cat - Calorimetria - Calorimetro a flusso | Contrassegnato | 19 commenti

TPR2 – Calorimetria del Hot-Cat eseguita utilizzando una Termocamera IR

Stesura del Report in data: 08/02/2015

Introduzione
Recenti misure sperimentali del Martin Fleischmann Memorial Project (MFMP) hanno messo in evidenza un significativo errore nella misura calorimetrica effettuata sull’Hot-Cat, misura calorimetrica riportata nel documento noto come “TPR2” (Lugano Report). In particolare nel resoconto sperimentale del MFMP viene riportata la seguente considerazione:

The main revelation was that the emissivity required for the camera to correctly interpret the temperatures on the surface was very close to .95. When we plugged in the emissivities cited from literature in the Lugano report (0.8 to 0.4), the apparent temperature was 1200 to 1500C at 900W in.

GSVIT già molto tempo addietro aveva avanzato l’ipotesi che le misure e l’analisi calorimetrica effettuata dagli autori (AA) del Report (prof. G.Levi, E.Foschi, B.Höistad, R.Pettersson, Lars Tegnér, H.Essén) contenessero l’errore fondamentale di considerare l’Allumina, dal punto di vista termico EM, come un corpo assimilabile ad un corpo grigio.

Le misure sperimentali, effettuate dal MFMP, eseguite su una loro replica del dispositivo (un simulacro del Hot-Cat), confermano quella ipotesi del GSVIT e se le misure del MFMP sono corrette, si può affermare che il metodo adottato dagli AA del TPR2 per calcolare la temperatura superficiale del reattore (e quindi la quantità di calore irraggiato) era errato.
Quanto l’utilizzo del metodo errato possa pesare sulla misura della temperatura esterna e sulla misura della Potenza irraggiata non è possibile definirlo con precisione, dato che non è sufficiente che il simulacro sia identico nella forma, nelle misure e realizzato anch’esso di Allumina pura. L’Allumina infatti può presentarsi in 7 forme polimorfe con diversa struttura cristallina e industrialmente la dicitura “Allumina pura” è utilizzata già per purezze del 99%. Ricordiamo a questo proposito gli esiti dell’analisi dei campioni di Allumina del Hot-cat eseguiti e riportati nel TPR2:

The results confirmed that it was indeed alumina, with a purity of at least 99%. Details of this analysis will be found in Appendix 2.

La presenza di piccole percentuali di impurezze può alterare le caratteristiche (e questo è sfruttato per renderla più adatta alle varie applicazioni) ma non abbiamo trovato in letteratura una influenza determinante di tali impurezze sul valore della Emissività ε.

Nell’ipotesi che l’Allumina utilizzata dal MFMP e quella utilizzata nell’Hot-Cat siano molto simili, l’errore introdotto nella stima della Potenza emessa potrebbe essere dell’ordine di un fattore 2, mentre la temperatura superficiale sarebbe stata sopravvalutata di centinaia di gradi e considerando anche che una misura della temperatura errata ha impatto diretto anche sulla parte di calore ceduto per convezione: Q=h*A*(Ts-Tamb), l’errore sulla stima della Potenza emessa potrebbe essere anche superiore.

Errori di questa entità sarebbero talmente rilevanti da mettere fortemente in discussione il contenuto del Report e le sue conclusioni.

Analisi
Come già messo in evidenza nell’analisi tecnica di Alan Fletcher gli AA adottano per la misura calorimetrica una misura della Potenza irraggiata basata sulla nota legge di Stefan-Boltzmann che lega la Potenza emessa alla (T)4, dove T è la temperatura assoluta di un oggetto. Questa tecnica di misura si basa sulla conoscenza del valore esatto di Emissività della superficie della quale si vorrebbe stimare la temperatura, questo perchè il valore di temperatura del corpo è un elemento fondamentale per il calcolo della Potenza irraggiata secondo la legge di Stefan-Boltzmann.

Gli AA del TPR2 hanno deciso di misurare la temperatura del Hot-Cat utilizzando solo la termocamera (termocamera tipo Optris PI160) e va ricordato che hanno anche affermato che non era possibile posizionare una termocoppia di confronto applicata direttamente sulla superficie del reattore per stabilire dei riferimenti affidabili dell’effettiva temperatura:

We also found that the ridges made thermal contact with any thermocouple probe placed on the outer surface of the reactor extremely critical, making any direct temperature measurement with the required precision impossible.

(una affermazione questa già contestata all’epoca perchè incomprensibile, il fatto che il MFMP invece sia riuscito nell’intento smentisce di fatto quelle loro affermazioni) ed hanno deciso di calibrare la termocamera, utilizzata per la misura della temperatura superficiale, basandosi sul seguente procedimento:

  1. si rileva il valore della temperatura indicato dalla termocamera e con quello si entra nel diagramma che associa l’Emissività alla temperatura dell’Allumina pura (Figura 6 del TPR2)
  2. successivamente sul diagramma si controlla se quel valore di Emissività corrisponde effettivamente al valore di temperatura letta.
  3. supponendo che non corrisponda, si varia l’impostazione dell’Emissività sulla termocamera fino a trovare il valore che porta alla coincidenza tra il valore di temperatura indicato dalla termocamera e il valore di temperatura in ordinata sul diagramma Emissività/Temperatura relativo all’Allumina
  4. ed infine si imposta nella termocamera un valore di Emissività pari a quell’ipotetico valore

Questo metodo sarebbe corretto se la superficie dell’Allumina si comportasse come un corpo grigio e nell’ipotesi che i dati del diagramma utilizzato [relativi all’Emissività Totale (Nota1)] si riferissero ad una Allumina identica a quella effettivamente utilizzata. Si ricorda che l’Emissività ε di un materiale è la frazione di energia irraggiata dal materiale rispetto all’energia irraggiata da un corpo nero alla stessa temperatura. Assunta unitaria l’Emissività del corpo nero un qualunque oggetto reale ha Emissività inferiore: se il valore non dipende dalla lunghezza d’onda λ tale materiale viene denominato corpo grigio. Se il valore dell’Emissività invece varia apprezzabilmente in funzione della lunghezza d’onda non si può definire tale materiale come corpo grigio. Questo è, ad esempio, il caso dell’Allumina.

Gli AA sostanzialmente non hanno adottato nessuna delle tecniche suggerite da Optris GmbH (IR camera manufacturer) a pagina 10 di questo documento, al fine di stimare il corretto valore dell’Emissività:

Experimental Determination of Emissivities In the addendum you will find emissivity dates for various materials from technical literature and measurement results. There are different ways to determine the emissivity.
Method 1: With the help of a thermocouple. With the help of a contact probe (thermocouple) an additional simultaneous measurement shows the real temperature of an object surface. Now the emissivity on the infrared thermometer will be adapted so that the temperature displayed corresponds to the value shown with the contact measurement. The contact probe should have good temperature contact and only a low heat dissipation.
Method 2: Creating a black body with a test object from the measuring material. A drilled hole (drilling depth ≤ ⅓) in thermal conducting material reacts similar to a black body with an emissivity near 1. It is necessary to aim at the ground of the drilled hole because of the optical features of the infrared device and the measuring distance. Then the emissivity can be determined.
Method 3: With a reference emissivity. A plaster or band or paint with a known emissivity, which is put onto the object surface, helps to take a reference measurement. With an emissivity thus adjusted on the infrared thermometer the temperature of the plaster, band or paint can be taken. Afterwards the temperature next to this surface spot will be taken, while simultaneously the emissivity will have to be adjusted until the same temperature is displayed as is measured beforehand on the plaster, band or paint. Now the emissivity is displayed on the device.

Gli AA si sono avvalsi degli specifici “Dots” (il cui valore di Emissività è noto) solo per quanto riguarda la misura di alcune parti (i cable rods) i cui materiali (a temperature molto  inferiori) non sono stati analizzati e verificati:

“Dots” of known emissivity, necessary to subsequent data acquisition, were placed in various places on the cable rods. It was not possible to perform this operation on the dummy reactor itself (and a fortiori on the E-Cat), because the temperatures attained by the reactor were much greater than those sustainable by the dots.

It was not possible to extract any sample of the material constituting the rods, as this is firmer than that of the reactor.

Va rilevato che in letteratura (vedere Figura 1) sono noti i valori di Emissività spettrale dell’Allumina (Al2O3) ed in particolare quelli nella banda di misura della termocamera Optris OP160, banda che va da 7.5 a 13 µm.

I valori di Emissività ε = f(λ,T) sono documentati nel pubblicazione del 1971 del U.S. Department of Commerce National Bureau of Standard, volume 7:

Precision Measurement and Calibration – Radiometry and Photometry

Figura 1 - NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

Figura 1 – NBS Precision Measurement and Calibration Photometry and Radiometry

e come mostrato in Figura 2A,2B e Figura 3 ad esempio per temperature comprese tra 1200 e 1600 K cioè da circa 930 a 1330 °C, l’Emissività Spettrale assume un valore misurato compreso tra 0.85 e 0.95 nel campo di misura della termocamera.

Figura 2 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figura 2A – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght and Temperature

Figura 2B - Table 2 details

Figura 2B – Table 2 details

Figura 3 - Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

Figura 3 – Alumina (99+) Emittance vs Wavelenght @ 1400 K

Oltre alla letteratura scientifica, anche i risultati delle misure effettuate dal MFMP mostrano come il valore di Emissività Spettrale dell’Allumina del loro simulacro vari grandemente in funzione della lunghezza d’onda λ, per lunghezze d’onda prossime ai 10 µm, cioè nel campo letto dalle normali termocamere, tale valore risulta circa 0.95, valori sostanzialmente confermati anche dal documento: Handbook of the Infrared Optical Properties of Al2O3. Carbon, MGO and ZrO2. Volume 1 (di cui uno stralcio è reperibile a questo link), mentre il valore misurato di Emissività Totale (vedere Figura 4) da utilizzare per il calcolo della potenza irraggiata, per una T intorno ai 1000°C, risulta meno della metà. Si noti come proprio nell’intorno di queste temperature (che sono quelle probabilmente assunte dall’Hot-Cat durante il test) si abbia il minimo di emissività, che in qualche misurazione risulta essere inferiore a 0.3.

Figura 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

Figura 4 – Al2O3 Total Emissivity vs Temperature

 

Inoltre queste misure mostrano come la dispersione reale dei dati di Emissività Totale, a parità di temperatura, vada ben oltre l’errore e l’incertezza che gli AA citano nel TPR2:

The error associated with the plot’s trend has been measured at ± 0.01 for each value of emissivity: this uncertainty has been taken into account when calculating radiant energy.

ed anche R.Morrell, autore del testo preso a riferimento [3] dagli AA, nel suo libro: Handbook of properties of technical & engineering ceramics, Part 2, precisa a pagina 88, a commento del suo grafico di pagina 87 Figura A4.10 (quello posto come Figura 6 del TPR2 e che poi ha dato origine al Plot1 del TPR2), mettendo in guardia il lettore dal prendere quel grafico troppo alla lettera:

Such data should be considered tentative because it is known that emissivity can vary with grain size, porosity and surface finish through varying  degrees of optical translucency and scattering.

La questione principale rimane comunque quella che gli AA avrebbero dovuto utilizzare il valore di Emissività Spettrale per le misure con la termocamera (ad esempio 0.900.95 similmente ai valori rilevati dal MFMP) mentre il valore dell’Emissivita’ Totale per il calcolo della Potenza irraggiata applicando la formula di Stefan-Boltzmann (tipicamente 0.40 ad alta temperatura). Si noti come queste questioni dimostrano quanto delicata (e per certi versi poco oculata) sia stata la scelta di adottare questo tipo di calorimetria.

Il valore di Emissività da utilizzare per la termocamera risulta molto superiore a quello da utilizzare per il calcolo della Potenza irraggiata. Se si considera una temperatura di esercizio di 1000°C, il picco spettrale di emissione massima (picco di Wien), si trova a circa 2.3 µm.

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Blackbody Wien displacement Spectrum @ T=1000°C

Dal momento che l’Emissività Totale dell’Allumina, come anche riportato nella Figura 6 del Report, diminuisce all’aumentare della temperatura (cioè al diminuire della lunghezza d’onda del picco di emissione), l’Emissività Totale da utilizzare per il calcolo della potenza coincide effettivamente col valore indicato dal diagramma (a 1000°C indica circa 0.4), mentre nel caso della misura tramite termocamera, anche se stiamo osservando un corpo a 1000°C, il valore di Emissività da utilizzare (cioè l’Emissività nello Spettro di misura della termocamera) sarà comunque quello che compete al campo di lettura della termocamera utilizzata (7.5-13 µm in questo caso).

Come già sottolineato in altre occasioni, al fine di ridurre il problema dell’errore di Emissività, in fonderia e nell’analisi dei forni non si utilizzano delle normali termocamere (come invece hanno utilizzato gli AA), ma le termocamere con finestra di lettura nel campo 3-5 µm. In questo caso la scelta di una termocamera con finestra di lettura 7.5-13 µm per taluni aspetti appare condizionata dal fatto che solo in quel campo spettrale l’Allumina presenza Emissività prossima a 1.

A titolo di esempio in Figura 5 è riportata l’Irradianza Spettrale alla temperatura di 1200K.

Per un confronto immediato sono stati calcolati e riportati:

a) in blu lo Spettro di un Corpo Nero @ T=1200K

b) in grigio lo Spettro che un Corpo Grigio @ T=1200K, di Emissività Totale 0.45

c) in rosso lo Spettro del corpo di Allumina secondo i dati di Emissività Spettrale del Al2O3 @ T=1200K, ricavato sulla base dei dati del National Bureau of Standard (vedere Figura 2). I valori ε = f(λ) mancanti sono stati ottenuti per interpolazione.

Figura 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Figura 5 – Planck’s Spectrum 1200K

Integrando lo Spettro  per il Corpo Nero @ T=1200K si ottiene il valore teorico di Irradianza (Radiant Power RP) pari a 117573 W/m2. Integrando invece solo l’area dello Spettro che cade all’interno del range spettrale di misura della Termocamera (che ricordiamo essere 7.513 µm), si ottiene il valore di RP nella banda di misura. In queste condizioni per effetto dei valori utilizzati, risulta evidente che il Corpo Grigio con Emissività 0.45 (valore settato in accordo con quanto riportato nel Plot1 del TPR2 @ T 1200K) presenta irradiazione largamente inferiore rispetto al Corpo di Allumina pur essendo alla medesima Temperatura di 1200K.

In queste condizioni per Corpo Nero la RP vale 9.96kW/m2 e calcolando il rapporto tra la RP dell’Allumina 9.4kW/m2 e quella del Corpo Grigio 4.48kW/m2, si ottiene un fattore 2.1 che testimonia la presenza dell’errore di misura dovuto all’errato utilizzo dei parametri di Emissività.

