第二章 實驗設備與方法
第三節 量測儀器
1. 皮托管：
皮托管主要透過量測動壓及靜壓，得到內外兩管的壓力差，即可利用伯努利方程 式計算風速。其主要優點為操作方便、量測範圍大且不易損壞，缺點是由於皮托管的 靈敏度不足，所以主要使用於穩態風場中的時間平均風速量測。風速
U
o計算公式如 下：Uo 2(PpP )o
(2.1)
式中Pp為皮托管的動壓，
P
o為皮托管的靜壓，為空氣密度。2. 四孔風速風向探針：
四孔風速風向探針(Cobra probe)透過探針頭的四個壓力孔，可以量測三維的風速 分量、紊流強度和靜壓。探針長度為15 cm、直徑1.4 cm、探針頭寬度為2.6 mm，見圖 2-8。取樣頻率為200 Hz，取樣時間168.32 秒，速度量測範圍2 ~ 100 m/s, 精確度為±0.5 m/s。
圖2- 8 四孔風速風向探針(Cobra Probe) 資料來源：本計畫研究人員拍攝
3. 電子壓力掃描器：
本研究使用電子式多頻道壓力掃描器量測建築物模型之表面風壓，全套壓力掃描 器介紹如下：
(1) 壓力掃描模組ZOC33：
ZOC33/64 Px 模組(Scanivalve Inc.)由64個壓電式感應器組合而成，可同時量測64 個壓力孔的壓力，每8個壓力感應器裝置於一組塊中，見圖2-9。利用PVC管接到壓力 感應器上量測壓力。控制壓力之大小為65 psi，由控制壓力模組(CPM)提供。校正壓力 輸入連結至校正壓力源，可連通至所有的壓力感應器(sensor)以提供校正壓力。
ZOC33量測壓力範圍 ± 2758 Pa，壓力誤差範圍 ± 2.2 Pa。模組ZOC33上的參考 壓力輸入(Ref)提供所有的壓力埠(transducer)一個相同的參考壓力，本研究將參考壓力 (管徑1.6 mm)接到架設於風場中的皮托管靜壓。再將建築物模型上的壓力孔利用PVC 軟管接到ZOC33模組的壓力埠，PVC軟管直徑為 1.5 mm，長度應小於 30 cm，在量測 壓力時，若採用之PVC管線過長時，經由實驗量測發現管線之黏滯效應使得擾動壓力 減弱，造成壓力訊號扭曲，使測得之壓力訊號並非真實擾動壓力。故本實驗採用將壓 力掃描器模組(ZOC33)放入建築物模型內，中間僅連接30 cm長的PVC管線，直接縮短 從壓力孔連接至壓力掃描器之管線長度，求得真實壓力之時間序列。
第二章 實驗設備與方法
圖2- 9 壓力計模組(ZOC33/64 Px) 資料來源：本計畫研究人員拍攝
(2) 數位處理模組DSM3000
DSM 3000 (Digital Service Module)為一界面模組，見圖2-10，使用遠端程式連結電 子壓力掃描器。DSM 為一台個人電腦作業系統為 Windows 95。需外接顯示器及鍵盤 和滑鼠方可使用，操作者可如同使用個人電腦般操作 DSM。DSM微處理器處理得到 之電壓訊號再轉換為壓力訊號輸出。取樣類比/數位轉換為 16 bit。
DSM另外附設一個控制壓力模組(Control Pressure Module, CPM)，由空壓機提供一 個穩定壓力源需經由調壓閥控制在65 psi再傳到CPM，以塑膠管線連接至控制壓力模組 (CPM)，功能為提供壓力源供ZOC33控制之用。
(3) HOST PC
為Intel P4微處理器之個人電腦，與DSM架成一區域網路，PC作業系統為微軟公司 之Windows 7。利用遠端程式DSM link操作DSM，做壓力之量測及校正，並可將量測 資料從DSM傳到PC中的硬碟儲存。本研究之採樣頻率為 256 Hz，採樣時間為 120 秒，每個量測點共有30720組採樣數據。執行Host PC遠端操作程式，便可量測不同位 置之壓力。
圖2- 10 數位處理模組(DSM 3000) 資料來源：本計畫研究人員拍攝
