Senzory průtoku a hladiny
Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.
P. Ripka, 2010
Senzory průtoku tekutin Průtok
- hmotnostní - objemový - rychlostní
Druhy proudění
- laminární … parabolický rychlostní profil - turbulentní … víry
Způsoby měření
- přímé: dávkovací senzory, čerpadla - nepřímé: měření rychlosti nebo kinetické energie
Senzory průtoku tekutin Rozdělení senzorů podle vztahů: a) objemové
b) hmotnostní
c) rychlostní
V Qv = , t
V Qm = ρ t
m Qm = t
Qv = v S ,
Qm = vSρ
Rychlostní senzory průtoku Rotametr (plováčkový průtokoměr) Využití plováku jako indikátor rovnováhy sil.
citlivost na viskozitu => tvarem plováčku lze potlačit až o dva řády
Rychlostní senzory průtoku
Turbínkový průtokoměr
linearita 0 – 1% threshold 2 – 3% rozsahu
Rychlostní senzory průtoku Turbínkové senzory Měří se frekvence impulsů f:
f = KQv
Spodní mez správnosti: 3 – 5% linearita: 0,1%
K…konstanta senzoru
Rychlostní senzory průtoku
Senzor s lopatkovými koly
Rychlostní senzory průtoku
Rychlostní senzory průtoku
Vírový senzor průtoku
Sr f = v a f…frekvence vírů A …charakt. rozměr překážky Sr …Strouhalovo číslo (char. Pro určité překážky)
Detekce vírů: tepelné anemometry ultrazvukové detektory tlakové detektory
Přesnost ~ 1%
Ultrazvukové průtokoměry Pulsní ultrazvukový průtokoměr je založen na skládání rychlosti kapaliny w a rychlosti šíření ultrazvuku. Měří se doba šíření pulsu od vysílače k příjmači. Přesnost závisí na délce dráhy.
v=
∆t 2 − ∆t1 2 cos α ∆t1 ∆t 2
L
Δt1…doba šíření od (V2,P2) k (V1,P1 ) Δt2…doba šíření od (V1,P1) k (V2,P2 )
Ultrazvukové průtokoměry
L L ∆t1 = ; ∆t 2 = c0 + v cos α c0 − v cos α v cos α ∆t 2 − ∆t1 = 2 L 2 c 0 − v 2 cos 2 α v≅
c02 2 L cos α
(∆t 2 − ∆t1 )
Ultrazvukové průtokoměry
Dopplerovský ultrazvukový průtokoměr (tento je příložného typu) Pracuje v kontinuálním režimu (stojatá vlna). Podobně jako silniční radarový rychloměr měří dopplerovský posuv frekvence. Tento typ využívá odrazu od bublin nebo rozptýlených pevných částic
Rychlostní senzory průtoku
Indukční průtokoměry Rq =
1D σA
Uq = D ⋅ v ⋅ B
A
B U D
0 t
B a)
qvB = q E = q
U ; U = D Bv D
b)
t
Pouze pro vodivé kapaliny (i pitná voda) Obvyklá přesnost: průtočný typ 0,2%, ponorný typ 2%
Indukční průtokoměry Konstrukce průchozího indukčního průtokoměru se sedlovými cívkami.
Senzory průtoku se škrticími orgány Měření tlakového spádu v místě škrticího orgánu
Qv = αε
πd 2 4
2
p1 − p 2 ρ
Qv…objem.průtok α…expanzní součinitel ε…průměr škrt.orgánu
Přesnost 2% (0,5%)
Senzory s převodem průtoku na deformaci V cestě proudící kapaliny je destička, na kterou působí síla:
Fd =
C d S ρ v2 2
Cd…konstanta terčíku S…plocha průřezu ρ…hustota v…rychlost
Přesnost…několik %
dobré dynamické vlastnosti - rezonanční frekvence až 200Hz
Dávkovací senzory
Badgermeter co.