Analogamente in Figura 6 è riportata l’Irradianza Spettrale alla temperatura di 1400K. Come in precedenza per un confronto immediato sono stati calcolati e riportati:

a) in blu lo Spettro di un Corpo Nero @ T=1400K

b) in grigio lo Spettro che un Corpo Grigio @ T=1400K, di Emissività Totale 0.4

c) in rosso lo Spettro del corpo di Allumina secondo i dati di Emissività Spettrale del Al2O3 @ T=1400K, ricavato sulla base dei dati del National Bureau of Standard (vedere Figura 2). I valori ε = f(λ) mancanti sono stati ottenuti per interpolazione.

Figura 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Figura 6 – Planck’s Spectrum 1400K

Analogamente integrando lo Spettro per il Corpo Nero @ T=1400K si ottiene il valore teorico di Irradianza (Radiant Power RP) pari a 217819 W/m2. Integrando invece solo l’area dello Spettro che cade all’interno del range spettrale di misura della Termocamera (che ricordiamo essere 7.513 µm), si ottiene il valore di RP nella banda di misura. In queste condizioni per effetto dei valori utilizzati, risulta evidente che il Corpo Grigio con Emissività 0.4 (valore settato in accordo con quanto riportato nel Plot1 del TPR2 @ T 1400K) presenta irradiazione largamente inferiore rispetto al Corpo di Allumina pur essendo alla medesima Temperatura di 1400K.

In queste condizioni per Corpo Nero la RP vale 13kW/m2 e calcolando il rapporto tra la RP dell’Allumina 12.4kW/m2 e quella del Corpo Grigio 5.2kW/m2, si ottiene un fattore 2.38 che testimonia la presenza dell’errore di misura dovuto all’errato utilizzo dei parametri di Emissività.

Notare che i diagrammi a sinistra nelle due Figure 5 e 6 mostrano l’andamento dello spettro di Planck in funzione della frequenza (f). Data la caratteristica di proporzionalità inversa tra frequenza e lunghezza d’onda, la parte sinistra del diagramma in funzione della lunghezza d’onda (λ) [il diagramma posto sulla destra] corrisponde alla parte destra del diagramma in funzione della frequenza e viceversa.

La Figura 7 mostra il legame tra Radiant Power e la Temperatura riferita ad una misurazione nel range spettrale 7.513 µm. La curva color nero rappresenta appunto la Radiant Power del Corpo Nero che fa da riferimento e curva di calibrazione per la termocamera.

Il grafico ha a parametro l’Emissività ε al fine di mostrare quanto essa incida sulla stima della reale temperatura del corpo quando quest’ultima venga misurata utilizzando questo tipo di metodologia con termocamera IR.

Figura 7 - Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

Figura 7 – Radiant Power Vs Temperature and Emissivity (Spectral range 7.5-13 µm)

Si consideri ad esempio la temperatura T1 di 1100K rilevata con una termocamera nella quale sia stata settata (erroneamente) una Emissività di 0.45 al posto del valore corretto 0.90.

La RP desumibile dal grafico di Figura 7 per una ε=0.45 (circa 4kW/m2) è in realtà quella che compete alla curva ε=0.90 ma con una Temperatura effettiva T2 di soli 800K (sovrastima della temperatura di 300K).

Sulla base di questi valori di temperatura, se si applica la relazione Stefan-Boltzmann: P=ε*σ*(T^4-Tamb^4) allo scopo di calcolare la potenza termica radiata da un corpo per unità di superficie (σ=5.67*10^-8 [W/(m2*K4)] e Tamb 300K, cioè 27°C), si ottiene:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1100^4-300^4) = 40.4 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(800^4-300^4) = 14.7 [kW/m2]

per eseguire il raffronto della Potenza irradiata con la SB va considerata l’Emissività Totale (per queste temperature da Plot1 del TPR2 ε1=0.49 e ε2=0.65). Il rapporto tra Pmeas e Preal vale 2.7 e questo risultato indica una grande sovrastima della Potenza termica irradiata dal corpo del quale invece si vorrebbe valutare con precisione il calore ceduto all’ambiente per irradiazione elettromagnetica.

Ma l’errore può essere anche superiore. Si consideri ad esempio una temperatura T1 di 1320K (circa 1050°C) come rilevata dalla termocamera nella quale sia stato settato (erroneamente) il valore di Emissività di 0.42 desunto dal Plot1 del TPR2 al posto del valore corretto 0.90.

La RP desumibile dal grafico di Figura 7 per una ε compresa tra 0.40 e 0.45 (circa 4.8kW/m2) è in realtà quella che compete alla curva ε=0.90 ma con una Temperatura effettiva T2 di soli 880K (sovrastima della temperatura di 440K).

Sulla base di questi valori di temperatura, applicando poi la relazione Stefan-Boltzmann si ottiene:

Pmeas(T1) = ε1*σ*(1320^4-300^4) = 72.1 [kW/m2]

Preal(T2) = ε2*σ*(880^4-300^4) = 19.8[kW/m2]

come nell’esempio precedente per la SB si considera l’Emissività Totale (per queste temperature da Plot1 del TPR2 ε1=0.42 e ε2=0.59). Il rapporto tra Pmeas e Preal risulta 3.6 cioè ancora una enorme sovrastima della Potenza termica irradiata dal corpo e se, in queste condizioni, si considerassero valori di Tmeas della termocamera ancora superiori, non si puo’ escludere che i risultati in termine di errore (che continua ad incrementarsi velocemente, come pure la sovrastima della Potenza termica) sarebbero ancora peggiori.

Ritornando per un attimo alle misure e ai dati del resoconto del MFMP è interesante verificare come quella esposta non sia solo teoria. Il Test case del MFMP è rappresentato in Figura 8.

Figura 8 - MFMP Test case

Figura 8 – MFMP Test case

Il MFMP ha operato una variazione del valore di Emissività, modificando il settaggio sulla termocamera, applicandolo per confronto solo ad alcune zone osservate. Il valore è stato variato da 1 a 0.7 per le zone n.7, n.8 e n.9.

Consideriamo ad esempio la zona n.7 del dispositivo inquadrato dalla telecamera. L’effetto conseguente sulla temperatura indicata dalla temocamera è che i valori letti passano da 985.7°C a 1276.5°C (un variazione di oltre 290°C).

La figura seguente (Figura 9, ampliata rispetto alla precente Figura 7 per rappresentare meglio la zona di interesse) mostra l’esistenza di un buon accordo tra i dati sperimetali del MFMP e il calcolo dell’errore di temperatura che ci si aspetterebbe a fronte di quel erroneo settaggio dell’Emissività, dovuto ad esempio all’incertezza sul valore effettivo che è da applicare.

Figura 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Figura 9 – Temperature error vs Emissivity in MFMP test condition (Spectral range 7.5-13 µm)

Infine applicando a questo Test case la SB ed utilizzando i dati di Emissività Totale  (come da Plot1 del TPR2), si ricaverebbe una sovrastima della Potenza termica effettivamente irradiata di un fattore 2.6.

Verifica sperimentale tubo di Allumina
Una ulteriore verifica sperimentale del fatto che l’Emissività dell’Allumina nel campo 8-14 µm vale circa 0.95 è stata ottenuta eseguendo un semplice test che fa uso di un Pirometro (non avendo a disposizione una termocamera).

Come si può verificare consultando l’Instruction Sheet dello strumento, il Pirometro 80T-IR della Fluke ha una finestra spettrale di risposta 8-14 µm molto simile a quella della termocamera utilizzata dagli AA nel TPR2 (7.5-13 µm) e lo strumento è calibrato per una Emissività pari a 0.95.
Poiché il limite operativo di temperatura per tale strumento è di 260°C  si è deciso di limitare la temperatura dell’allumina a circa 160°C. L’uscita analogica del Pirometro, pari a 1mV/°C , è stata collegata a un milliVoltmetro con fondo scala 200mV.

Secondo la bibliografia la curva dell’Emissività spettrale dell’Allumina è poco influenzata dalla temperatura per cui la misura risulta comunque significativa. Gli stessi AA hanno eseguito quella che secondo loro era la calibrazione alla temperatura di 450°C mentre le misure del Hot-Cat sono state eseguite a temperature decisamente superiori.

Si è utilizzato un tubo in Allumina pura (99.7%) della Sceram, diametro esterno 27mm, diametro interno 20mm, lunghezza 150mm (codice AAH01700, tipo C799 – DIN VDE 0335).

All’interno del tubo, come visibile nelle Figure I e II sono state inserite 4 resistenze da 68 ohm 10W in ceramica, collegate in parallelo.

Figura I

Figura I

Figura II

Figura II

Le resistenze sono state alimentate in Corrente Continua mediante alimentatore stabilizzato. Per garantire un buon scambio di calore tra le resistenze e il tubo in Allumina si è riempita ogni cavità interna mediante polvere secca di cemento Potland, come visibile in Figura III.

Figura III

Figura III

All’interno del tubo di Allumina è stata posta una termocoppia tipo K collegata a un termometro, come visibile in Figura IV.

Figura IV

Figura IV

Come visibile in Figura V, l’intero sistema è stato coibentato mediante lana di roccia per ridurre lo scambio termico garantendo così una notevole uniformità di temperatura.

Figura V

Figura V

Nella zona centrale l’isolamento termico viene interrotto per permettere la lettura della temperatura superficiale del tubo mediante il Pirometro ottico.

La tensione dell’alimentatore è stata regolata per far sì che il sistema si stabilizzasse alla temperatura di circa 160°C (potenza circa pari a 10W), poi sono state eseguite le letture comparative. Per maggior sicurezza, una volta raggiunta la stabilità termica, sono state eseguite 3 letture a distanza di decine di minuti (Figure VI, VII, VIII), le tre misure hanno fornito risultati molto simili.

Figura VI

Figura VI

Figura VII

Figura VII

Figura VIII

Figura VIII

La coibentazione non è stata particolarmente curata dal momento che la presenza di una dissipazione termica, quindi di un gradiente termico tra la zona interna misurata dalla termocoppia e la superficie misurata dal termometro, porta al limite ad una stima del valore di Emissività inferiore al reale.

La temperatura letta dal Pirometro è risultata inferiore a quella letta dalla termocoppia di circa 5°C, differenza in parte imputabile al flusso termico. Trascurando la differenza di temperatura derivante da tale flusso e considerando che lo strumento è calibrato per una Emissività di 0.95, l’effettiva Emissività del tubo di Allumina risulta in prima approssimazione pari a:

 ε= 0.95* [(160 + 273) ]^4 / [(165 + 273) ]^4 = 0.907

A questa temperatura, utilizzando i valori di Emissività del TPR2 che a 160°C risultava valere circa 0.70, l’errore di lettura del Pirometro sarebbe stato di circa 34°C.

Conclusioni
I dati sperimentali ricavati dal MFMP sono in accordo con quelli presenti in letteratura e confermano che la procedura ed i valori di Emissività, utilizzati dagli AA del TPR2 per le misure con la termocamera, sono errati. Il test sperimentale GSVIT ha ulteriormente dimostrato che l’Emissività Spettrale dell’Allumina pura, nel campo di lettura della termocamera utilizzata durante i test sull’Hot-Cat, è superiore a 0.90. Questi dati risultano molto diversi da quelli diagrammati ed utilizzati nel TPR2 dagli AA che risultano essere quelli relativi all’Emissività Totale dell’Allumina. Nel range di temperature 1200-1400°C il Plot1 del TPR2 fa riferimento ad una Emissività di circa 0.40 mentre secondo la letteratura l’Emissività Spettrale, nel campo di lettura della termocamera, si mantiene intorno a valori prossimi a 0.95. Questo genere di errore può portare ad una notevole sovrastima della temperatura superficiale e ad una sovrastima della Potenza termica di un fattore 2 o più. Un errore di queste proporzioni (che alla luce delle misure eseguite appare probabile) rende i risultati delle misure del calore prodotto dal Hot-Cat, riportate nel TPR2, a nostro avviso non attendibili, mentre sarebbe stata fattibile una semplice ed accurata Calorimetria a flusso similmente a quella illustrata nel precedente Post.

Strumentazione utilizzata:
Alimentatore stabilizzato Skytronic 650.682
Termometro Hanna Hi935005
Tester ICE 5600
Pirometro Fluke 80T-IR
Orologio radiocontrollato
Nota1: Il grafico di Figura 6 del TPR2 riporta i valori di Total normal emissivity dell’Allumina, cioe’ nella direzione perpendicolare alla superficie, εn(T, θ=O, φ). Trattandosi di materiale dielettrico il valore di Emissività rimane (entro certi limiti) poco dipendente dall’angolo ed in quel caso puo’ essere assunto come Emissività Totale.
Pubblicato in Hot-Cat - Calorimetria, Hot-Cat - Calorimetria - Calorimetro a flusso | Lascia un commento

Further measurements on the MD-6K-N pump used by Tadahiko Mizuno

First issue: 10/01/2015
Publication: 10/01/2015
Translation: 12/01/2015

After reading recently a comment (posted in the mail-archive vortex-l by Dave Roberson) regarding our recent calorimetry measurement of the magnetic drive pump Iwaki MD6, followed by a post that tried to explain the large difference between the power transferred to water during our tests (4.3W) and that estimated by Jed Rothwell (0.25W), we decided to respond with a new post rather than just putting a simple answer in the comments, in the hope that shedding light on these measures can be helpful to anyone willing to address these issues.

Roberson in his comment asserted that the different obtained values were due to the pipe diameter difference (5mm in our test, 10mm in the Mizuno’s pipe).

In particular, he writes:

…Now our favorite skeptic claims that he is using .5 cm pipe instead of the 1 cm pipe used by Mizuno and does not realize that he is making a major error. But, the area of that pipe is reduced by a factor of 4 since it is exactly 1/2 the inner diameter of the original. With a factor of 4 reduction in area comes an increase in the velocity of the water flowing through it by that factor 4 in order to achieve the same mass flow rate. Every thing else being equal you find that the energy imparted upon the water that is sped up from rest to a velocity that is 4 times that from the first case yields the square of that factor. In which case it is 4^2 which is 16 times.

According to this comment, since the pipe used by GSVIT has a diameter half that used by Mizuno, its section is 4 times smaller, and the speed of water at the output 4 times higher; since the kinetic energy depends on the square of the velocity, the kinetic energy associated with water at the output (that is transformed into heat by friction) is 16 times higher, the exact relationship between the two measurements (4.3W against 0.25W).

The commentator also ended by thanking the Mathematics that in his view had solved the problem and congratulated Jed.

…I love it when the math holds up so well.
Congratulations Jed, you got it right.

