1. Měření průtoku Měření průtoku patří mezi nejčastěji měřené veličiny. Při měření se médium může vyznačovat velkým množstvím různých stavů a vlastností., proto se musí brát v úvahu: teplota , tlak, hustota a viskozita média. Při měření průtoku je často třeba brát v úvahu i časovou změnu průtoku, popř. chceme znát rozložení rychlosti v průřezu průtokového kanálu. Pro optimální návrh čidel je nezbytné vědět, jestli se jedná o proudění laminární nebo turbulentní. Tekutiny: Pod pojmem tekutina rozumíme společné označení kapalin, par a plynů. Měření objemového průtoku tekutin je v podstatě určování velikosti prostoru, který tekutina zaujímá. Platí: m V = = mV0 m3 ρ
[ ]
Kde ρ ……….. hustota tekutiny [kg m-3] m ……… hmotnost tekutiny [m] V0 ………. měrný objem [m3kg-1] Průtokem rozumíme objemové nebo hmotnostní množství tekutiny, proteklé daným průřezem za časovou jednotku. Pro objemový Qv, a hmotnostní průtok Qm platí: Qv =
[
V = S .w m3 s −1 t
]
Qm =
Vρ = S .w.ρ kgs −1 t
[
]
Kde w… okamžitá průtočná rychlost v daném průřezu [ms-1] S…. průřez potrubí [m2] Jestliže není průtok ustálený, platí pro okamžitou hodnotu průtoku QV =
[
dV = wS m 3 s −1 dt
]
Qm =
[
dm = ρ .w.S kgs −1 dt
]
kde : Objem látky proteklý za konečný časový interval t2-t1 je dán vztahem t2
V = ∫ Q dt t1
Z uvedeného vyplývá, že průtok je určen střední rychlostí proudu v potrubí známého průřezu. Čidly tedy určujeme rychlost proudu nebo objem proteklé tekutiny v určitém časovém intervalu.
1
Pro správnou funkci čidla je důležité znát druh proudění. Při laminárním proudění se částice tekutiny pohybují po drahách, které se navzájem nekříží. U turbulentního proudění dochází ke křížení jednotlivých drah. Druh proudění určujeme tzv. Reynoldsovým číslem. Udává poměr mezi setrvačnými a třecími silami uvnitř tekutiny.
2.
Uspořádání měřící soustavy neelektrických veličin
Pro měření průtoku tekutiny jako neelektrické veličiny je možno použít uspořádání měřící soustavy podle obr. 1 MĚŘÍCÍ KANÁL Měřený objekt
Snímač s čidlem
Úprava signálu
Indikátor
ZÁZNAMOVÝ KANÁL Paměť
První člen měřícího kanálu tvoří prvek pro sběr informací , označovaný jako snímač (čidlo, senzor). Čidlo převádí vstupní neelektrický signál z měřeného objektu na elektrický signál výstupní - elektrický, mechanický, světelný, apod. Druhou částí kanálu je blok elektrických obvodů, v němž dochází k úpravě elektrického signálu na potřebný tvar pro výstupní zařízení. V případě, že je tento signál elektrický , tento blok může obsahovat zesilovače, generátory, filtry apod. Signál je dále zpracováván a vyhodnocen indikátorem, jehož údaj o velikosti měřené veličiny může být číslicový nebo analogový. Analogový výstup je vhodnější pro dynamické děje, číslicové zobrazení je vhodné pro měření na velkém počtu míst, umožňuje dosáhnout větší přesnosti. Paralerně s indikátorem je zapojena paměť, která zajišťuje uchování informací po určitou dobu. Bývá realizována pomocí zapisovačů a pamětí počítačů.
3. Snímače rychlosti a objemu průtoku tekutin Rozdělení průtokoměrů a měřidel proteklého množství podle měřících principů: 1.Objemové průtokoměry: a) s přerušovanou činností b) s cyklickou činností 2.Rychlostní průtokoměry: rychlostní sondy, škrtící orgány, kolenové průtokoměry, plováčkové průtokoměry, ultrazvukové průtokoměry, vírové průtokoměry, vířivé průtokoměry, indukční průtokoměry, hmotnostní Coriolisovy průtokoměry, optické vláknové průtokoměry a speciální průtokoměry.
3.1. Objemová měřidla průtoku a proteklého množství
2
Patří mezi absolutní metody, používáme jich jako etalonů pro ověřování jiných měřidel. Měřidla s přerušovanou činností se používají v laboratořích pro kalibrační a ověřovací měření. Měřící prostor se naplní tekutinou a po odměření objemu se zjistí doba plnění a měřící prostor se vyprázdní. Měření se rozděluje do dvou cyklů: měřícího a vyprazdňovacího. Měřidla s nepřerušovanou činností se používají jako provozní přístroje. Je zde několik odměrných prostorů a ty se plní postupně a po sléze i postupně vyprazdňují. Počítá se počet cyklů naplnění a vyprázdnění. 3.1.1 Zvonový krychloměr
Používá se k měření objemu plynu.(obr. 6.1) Jeho měřící část (zvon) zasahuje do nádoby naplněné vodou. Do prostoru pod zvon se přivádí plyn, jehož objem chceme měřit. Objem plynu je pak úměrný zdvihu zvonu h, jehož průřez S dokážeme určit (V = S . h). Hmotnost protizávaží je úměrná přetlaku měřeného plynu. Měříme čas τ, za který se naplní objem V krychloměru. Pro zachování stejných podmínek na počátku a na konci plnění odměrného prostoru kompenzujeme úbytek vztlaku. Metody pro kompenzaci vztlaku: - přídavné závaží, zavěšené na kladce ve tvaru Archimedovy spirály. - přídavné řetěz, který se odvíjí přes řetězové kolo a tím narůstá protizávaží shodně s úbytkem vztlaku. - na lanku zavěšená nádobka, kde je hladina shodná s hladinou v nádrži.