Dávkovací - senzor - čerpadlo
1 dm3/h – 103 dm3/h
Značkovací senzory průtoku
Značka
- vodivostní (vstřik elektrolytu do tekutiny) - optická (vstřik barviva) - tepelná - ionizační (příměsi radioizotopu)
Princip měření čas. intervalu mezi průchodem značky dvěma body ve směru proudění tekutiny
Korelační metoda
Coriolisův průtokoměr
Coriolisova síla Fc je kolmá na osu otáčení a směr pohybu FC závisí na - rychlosti otáčení f (ot/s) - hmotnosti tělesa m (kg) - rychlosti pohybu tělesa w (m/s) FC = 2 m (w × ω) … = 4π m w f
Coriolisův průtokoměr
∆l ∆FC = 2vω∆m = 2 ω∆m = 2Qmω∆l ∆t Trubice s kapalinou tekoucí rychlostí w: jestliže se otáčí kolem osy z, působí na kapalinu Coriolisova síla Fc Fc je kolmá na osu otáčení a směr proudění a má tendenci ohýbat trubici
Coriolisův průtokoměr typ s rovnou trubicí
Trubice je rozkmitávána magnetickou silou kolem osy ω. Fc vyvolá její zkroucení. Měří přímo hmotnostní průtok Přesnost až 0,1 % z naměřené hodnoty (20 až 100 % rozsahu) Nezávislost na viskozitě, tlaku, teplotě
Tepelné senzory hmotnostního průtoku Výměna tepla mezi zdrojem a okolím (proudící tekutina) - měření ochlazení zdroje (termoanemometry) Proud vzduchu
Teploměr média (ta)
Senzor rychlosti vzduchu pro HVAC
Topná spirála (ts)
Topný proud se reguluje na ts-ta=konst
Tepelné senzory hmotnostního průtoku Režimy činnosti termoanemometrů -konst. proud (změna rychlosti proudění => změna teploty => => změna odporu) -konst. teplota drátku (pokles v => menší ochlazení => => zmenšení napájecího proudu) Pro výstupní proud i platí:
i 2 = a + b Qm a <= odvody tepla do okolí b <= fyzik. vlastn. tekutiny
Tepelné senzory hmotnostního průtoku
Diferenční termoanemometr
Používá se v HVAC Při v=0 platí R1=R2 Při v>0 dochází k ochlazení R1 a ohřátí R2 (<= teplo z RH) zvýšená citlivost, vyloučení vlivu teploty tekutiny, vhodné pro malé průtoky (10-4 mm3.s-1)
Umístění senzoru
Turbínkový anemometr
Měření závisí na směru proudění
Anemometr s miskovou větrnou růžicí
Nezávisí na směru proudění
Thermo anemometr
Aplikace: měření těsnosti izolace Do domovních dveří se instaluje ventilátor, který vytváří mírný podtlak, po netěsnostech se pátrá s anemometrem
Proudění nesmí překročit rychlost 0,5 m/s
Hobby.cz
Senzory hladiny Senzory hladiny
nespojité plovákové vibrační ultrazvuk tepelné optické vodivost kapacitní záření
spojité
hmotnost
tlak síla
ultrazvuk kapacitní zpožďovací vodivostní indukčnostní linka
elektromechanické
Nespojité senzory hladiny
Vztlakové senzory hladiny Fz = m g − ρ 2 g S h − ρ1 g S (l − h) = m g − h g S ( ρ 2 − ρ1 ) − ρ1 g S l
senzor síly p1, p2 senzory tlaku
Tlakový senzor hladiny
FZ
p1
p1 l h
p 2 − p1 = ρ 2 g hx
hX p2
p2
Kapacitní senzor hladiny SE
C
h
V případě vodivých kapalin musí být střední tyčová elektroda (SE) opatřena izolační vrstvou.
Radarové hladinoměry: kontinuální režim s frekvenční modulací
f2 fT(t) f1
Vysílaný signál t
T
Přijímaný signál
fR(t) t
s anténou
s vlnovodem