Unfortunately we have to disenchant him. His reasoning is typical of a person who has scientific knowledge but, almost certainly due to a lack of experience in the field, has analyzed the problem only at it surface. We hope that these notes and the further test that we have added can convince him (and those who make use of his approach) that the reality may seem simple, but almost always the simplest systems, if not observed with the necessary depth, can deceive and lead to erroneous conclusions.

First of all let’s be clear that he would have to be aware of his error by the following simple calculation based on the very few data provided by the pump manufacturer and already published in our previous post:

  • maximum pump flow = 8 litres / min
  • maximum pump head = 1 meter H2O

Obviously the head decreases with increasing flow rate, and the maximum flow is measured at 0 head, as per original data sheet.

We considered, however, applying more conservative constrains, to have simultaneously the maximum flow rate and the maximum head.

The power transferred to the water under these conditions is [by standard theory]:

P = q * ρ * g * h

where:

  • q è la flow capacity = [(8 x 10^-3) /60] m3/s
  • ρ è la density of water @20°C = 998 kg/m3
  • g è la standard acceleration gravity = 9.81 m/s2
  • h è la differential head = 1 m

so that P = [(8 x 10^-3) /60] x 998 x 9.81 x 1 = 1.3W

from this calculation it is clear, however, that this is not the right way to explain a 4W difference.

If we calculate the kinetic energy associated with the water jet exiting the discharge the pump [as done by Roberson], assuming as he does that the flow rate remains the same when passing from 5mm to 10mm [that is wrong], we can write:

  1. water speed @10mm = (8 x 10^-3/60)/[(5 x 10^-3)^2 x π] = 1.7 m/s
  2. water speed @ 5mm = (8 x 10^-3/60)/[(2.5 x 10^-3)^2 x π] = 6.8 m/s
  3. power in the first case = ½ x (8 x 10^-3/60) x 1000 x (1.7)^2 = 0.19W
  4. power in the second case = ½ x (8 x 10^-3/60) x 1000 x (6.8)^2 = 3.07W

Note that this power (ref. 4) is still significantly lower than the measured 4.3W, but it is certainly much higher than the actual value since we considered that the pump could simultaneously provide the maximum flow (8 liters / h) and the maximum head (1 m). The output speed calculated in the case of the 5mm pipe is in fact too high (6.8 m/s !) and corresponds (with a 100% nozzle efficiency) to 2.3 meters head, whereas the pump actually has a maximum head of 1 meter.

For verification, as shown in Figure I, we connected again 5mm pipe to the pump to measure the actual output speed of the water.

Figure I - Pump with a 5mm pipe output

Figure I – Pump with a 5mm pipe output

Figure II shows that the jet has a length of 28cm and the height difference between the nozzle and the surface of the water, where the jet is falling, is 10cm.

Figure II - Jet Pump 28cm and 10cm height difference

Figure II – Jet Pump 28cm and 10cm height difference

From Physics, using classical formulas for uniformly accelerated motion, we can write:

(a) for the vertical motion: s = ½ x g x (t^2 )

0.1 = ½ x 9.81 x t^2 which immediately provides: t = 0.143 seconds

(b) for the horizontal motion: s = v x t

0.28 = v x 0.143 from which it is immediately obtained: v = 1.96 m/s

The flow rate is: Q = π x ((2.5 x 10^-3)^2) x 1.96 = 3.85 x 10^-5 m3/s, and then only 2.31 l/min

The power associated with the kinetic energy is then: P = ½ x (2.31 x 10^-3/60) x 1000 x (1.96^2) = 0.074W

The resulting power is very small and is lower than that calculated for the 10 mm pipe because in that case as well a 8 l / min flow rate was considered, while the 40cm long 5mm pipe used in this measurement (the same we used in our original test) set the pump working point very close to the working point in the Mizuno system (which adopted a 10mm pipe, but 16 meters long), as it was our intention.

The power associated with the real flow, in the Mizuno’s system, was about:

P = ½ x (2.3 x 10^-3/60) x 1000 x (0.49)^2 = 0.0046W.

It is thus demonstrated that the difference in power measured by us (4.3W) and that indicated by Rothwell (0.25W) is not caused by the pipe diameter.

These simple calculations would be sufficient to set the matter, but here we want to take the opportunity to clarify what we wrote privately to Rothwell about the matter: actually the pipe diameter has no influence on power transferred from the pump to the water, being in reality this power equal to the flow rate times the load loss (head) in the working point of the pump. As explained in the description of the previous test, the pipe diameter has been calculated in order to have a load loss (approximately) equal to that of the Mizuno’s system. Had we adopted a pipe of the same diameter as that used by Mizuno, but shorter, the working point of the pump would have been moved to higher flow and lower head, with the result of increasing (albeit slightly) the power transferred to water. On the other hand, it was impractical to use a 10mm pipe 16 meters long, because the heat loss to the environment would have been excessive thus affecting the measurement.

Figure 1 shows typical curves of a centrifugal pump.

Figure 1 - Typical curves of a centrifugal pump

Figure 1 – Typical curves of a centrifugal pump

As one can see the power consumption (heat transferred to the fluid) grows with decreasing head and is maximum at zero head. Therefore, the decision to adopt that very diameter was taken to avoid measuring a power greater than the real one. A proof of this assertion was obtained when running again the calorimetry test on the pump, increasing the diameter to 10mm, as shown in the following.

Test using a 10mm diameter pipe

Since it is not a test of special importance (it has only demonstration purposes as a response to some comments ) no insulation was applied. This fact, combined with the pipe larger surface area, explains why the delta temperature versus time characteristics is inclined more than in the previous test when the water temperature exceeds the room temperature substantially. However, in this case as well, the measured curve can be approximated by a straight line if the water temperature is kept close to the ambient one (a few °C): So the evaluation was performed in the range 18.1 °C – 23.0 °C, with 20.0 °C in the environment.

Figure 2 shows the new set-up, virtually identical to the previous one, save the paper box that supports the pump.

Figure 2 - Set-up

Figure 2 – Set-up

Figure 3 shows the temperature versus time during the test.

Figure 3 - Plot temperature / time during the test

Figure 3 – Plot temperature / time during the test

Figure 4 shows the system at the beginning of the period considered in the dissipated power calculation.

Figure 4 - T1 temperature

Figure 4 – T1 temperature

In Figure 5 one can see the system at the end of the period taken into account in the calculation of the dissipated power.

Figure 5 - T2 temperature

Figure 5 – T2 temperature

 

The power P transferred from the pump is:
P = 4183 x 0.800 x (T2T1) /t

where:

  • 4183 the water specific heat @ 20°C [J/kg°C]
  • 0.800 the water mass to be heated [kg]
  • T2 is the final temperature [°C]
  • T1 is the initial temperature [C°]
  • t is the time between the two measurements [s]

Considering the values ​​taken from the two photographs (Figure 4 and Figure 5) performed at 1.9 ° C below (T1) and 2.9 ° C above (T2) the ambient temperature and taken respectively at 8:43:31 and at 09:42:34, that is, 3543 seconds away, we have that the power transferred from the pump to the water is equal to 4.6W.

As can be seen the power is slightly higher than that measured in the first test.

In Figure 6 the motor temperature is visible (measured by a pyrometer): it is slightly higher than that of the first test;

Figure 6 – Motor temperature measured by the pyrometer

Figure 6 – Motor temperature measured by the pyrometer

this is normal, being the delivered power slightly greater; however, it is also possible that at least part of the difference is due to a slightly higher supply voltage or reading at a warmer point.

We therefore confirm our measurement of the heat transferred to the water from the pump.

As Jed Rothwell continues to maintain that our value is impossible, we invite him to run again (he himself or together with Mizuno) measurement according to our procedure, since, as we have shown, the test takes no more than 2-3 hours and to publish photos and diagrams as we did.

At this point we must ask ourselves how it is possible that the pump delivers more than 4W to the water, if the theoretical mechanical work exerted by the pump on the water, as we have seen, is 20 times smaller.

One explanation is that these small magnetic drive centrifugal pumps have a very low efficiency, rarely exceeding 0.3.

But this would explain a dissipated power in the order of 1 – 2W, but does not appear sufficient to explain 4.6W.

The explanation (that we already communicated in private to Rothwell) is that a not negligible amount of heat flows by conduction from the motor (which, as seen in Figure 6 is at 45 ° C) to the water through the wall of the magnetic coupling.

For clarity in Figure 7 and 8 one can see the disassembled pump.

Figure 7 - Disassembled pump and magnetic driver temperature magnetico

Figure 7 – Disassembled pump and magnetic driver temperature

Figure 8 - Disassembled pump

Figure 8 – Disassembled pump

As it is clearly seen the water surrounding the magnet is in direct contact with the thin plastic wall that, externally, is in contact with the magnetic driver, whose temperature, after disassembly, at the end of the test was still 42.5 °C, as shown in Fig 7.

These photos contradict what Rothwell states, that these pumps are constructed so as to prevent any flow of heat from the motor to the fluid.

Equipment used:
Iso-Tech IDM91E Tester
Hanna Hi935005 Thermometer
RS 1319A Thermometer
Fluke 80T-IR IR Meter
8A Variac
850cc Dewar vessel
Radio Controlled Clock
Pubblicato in LENR - Mizuno Rothwell | Contrassegnato | Lascia un commento

Ulteriori misure sulla Pompa MD-6K-N utilizzata da Tadahiko Mizuno

Stesura del Report in data: 10/01/2015
Pubblicazione: 10/01/2015
Traduzione: 12/01/2015

Avendo recentemente letto un commento (postato nel mail-archive vortex-l e scritto da David Roberson) alla nostra recente misura calorimetrica su pompa a trascinamento magnetico Iwaki MD6, commento che tentava di spiegare la grossa differenza esistente tra la potenza ceduta all’acqua durante il nostro test (4.3W) e quella stimata da Jed Rothwell (0.25W), abbiamo ritenuto opportuno rispondere con questo Post anziché limitarci a una semplice risposta nei commenti, nella speranza che fare chiarezza su queste misure possa essere d’aiuto a chi, con onestà intellettuale cerca di affrontare queste problematiche.

Colui che ha scritto il commento individuava una sua spiegazione nella differenza di diametro del tubo di mandata della pompa utilizzato nel nostro test (5mm) rispetto a quello utilizzato da Mizuno (10mm).

In particolare il commentatore scrive:

…Now our favorite skeptic claims that he is using .5 cm pipe instead of the 1 cm pipe used by Mizuno and does not realize that he is making a major error. But, the area of that pipe is reduced by a factor of 4 since it is exactly 1/2 the inner diameter of the original. With a factor of 4 reduction in area comes an increase in the velocity of the water flowing through it by that factor 4 in order to achieve the same mass flow rate. Every thing else being equal you find that the energy imparted upon the water that is sped up from rest to a velocity that is 4 times that from the first case yields the square of that factor. In which case it is 4^2 which is 16 times.

cioè secondo questo commento, essendo il tubo utilizzato da GSVIT un diametro metà di quello utilizzato da Mizuno, la sua sezione era 4 volte inferiore, per cui la velocità dell’acqua in uscita era 4 volte superiore e dal momento che l’energia cinetica dipende dal quadrato della velocità, l’energia cinetica associata all’acqua in uscita (che per attrito si trasforma in calore) è 16 volte superiore, esattamente il rapporto tra le due misurazioni (4.3W contro 0.25W).

Il commentatore inoltre terminava ringraziando la Matematica che a suo avviso aveva risolto il problema e si congratulava con Jed.

…I love it when the math holds up so well.
Congratulations Jed, you got it right.

Purtroppo dobbiamo disilluderlo. Il suo ragionamento è quello tipico di chi ha delle conoscenze scientifiche ma, quasi certamente per mancanza di esperienza nel campo, analizza i problemi in superficie. Speriamo che queste righe ed il test che abbiamo aggiunto possano convincere lui (e chi fa uso del suo approccio) che la realtà può apparire semplice, ma quasi sempre anche il più semplice dei sistemi, se non osservato con la dovuta profondità, può ingannare e portare a conclusioni  errate.

Prima di tutto chiariamo che egli si sarebbe dovuto accorgere del proprio errore dal seguente semplice calcolo basato su pochissimi dati forniti dal costruttore della pompa e già in suo possesso perché pubblicati nel nostro precedente post:

  • portata massima pompa = 8 litri/min
  • prevalenza massima pompa = 1 metro H2O

Ovviamente la prevalenza diminuisce all’aumentare della portata, e la portata massima è misurata a prevalenza nulla, cioè a bocca aperta.

Noi però, applicando le condizioni più conservative, consideriamo pure di avere contemporaneamente la massima portata e la massima prevalenza contemporaneamente.

La potenza ceduta all’acqua in queste condizioni varrebbe:

P = q * ρ * g * h

dove:

  • q è la flow capacity = [(8 x 10^-3) /60] m3/s
  • ρ è la density of water @20°C = 998 kg/m3
  • g è la standard acceleration gravity = 9.81 m/s2
  • h è la differential head = 1 m

da cui P = [(8 x 10^-3) /60] x 998 x 9.81 x 1 = 1.3W

da questo calcolo già si deduce che non è questa la via per spiegare una differenza di 4W.

Volendo eseguire il calcolo delle energie cinetiche associate al getto d’acqua in uscita dal tubo di mandata della pompa come effettuato dal nostro commentatore, supponendo come egli fa che la portata rimanga la stessa nel caso del tubo da 5mm e in quello da 10mm possiamo scrivere:

  1. velocità acqua in tubo da 10mm = (8 x 10^-3/60)/[(5 x 10^-3)^2 x π] = 1.7 m/s
  2. velocità acqua in tubo da 5mm = (8 x 10^-3/60)/[(2.5 x 10^-3)^2 x π] = 6.8 m/s
  3. potenza associata al primo getto = ½ x (8 x 10^-3/60) x 1000 x (1.7)^2 = 0.19W
  4. potenza associata al secondo getto = ½ x (8 x 10^-3/60) x 1000 x (6.8)^2 = 3.07W

Si noti che questa potenza (rif. 4.) risulta comunque nettamente inferiore ai 4.3W misurati, ma è certamente molto superiore al valore reale visto che si è considerato che la pompa centrifuga potesse erogare contemporaneamente la massima portata (8 litri /h) e la massima prevalenza (1 m). La velocità di uscita calcolata nel caso del tubo da 5mm risulta infatti spropositata (ben 6.8 m/s) e corrispondente (con rendimento 1 dell’ugello) ad una prevalenza di 2.3 metri, mentre la pompa in realtà ha una prevalenza massima di 1 metro.

Per verifica, come si vede nella Figura I, abbiamo riposizionato la pompa con il tubo di mandata da 5mm in modo da verificare l’effettiva velocità di uscita dell’acqua.

