- PDF Stažení zdarma

Transkript

1 S. Ïaïo, L. Bejèek, A. Platil MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY Praha 2005

2 Publikace je urèena pro širokou technickou veøejnost zabývající se mìøením prùtoku, mùže posloužit konstruktérùm strojù a projektantùm, inženýrùm útvarù obchodnì-technických služeb a technickým pracovníkùm výroby. Navíc lze oèekávat, že v publikaci uvedené poznatky poslouží také pøi øešení nestandardních úkolù z oblasti mìøení prùtoku a výšky hladiny, pøinejmenším alespoò jako inspiraèní materiál. Je vhodná také jako uèební pomùcka pro studenty støedních odborných škol a pøíp. i pro studenty vysokých škol technických. Pøedpokládají se základní znalosti støedoškolské matematiky, fyziky a elektrotechniky. Avšak pro získání pøehledných znalostí encyklopedického charakteru lze vystaèit pouze se znalostí elementárních zákonù fyziky a matematiky. Podìkování za podporu této knihy náleží tìmto firmám: S. Ïaïo, L. Bejèek, A. Platil Mìøení prùtoku a výšky hladiny Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autoøi a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena S. Ïaïo, L. Bejèek, A. Platil, Praha 2005 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 S. Ïaïo, L. Bejèek, A. Platil: Mìøení prùtoku a výšky hladiny BEN technická literatura, Praha vydání ISBN X

3 Obsah 1 ÚVOD Od historie k souèasnosti Zamìøení publikace Komu je publikace urèena ZÁKLADNÍ POJMY A DEFINICE Definice Základní termodynamické zákony pro prùtok plynù Druhy proudìní Mezní vrstva Viskozita Podobnostní èísla Reynoldsovo èíslo Nusseltovo èíslo Machovo èíslo Prandtlovo èíslo Rovnice kontinuity Bernoulliho rovnice Poiseuilleùv zákon Pascalùv princip Vlivy tvaru potrubí Rychlostní profil v zahnutých potrubích Redukce prùmìru potrubí Expanze prùmìru potrubí Prùtok v potrubí s odboèkami Prùtok dvoufázové tekutiny a kavitace Dvoufázové tekutiny Kavitace Newtonovské a nenewtonovské tekutiny A OBSAH 3

4 3 ROZDÌLENÍ SENZORÙ PRÙTOKU Úvod Základní metody mìøení prùtoku Požadavky na snímaèe prùtoku a prùtokomìry Výbìr prùtokomìru PRÙØEZOVÉ PRÙTOKOMÌRY Prùtokomìry na principu tlakového rozdílu Prùtokomìry se škrtícími orgány Clony Venturiho trubice Dallova trubice Dýzy V-kužel Škrtící organ typu klínový segment Mikromechanický prùtokomìr se škrtícím orgánem Škrtící orgány pro laminární proudìní Nejistoty a rozsah prùtokomìrù s diferenèními senzory tlaku Význam prùtokomìrù se škrtícími orgány Kolenové prùtokomìry RYCHLOSTNÍ PRÙTOKOMÌRY Pitotova trubice Základní teorie Konstrukce a použití Pitotovy trubice Prandltova trubice Víceotvorové Pitotovy trubice Základní teorie Vliv vibrací a tvar víceotvorových sond Víceotvorové Pitotovy trubice typu Annubar Aplikace Pitotových trubic v letectví S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

5 6 PRÙTOKOMÌRY S PROMÌNNÝM PRÙØEZEM (PLOVÁÈKOVÉ PRÙTOKOMÌRY, ROTAMETRY) 6.1 Princip èinnosti Prùtokomìr s promìnným prùøezem jako regulaèní obvod Konstrukce plováèkových prùtokomìrù Pružinový prùtokomìr Prùtokomìr s vychylovanou klapkou Aplikace rotametrù Metrologické vlastnosti rotametrù TURBÍNOVÉ A LOPATKOVÉ SENZORY PRÙTOKU Princip Turbínové prùtokomìry s tangenciálním vtokem (lopatkové radiální prùtokomìry) Zásuvné turbinové prùtokomìry Turbínový prùtokomìr se dvìma protibìžnými rotory Bezložiskové turbínové prùtokomìry Vrtulové (šroubové) prùtokomìry Prùtokomìry s lopatkovými koly Turbínové a lopatkové prùtokomìry s tryskou Turbinové prùtokomìry s obtokem (boèníkem) Mìøicí obvody turbinových a lopatkových prùtokomìrù Provozní vlastnosti turbinových prùtokomìrù Rozsah použití Úèinky viskozity na turbinové prùtokomìry Nevýhody a omezení turbinových prùtokomìrù Metrologické vlastnosti turbínových prùtokomìrù Linearita Reprodukovatelnost Dynamické vlastnosti turbínových prùtokomìrù Závìry a výhledy dalšího vývoje A OBSAH 5