3.1.2. Měřidlo s krouživým pístem
Pro měření přesných objemových množství. Základní částí je odměrná komora, rozdělena přepážkou. Prstenec pístu se pohybuje v odměrné komoře a je přerušen výřezem. Do výřezu zapadá přepážka komory, která při měření umožní pístu konat smýkavý pohyb. Od pohybu pístu se odvozuje pohyb počitadla otáček, jež je úměrný proteklému množství kapaliny. Plní se ze spodu a odměřená kapalina odchází výtokovými otvory nahoře. Jakmile se prostor V1 zcela zaplní , dojde k odměření přesného objemu. Dalším otáčením kapalina odchází do prostoru vně píst a vstupními otvory do odměrného prostoru proudí nová odměřovaná tekutina. Jedná se o velmi přesné měřidlo, používá se k měření objemového množství plynů, kapalin o různé viskozitě.
3
3.1.3. Oválové měřidlo
Používá se hlavně pro měření průtoku viskózních tekutin. (obr. 6.3) V komoře se pohybují dvě oválná tělesa opatřená ozubením, které je přesné s minimální vůlí. Odměrné komory se střídavě plní a vyprazdňují a počet otáček oválových těles je pak úměrný proteklému množství. Otáčky jsou snímány a výstupní signál je dále zpracováván. Často se tyto přístroje používají v ropném průmyslu jako bilanční měřidla.
3.1.4. Bubnové měřidlo
Používá se jako měřidla kondenzátu všude tam, kde je potřeba měřit průtok kondenzované páry. (obr.6.5) Kapalina přetéká potrubím uprostřed bubnu a zaplňuje odměrný prostor A1. Po jeho naplnění vniká kapalina do prostoru A2 , poruší se rovnováha a buben se začne otáčet. Kapalina postupně zaplňuje i prostor B1. Kapalina již odměřená odtéká z měřidla otvory a, b, c. Otáčky bubnu jsou elektricky snímány.
3.2. Rychlostní měřidla průtoku a proteklého množství Principem je zjišťování rychlosti proudění měřené tekutiny. Objem průtoku se určuje z naměřené rychlosti proudění dodatečně. Rozdělení: a) měřidla rychlosti b) měřidla průtoku, resp. proteklého množství aa) rychlostní sondy: Prandtlova trubice, Pitotova trubice, válcová a kulová sonda a víceotvorové typy sond ab) anemometry: mechanické, žhavené, laserové ac) vodní křídla ba) vodoměry: lopatkové, šroubové, turbinové bb) vírové a vířivé průtokoměry bc) tepelné průtokoměry bd) průřezová měřidla průtoku: škrtící orgány be) kolenové průtokoměry bf) plováčkové průtokoměry bg) indukční průtokoměry bh) ultrazvukové průtokoměry bi) optické vláknové průtokoměry
4
3.2.1. Měřidla rychlosti 3.2.1.1. Rychlostní sondy Používají se pro laboratorní účely nebo přesná jednorázová měření. Rychlost proudění kapalin je dána vztahem: a plynů: p p d w = 2. w 2 . = ρ ρ kde p = ( ρ / 2 ) . w2 je tzv. kinetický tlak. Celé měření rychlosti proudění lze nahradit měřením dynamického tlaku pd a hustoty kapaliny ρ. - Pitotova trubice – (obr.6.6). Konstrukční uspořádání s odběrovými místy celkového tlaku pc a tlaku statického ps . Tlak dynamický je potom jejich rozdílem. Principem je ponoření skleněné trubice se spodní částí ohnutou do pravého úhlu proti směru proudění. Voda v trubici vystoupá do výše h a platí … pc= ps+pd ps =ρ . g . h pd=1/2 ρ .w2 pd= pc-ps=(h-h´).ρ . g …. w= 2.g .∆h
- Prandtlova trubice – (obr. 6.7). Je rychlostní trubice která oba tlaky pc a ps měří v jednom místě. Konstrukční uspořádání vychází ze superpozice dvou proudění: proudění rovnoběžného a ze zdroje. Celkový tlak se snímá otvorem v čele sondy a statický tlak štěrbinami ve válcovité části sondy. Při měření musíme umístit sondu přesně do směru proudění. Spodní mez rychlosti je dána měřitelností dynamického tlaku. (pro plyny 6 ms-1, voda 0,2 ms-1) Horní je omezena jen tuhostí sondy.