Figura I - Pompa posizionata con tubo di mandata da 5mm

Figura I – Pompa posizionata con tubo di mandata da 5mm

Dalla Figura II è possibile constatare che il getto ha una lunghezza di 28cm e il dislivello tra l’ugello e il pelo dell’acqua, ove cadeva il getto, è di 10cm.

Figura II - Getto della Pompa 28cm e dislivello 10cm

Figura II – Getto della Pompa 28cm e dislivello 10cm

Dalla Fisica, utilizzando le note e classiche formule relative al moto uniformemente accelerato, possiamo scrivere:

(a) per il moto in verticale: s = ½ x g x (t^2 )

0.1 = ½ x 9.81 x t^2 da cui è immediato ricavare: t = 0.143 secondi

(b) per il moto in orizzontale: s = v x t

0.28 = v x 0.143 da cui è immediato ricavare: v = 1.96 m/s

e la portata associata vale: Q = π x ((2.5 x 10^-3)^2) x 1.96 = 3.85 x 10^-5 m3/s, quindi solo 2.31 l/min

La potenza associata al getto vale quindi: P = ½ x (2.31 x 10^-3/60) x 1000 x (1.96^2) = 0.074W

La potenza risultante è molto piccola ed è inferiore a quella calcolata per il tubo da 10mm perché anche in quel caso si è considerato che la portata fosse di 8 l/min, mentre i 40cm di tubo da 5mm utilizzati in questa misura (uguali a quelli utilizzati nella nostra prova calorimetrica della pompa) hanno posizionato il punto di lavoro della pompa (circa) nel punto presente nel sistema di Mizuno (che adottava un tubo da 10mm, ma lungo 16 metri), così come era nostra intenzione.

La potenza associata al getto reale, presente nel sistema Mizuno, quindi era circa:

P = ½ x (2.3 x 10^-3/60)x 1000 x (0.49)^2 = 0.0046W.

E’ quindi dimostrato che la differenza di potenza misurata nella nostra misura calorimetrica sulla pompa (4.3W) e quella indicata da Rothwell (0.25W) non è causata dal diametro del tubo.

Questi semplici calcoli sarebbero sufficienti per capire la questione, però vogliamo qui cogliere l’occasione per chiarire quanto avevamo già scritto privatamente a Jed Rothwell su questo argomento, e cioè che in realtà il diametro del tubo di mandata non ha di per sé alcuna influenza sulla potenza ceduta dalla pompa all’acqua, essendo in realtà la potenza ceduta meccanicamente all’acqua pari al prodotto della portata per il valore della perdita di carico nel punto di lavoro della pompa. Come spiegato nella descrizione della precedente prova calorimetrica della pompa, il diametro del tubo di mandata è stato calcolato proprio per avere una perdita di carico (circa) pari a quella del circuito del sistema Mizuno. Se avessimo adottato un tubo dello stesso diametro di quello utilizzato da Mizuno, ma più corto, il punto di lavoro della pompa si sarebbe posizionato a una portata superiore e a una prevalenza inferiore, col risultato di aumentare (seppure di poco) la potenza ceduta all’acqua. D’altra parte non era nemmeno possibile utilizzare un tubo da 10mm di diametro e 16 metri di lunghezza, perché lo scambio termico verso l’ambiente sarebbe stato eccessivo e la misura falsata.

In Figura 1 è possibile vedere le curve tipiche di una pompa centrifuga.

Figura 1 - Curve tipiche di una pompa centrifuga

Figura 1 – Curve tipiche di una pompa centrifuga

Come si vede la potenza assorbita (e quindi ceduta al fluido) cresce al diminuire della pressione di mandata ed è massima a bocca libera. La scelta quindi di adottare quel diametro è stata dettata dalla volontà di evitare di misurare una potenza superiore a quella reale. A dimostrazione di questa affermazione è stato rieseguito il test calorimetrico sulla pompa, identico al precedente, ma con tutti i tubi da 10mm di diametro.

Verifica utilizzando un tubo da 10mm di diametro

Non trattandosi di un test di particolare importanza (ha solo uno scopo dimostrativo come risposta ad alcuni commenti) non è stata applicata alcuna coibentazione. Questo fatto, unito alla maggiore superficie di scambio dei tubi, spiega perché la relazione delta temperatura/tempo si inclini più del test precedente quando la temperatura dell’acqua supera in modo consistente la temperatura ambiente. In ogni caso anche in questo caso la curva approssima molto bene una retta se non ci si scosta più di un paio di °C da essa, per cui il calcolo è stato eseguito nel campo 18.1°C – 23.0°C, essendo la temperatura ambiente 20.0°C.

In Figura 2 è visibile il nuovo set-up, praticamente identico al precedente.

Figura 2 - Set-up

Figura 2 – Set-up

In Figura 3 è visibile la curva temperatura /tempo durante il test.

Figura 3 - Grafico curva temperatura /tempo durante il test

Figura 3 – Grafico curva temperatura /tempo durante il test

In Figura 4 è visibile il sistema all’inizio del periodo preso in considerazione nel calcolo della potenza ceduta.

Figura 4 - Temperatura T1 del test

Figura 4 – Temperatura T1 del test

In Figura 5 è visibile il sistema alla fine del periodo preso in considerazione nel calcolo della potenza ceduta.

Figura 5 - Temperatura T2

Figura 5 – Temperatura T2

 

La potenza P ceduta dalla pompa è:
P = 4183 x 0.800 x (T2T1) /t

dove:

  • 4183 il calore specifico dell’acqua @ 20°C [J/kg°C]
  • 0.800 la massa di acqua in riscaldamento [kg]
  • T2 la temperatura finale [°C]
  • T1 la temperatura iniziale [C°]
  • t il tempo tra le due misurazioni [s]

Considerando i valori tratti dalle due fotografie (Figura 4 e Figura 5) effettuate a 1.9°C sotto (la T1) e 2.9°C sopra (la T2) rispetto alla temperatura ambiente e scattate rispettivamente alle ore 08:43:31 e alle ore 09:42:34, cioè a 3543 secondi di distanza, si ha che la potenza ceduta dalla Pompa all’acqua è pari a 4.6W.

Come si vede la potenza è risultata leggermente superiore a quella misurata nel primo test.

In Figura 6 è visibile la misura mediante pirometro della temperatura del motore, che è risultata leggermente superiore a quella del primo test:

Figura 6 - misura mediante pirometro della temperatura del motore

Figura 6 – misura mediante pirometro della temperatura del motore

ciò è normale essendo leggermente superiore la potenza erogata, ma è possibile che almeno in parte la differenza sia dovuta a tensione di alimentazione leggermente superiore o a lettura in un punto leggermente più caldo.

Confermiamo quindi la nostra misura della potenza termica ceduta all’acqua dalla pompa.

Poiché Jed Rothwell continua a sostenere che il nostro valore è impossibile, lo invitiamo nuovamente a eseguire lui stesso (o a far eseguire a Mizuno) la misura da noi effettuata, dato che, come abbiamo mostrato, il test non richiede più di 2-3 ore e a pubblicare foto e diagrammi come abbiamo fatto noi.

A questo punto è doveroso chiedersi come sia possibile che la pompa immetta più di 4W nell’acqua, se il lavoro meccanico esercitato dalla pompa sull’acqua, come abbiamo visto, è 20 volte inferiore.

Una prima spiegazione viene dal fatto che queste piccole pompe centrifughe a trascinamento magnetico hanno un rendimento molto basso, raramente superiore a 0.3.

Questo però spiegherebbe una potenza ceduta dell’ordine di 1 – 2W, ma non appare una spiegazione sufficiente per spiegare 4.6W.

La spiegazione (che avevamo già comunicato in privato a Rothwell) è che una quantità non trascurabile di calore fluisce per conduzione dal motore (che come si vede in Figura 6 è a una temperatura dell’ordine di 45°C) all’acqua attraverso la parete dell’accoppiamento magnetico.

Per chiarezza in Figura 7 e 8 è possibile vedere la pompa smontata.

Figura 7 - Pompa smontata e temperatura del trascinatore magnetico

Figura 7 – Pompa smontata e temperatura del trascinatore magnetico

Figura 8 - Pompa smontata

Figura 8 – Pompa smontata

Come si vede chiaramente l’acqua che circonda il magnete si trova a diretto contatto con la sottile parete plastica che all’esterno è in contatto col trascinatore magnetico, la cui temperatura dopo lo smontaggio a fine test era ancora a 42.5°C come mostrato in fig 7.

Queste foto smentiscono quanto Rothwell affermava, cioè che queste pompe sono costruite in modo da impedire ogni flusso di calore dal motore al fluido.

Strumentazione utilizzata:
Tester Iso-Tech IDM91E
Termometro Hanna Hi935005
Termometro RS 1319A
Misuratore IR Fluke 80T-IR
Variac 8A
Thermos a vaso Dewar da 850cc
Orologio radiocontrollato
Pubblicato in LENR - Mizuno Rothwell | Lascia un commento

Calorimetry measurement on the MD-6K-N pump used by Tadahiko Mizuno

First issue: 24/12/2014
Pubblication: 05/01/2015
Translation: 07/01/2015

This article reports the verification activities and the calorimetry measurement performed on the pump used by Tadahiko Mizuno during his recent measurement of the alleged anomalous heat due to LENR, which was discussed in our previous published analysis; according to our opinion and measurements the origin of the so-called anomalous heat, claimed by Mizuno and Jed Rothwell as due to a LENR phenomenon, is instead simply due to clear errors in measurement and evaluation of the involved parameters.

We have to remember that the Mizuno experimental set-up was checked and confirmed by Jed Rothwell who published his findings in this Report where he testifies that the pump used was:

Figure 1 - Pump used by Mizuno after Rothwell report

Figure 1 – Pump used by Mizuno after Rothwell report

In his report Rothwell says that the power dissipated by the pump was less than 0.5W, probably 0.25W, but certainly less than 1W.

In order to demonstrate which are the real and actual values, we got exactly the same model of pump used by Mizumo and Rothwell:

Figure 2 - Iwaki MD-6K-N pump

Figure 2 – Iwaki MD-6K-N pump

We performed a calorimetry measurement in order to evaluate the actual heat released by the pump. We used exactly the same adiabatic calorimetry method (the one originally used on the cell by Mizuno and Rothwell) confirming that this type of Calorimetry, if well done, allows precise and reliable measurements to be obtained.
Our calorimetry measurement showed that the pump dissipates 4.3W into the water, in line with what expected from our previous analysis of the theoretical data in the report by Rothwell.
It is then confirmed that in the Mizuno reactor, originally presented at the ICCF-18 conference, and measured via different calorimetry methods during 2013 and 2014 with the collaboration of Jed Rothwell, the excess heat claimed and attributed to LENR is instead due to the water pump dissipation in association with strong fluctuations in ambient temperature between day and night.

Measurement method description
The method used to measure the heat transferred from the pump to the water is extremely simple and did not require more than an afternoon of work. The same method had been previously suggested to Rothwell who refused to ask Mizuno to run it.
In Figure 3 one can see the simple set-up:

Figure 3 - Set-up

Figure 3 – Set-up

The pump makes water pass through a Dewar vessel by means of an external hydraulic circuit. The total amount of water was 800g and the heat capacity of the container was neglected. Although not essential, to increase the accuracy we used as external pipe a silicon tube with a 5mm inner diameter, and 40cm long in order to make the pump operate on the same working point in the PQ diagram.
In fact, as we know, for a given flow rate the pressure drop in a pipe depends, as a first approximation, on the inverse of the diameter raised to the 5th power. Since the Mizuno cell used a 16 meters long pipe with a 10mm inner diameter, we could obtain the same pressure drop by using about 0.5m of 5mm pipe. In the actual test, due to height problems the length was reduced to 0.4m.

Since the pump, built for the Japanese market, required a 100V 50Hz power feeding, we used a Variac, monitoring its output by means of a voltage tester. A preliminary simple test was performed to check if the Dewar vessel heat loss was really negligible. So we put inside 800g water at about 30 ° C, waiting about one hour to have the temperature stabilized; then the water temperature decrease was recorded during a 45 minute period.

The details are as follows:

  • Initial temperature: 28.0 ° C
  • Final temperature: 27.1 ° C
  • Room temperature: 21.0 ° C

These data provide a heat exchange coefficient K: = 0.15W/°C that is more than acceptable for the test, as long as operation is kept at temperatures not very far from the room temperature.
Before the test, the pump was preheated for about an hour in order to evaluate the water flow (see Figure 4).

Figure 4 - Pump preheating phase

Figure 4 – Pump preheating phase

 

Then a simple set-up was prepared with continuous reading of water and ambient air temperatures by two different thermometers.
The hydraulic circuit was then loaded with 800g of water at 14 ° C, and the pump was started [it is not self-priming] (see Figure 5).

Figure 5 – Beginning of test

Figure 5 – Beginning of test

We had to wait about an hour to have the water temperature ​​close to room temperature; then data were collected through successive photographs. Figure 6 and Figure 7 show the values ​​used in the final calculation.

Figure 6 - T1 Temperature

Figure 6 – T1 Temperature

Figure 7 - T2 Temperature

Figure 7 – T2 Temperature

At the end of the test the two thermometers showed the same values (see Figure 8).

Figure 8 - Control thermometers at the end of the test

Figure 8 – Control thermometers at the end of the test

 

At the end of the test the two thermometers showed the same values (see FiguThe pump motor temperature was measured as well; it was found to be 45 ° C (see Figure 9).

Figure 9 – Pump motor temperature

Figure 9 – Pump motor temperature

Figure 10 shows the time evolution of measured temperatures.

Figure 10 - Measurement diagram

Figure 10 – Measurement diagram

The power P transferred from the pump is given by:
P = 4183 x 0.800 x (T2T1) /t

where:

  • 4183 is the specific heat of water @ 20°C [J/kg°C]
  • 0.800 the mass of water to be heated [kg]
  • T2 is the final temperature [°C]
  • T1 is the initial temperature [C°]
  • t is the time interval between the two measurements [s]

Considering the values obtained from the two photographs (Figure 6 and Figure 7) taken at 0.5 ° C below (T1) and 1.0 ° C above (T2) the ambient temperature and taken respectively at 15:51:45 pm and 16:12:24, [that is at an interval of 20 minutes and 39 seconds], one can calculate that the power transferred from the pump to the water is equal to 4.3W, i.e. 0.4W higher than what we estimated theoretically in our previous Post. The difference is due to the conservative choices adopted there.

Conclusions
Calorimetry measurement performed on the same pump model used by Tadahiko Mizuno has confirmed that the pump dissipation is an order of magnitude higher than that assumed by Jed Rothwell: as such it can explain exactly the apparent excess heat measured.