4. 單頻道電子壓力計：
本研究另一壓力為單頻道之電子壓差計(Kimo Inc., CP300)，見圖2-11，透過 PVC 管接上皮托管動壓及靜壓，此壓力計有2個壓力輸入管(正壓管及負壓管)，量測壓力範 圍設為±100 Pa，輸出電壓為0 ~ 2500 mV，精確度為1.0 Pa。CP300 壓差計之電壓轉換 壓力的方程式為：
y = 0.051x – 24.461 (2.2) 式中y為氣壓差，單位為Pa，x為電壓，單位為毫伏特(mV)。
5. 氣相層析儀
本研究利用示蹤劑濃度衰減法(Tracer gas decay method)來量測建築物模型的通風 量，此法先在建築物模型密閉的狀況下，在模型內注入定量的示蹤劑氣體CH4，測試 模型內濃度是否會隨時間而變，以檢驗模型接縫處是否有漏氣。實驗開始時打開建築 模型外部的開口，再利用模型內的採樣管及抽氣幫浦將模型內CH4，抽至氣相層析儀 (Gas Chromatography, GC)，如圖2-12所示，實驗配置如圖2-13，量測模型內空間平均 濃度隨時間的變化。Sherman (1988)建議追蹤氣體使用甲烷，乙烷，六氟化氯和一氧化 二碳。本研究中使用的追蹤氣體是 500 ppm 甲烷混合氣體。
第二章 實驗設備與方法
圖2- 11 單頻道電子壓力計(Kimo, CP300) 資料來源：本計畫研究人員拍攝
圖2- 12 氣相層析儀(GC)之照片 資料來源：本計畫研究人員拍攝
圖2- 13 通風模型實驗配置之示意圖 資料來源：本計畫研究人員繪製
建築模型內有四個取樣管，取樣管連接到空氣幫浦，經由空氣幫浦抽取模型追蹤 氣體再打氣到氣相層析儀內部經由燃燒後，可以由資料擷取器(Agilent 34970A)取得電 壓值。抽氣幫浦的抽氣量 q = 100 c.c./min。量測模型內平均濃度隨時間的變化，約1 Buggenhout et al., 2009)，示蹤劑濃度量測細節可參見Chu et al. (2011)。
Data logger Computer
Pump GC
Building Model
Valve
Wind
Sampling tubes
第二章 實驗設備與方法
6. 熱偶溫度計
熱偶溫度計(Thermocouple)之電壓轉換溫度的公式為：
y = 24016x + 14.707 (2.4) 式中y為溫度，單位為攝氏(oC)，x為電壓，單位為毫伏特(mV)。解析度為±0.5 oC。見 圖2-14。在本研究的取樣頻率為10 Hz、取樣時間10 min。
圖2- 14 熱偶溫度計
資料來源：本計畫研究人員拍攝
7. 資料擷取器
本研究使用的資料擷取器為安捷倫公司的(Agilent, 34970A)，見圖2-15。最多可同 時量測16個頻道，軟體為34970A Plug & Play Driver。單一頻道之最大取樣頻率為1000 Hz，當取樣頻率100 Hz時，單一頻道的最長取樣時間為600 sec。本研究曾測試不同的 取樣頻率(10 Hz, 25 Hz, 100 Hz)是否會影響濃度的結果，在圖2-16。結果表示三者取樣 頻率影響濃度計算結果很小。由於取樣頻率100 Hz 又取樣時間過長時，會導致擷取器 之記憶體溢滿的情況而無法得到完整量測資料，所以本研究中取樣頻率以 25 Hz為主。
圖2- 15 資料擷取器(Agilent, 34970A) 資料來源：本計畫研究人員拍攝
0 100 200 300 400 500
0 100 200 300 400 500
100 Hz 25 Hz 10 Hz
Conc (ppm)
Time (sec)
圖2- 16 不同取樣頻率下密閉模型內濃度隨時間變化圖 資料來源：本計畫實驗數據整理