5
Pro správné určení průtoku je nutné určit tzv. střední rychlost proudění R
∫ d Qv 1 Qv 0 rx rx w= 2 . = = ∫ . w x .d 2 S R R π. R 0 Kde dQv je elementární objemový průtok mezikružím o šířce dr a je roven dQv = 2.π.rx.drx.wx Jedná se o průběh rychlosti wx v závislosti na poměrné odlehlosti rx / R . Neznáme-li směr proudění, nelze rychlostní sondy použít. -
Válcová sonda – (obr.6.10). Jedná se o čtyřotvorovou sondu, kde otvorem nastaveným proti proudění snímáme celkový tlak pc. Otvorem v úplavu sondy tlak pú. Dva otvory souměrné k pc, slouží pro určení směru proudění. Při vlastním měření připojíme na odběry p1 a p2 diferenční tlakoměr. Pokud známe součinitel válcové sondy β = (pc – pú) / pd je možné určit rychlost proudění. Tu zjistíme tak, že na výstupní otvory pc a pú připojíme další diferenční tlakoměr. Známe válcové sondy se dvěma otvory pro snímání tlaků a kulové sondy pro prostorové rozložení proudění. - Víceotvorové válcové sondy – Měří se jimi přímo střední rychlost proudění. Čtyřmi až osmi otvory se na náběhové straně sondy snímá střední hodnota celkového tlaku.Důležité je rozdělení otvorů pro odběr celkového tlaku na náporové straně válcové sondy. Víceotvorové sondy lze používat v kanálech velkých rozměrů. Součástí těchto sond jsou inteligentní snímače tlakové diference. Výhody těchto sond: - přesnost měření nezávisí na počtu a velikosti otvorů, - velikost otvoru sondy ovlivňuje nepřímo přesnost měření, - nízká trvalá ztráta - sonda měří s rovnoměrnou přesností v širokém rozsahu rychlostí proudění - maximální chybu lze snížit kalibrací, - pro zabudování sondy stačí délka úseku rovná pětinásobku světlosti potrubí. Snímač tlakové diference určuje z naměřeného tlakového spádu průtok: Qv = S .k . 2.
∆p kde k….. kalibrační konstanta sondy, která je stálou veličinou, k = ρ
3.2.1.2. Anemometry
6
pd ∆p
Rychlostní průtokoměry, které pracují na principu ochlazovacího účinku proudu měřené tekutiny, nebo na jeho silovém účinku. Pro velmi přesná měření malých průtoků se používají laserové anemometry. Anemometry řadíme do třech skupin: a) elektrické anemometry b) mechanické anemometry c) laserové anemometry ad a)- elektrické anemometry – pro měření rychlosti průtoku plynů ve velmi vysokém rozsahu. Principem je ochlazování drátku žhaveného na určitou teplotu proudem měřeného plynu. Odvod tepla z drátku je funkcí rychlosti proudění. Pro všechny níže uvedené principy
Q
p
= 0,24.R.I 2
R. 2 přiváděným platí výchozí rovnovážný stav mezi teplem f (w ) I a odváděným (zjednodušeně) ∆t Proto anemometry dělíme na: aa) teplota ∆t = konst. a měřítkem rychlosti je velikost topného proudu I (rychlost 1-300 m . s1 ) ab) topný proud udržujeme konstantní a měřítkem rychlosti je teplota drátku,vyjádřená jako změna odporu R, pro stejný rozsah měření rychlostí ac) topný příkon(R.I2=konst.) je konstantní a měřítkem rychlosti je teplota drátku měřená termoelektrickým článkem (rychlost do 1 m . s-1 ) Každé zařízení je nutné přesně zkalibrovat. Náročné pro měření menších rychlostí. Ad b)- mechanické anemometry – převážně provozní nebo orientační měřidla. Měřidlo je opatřeno lopatkovým rotorem, který se proudícím médiem uvádí do pohybu. Rychlost otáčení je úměrná rychlosti proudění, celkový počet otáček pak měřítkem proteklého množství (podle směru proudění radiální nebo axiální anemometry pro plyny, vodní křídla a vodoměry pro kapaliny). - miskový anemometr – radiální anemometr pro provozní účely. Souží k orientačnímu určování rychlosti větru. Otáčení je snímáno a přenášeno na výstupní signál. Známe-li dobu otáčení τ a celkovou délku danou počtem otočení l , můžeme určit rychlost proudění l τ - axiální anemometr s lopatkovým rotorem – pro měření nízkých rychlostí proudění (1-10 ms-1) (obr.6.16) Musíme je umístit přímo do středu proudu, jelikož měří jen rychlost v místě průřezu. w=
3.2.2. Měřidla průtoku a proteklého množství 3.2.2.1. Lopatkové a šroubové vodoměry Používá se pro provozní měření, kde plně dostačuje předepsaným požadavkům. - jednovtokový lopatkový vodoměr - používá se často pro průtok studené i teplé vody, protože má jednoduchou konstrukci(3,5 - 7 m3hod-1) - vícevtokový vodoměr - (obr.6.18) má větší citlivost a přesnost měření při malých průtocích(3-20m3hod-1)
7
- šroubový vodoměr- pro větší průtoky. Na rotoru je rozmístěno více šroubových lopatek. Vodoměry mohou pracovat jako horizontální i vertikální. Otáčky jsou přenášeny na ukazatele pro zpracování. Všechny typy vodoměrů jsou při nízkých průtocích jen málo přesné. Všude tam, kde je potřeba měřit ve velkém rozsahu se sestavují tzv. kombinace hlavního a vedlejšího vodoměru, neboli sdružený vodoměr (obr.6.22). Při malém průtoku je klapka K u paralelního zapojení uzavřena a vše protéká vedlejším vodoměrem Vv. Při zvýšení nad nominální hodnotu Vv vzniká spád klapka se otevře a průtok měří hlavní vodoměr Hv. Nevýhodou je, že při průtoku Hv se měří s velkou chybou. U sériového zapojení se měří současně oba průtokoměry. Při malém průtoku je směrodatný údaj malého průtokoměru Vv. Při zvýšení se odečítá jen z velkého vodoměru Hv. Toto zapojení částečně odstraňuje vliv rozběhových chyb.