 
Equipment used:
Iso-Tech IDM91E Tester
Hanna Hi935005 Thermometer
RS 1319A Thermometer
Fluke 80T-IR IR Meter
8A Variac
850cc Dewar vessel
Radio Controlled Clock
Pubblicato in LENR - Mizuno Rothwell | Contrassegnato | 9 commenti

Misura calorimetrica sulla Pompa MD-6K-N utilizzata da Tadahiko Mizuno

Stesura del Report in data: 24/12/2014
Pubblicazione: 05/01/2015
Traduzione: 07/01/2015

English version available at this link.

Questo articolo riassume l’attività di verifica e la misura calorimetrica condotta sulla Pompa utilizzata da Tadahiko Mizuno durante la sua recente misura di presunto calore anomalo dovuto a fenomeni LENR, di cui si era discusso nella nostra precedente analisi pubblicata, in quanto a nostro avviso l’origine del cosidetto calore anomalo, rivendicato da Mizuno e Jed Rothwell come fosse dovuto a fenomeno LENR, è invece semplicemente dovuto a loro evidenti errori di misura e di valutazione dei parametri.

Ricordiamo inoltre che il set-up sperimentale di Mizuno era stato verificato e confermato da Jed Rothwell che ha pubblicato i suoi risultati in questo Report e che Rothwell, nel suo Report, testimonia che la Pompa utilizzata era:

Figura 1 - Pompa utilizzata da Mizuno secondo Rothwell

Figura 1 – Pompa utilizzata da Mizuno secondo Rothwell

Nel suo Report Rothwell afferma che la potenza dissipata dalla pompa era minore di 0.5W, probabilmente 0.25W, ma con certezza minore di 1W.

Al fine di dimostrare quale sia la realtà e gli effettivi valori in gioco, ci siamo procurati esattamente il medesimo modello di Pompa utilizzata da Mizumo e Rothwell:

Figura 2 - Pompa Iwaki MD-6K-N

Figura 2 – Pompa Iwaki MD-6K-N

ed eseguita la Calorimetria per valutare l’effettivo calore rilasciato dalla Pompa. Il metodo utilizzato è proprio una Calorimetria adiabatica come quella che Rothwell pensava di utilizzare sulla cella Mizuno, a conferma che tale tipo di Calorimetria, se ben condotto, permette misure precise e affidabili.
La nostra misura calorimetrica ha evidenziato che la Pompa dissipa nell’acqua 4.3W, in linea con quanto avevamo previsto dalla nostra analisi teorica dei dati riportati dallo stesso Rothwell.
E’ quindi confermato che nel reattore Mizuno, presentato al ICCF-18 e sottoposto a diverse misure calorimetriche nel corso del 2013 e 2014 con la collaborazione di Jed Rothwell, l’eccesso di calore dichiarato e attribuito a fenomeni LENR era invece dovuto alla Pompa di circolazione dell’acqua in associazione alle forti fluttuazioni della temperatura ambientale fra il giorno e la notte.

Metodo di misura utilizzato
Il metodo utilizzato per la misura della potenza termica ceduta dalla pompa all’acqua è estremamente semplice e non ha richiesto più di un pomeriggio di lavoro. Lo stesso metodo era stato da noi suggerito a Rothwell che si era rifiutato di chiedere a Mizuno di eseguirlo.
In Figura 3 è possibile vedere il semplice Set-up:

Figura 3 - Set-up

Figura 3 – Set-up

La Pompa aspira l’acqua dall’interno di un comune Thermos e ve la reimette. La quantità di acqua introdotta era di 800g e la capacità termica del contenitore è stata trascurata. Seppure non di fondamentale importanza, per maggior precisione si è utilizzato per il tubo di mandata un tubo in silicone del diametro interno di 5mm, lungo 40cm allo scopo di far operare la pompa sullo stesso punto di lavoro nel diagramma P-Q.
Infatti come si sa le perdite di carico in una tubazione, a parità di portata dipendono, in prima approssimazione, dall’inverso del diametro elevato alla 5° potenza. Dal momento che nella cella Mizuno erano utilizzati 16 metri di tubo di diametro interno 10mm, la stessa perdita di carico può essere ottenuta utilizzando circa 0.5m di tubo da 5mm. Nel test effettivo, per problemi di altezze tale lunghezza è stata ridotta a 0.4m.

Poiché la pompa, utilizzata sul mercato giapponese, richiedeva l’alimentazione a 100V 50Hz, è stato utilizzato un Variac la cui uscita è stata monitorata mediante un Tester.
Si è prima effettuato un semplice test sul Thermos per verificare se la sua dispersione termica fosse sufficientemente piccola da poter essere trascurata. Si sono immessi nel Thermos 800g di acqua a circa 30°C, si è atteso circa un’ora per dare tempo alle temperature di stabilizzarsi, poi si è controllata la diminuzione di temperatura dell’acqua in un periodo pari a 45 minuti.

I dati sono i seguenti:

  • Temp. Iniziale: 28.0°C
  • Temp. Finale: 27.1°C
  • Temp. Ambiente 21.0°C

Da questi dati si ricava un coefficiente di scambio termico K = 0.15 W/°C che è più che accettabile per il test, purchè si operi a temperature non molto lontane dalla temperatura ambiente.

Prima del test la Pompa è stata preriscaldata per circa un’ora in modo da valutare il flusso dell’acqua (vedere Figura 4).

Figura 4 - Fase di preriscaldo

Figura 4 – Fase di preriscaldo della Pompa

 

Si è quindi approntato il semplice Set-up che prevedeva la lettura continua della temperatura dell’acqua e dell’aria ambiente mediante due termometri.
Il circuito è stato quindi caricato con 800g di acqua a 14°C, caricata e avviata la Pompa che non è autoadescante (vedere Figura 5).

Figura 5 -  Inizio test

Figura 5 – Inizio test

Si è atteso circa un’ora che la temperatura dell’acqua lentamente salisse a valori vicino alla temperatura ambiente, poi si sono raccolti i dati mediante fotografie successive. In Figura 6 e Figura 7 sono riportati i valori utilizzati nel calcolo finale.

Figura 6 - Temperatura T1

Figura 6 – Temperatura T1

Figura 7 - Temperatura T2

Figura 7 – Temperatura T2

A fine prova si è verificato che l’indicazione dei due termometri coincidesse (vedere Figura 8).

Figura 8 - Controllo termometri a fine test

Figura 8 – Controllo termometri a fine test

 

E’ stata anche misurata la temperatura del motore che è risultata di 45°C (vedere Figura 9).

Figura 9 - Temperatura motore

Figura 9 – Temperatura motore

In Figura 10 è riportato il diagramma delle temperature rilevate.

Figura 10 - Grafico misura

Figura 10 – Grafico misura

La potenza P ceduta dalla pompa è:
P = 4183 x 0.800 x (T2T1) /t

dove:

  • 4183 il calore specifico dell’acqua @ 20°C [J/kg°C]
  • 0.800 la massa di acqua in riscaldamento [kg]
  • T2 la temperatura finale [°C]
  • T1 la temperatura iniziale [C°]
  • t il tempo tra le due misurazioni [s]

Considerando i valori tratti dalle due fotografie (Figura 6 e Figura 7) effettuate a 0.5°C sotto (la T1) e 1.0°C sopra (la T2) rispetto alla temperatura ambiente e scattate rispettivamente alle ore 15:51:45 e alle ore 16:12:24, cioè a 20 minuti e 39 secondi di distanza, si ha che la potenza ceduta dalla Pompa all’acqua è pari a 4.3W, cioè 0.4W in piu’ rispetto a quanto avevamo stimato per via teorica nel nostro Post precedente. La differenza e’ dovuta alle scelte cautelative adottate per il calcolo nel Post precedente.

Conclusioni
La misura calorimetrica effettuata sul modello di Pompa adottata da Tadahiko Mizuno ha confermato che la dissipazione della Pompa è un ordine di grandezza superiore a quella supposta da Jed Rothwell e tale da spiegare esattamente l’apparente eccesso di calore misurato.

Strumentazione utilizzata:
Tester Iso-Tech IDM91E
Termometro Hanna Hi935005
Termometro RS 1319A
Misuratore IR Fluke 80T-IR
Variac 8A
Thermos a vaso Dewar da 850cc
Orologio radiocontrollato

 

Pubblicato in LENR - Mizuno Rothwell | Lascia un commento

Misure e verifiche con un analizzatore di potenza PCE-830

Stesura del Report in data: 15/12/2014
Pubblicazione: 22/12/2014

LineaSommario del Post:

1.0 Introduzione
2.0 Esempio di applicazione – Misura classica del consumo di un carico Trifase
3.0 Applicazione dello strumento – Misura del consumo di carichi connessi a linee Trifase parzializzate
4.0 La nostra sperimentazione – Misura su linee Trifase parzializzate tramite TRIAC
   4.1 Prove con lo strumento connesso “a monte”
   4.2 Prove con lo strumento connesso “a valle”
   4.3 Prove con lo strumento in condizioni di OverLoad (OL)
5.0 Ulteriori considerazioni
6.0 Conclusioni

Linea

1.0 Introduzione

Il PCE-830 è un analizzatore di potenza ed armoniche, costruito dalla PCE, destinato alla verifica delle reti elettriche di alimentazione e alla determinazione di  consumi energetici. Una breve descrizione dello strumento e dei suoi accessori è disponibile a questo link.

Per chi fosse maggiormente interessato è disponibile il Manuale completo in inglese dello strumento che, oltre alla descrizione delle sue funzioni e caratteristiche, riporta anche dei classici esempi applicativi di set-up di misura. Una versione più ridotta del manuale è scaricabile da qui.

Questo strumento solitamente si utilizza per misure di consumo di energia elettrica, stima della potenza elettrica (Attiva, Reattiva ed Apparente) ed analisi armonica su Tensioni e Correnti di linee Trifase, sia quando sia presente anche la connessione di Neutro [in questo caso si definisce una configurazione di tipo 3P4W (3-Phase Four Wires)], sia quando la connessione del Neutro è assente [in questo caso si definisce una configurazione di tipo 3P3W (3-Phase 3-Wires)].

Quando lo strumento è connesso per eseguire delle misure di tipo 3P3W necessita del collegamento delle 3 Tensioni V1, V2 e V3, dalle quali sono deducubili le 3 Tensioni concatenate V12, v23 e V31, ed ovviamente delle 3 Correnti di Linea I1, I2 e I3 che vengono prelevate dal circuito tramite apposito Current Probe (uno per ogni Linea) ad accoppiamento magnetico la cui portata è scelta e commisurata al valore di corrente che si intende misurare. Un esempio di connessione tipo 3P3W, tratto dal Manuale dello strumento, è riportato in Figura 1.

Figura 1 - Connessione 3P3W

Figura 1 – Connessione 3P3W

 

2.0 Esempio di applicazione – Misura classica del consumo di un carico Trifase

In figura 2 è mostrata la connessione 3P3W di un PCE-830 effettuata in una applicazione reale al fine di misurare il consumo di una apparecchiatura elettrica che viene alimentata da una linea elettrica Trifase. I Current Probe in uso sono il modello PCE-6801 che hanno come portata di f.s. 100 Arms.

Figura 2 - Esempio connessione reale 3P3W

Figura 2 – Esempio connessione reale 3P3W

 

Per quanto riguarda la misura dell’apparecchiatura del nostro esempio, lo strumento mostra, all’interno della schermata principale, un riassunto dati contenente i principali parametri elettrici necessari per stimare il consumo di energia e l’assorbimento di potenza. La schermata principale è visibile in Figura 3.

Figura 3 - Esempio di misura di potenza su carico trifase

Figura 3 – Esempio di misura di potenza su carico trifase

 

I valori delle Tensioni concatenate mostrate sullo schermo V12, V23 e V31 ci indicano che ci troviamo di fronte ad un sistema Trifase 380 Vac nominali (Frequenza di rete di 50 Hz) e che le Correnti di Linea si aggirno intorno ai 5.8 Arms. Specificatamente per quanto riguarda la misurazione di alcuni parametri elettrici, lo strumento stima:

1)  una Potenza Attiva complessiva pari a circa 2.477 kW

2)  una Potenza Reattiva complessiva pari a circa -3.019 kVAR

3)  una Potenza Apparente complessiva pari a circa 3.905 kVA

4) un cos(φ) di valore 0.63

5) una Frequenza di rete di 50Hz

Le Tensioni V1, V2, V3 risultano ovviamente pari a 1/√(3) rispetto alle Tensioni concatenate, il loro valore è prossimo ai 220 Vac nominali. Nella Figura 4 è mostrata la schermata specifica dello strumento che riporta tali valori ed include anche il Diagramma dei Fasori che mostra la relazione di fase tra le varie grandezze elettriche.

Figura 4 - Diagramma dei Fasori

Figura 4 – Diagramma dei Fasori

Nell’esempio riguardante la misura di questa apparecchiatura (un motore Trifase) si può notare che le correnti I1, I2 e I3 risultano in ritardo (di circa 51°)  rispetto alle corrispondenti Tensioni in quanto le relazioni riferite ad un carico a Triangolo regolare resistivo prevedono un ritardo di 30°:

Correnti nel sistema Trifase - Terna equilibrata con carico a Triangolo

Correnti nel sistema Trifase – Terna equilibrata con carico a Triangolo regolare

mentre nel nostro esempio di Figura 4 complessivamentela la I3 risulta 81° in ritardo rispetto alla V31, questo è il motivo per cui il cos(φ) misurato risulta 0.63 invece che unitario.

Si può notare che questo strumento effettua una misura della potenza anche nel caso che uno (o più) dei suoi Current Probe erroneamente sia stato collegato invertito come convenzione del verso della corrente. La Figura 5 mostra l’inversione del Current Probe n.3 (quello di colore blu) e la Figura 6 mostra la schermata dei parametri elettrici rilevati in questa condizione (virtualmente indistinguibile dalla precedente misura di Potenza).

Figura 5 - Connessione 3P3W con Current Probe 3 invertito

Figura 5 – Connessione 3P3W con Current Probe 3 invertito

Figura 6 - Misura di potenza con Current Probe 3 invertito

Figura 6 – Misura di potenza con Current Probe 3 invertito

Specificatamente in questo caso (Current Probe invertito) lo strumento rileva:

1)  una Potenza Attiva complessiva pari a circa 0.788 kW

2)  una Potenza Reattiva complessiva pari a circa -0.935 kVAR

3)  una Potenza Apparente complessiva pari a circa 1.222 kVA

4) ancora un cos(φ) di valore 0.64

5) una Frequenza di rete di 50Hz

E’ da rilevare quindi che in queste condizioni la potenza stimata dallo strumento (p.e. quella Attiva) risulta essere 0.788W/2.477W, cioè circa 1/3 di quella effettivamente consumata dal motore.