3.2.2.2 Turbínové průtokoměry(obr. 6.23.)- jsou poměrně přesné, jejichž základem je lopatkový rotor, který je uváděn do pohybu měřenou tekutinou. Výstupním signálem jsou napěťové pulsy, které jsou zpracovávány v elektronické části a hodnota průtoku je ihned na displeji zobrazena, nebo je použita jako elektrická výstupní veličina pro regulaci, řízení. (obr.6.23) Používají se pro měření průtoku kapalin za vysokých tlaků a teplot. 8
Snímače s pohyblivými částmi jsou náchylné na pravděpodobné poruchy, pravděpodobnost poruchy je dána počtem pohyblivých částí . Byly vyvinuty průtokoměry s nepohyblivými částmi, které vykazují malou tlakovou ztrátu a měří průtok v širokém rozsahu s velkou přesností. 3.2.2.3. Vírové a vířivé průtokoměry - Vírové průtokoměry - (obr.6.24) Využívají Karmánových vírů, které vznikají za obtékaným tělesem v proudovém poli. Frekvence vírů, které se u průtokoměrů vkládá kolmo na směr proudění je přímo úměrné rychlosti proudění w. Je důležité, aby vložené těleso mělo takový tvar, který zaručuje stabilitu pravidelného snímání frekvence vírů. Nejčastěji se používají prizmatická tělesa. Způsoby snímání: a) ultrazvuk b) kapacitní snímače c) tenzometrické snímače d) termistory Pro geometricky podobná tělesa platí: Qv π .b = Sr 3 f 0 = .w f 0. D 4.D. S r b Qv je objemový průtok, D3 … průměr potrubí, f0 … základní frekvence vloženého tělesa, b … šíře náběhové plochy tělesa, Sr … Strouhalovo podobnostní číslo Používají se pro měření průtoku páry o nižší teplotě, spalovacích plynů, kapalin s nízkou a teplotně stálou viskozitou. Výhody: jednoduché instalace, vysoká přesnost, velký dynamický rozsah, dlouhá životnost.
9
-
Vírové průtokoměry typu VORTEX – (obr.6.25) Vloženým tělesem je hranolovité vírové těleso, které má obdélníkovou základnu. Stěny na čelní a náplavové straně jsou tvořeny tenkou kovovou membránou, prostor uvnitř je naplněn olejem, do kterého jsou zasunuty elektrody. Celý tento systém tvoří kapacitní snímač frekvence vírů. Výstupem signálem je frekvence, nebo proudový signál. Vhodné pro průtoky do 10 000 m3h-1.
- Vířivé průtokoměry – (obr.6.26) Princip spočívá v protékání tekutiny, která je vloženými zakřivenými lopatkami uvedena do rotačního pohybu. Tím vzniká radiální spád, který způsobí pohyb jádra. Frekvence rotace se snímá tenzometrem nebo termistorem a je úměrná rychlosti proudění tekutiny. Výstupní signál je frekvence, pulsy nebo proud.
3.2.2.4. Tepelné průtokoměry Měří na principu ohřevu měřené tekutiny konstantním tepelným tokem a měření jejího oteplení ∆t(teplotní rozdíl) za ohřívaným tělesem t2 a před ním t1, určujeme hmotnostní průtok Qm =
A. c p .(t 2 − t1) Pq
kde A je konstanta (kg2 . s-2), cp měrná tepelná kapacita tekutiny, Pq konstantní tepelný tok topného vinutí, t1,t2, teploty tekutiny před a za topným vinutím. Používají se pro měření hmotnostního průtoku plynů a pro rozsah 3-30 000 ml.s-1. Existují dvě varianty podle vyhodnocení průtoku: a) z oteplení proudící tekutiny (obr.6.27) při průtoku tekutiny se symetrické rozdělení teploty v trubici poruší a teplotní rozdíl je vyhodnocen můstkovým zapojením.Celá měřící část musí být dobře izolovaná. b) z ochlazení topného tělesa (obr.6.28) měřená tekutina obtéká dva snímače RM a RT, které jsou zapojeny v můstku. RM…
odporový snímač teploty elektricky RT…. vyhřívaný odporový snímač teploty
10
3.2.2.5. Ultrazvukové průtokoměry Použití je vhodné pro měření silně znečištěných kapalin, kapalin agresivních nebo pro roztavené kovy. Princip spočívá v rychlosti proudící tekutiny, která způsobuje přírůstek nebo úbytek rychlosti šíření ultrazvukových vln v daném prostředí. Metody vyhodnocení mají společnou vlastnost – vylučují vliv teploty a tlaku na výstupní veličinu.(obr.6.29) „Leading-edge-detection“ – elektroakustické měniče pracují ve funkci vysílače a přijímače ultrazvukových vln. Dopplerův princip - (obr.6.30) vysílaný zvukový paprsek je přijímačem přijímán nazpět s prouděním změněnou frekvencí. Používají se v petrochemickém a chemickém průmyslu, měření zemního plynu, odpadních vod, parního kondenzátu. Rozsah měření od 2-400 000 m3h-1, tlak do 4 MPa.
3.2.2.6. Magnetické indukční průtokoměry Nejrozšířenější typ rychlostních průtokoměrů. Indukční snímač tohoto typu využívá Faradayova zákona. Kapalinu si můžeme představit jako paralelně řazená vlákna, která procházejí rychlostí w magnetickým tokem Φ, orientovaným kolmo k rychlosti. Potrubní část, ve které je vsazen snímač musí být z magneticky nevodivého materiálu.(obr.6.31) Magnetické indukční průtokoměry se velice často používají pro měření všech druhů kapalin od kapalin s nízkou viskozitou až po kapaliny s velmi vysokou viskozitou.Použití pro průtoky od 0,005-12 000 m3h-1
11
3.2.2.7. Coriolisovy hmotnostní průtokoměry - princip spočívá ve využití Coriolisovy síly. V podstatě se jedná o silně redukovanou zakřivenou trubici nebo trubice, do kterých je přiváděna měřená tekutina (obr. 6.34). U trubic je indukční snímač, který registruje časový posun vzniklých kmitů, ten je potom úměrný hmotnostnímu průtoku kapaliny silně redukovaným elementem průřezu. - používají se též systémy s přímými měřícími trubicemi – měření nižších tlaků kapalin. Měřící princip využívá síly, která vzniká při průchodu kapaliny z volného ustáleného průtoku do silně redukovaného uzavřeného průřezu. Přímé trubice nemají, proti zakřiveným, tak vysokou tlakovou ztrátu. Použití C. hmotnostních průtokoměrů: potravinářský, petrochemický a chemický průmysl, plnění nádob a podobně. Dodávají se s elektronickou vyhodnocovací částí pro rozsahy průtoků 0,05 – 18 000 kg.min-1.
3.2.2.8. Optické vláknové průtokoměry - vznikly na základě poznatků o šíření světla světlovodem. Předností je rezistivita vůči elektromagnetickému rušení a vysoká přenosová kapacita, pro měření fyzikálních veličin se naopak využívá jejich citlivosti na změnu veličin. Měřená fyzikální veličina moduluje optický signál, který je do optického vlákna vysílán zdrojem záření a detekován detektorem záření. - pracují na principu modulace intenzity záření prostřednictvím změny koeficientu útlumu vlákna ( obr.6.35), ten se mění mikrodeformacemi vlákna proudící kapalinou. - Kmitání optického vlákna, zpravidla volně vloženého do středu proudnic tekutiny, které je způsobeno vířením měřené tekutiny při jeho obtékání, mění světelný odpor vlákna. Frekvence tohoto kmitání se vypočte dle vztahu: w Sr .h = f.d kde Sr … Strouhalovo podobnostní číslo h…. světelný odpor vlákna f…. frekvence kmitání vlákna d… průměr potrubí
12
Použití: jako přesné laboratorní přístroje (přesnost okolo 0,2 % z měřené hodnoty), pro měření velmi malých rychlostí v malých průtočných průřezech) Zvláštní typy rychlostních průtokoměrů
3.2.2.9. Fluidíkové průtokoměry (obr.6.37) - měřícím principem je vytváření pulsujícího proudu tekutiny ve zpětnovazebném kanále. Výstupní signál V1 (V2) se zavede do řídícího kanálu R1 (R2) a tím se proudící tekutina překlápí z jednoho výstupu do druhého. Frekvence vzniklých pulsací je závislá na průřezu a délce zpětnovazebního kanálku, snímá se termistory, tenzometry a piezoelektrickými snímači. Výhoda: frekvence pulsací není závislá na druhu měřené tekutiny Použití: v laboratorních podmínkách pro malá proteklá množství tekutin, předností je vysoká citlivost a přesnost.