Solo osservando il Diagramma dei Fasori l’inversione di uno dei Current Probe appare evidente come mostrato in Figura 7. Lo sfasamento complessivo tra I3 e V31 è in questo caso di 261° a cui corrisponderebbe un  cos(φ) di -0.63.

Figura 7 - Diagramma dei Fasori con Current Probe 3 invertito

Figura 7 – Diagramma dei Fasori con Current Probe 3 invertito

La Figura precedente mostra come, al fine di verificare e testimoniare il corretto orientamento dei Current Probe, e più in generale il corretto collegamento dello strumento al sistema Trifase, è necessario controllare e testimoniare le connessioni del PCE-830 attraverso la schermata che riporta il Diagramma dei Fasori. A seguito dell’inversione del Current Probe i valori delle correnti non cambiano e non viene mostrato nessun allarme. Solo quando collegato in modo regolare lo strumento opera realmente una misura corretta delle grandezze.

3.0 Applicazione dello strumento – Misura del consumo di carichi connessi a linee Trifase parzializzate

Questo analizzatore di potenza è stato utilizzato per la stima del consumo elettrico del dispositivo denominato Hot-Cat. Il documento denominato Observation of abundant heat production from a reactor device and of isotopic changes in the fuel (TPR2) a firma dei professori:

G. Levi, E. Foschi, Bo Höistad, R. Pettersson, L. Tegnér e H. Essén

(nel seguito denominati Autori “AA”) viene preso come traccia di riferimento per discutere alcuni aspetti delle misure eseguite con il PCE-830.

Nel TPR2 viene descritto un sistema di 3 Resistenze (che per quanto desumibile dal documento risultano essere di pari valore), tra loro connesse in una configurazione a Δ (carico connesso a Traingolo) alimentate attraverso un sistema di parzializzazione delle tre Tensioni derivanti da una rete Trifase. Dalla descrizione e dalla documentazione fotografica riportata nel documento, il parzializzatore sembrerebbe essere un dispositivo a semiconduttori in grado di realizzare una parzializzazione “di fase” con angoli di conduzione anche stretti, in particolare la Figura 3 del TPR2 riprende come facente parte del set-up utilizzato, un parzializzatore di tipo Phase Angle molto simile al prodotto della Fusion del quale a questo link è disponibile documentazione tecnica. Una tipica applicazione del Fusion quando connesso ad un sistema Trifase, senza Neutro, è mostrata in Figura 8.

Figura 8 - Connessioni FUSION

Figura 8 – Connessioni FUSION

 

In riferimento allo schema riassuntivo riportato nel TPR2, la Figura 9 mostra i collegamenti elettrici realizzati per quel set-up.

Figura 9 - TPR 2 Schema dei collegamenti

Figura 9 – TPR 2 Schema dei collegamenti

Si nota come una linea Trifase 380Vac alimenti un carico resistivo composto da 3 Resistori connessi a Triangolo attaverso un sistema di parzializzazione. Gli strumenti di misura raffigurati sono due, uno primo PCE-830 posto “a monte” (upstream) del Control Sysytem (che include il sistema di parzializzazione delle tensioni tipo Fusion) cioè il PCE [A] e poi un secondo PCE [B] posizionato invece “a valle” (downstream) del Control System.

Lo strumento PCE [A] posto a monte misura la potenza Trifase complessivamente utilizzata, è connesso alle 3 Tensioni di Linea (senza il collegamento di Neutro) e alle 3 Correnti di Linea. Lo strumento PCE [B], posto a valle, misura la potenza assorbita dalle Resistenze essendo connesso alle 3 Tensioni di Linea dopo il sistema di parzializzazione e ovviamente alle medesime 3 Correnti di Linea. In questa configurazione di connessione entrambi gli strumenti devono operare nella modalità di misura denominata 3P3W.

Sempre attraverso la consultazione del documento TPR2 è possibile rilevare quale tipo di Current Probe, molto probabilmente (gli AA non esplicitano), sia stato utilizzato in congiunzione al PCE-830 per le misure. La Figura 10, sulla destra in alto, riporta un dettaglio del set-up del TPR2 ed in alto a sinistra mostra i Current Probe PCE-6801 (tipo quelli da noi utilizzati per le precedenti misure).

Figura 10 - Current Probe PCE-6801

Figura 10 – Current Probe PCE-6801

Quando all’analizzatore PCE-830 si collegano i Currenti Probe tipo PCE-6801, lo strumento assume un Range di misura operativo, per la misura della corrente (nel range 50-60 Hz) che, da specifica costruttore, arriva fino a 100Arms.

Figura 11 - AC Range con Current Probe PCE-6801

Figura 11 – AC Range con Current Probe PCE-6801

Superato questo valore di corrente di 100 Arms si opera al di fuori dalle caratteristiche dicharate del costruttore e non è garantito che lo strumento rispetti le specifiche di misura di cui sopra. Inoltre il Manuale dello strumento fa riferimento ad un altro limite assoluto sulla corrente per il sistema di misura, che è rappresentatala dalla condizione di OverLoad protection AC, una soglia limite di OL  per correnti prossime a 200A.

A questo proposito una prima valutazione operativa può essere fatta prendendo a riferimento i dati riportati in Tabella 7 del TPR2. In quella Tabella sono riassunti i principali dati che riguardano i consumi e le varie potenze misurate e sono anche riportati i valori, calcolati dagli AA, che riguardano la potenza dissipata per effetto Joule dai conduttori che collegano i tre Resistori di carico con il sistema di alimentazione Trifase. In particolare la Tabella 7 riporta nella terz’ultima colonna i valori di potenza, attribuiti dagli AA, al “Joule Heating”.

Tabella 7 del TPR2

Tabella 7 del TPR2

I valori sono stati calcolati dagli AA utilizzando le relazioni (9) e (10) riportate a pagina 14 del documento, cioè:

Relazioni (9) e (10) di pagina 14 del TPR2

Relazioni (9) e (10) di pagina 14 del TPR2

e le correnti considerate sono valori rms dato che si esegue il calcolo della dissipazione dei conduttori. Su queste relazioni torneremo anche in seguito ma per il momento ci limitiamo ad utilizzarle, così come gli AA hanno definito i legami tra le grandezze, rielaborandole unicamente al fine di ricavare, in prima approssimazione, le Correnti rms di Linea che gli AA affermano di aver misurato (senza esplicitarle nel documento) durante il Run. Consideriamo le implicazioni conseguenti a quello che gli AA hanno scritto nelle loro (9) e (10),  e considerando che:

Ptot/3 = (P1 + 2 * P2)

(dove P1 è la potenza dissipata in R1, P2 è la potenza dissipara in R2 e Ptot è la potenza complessiva dissipata per Joule heating)

si possono ricavare i valori della Corrente rms di Linea, a partire dalle quantità riportate come potenza dissipata nella colonna “Joule heating”, utilizzando i valori R1 ed R2 dichiarati nel TPR2. In prima approssimazione la Corrente di Linea vale:

I Linea = √[(Ptot/3)/(R1+R2/2)]

Si ottengono in questo modo i valori delle Correnti di Linea da associare ad ognuno dei File del Run della Tabella 7 e per il test Dummy, e cioè:

Tabella 7 del TPR2 rielaborata

Tabella 7 del TPR2 rielaborata

I valori di Corrente di Linea così calcolati per i File del Run risultano in buon accordo con quanto descritto nel documento, infatti  gli AA riportano che:

The regulator is driven by a potentiometer used to set the operating point (i.e. the current through the resistor coils, normally 40-50 Amps)

inoltre, specificatamente per il test Dummy, gli AA riportano di aver misurato una Corrente di Linea di 19.7 A.

Come detto in precedenza la dinamica di misura va verificata in funzione dei valori di corrente circolante. Considerando che l’alimentazione dei Resistori viene ricavata parzializzando le 3 Tensioni di Linea Trifase, le correnti circolanti non risultano essere grandezze puramente sinusoidali bensì assumono caratteristiche fortemente impulsive per cui bisogna assicurarsi che i valori di Picco della Corrente di Linea rimangano sempre contenuti all’interno della dinamica di misura e della specifica dello strumento compreso il relativo Current Probe utilizzato. A questo scopo assume particolare interesse valutare la Ipeak (oltre che il valore Irms), ma nel documento questo dato non viene riportato.

Sulla base della potenza riportata nel documento per il test Dummy è possibile stimare il valore resistivo Rload di ciascuna delle Resistenze di carico ed il risultato che si ottiene, in prima approssimazione, è di circa 1.24 ohm. E’ immediato verificare che tale valore corrisponde ad una potenza dissipata di:

Ptot = {3 * Rload * [I Linea/√(3)]^2} ≈ 480 W

oppure semplicemente Ptot = {Rload * [I Linea]^2} ≈ 480 W

oppure anche considerando la Req pari a:
[Rload*(Rload+Rload)]/(3*Rload) corrispondente a (2/3 * Rload), avremo che:
Ptot = {3/2 * Req * (I Linea)^2} ≈ 480W

In forza del valore Rload di cui sopra è possibile ricavare il valore della  Tensione rms di Linea e questo valore in prima approssimazione vale 15 Vrms. Il valore Vrms è stato ottenuto attraverso calcolo matematico e verificato utilizzando un simulatore circuitale. Considerando che la tensione di alimentazione della rete è di 380Vac, per produrre il valore di tensione di 15 Vrms l’angolo di conduzione del parzializzatore si dovrebbe aggirare intorno ai . La tensione di Picco associata a quest’angolo vale:

Vpeak = 380 * √(2) * sin(180-9) = 84 Vpeak

di conseguenza la corrente Ipeak sarà:

Vpeak/Req = 101 Apeak

[questo valore, presumibilmente, è ridotto per effetto del coefficiente di auto-induzione dei collegamenti; una stima di questo effetto darebbe come risultato una Corrente di Picco che potrebbe aggirarsi intorno ai 85 Apeak]. Il valore calcolato risulta ancora compatibile con la dinamica di misura del Current Probe e il rapporto Ipeak/Irms (il Fattore di Cresta) risulterebbe circa 5.

Analogamente si può ripetere questa breve analisi per quanto riguarda le prove Hot-Cat in Run. Prendiamo in considerazione, ad esempio, la potenza dichiarata dagli AA relativa al File n.9 pari a 917.9W e la Corrente di Linea conseguente era circa 49A. Ricalcolando in base a questi valori la resistenza Rload si scopre che in questo caso (il Run) la resistenza differisce sensibilmente dal precedente valore stimato dal test in Dummy. Il calcolo porta ad ottenere un valore circa 1/3 del precedente in particolare 0.365 ohm. Per verifica ricalcolando la potenza:

Ptot = {Rload * [I Linea]^2} ≈ 877 W (cioè i 918 W al netto del Joule heating dichiarato nel documento dagli AA corrispondente a 41 W)

Questa notevole variazione del valore della resistenza è stata giustificata dagli AA, per voce del dott. Rossi su JoNP, come caratteristica voluta e dovuta alla composizione del resistore molto particolare (si parla di un conduttore drogato) utilizzato nel Hot-Cat, avente caratteristiche fortemente non lineari ed estremamente dipendenti dalla temperatura. Inoltre, considerando i dati riportati nel TPR2, il salto quasi totale di resistenza avverrebbe unicamente tra i 450°C del test Dummy e i 1250°C del test Run in quanto poi la variazione della resistività si stabilizza intorno ad un valore con una variazione minima di pochi punti %.

Di seguito la comunicazione pubblicata su JoNP.

Rossi su JoNP

Rossi su JoNP

Il nuovo valore resistivo però comporta un ricalcolo e una nuova verifica dei parametri di misura. In forza del valore Rload di cui sopra è possibile ricavare il valore della  Tensione rms di Linea e questo valore in prima approssimazione vale 10.5 Vrms. Considerando che la tensione di alimentazione della rete è di 380Vac, per produrre il valore di tensione di 10 Vrms l’angolo di conduzione del parzializzatore si dovrebbe aggirare intorno ai 7.5°. La tensione di Picco associata a quest’angolo vale:

Vpeak = 380 * √(2) * sin(180-7.5) = 70 Vpeak

di conseguenza la corrente Ipeak conseguente sarà:

Vpeak/Req = 285 Apeak

[questo valore, presumibilmente, è ridotto per effetto del coefficiente di auto-induzione dei collegamenti; una stima di questo effetto darebbe come risultato una Corrente di Picco che potrebbe aggirarsi intorno ai 185 Apeak]. In questo caso quindi il valore calcolato come Corrente di Picco risulta a rischio rispetto alla dinamica di misura del Current Probe e la Corrente di Picco della Linea, in funzione dell’effettivo angolo di conduzione, potrebbe uscire dalla specifica dello strumento e risultare persino superiore ai valori e ai limiti previsti per la condizione di OverLoad (OL).

Se queste erano le condizioni di lavoro, sarebbe interessante capire in dettaglio come gli AA possono aver progettato, ed eseguito, delle misure elettriche corrette.

Riprendendo inoltre quanto è stato scritto dagli AA a pagina 14 del TPR2 e che anche il dott. Rossi su JoNP  si premura di confermare in prima persona, fornendo pure una sua deduzione allo scopo di giustificare i contenuti:

Rossi su JoNP conferma correnti I/2

Rossi su JoNP conferma correnti I/2

 “THE ALIMENTATION CABLING OF THE REACTOR IS COMPOSED BY MEANS OF 2 PARTS FOR EVERY ROW:
1- ONE PART FROM THE CONTROL SYSTEM TO THE JOINT (C); THIS PART IS NAMED C1
2- AFTER THE JOINT C THE SAME CURRENT IS SUBDIVIDED INTO 2 ROWS HAVING THE SAME SECTION AND LENGTH: WE CALL THEM C2
BASED ON THE KIRCHHOFF LAW ( ALSO CALLED KICHHOFF JUNCTION RULE) , WE CAN MAKE THE DEDUCTION THAT THE CURRENT THAT FLOWS THROUGH THE ROW C1 IS EQUAL TO THE DOUBLE OF THE CURRENT THAT FLOWS ALONG EACH OF THE ROWS NAMED C2.

è necessario chiarire che quanto affermato dal dott. Rossi e quanto scritto nella relazione (10) del TPR2 dal puno di vista teorico è completamente errato. La corrente citata è quella che determinerebbe la dissipazione Joule nei conduttori quindi il suo valore Irms, infatti gli AA attraverso di essa si pongono l’obiettivo di calcolare la potenza dissipata a regime applicando la classica relazione P=R*(I^2), nella quale I rappresenta il valore rms della corrente da considerare (per ciascuno dei tre nodi del sistema) intendendo una linea C1 dalla quale poi si diramano i 2 rami C2 (si noti che gli AA nel loro esposizione fanno conto che il carico era composto da 3 resistenze di pari valore).