3.2.2.11. Kolenové průtokoměry (obr.6.38) - využívají změny směru proudění měřené tekutiny v kolenu a tím vyvolání rozložení statických tlaků p1 na vnějším obvodu a p2 na vnitřním obvodu, největší tlakový rozdíl p1 – p2 je v ose kolena a proto se při měření průtoku snímá tlakový rozdíl v ose kolena. Výhoda: malá tlaková ztráta, nevyžaduje dlouhé vyrovnávací úseky před a za kolenem Nevýhoda: malý tlakový rozdíl při měření průtoku plynů
13
3.2.2.12. Průřezová měřidla průtoku - k měření průtoku tekutin v uzavřených potrubích se využívá tzv. škrtících orgánů Škrtící orgány normalizované: clona, dýza, Venturiho dýza, čtvrtkruhová dýza. -
při jejich použití musíme měřit tlakový rozdíl Δp před průchodem tekutiny škrtícím orgánem a po jejím průchodu (obr.6.39). Škrtící orgán způsobuje trvalou tlakovou ztrátu, která je tím větší, čím je průřez škrtícího členu menší. - Průtok QV tekutiny se určí z rovnice: 2 π .d ∆p α ε . . . 2. = Qv 4 ρ1 kde α … průtokový součinitel škrtícího orgánu (velikost z tabulek) ε …. expanzní součinitel (z tabulek, grafů) ∆p…. tlakový rozdíl měřený na škrtícím orgánu ρ1 …. hustota měřené tekutiny
Normalizovaná clona (obr.6.40) - deska s kruhovým otvorem uprostřed, která je zabudována do potrubí. Odběry statistických tlaků jsou provedeny těsně před a za škrtícím místem. Náběhová strana otvoru clony musí být vždy ostrá. Clony mají poměrně velkou tlakovou ztrátu: 2 ∆ p = 1 − β .∆p z β2= (d/D)2… poměrné zúžení škrtícího členu u náběhové strany. Normalizovaná dýza (obr.6.41) - tvar dýzy musí být velmi přesný – náročná výroba Použití: tam, kde jsou vysoké požadavky na přesnost měření. Tlaková ztráta je přibližně rovna: 2 ∆ p = 1 − 1,4 β .∆p z Čtvrtkruhová dýza (obr.6.43) - určena k měření průtoku velmi viskózních kapalin při malých rychlostech proudění. Tvar vstupního otvoru je čtvrtkruhový.
14
Mimo normalizovaných škrtících orgánů se používají: měřící kapiláry segmentové clony Měřící kapilára (obr.6.44) - měření velmi nízkých průtoků, kde není jiná metoda k dispozici. Měřící princip je založen na odporu kapiláry proti proudění. - před použitím se musí zkalibrovat - její délka musí být taková, aby v kapiláře bylo jen laminární proudění ∆p k … konstanta závislá na délce kapiláry, šíři otvorů, počtu otvorů η Segmentová clona (obr.6.45) - měření průtoku velmi znečistěných kapalin a plynů. Průtočný průřez není dole seškrcen a tak vlhkost a nečistoty mohou volně procházet a nemění tak statické vlastnosti škrtícího orgánu. Zabudování škrtících orgánů (obr.6.46) Qv = k .
- abychom měřili s co nejmenší chybou, je třeba splnit řadu požadavků: ♦ urovnané proudění (laminární s vyrovnaným prouděním )před vstupem tekutiny do škrtícího orgánu(potřebná délka potrubí (x násobek světlosti potrubí) ♦ na odběrech musí být uzavírací ventily ♦ odběry musí být nahoře – při měření plynů ♦ odběry musí být dole – při měření kapalin ♦ při měření páry musí být u škrtícího orgánu zabudovány kondenzační nádoby ♦ impulsní potrubí nesmí místa, kde se hromadí nečistoty ⇒ odkalovací a odvzdušňovací ventily Návrh a výpočet škrtícího orgánu - předběžný a konečný - navrhuje se pro dané parametry. Hlavní rozměr, který se počítá je průměr škrtícího otvoru. Je nutné znát: ♦ průměr potrubí D nebo jeho jmenovitou světlost DN ♦ tlak měřené tekutiny p1 ♦ teplotu měřené tekutiny t1 dynamickou viskozitu měřené tekutiny η1 očekávaný objemový průtok Qv nebo hmotnostní průtok QM ♦ typ připojeného diferenčního tlakoměru a způsob záznamu
15
Vliv změn parametrů měřeného prostředí na přesnost měření - pro správné určení průtoku musíme sledovat a brát v úvahu také změny hustoty ρ1 měřené tekutiny. - Průtoková rovnice má tvar: 2 2 p1 − p2 = A. ∆p π.D . . . . 2 . = α ε β Qv 4 ρ ρ kde ρ je hustota měřeného prostředí zadaná pro výpočet U kapalin je průtoková rovnice ve tvaru:
Q
v1
2
= α. β
2
π. ∆p . D . 2. = A. 4 ρ
∆p . 1 + γ. t1
ρ (
1
0
)
Kde ρ1 je okamžitá hustota ρ0 je hustota kapaliny při teplotě t0 γ je teplotní součinitel hustoty t1 je okamžitá teplota kapaliny U plynů je průtoková rovnice ve tvaru: 2
= α. β. v1
Q
2
π. ∆p ε. D . 2. . 4 ρ 0
p .T p .T 0
1
1
0
= B.