Quanto sostenuto dal dott. Rossi e dagli AA è sconcertante e smentito dalle stesse leggi dell’Elettrotecnica che invocano a supporto. Risulta sorprendente soprattutto che sia gli AA, sia tutti coloro che hanno effettuato il prolungato ed approfondito peer-review del TPR2, durato oltre 6 mesi, abbiano creduto alla validità delle relazioni utilizzate nel documento per il calcolo delle correnti nei rami C2. Nella condizione descritta dagli AA, la corrente Irms nei singoli rami C2 vale in modulo 1/√(3) del valore della corrente Irms del ramo C1 e non 1/2; questo è notorio dalla teoria delle reti Trifase, comunque di questo si darà anche evidenza sperimentale nel seguito con delle misure condotte allo scopo di mostrare le vere relazioni tra le correnti.

Se il problema fosse puramente dovuto ad “un errore teorico degli AA” esso avrebbe impatto sul calcolo della potenza dissipata dai fili ma avrebbe effetto marginale rispetto ai valori di potenza dissipata nei resistori, però gli AA nel TPR2 sostengono esplicitamente di aver “misurato” sia la corrente in C1 che quella in C2, infatti scrivono:

Measurements performed during the dummy run with the PCE and ammeter clamps allowed us to measure an average current, for each of the three C1 cables, of I1 = 19.7A, and, for each C2 cable, a current of I1 / 2 = I2 = 9.85 A

quindi secondo gli AA la corrente da loro misurata in C2 era la metà di quella da loro misurata in C1. Questa esplicita affermazione, nell’ipotesi di cui sopra, comporterebbe come conseguenza l’evidenza che il circutito elettrico descritto dagli AA nel TPR2 (3 Resistori connessi a Triangolo) non erano stati connessi a Triangolo durante il test. Questa incongruenza è un altro elemento di dubbio che, a nostro avviso, gli AA dovrebbero spiegare fornendo tutte le evidenze documentali oggettive necessarie a supporto delle loro affermazioni.

4.0 La nostra sperimentazione – Misura su linee Trifase parzializzate tramite TRIAC

Ritorniamo ora agli aspetti di misura sperimentati. Allo scopo di verificare in laboratorio (nei limiti del possibile) condizioni di misura dello strumento come quelle descritte nel TPR2, è stato progettato  e realizzato un sistema di parzializzazione Trifase, basato su semiconduttori di tipo TRIAC, la cui commutazione è stata sequenziata similmente a quella prodotta del Fusion. La figura 12 mostra la scheda TRIAC “custom” realizzata e poi utilizzata per i test seguenti.

Figura 12 - Scheda TRIAC

Figura 12 – Scheda TRIAC

 Il nostro set-up di misura include ovviamente un PCE-830 equipaggiato con 3 Current Probe tipo PCE-6801, i 3 carichi resistivi realizzati uilizzando tre comuni Lampade ad incandescenza da 100W nominali ciascuna, un Scopemeter Fluke 123 con banda 20MHz e collegato ad una  Pinza di Corrente della Chauvin Arnoux avente Banda di frequenza operativa fino a 100 kHz con un fattore di scala di 100 mV/A. La figura 13 mostra il set-up allestito.

Figura 13 - Set-up per le misure

Figura 13 – Set-up per le misure

 

Preliminarmente vanno considerati e chiariti due aspetti che riguardano il set-up realizzato.

Il primo riguarda il valore della tensione Trifase utilizzata per le prove che è stata ricavata attraverso un Variac di potenza a partire dalla rete Trifase 400Vac. Per motivi legati alla tensione massima di lavoro dei semiconduttori utilizzati nella scheda di parzializzazione, il valore delle Tensioni di Linea in uscita dal Variac, che poi vengono utilizzate per alimentare il set-up, è stato regolato a circa 330Vac, invece dei 380Vac dichiarati nel TPR2. Tale variazione non ha impatto sulle misure del PCE-830 che, come verificabile dal Manuale, ha un range operativo, per le Tensioni di ingresso, compreso tra i 20 e i 600 Vac pertanto le misure dello strumento si svolgono regolarmente anche con dei valori di Tensione di Linea leggermente inferiori ai 380Vac. Nella Figura 14 è visibile il Variac Trifase utilizzato per produrre le Tensioni di lavoro.

Figura 14 - Variac Trifase

Figura 14 – Variac Trifase

 Il secondo aspetto riguarda la potenza dei resistori utilizzati (le 3 Lampade) che formano il carico Trifase connesso a Triangolo. La potenza complessiva delle Lampade è inferiore ai valori di potenza dichiarata nel TPR2, circa 480W per il test del Dummy e ancora di più durante il Run del Hot-Cat, di conseguenza a parità di condizioni le correnti di Linea risulterebbero inferiori ai valori riportati in quel documento. Per ovviare si è provveduto ad avvolgere più spire (in paricolare 30 spire) dei conduttori di Linea  intorno ai rispettivi Current Probe, in modo da aumentare il valore del Flusso Magnetico circolante nel Current Probe come risultante dall’accoppiamento degli stessi rispetto ai conduttori di Linea. Un dettaglio della soluzione adottata è riportato in Figura 15.

Figura 15 - Accoppiamento alla Linea dei Current

Figura 15 – Accoppiamento alla Linea dei Current Probe

Lo strumento utilizzato è connesso ai 3 Current Probe e alle 3 Tensioni V1, V2 e V3 che, a seconda dei diversi test, sono state connesse “a monte” (upstream) o “a valle” (downstream) del sistema di parzializzazione Trifase. La Figura 16 mostra lo strumento utilizzato.

Figura 16 - PCE-830

Figura 16 – PCE-830

4.1 Prove con lo strumento connesso “a monte”

Dopo aver connesso lo strumento al circuito connettendo le 3 pinze di Tensione prima del sistema di parzializzazione (condizione upstream), si procede al controllo delle grandezze attraverso l’esame del Diagramma dei Fasori che sono visibili nella Figura 17. L’angolo complessivo tra I3 e V31, che appare dai dati sullo schermo, risulta 105° per cui il cos(φ) dovrebbe essere  0.25.

Figura 17 - Diagramma dei Fasori normale

Figura 17 – Diagramma dei Fasori normale

La Tensione è stata parzializzata con una durata pari a 1 ms come visibile nella Figura 18. La scelta del valore è ispirata a quanto mostrato nella Figura 5 del TPR2 (sulla quale torneremo in seguito) nella quale la parzializzazione utilizzata corrisponde all’incirca ad un angolo di conduzione di 18°, cioè ad un periodo di tempo pari a 1 ms.

Figura 18 - Parzializzazione durata 1 ms

Figura 18 – Parzializzazione durata 1 ms

Le 3 Lampade sono debolemente illuminate a causa della parzializzazione delle tensioni  come visibile in Figura 19.

Figura 19 - Il carico composto dalle 3 Lampade

Figura 19 – Il carico composto dalle 3 Lampade

Lo strumento indica le grandezze misurate come in Figura 20. Il  cos(φ) calcolato dallo strumento ed indicato sullo schermo è 0.12.

Figura 20 - Potenza misurata

Figura 20 – Potenza misurata

In queste condizioni la Potenza Attiva stimata dal PCE vale 570W.

A fini di verifica della misura dello strumento si procede ad una misura parallela attraverso la stima del valore rms della Tensione ai capi di una delle lampade utilizzando lo Scopemeter al quale viene anche collegata la Pinza di Corrente Chauvin Arnoux per acquisire il valore della corrente Irms che scorre nel carico. Essendo questo un caso di carico resistivo sarà sufficiente poi moltiplicare tra loro i valori ottenuti per ottenere la potenza consumata da ciascuna Lampada e poi ovviamente moltiplicare il risultato per 3. L’accuratezza del PCE da manuale teoricamente è superiore al sistema Scopemeter + Pinza di Corrente, inoltre le 3 Lampade non sono esattamente identiche per cui la verifica andrebbe considerata unicamente a scopo di verifica del o.d.g.

In figura 21 sono riportati i valori e le forme d’onda rilevati ai capi di una Lampada. Il valore della Tensione Vrms è pari a 35 V mentre la Corrente si calcola tenendo conto del fattore di scala della Pinza di Corrente Chauvin Arnoux (100mV/A), per cui 15.1mVrms misurati dallo Scopemeter corrispondono ad una corrente di 0.151 Arms.

Figura 21 - Potenza misurata. con Scopemeter

Figura 21 – Potenza misurata. con Scopemeter

Sulla base dei valori rilevati la Potenza misurata vale:

Ptot = 3 * [35Vrms * 0.151Arms * 30 * cos(φ)] = 476.6 W

Il coefficiente 30 tiene conto che la corrente misurata in precedenza con il PCE era fittizia perchè ottenuta avvolgendo 30 spire di filo intorno al Probe di Corrente e il cos(φ) unitario è assunto per via del carico resistivo delle Lampade. Questa misura, in teoria meno raffinata, in realtà si avvivcina ai valori reali di potenza consumata. Il valore misurato dal PCE invece è una stima della potenza con un errore di circa il 20%, come anche il Fattore di Cresta.

In Figura 22 (sulla sinistra) sono mostrate invece le tre Tensioni V1, V2 e V3 e le forme d’onda delle tre Correnti di Linea rappresentate temporalmente rispetto alle rispettive Tensioni. La Tensione V1 funge da sincronismo della base tempi e la rappresentazione dello strumento è compatibile con i risultati delle simulazioni del circuito (sulla destra). Nella colonna centrale sempre le stesse Correnti di Linea ma questa volta rappresentate nella schermata che le mostra insieme all’andameno spettrale del segnale parzializzato. In quest’ultima modalità la Corrente di Linea I1 non viene più rappresentata temporalmente in modo corretto e sembra fungere da sincronismo per la sua rappresentazione in accordo a quanto indicato in una nota inserita a pagina 26 del Manuale d’uso:

Nota sul Trigger dal manuale PCE

Nota sul Trigger dello strumento, dal manuale PCE

Figura 22 - Forme d'onda delle Correnti di Linea I1 I2 e I3

Figura 22 – Forme d’onda delle Correnti di Linea I1 I2 e I3

La Figura 23 mostra l’evidenza sperimentale di quanto da noi (e dalla teoria delle reti in Elettrotecnica) affermato in precedenza. Se il carico è costituito dai 3 Resistori connessi a Δ cioè a Triangolo (nel ns caso le 3 Lampade), allora la relazione tra la corrente che scorre in ciascun ramo del carico (la C2 del TPR2) e la corrente di Linea da cui a monte della giunzione (la C1 del TPR2) vale assolutamente  1/√(3).

Figura 23 - Verifica rapporto corrente di Linea (C1) e corrente nella Lampada (C2)

Figura 23 – Verifica rapporto corrente di Linea (C1) e corrente nella Lampada (C2)

 Infatti (sulla sinistra) lo Scopemeter mostra il valore di corrente di Linea misurato attraverso la Pinza di Corrente Chauvin Arnoux, esso vale 27.3 mVrms che per il fattore di scala corrisponde a 0.273 Arms mentre nella parte destra della figura è visibile lo Scopemeter mentre misura la corrente nel carico (una delle Lampade). Il secondo valore è di 15.2 mVrms che, per la medesima ragione di cui sopra, corrisponde a 0.152 Arms. Calcolando il rapporto tra le correnti:

Rapporto tra le correnti = 0.273/0.152 = 1.79

(ricordiamo che √(3) vale circa 1.73)

quindi un rapporto tra le correnti misurate in  accordo con quanto atteso sulla base delle relazioni teoriche che governano i circuiti elettrici, compresa la legge di Kirchhoff (KCL) che il dott. Rossi nella sua esposizione su JoNP applica a suo modo in maniera errata.

Come in precedenza se si inverte un Current Probe (nel caso mostrato quello relativo alla corrente I3)  una Potenza (errata)  viene comunque rilevata. Il Current Probe inveritito è visibile nella Figura 24.

Figura 24 - Current Probe I3 invertito

Figura 24 – Current Probe I3 invertito

Il valore di potenza misurato dallo strumento in queste condizioni è di 150W come visibile in Figura 25.

Figura 25 - Potenza misurata con Current Probe 3 invertito

Figura 25 – Potenza misurata con Current Probe 3 invertito

In Figura 26 è mostrato il Diagramma dei Fasori che ovviamente evidenzia l’inversione di 180° del Current Probe della corrente I3.

Figura 26 - Diagramma dei Fasori con Current Probe 3 invertito

Figura 26 – Diagramma dei Fasori con Current Probe 3 invertito

In Figura 27 sono mostrate invece le tre Tensioni V1, V2 e V3 e le forme d’onda delle tre Correnti di Linea rappresentate temporalmente rispetto alle rispettive Tensioni. Ricordiamo che la Tensione V1 funge da sincronismo della base tempi e nella colonna di destra sempre le medesime Correnti di Linea rappresentate nella schermata che le mostra insieme all’andameno spettrale del segnale parzializzato. In quest’ultima modalità la Corrente di Linea I1 non viene più rappresentata temporalmente in modo corretto e sembra fungere da sincronismo per la sua rappresentazione.

Figura 27 - Forme d'onda delle Correnti di Linea I1 I2 e I3 invertita

Figura 27 – Forme d’onda delle Correnti di Linea I1 I2 e I3 invertita

 

4.2 Prove con lo strumento connesso “a valle”

La Figura 28 mostra il set-up per le misure con il PCE connesso “a valle” (downstream) del parzializzatore di Tensione. Per queste prove la tensione delle linee Trifase in ingresso al parzializzatore è stata regolata a 310VAc.

Figura 28 - Set-up per le misure a valle

Figura 28 – Set-up per le misure a valle

La figura 29 mostra il Diagramma dei Fasori come risulta quando il PCE è connesso a valle del parzializzatore. Si noti l’instabilità del diagramma dovuto alla parzializzazione del riferimento che questa volta è anch’esso interrotto dalla commutazione ciclica attraverso i TRIAC della scheda elettronica. Un breve filmato disponibile a questo link mostra la condizione sopra descritta.

Figura 29 - Diagramma dei Fasori (a valle) normale

Figura 29 – Diagramma dei Fasori (a valle) normale

 Lo strumento indica le grandezze misurate come visibili in Figura 30.

Figura 30 - Potenza misurata (a valle)

Figura 30 – Potenza misurata (a valle)

In queste condizioni la Potenza Attiva stimata dal PCE vale 410W.

Anche in questo caso, a fini di verifica della misura dello strumento, si procede ad una misura parallela attraverso la stima del valore rms della Tensione ai capi di una delle lampade utilizzando lo Scopemeter al quale viene anche collegata la Pinza di Corrente Chauvin Arnoux per acquisire il valore della corrente Irms che scorre nel carico. Essendo questo un caso di carico resistivo sarà sufficiente poi moltiplicare tra loro i valori ottenuti per ottenere la potenza consumata da ciascuna Lampada e poi ovviamente moltiplicare il risultato per 3.

In figura 31 sono riportati i valori e le forme d’onda rilevati ai capi di una Lampada. Il valore della Tensione Vrms è pari a 31.7 V mentre la Corrente si calcola tenendo conto del fattore di scala della Pinza di Corrente Chauvin Arnoux (100mV/A), per cui 14.4mVrms misurati dallo Scopemeter corrispondono ad una corrente di 0.144 Arms.

Figura 31 - Potenza misurata. con Scopemeter (a valle)

Figura 31 – Potenza misurata. con Scopemeter (a valle)

Sulla base dei valori rilevati la Potenza misurata vale:

Ptot = 3 * [31.7Vrms * 0.144Arms * 30 * cos(φ)] = 410.8 W

Il coefficiente 30 tiene conto che la corrente misurata in precedenza con il PCE era fittizia perchè ottenuta avvolgendo 30 spire di filo intorno al Probe di Corrente e il cos(φ) unitario è assunto per via del carico resistivo delle Lampade. In questo caso i valori di potenza misurati con i due metodi praticamente coincidono.

La Figura 32 mostra nuovamente anche l’evidenza sperimentale di quanto da noi affermato in precedenza. Se il carico è costituito dai 3 Resistori connessi a Δ cioè a Triangolo (nel ns caso le 3 Lampade), allora la relazione tra la corrente che scorre in ciascun ramo del carico (la C2 del TPR2) e la corrente di Linea da cui a monte della giunzione (la C1 del TPR2) vale assolutamente  1/√(3).

Figura 32 - Verifica rapporto corrente di Linea (C1) e corrente nella Lampada (C2)

Figura 32 – Verifica rapporto corrente di Linea (C1) e corrente nella Lampada (C2)

Analogamente a quanto misurato in precedenza, lo Scopemeter mostra il valore di corrente di Linea misurato attraverso la Pinza di Corrente Chauvin Arnoux, esso vale 25.3 mVrms che per il fattore di scala corrisponde a 0.253 Arms mentre nella parte destra della figura è visibile lo Scopemeter mentre misura la corrente nel carico (una delle Lampade). Il secondo valore è di 14.4 mVrms che, per la medesima ragione di cui sopra, corrisponde a 0.144 Arms. Calcolando il rapporto tra le correnti:

Rapporto tra le correnti = 0.253/0.144 = 1.76 (√(3) vale circa 1.73)

quindi ancora si conferma che il rapporto tra la corrente misurata nel tratto C1 del TPR2 e quella misurata nel tratto C2 del TPR2, in  accordo con quanto atteso dalla teoria delle reti, avrebbe dovuto valere √(3) e non 1/2.

La Figura 33 mostra come vengono rappresentate dallo strumento le Tensioni parzializzate V1, V2 e V3. Si noti che le forma d’onda sullo schermo fluttuano e non risultano sempre ben sincronizzate.

Figura 33 - Rappresentazione PCE delle tensioni a valle

Figura 33 – Rappresentazione PCE delle tensioni a valle

 La Figura 34 mostra come vengono rappresentate dallo strumento le Correnti parzializzate I1, I2 e I3. Sono ripresi 2 diversi istanti successivi, si noti che la forma d’onda sullo schermo non risulta più sincronizzata per quanto riguarda la I2 e la I3 mentre la corrente I1 appare sincronizzata sempre sul suo fronte di salita.

Figura 34 - Rappresentazione PCE delle correnti a valle

Figura 34 – Rappresentazione PCE delle correnti a valle

Un breve filmato di ciò che risulta visibile sullo schermo dello strumento come Tensioni e Correnti è disponibile a questo link.

Se si inverte un Current Probe (nel caso mostrato quello relativo alla corrente I3)  una Potenza (errata)  viene comunque rilevata. Il Current Probe inveritito è visibile nella Figura 35.

Figura 35 - Set-up per le misure a valle Current Probe 3 invertito

Figura 35 – Set-up per le misure a valle Current Probe 3 invertito

Il valore di potenza misurato dallo strumento in queste condizioni è di 90W come visibile in Figura 36.

Figura 36 - Potenza misurata (a valle) Current probe 3 invertito

Figura 36 – Potenza misurata (a valle) Current Probe 3 invertito

 La Figura 37 mostra come vengono rappresentate dallo strumento le Tensioni parzializzate V1, V2 e V3.

Figura 37 - Rappresentazione PCE delle tensioni a valle Current Probe 3 invertito

Figura 37 – Rappresentazione PCE delle tensioni a valle Current Probe 3 invertito

La Figura 38 mostra come vengono rappresentate dallo strumento le Correnti parzializzate I1, I2 e I3 con il Current Probe 3 invertito. Sono ripresi 2 diversi istanti successivi. La forma d’onda sullo schermo non risulta più sincronizzata per quanto riguarda la I2 e la I3 mentre la corrente I1 appare sincronizzata sempre sul suo fronte di salita.

Figura 38 - Rappresentazione PCE delle correnti a valle Current Probe 3 invertito

Figura 38 – Rappresentazione PCE delle correnti a valle Current Probe 3 invertito

Un breve filmato di ciò che risulta visibile sullo schermo dello strumento come Tensioni e Correnti nel caso Current Probe 3 invertito è disponibile a questo link.

4.3 Prove con lo strumento in condizioni di OverLoad (OL)

Al fine di verificare gli effettivi limiti di misura del PCE-830 + Probe PCE-8601 specificatamente per quanto riguarda i valori massimi di corrente che lo strumento è in grado di misurare rimanendo all’interno della dinamica di misura, è stato incrementato il numero di spire avvolte intorno al Current Probe 3, portandolo a 180 spire, al fine di simulare la condizione operativa derivante da una corrente di Linea più elevata rispetto ai precedenti test. L’incremento del numero di spire è stato realizzato, dato lo scopo prettamente dimostrativo, unicamente sulla Linea 3 e la variazione al set-up è mostrata in Figura 39.

Figura 39 - Set-up Correnti elevate su Linea 3

Figura 39 – Set-up Correnti elevate su Linea 3

La Figura 40 mostra la condizione estrema di misura della corrente che cade ancora all’interno della dinamica dello strumento. Il PCE-830 da noi utilizzato arriva a coprire valori di ampiezza della corrente di Linea fino a circa 160 Apeak. La condizione limite di 160 Apeak, come la dinamica del PCE-830 utilizzato, è documentata nel filmato visibile da questo link.

Figura 40 - Corrente di Linea I3 di ampiezza 160 Apeak

Figura 40 – Corrente di Linea I3 di ampiezza 160 Apeak

Appena la corrente di Linea viene incrementata ulteriormente e supera il valore soglia di 160 Apeak lo strumento non consente più la rilevazione dei parametri di misura mostrando chiaramente l’indicazione di “OL” (OverLimit). La Figura 41 mostra la condizione di OL del PCE-830 quando utilizzato in combinazione al Current Probe PCE-8601 e la condizione di OL per la Line 3 è documentata nel filmato visibile da questo link. E’ da notare che quando lo strumento opera in queste condizioni di OL, i valori numerici di Tensione Corrente e Potenza misurati, eccedendo la dinamica dello strumento, non vengono più presentati sullo schermo poichè, verosimilmente, in queste condizioni i valori misurati sono ritenuti inaffidabili.

Figura 41 - Corrente di Linea I3 di ampiezza superiore ai limiti con conseguente segnalazione di OL

Figura 41 – Corrente di Linea I3 di ampiezza superiore ai limiti con conseguente segnalazione di OL

 

5.0 Ulteriori considerazioni

La condizione di OverLimit (OL) del PCE, mostrata in precedenza, è da porre in relazione con quanto gli AA hanno documentato nel TPR2 attraverso la Figura 5. Ricordiamo che questa condizione si manifesta quando lo strumento opera al di fuori della dinamica di misura prevista dalla specifica.

Figura 5 del TPR2

Figura 5 del TPR2

Il testo a commento alla Figura 5 del TPR2 chiarisce che l’immagine in oggetto è relativa al PCE [B], quello posto a valle del parzializzatore, ed il suo scopo è quello di dimostrare che il contenuto in termini di componenti armoniche del segnale misurato (la corrente I3), relativamente alla parte significativa dello spettro, è contenuto entro la 2oa armonica della frequenza fondamentale di rete. Considerare la 20a armonica della fondamentale 50Hz vuol significare che lo spettro, considerato significativo dagli AA, è quello che si estende fino alla frequenza di circa 1kHz.

Inoltre questa figura, fatte le debite proporzioni con il periodo di rete (pari a 20ms), consente (grossomodo) di stimare  l’angolo di conduzione utilizzato  (il tempo di conduzione dei semiconduttori del Fusion che parzializzavano le tensioni Trifase). La stima sulla base di questa immagine è ovviamente un dato approssimato,  però la durata degli impulsi visibili lascerebbe intendere un angolo di circa 17-18°.

Questa stima dell’angolo di conduzione è confermata dall’esame dello spettro del segnale. Le ampiezze delle componenti dello spettro sono distribuite con un andamento assimilabile ad una Sinc [sin(x)/(x)]  il cui primo “null” è posizionato intorno alla 20a armonica (ogni divisione del display del PCE copre 9 armoniche) cioè come detto alla frequenza di 1kHz. A questo spettro in banda base, avente il primo “0” di ampiezza posizionato alla frequenza 1kHz, corrisponde nel dominio del tempo un impulso di durata 1 ms (quindi 1/20 del periodo da 20 ms) che, se proporzionalmente riferito al periodo di 360°, da come risultato un angolo di conduzione di 18°.

Quanto scritto nel TPR2, a commento della Figura 5, riferisce l’intenzione da parte degli AA di documentare che le componenti significative dello spettro del segnale, utilizzato durante i loro test del Hot-Cat, erano limitate ed i valori corrispondenti sono quelli calcolati sopra (se 20a armonica, f=1kHz). Se l’angolo di conduzione fosse stato più stretto (ad esempio i 7-8° da noi citati in precedenza) lo spettro del segnale conseguente risulterebbe più esteso ed il primo “0” delle componenti si sposterebbe a 2.5 kHz cioè non più alla 20a armonica ma oltre la 50a per cui la Figura 5 perderebbe il suo scopo dichiarato, quello di fornire evidenza che le componenti armoniche significative del segnale erano limitate alla 20a armonica. Questa considerazione ci suggerisce di verificare i parametri elettrici e le relative dinamiche di misura sulla base di questo angolo di conduzione (un angolo di circa 18°), in particolare per quanto rigurda il test Hot-Cat in Run.

Sulla base del valore dell’angolo di conduzione di 18° e considerando che la tensione di alimentazione della rete è di 380Vac, è possibile ricavare il valore della  Tensione di Picco associata a quest’angolo vale:

Vpeak = 380 * √(2) * sin(180-18) = 166 Vpeak

se il valore resistivo di ciascuno dei resistori  fosse quello ricavato attraverso il precedente calcolo, cioò sulla base della potenza misurata riportata nel TPR2 per il Run, Rload=0.365 ohm, la corrente Ipeak teorica conseguente varrebbe:

Vpeak/Req = 682 Apeak

[questo valore, presumibilmente, è ridotto per effetto del coefficiente di auto-induzione dei collegamenti; una stima di questo effetto darebbe come risultato una Corrente di Picco che potrebbe aggirarsi intorno ai 420 Apeak]. Eseguendo quindi la verifica, utilizzando il valore di resistenza calcolato sulla base della potenza riportata nel documento, si ottiene un valore di Corrente di Linea di Picco che non risulta per nulla compatibile con la dinamica di misura del Current Probe del PCE 830. La Corrente di Picco risulta assolutamente fuori dalla specifica dello strumento e largamente superiore ai valori e ai limiti previsti per la condizione di OverLoad (OL).

Alle spiegazioni contenute nel TPR2 si aggiunge una precisazione del dott. Rossi su JoNP che specificatamente in merito al significato della Figura 5 scrive:

Spiegazione di Rossi in merito alla Figura 5 del TPR2

Spiegazione di Rossi in merito alla Figura 5 del TPR2

They explained to me that the photo has been taken during the set up of the measurement stuff and they were controlling that the PCE830 was surely able to read perfectly the waves also in extreme conditions: for this reason , as surely have understood the experts and the reviewers to whom the Professors have given the report before the publication, the photo shows the wave also when the system has been put in overload; you can understand it from the acronym “OL” that you can read on the display, while the wave is perfectly described by the instrument.

In questo commento il dott. Rossi, sostanzialmente, sembra confermare che alcune misure (o una parte di esse) del PCE sono state condotte anche in condizioni di forme d’onda “extreme condition“, cioè in particolare quando i parametri elettrici da misurare  erano tali da comportare la condizione operativa di OverLoad per lo strumento. Se questa condizione di OL è stata raggiunta durante il test, si capisce il motivo per il quale gli AA vadano ad occuparsi della condizione anomala del PCE in OL, in quanto lo strumento di per sè, nasce per stimare correttamente i parametri elettrici della rete quando il segnale da misurare resta confinato all’interno del range di misura e della dinamica definita nelle specifiche del costruttore.

Quanto esposto in precedenza, a cui si aggiunge questa ultima considerazione operativa, non risolve i dubbi sulla correttezza delle misure anzi confermerebbe che, in qualche fase della misura del Hot-Cat, lo strumento è stato utilizzato in una condizione di OverLoad e non all’interno della specifica di misura nell’ambito della quale le misure dei parametri elettrici sono definite come accuratezza.

Sulla base di quanto discusso e considerando che le informazioni attualmente inserite nel TPR2 non chiariscono questi importanti aspetti della misura, a nostro avviso sarebbe opportuno gli AA rendano disponibili delle evidenze documentali (Logfile, foto, filmati o altro) utili ad illustrare con sufficiente dettaglio tecnico e chiarezza, lo svolgersi effettivo delle misure.

 

6.0 Conclusioni

Le misure e le considerazioni esposte in questo Post, oltre che come esperienza di laboratorio utile ad approfondire la conoscenza dello strumento in oggetto, hanno messo in evidenza errori ed aspetti dubbi in riferimento alle misure documentate nel TPR2, cioè le misure prese come riferimento applicativo.

A nostro avviso sarebbe auspicabile che gli AA del documento forniscano tutte le spiegazioni e i chiarimenti necessari in riferimento, ad esempio, alla questione della misura della corrente C2 (che non risulta sia 1/2 di quella in C1) ovvero in merito al collegamento effettivo dei resistori durante le prove, ed inoltre le dovute evidenze tecniche che in tutte le prove condotte sia stata sempre rispettata la corretta modalità/dinamica di misura prevista dalla specifica dello strumento.

Pubblicato in Hot-Cat - Misure elettriche | 2 commenti