p .T . p .T 0
1
1
0
16
∆p
Měření hustoty tekutin - k přesnému určení objemového průtoku škrtícím orgánem je při předpokládaných změnách tlaku a teploty nutno provádět korekci. Hustotou označujeme hmotnost látky jednotkového objemu: m ρ= V Kde ρ je hustota, m je celková hmotnost, V je celkový objem. Jedním z principů je měření změny tlumení kmitající trubky (obr.6.48) – trubičkou protéká měřená tekutina, trubička je uchycena letmo v tělese snímače, na jehož vnějším plášti jsou umístěny budící a snímací cívky. Vztah mezi hustotou protékající tekutiny ρ a dobou kmitu T kmitající trubky je: T − T0 T − T0 . 2 + k. ρ=ρ . 0 T0 T0 Kde ρ0 a k jsou kalibrační konstanty T0 je doba kmitu ve vakuu
3.2.2.13. Plováčkové průtokoměry - těleso plováčkového průtokoměru (rotametru) tvoří svislá kuželovitá trubice, jejíž kruhový průřez se směrem nahoru zvětšuje, uvnitř trubice je plovák, který tekutina nadnáší směrem vzhůru (obr.6.52). Existuje celá řada konstrukcí a tvarů plováčků (obr.6.53), jež se řídí druhem měřené tekutiny a průtokem. Některé tvary a materiály plováků jsou vhodné pro použití při snímání polohy plováku bezdotykově nebo pro měření viskózních tekutin. Poloha plováku se zjišťuje buď přímým čtením na stupnici přístroje , elektricky, pneumaticky, nebo mechanicky. Výhoda: měření velmi malých a středních průtoků a malá náběhová délka. Použití: ve všech oblastech průmyslu, některé průtokoměry jsou vybaveny systémem vytápění a používají se pro měření v nízkých teplotách. Rozsah: od 0,1- 50 000 l.h-1 vody, 1,0 - 630 .103 l.h-1 vzduchu.
17
3.2.3.Průtokoměry pro měření v otevřených kanálech - čističky odpadních vod, vodárny, úpravny vody Ke starším způsobům měření patří: Venturiho kanál nebo využití přepadu a měření objemového množství z rozdílu výšek hran přepadu a rozdílu energií. Nové způsoby: Vodní křídla (obr.6.54) - tvar miniaturních lodních šroubů. Křídlo se vkládá do proudící kapaliny, jeho otáčky se měří elektricky na základě počtu sepnutí kontaktů, ovládaných otáčejícím se křídlem, nebo indukčně. Ultrazvukový průtokoměr pro otevřené kanály - sonda obsahující vysílač a přijímač ultrazvukových vln. Otevřený kanál má v místě měření konstantní tvar. Sonda pak vysílá vysokofrekvenční pulsy do určitého místa profilu a ty se odražené vracejí s určitým zpožděním zpět. Toto zpoždění je dáno objemovým množstvím kapaliny v redukované části kanálu. Výhoda: kapalina nepřichází do styku se snímačem. Indukční průtokoměr pro otevřené kanály - magnetické pole B prochází kanálem úhlopříčně a indukuje mezi elektrodami napětí U úměrné rychlosti proudění kapaliny. Při zabudování průtokoměru je nutno uvažovat s určitou náběhovou délkou a tím, že v okolí se nesmí vyskytovat žádný magnetický materiál.
4. Volba typu průtokoměru Volba typu průtokoměru závisí na: ♦ konkrétním druhu měření. Pro laboratorní účely musí být zajištěna přesnost a opakovatelnost měření. Provozní měřidlo musí být vysoce spolehlivé. ♦ Způsobu indikace signálu o průtoku, zápisu údaje, tisku, analogovém nebo digitálním ukazování ♦ Výstupních informacích, informacích o okamžité hodnotě průtoku nebo informacích, využitelných pro další zpracování . ♦ Možné korekci na změnu hustoty a tlaku z důvodu ekonomického vyhodnocení. ♦ Vlastnostech měřené tekutiny (u viskózních kapalin volíme jiný druh snímačů než u plynů apod. , neagresivní, agresivní prostředí) ♦ Přístupnosti měřícího místa ♦ Na parametrech měřícího místa 18
5. Ověřování měřidel průtoku - stejně jako ostatní měřidla fyzikálních veličin měří s určitou přesností. Cejchování, neboli ověřovací měření s použitím etalonových měřidel, probíhá podle ČSN 45 000. Certifikace musí být vždy prováděna třetí nezávislou stranou, která je akreditována státním akreditačním orgánem. Po atestu nebo certifikátu je nejdůležitější pro schválení měřidla pro bilanční měření pravidelně prováděné kontrolní vyrovnávací měření, které má předejít vzniku doplňujících chyb. Kontrolní proměřování průtokoměrných zařízení se provádí na tzv. tratích. Tyto tratě jsou stavěny pro referenční podmínky práce dané skupiny průtokoměrů, které se budou ověřovat. Průtokoměr se musí proměřit a zkalibrovat v celém rozsahu. Výsledkem takového měření je ověřovací protokol, který musí obsahovat: ♦ identifikaci zákazníka ♦ typ protokolovaného průtokoměru ♦ kalibrační podmínky – maximální průtok, médium, délka přívodního potrubí ♦ konkrétní kalibrovaný nebo kontrolovaný signál ♦ výsledky provedených měření – tabulku a graf odchylek ♦ datum měření, dobu platnosti, seznam provedených opatření
6. Možnosti aplikace snímačů průtoku tekutin v průmyslu Popsané typy průtokoměrů slouží k určení hmotnostního , objemového množství tekutin v určitém časovém intervalu v průřezu o známé velikosti. Průtokoměry se uplatňují ve všech odvětvích průmyslu strojírenského, textilního a dalších.
chemického ,
Obecně se dají využít při měření : -
průtoku zkondenzované páry v elektrárnách, výtopnách (bubnové měřidlo) odměru plynu (plynoměry) odběru teplé a studené vody v podnicích i domácnostech (lopatkové vodoměry) průtoku vody v otevřených kanálech (vodní křídla, induční průtokoměr) průtoku vod v čističkách odpadních vod, úpravnách vody (Venturiho kanál) rychlosti vzduchu v meteorologických stanovištích (miskový anemometr) proteklého množství mazutu, olejů, benzínu, chladiv, -tzv. bilanční měřidla.(oválové měřidlo) objemového průtoku silně znečištěných kapalin, agresivních i roztavených kovů(např. ultrazvukové průtokoměry) přesně odměřeného množství kapalin do nádob (Coriolisovy hmotnostní průtokoměry) průtoků tekutin v oblasti výzkumu (laboratorní měření)
19
V laboratořích textilního průmyslu a jiných výzkumných pracovišť je možné průtokoměry mimo jiné využít pro měření objemu průtoku vzduchu při zjišťování prodyšnosti plošných textilií. Současná metoda hodnocení prodyšnosti podle ČSN 80 0817 je založena na principu nasávání vzduchu přes vzorek, upnutý v kruhových čelistech kanálu. Po dosažení normou stanoveného tlakového spádu (pomocí připojeného mikromanometru) je odečítána hodnota průtoku vzduchu (v ml/s) na plováčkovém průtokoměru. Plováčkové průtokoměry jsou instalovány 4, se stanoveným rozsahem měření: Průtokoměr 1: Průtokoměr 2: Průtokoměr 3: Průtokoměr 4:
rozsah 0,1 – 1,0 ml/s rozsah 0,4 – 5,8 ml/s rozsah 4,0 – 40 ml/s rozsah 40 – 400 ml/s
Nevýhody současného měření: - lze nastavit pouze malý rozsah průtoku vzduchu v rozmezí od 0,1 do400 ml/s. - není možné přesně nastavit tlakový spád (subjektivní nastavení) - přístroj neregistruje hodnoty objemu průtoku vzduchu při postupně narůstajícím tlaku na plochu materiálu(není možné současně registrovat tlak) - odečítání hodnot se provádí přímo na stupnici rotametru. Návrh snímání velikosti průtoku vzduchu přes plochu textilního materiálu, měřený v laboratorních podmínkách: -
vhodné jsou rychlostní snímače průtoku a proteklého množství vzduchu s vyšším rozsahem měření od velmi nízkých průtoků (pod 0,1 ml/s) po vyšší průtoky (nad 400 ml/s). vhodné jsou snímače, současně zjišťující průběžné tlakové údaje na obou stranách měřené textilie snímače musí zajišťovat přesnost a opakovatelnost měření, s minimálními tlakovými ztrátami a chybou snímač musí poskytovat okamžité údaje o průtoku (popř. tlaku) výstupní informace snímače(rychlost průtoku, objem proteklého množství, tlakové poměry) musí být dále zpracovatelné pomocí PC. musí být známy další informace např. o teplotě a vlhkosti měřeného vzduchu.
Z výše uvedeného přehledu je patrné, že k měření prodyšnosti v laboratorních podmínkách jsou vhodné především rychlostní průtokoměry, objem proteklého vzduchu se vypočítá dodatečně ze střední rychlosti proudění: Anemometr – elektrický (kap. 3.2.1.2) Jeho princip je založen na ochlazování drátku, žhaveného na určitou teplotu. Odvod tepla z drátku je funkcí rychlosti proudění. Tepelný průtokoměr (kap. 3.2.2.4.) Měří na principu ohřevu měřené tekutiny konstantním tepelným tokem a měření jejího oteplení ∆t(teplotní rozdíl) za ohřívaným tělesem t2 a před ním t1, určujeme hmotnostní průtok.
20
Optický vláknový průtokoměr (kap. 3.2.2.8.) Měří frekvenci kmitů optického vlákna, volně vloženého do středu proudnic tekutiny. Kmity způsobí víření měřené tekutiny při jeho obtékání a tím změní světelný odpor vlákna. Frekvence kmitů je úměrná střední rychlosti proudění. Fluidíkový průtokoměr (kap. 3.2.2.9) Měří frekvenci pulsací „překlápění“ proudící tekutiny z jednoho výstupu zpětnovazebního kanálku do druhého.
7. Použitá literatura 1. Zehnula, K.: Automatizace a regulace. Svazek 21. snímače neelektrických veličin. 2. vyd.Praha, SNTL – Nakladatelství technické literatury ,1983 2. Zehnula, K.: Automatizace a regulace. Svazek 32. Čidla robotů, 1. vydání. Praha, SNTL- Nakladatelství technické literatury, 1990 3. OMEGA Engineering, Stamford: The Flow and Level Handbook 29. 4. Ďaďo, S., Kreidl,M.: Senzory a měřící obvody, ČVUT, Praha 1996 5. Bráza,A., Jenčík,J.: Technická měření, ČVUT, Praha 1996
21
22