6 8 OBJEMOVÉ PRÙTOKOMÌRY Úvod Oválový prùtokomìr Tìlesový (lalokový, piškotkový) prùtokomìr Prùtokomìry s kyvným diskem Prùtokomìr s obìžným kolem Bubnový prùtokomìr Bubnový plynomìr (mokrý plynomìr) Prùtokomìr s rotujícími lopatkami Šroubové prùtokomìry Prùtokomìr s krouživým pístem Kinematika èinnosti Prùtokomìry s mìøicími èerpadly Prùtokomìry pevných látek Prùtokomìr na momentovém principu Dopravníková váha Kapacitní metoda Detekce pohybu èástic mikrovlnným záøením DEFORMAÈNÍ PRÙTOKOMÌRY Princip Metrologické vlastnosti Použití deformaèních prùtokomìrù ULTRAZVUKOVÉ SENZORY PRÙTOKU Princip a rozdìlení Umístìní mìnièù ultrazvukových prùtokomìrù na potrubí Pøímé ultrazvukové prùtokomìry Princip èinnosti Mìøicí obvody pøímých ultrazvukových prùtokomìrù Prùtokomìry založené na odrazu a lomu vlnìní Vlastnosti prùtokomìrù s pøíložnými mìnièi Zpìtnovazební prùtokomìry Princip èinnosti Zpìtnovazební prùtokomìr se stálou dobou mìøení S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

7 Zpìtnovazební prùtokomìr se stálým poètem obìhù impulzu Zpìtnovazební prùtokomìr se stálou vlnovou délkou signálu Dopplerovy prùtokomìry Princip èinnosti Dopplerovy prùtokomìry s jedním mìnièem (pøíložné, bezdotykové) Korelaèní ultrazvukové prùtokomìry Metrologické vlastnosti ultrazvukových prùtokomìrù Smìry vývoje mìøicích obvodù ultrazvukových prùtokomìrù Èíslicové zpracování signálù Diagnostika, identifikace tekutiny, komunikace Výhody ultrazvukových prùtokomìrù Zásady správného provozu ultrazvukových prùtokomìrù INDUKÈNÍ SENZORY PRÙTOKU Elektromagnetický prùtokomìr Princip elektromagnetického prùtokomìru Náhradní obvod indukèního prùtokomìru Magnetoelektrický prùtokomìr Chování reálného indukèního prùtokomìru Vlastnosti elektrod Vliv vlastností proudící tekutiny Vliv magnetického pole Vlastnosti potrubí Instalace prùtokomìru Realizace indukèních prùtokomìrù Rozdìlení indukèních prùtokomìrù Ponorné prùtokomìry Zásuvné prùtokomìry Bodový a plošný prùtokomìr Prùtokomìry pro nezaplnìné potrubí A OBSAH 7

8 11.3 Konstrukce dílù indukèních prùtokomìrù Úvod Vytvoøení magnetického pole Mìøicí trubice Výbìr prùmìru mìøicí trubice magnetického prùtokomìru Mìøicí obvody indukèních prùtokomìrù Úvod Rozbor pøíèin rušení signálu elektrod Mìøicí obvody základní vlastnosti koherentní demodulace Potlaèení støídavého rušení volbou tvaru èasového prùbìhu magnetického pole Úvod Lichobìžnikový prùbìh indukce B Impulzní stejnosmìrné magnetické pole Výkonové impulzní stejnosmìrné buzení Spínané støídavé magnetické pole Buzení magnetického pole exponenciálními impulzy (Ex-Pulse excitation) Impulzní magnetické pole Tvary magnetického pole Úvod Volba hodnoty magnetické indukce B Volba frekvence magnetického pole Prùtokomìry s magnetickým polem na dvou frekvencích Napájení indukèních prùtokomìrù Standardní napájení Dvouvodièové pøipojení indukèního prùtokomìru Zvláštnosti zpracování signálu elektrod Potlaèení souhlasného rušení Kapacitní snímání signálu elektrod Rušení nesprávným uzemnìním Zpracování namìøených údajù (postprocessing) S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

9 Komunikace prùtokomìrù s nadøazenými systémy Diagnostické postupy Mìøení pulzujícího prùtoku Závìr HMOTNOSTNÍ PRÙTOKOMÌRY NA PRINCIPU CORIOLISOVY SÍLY Fyzikální princip Coriolisovy síly Základní tvary mìøicích trubic Coriolisových prùtokomìrù Úvod Prùtokomìry se zakøivenou trubicí U trubicí Prùtokomìry s pøímou mìøicí trubicí Pøehled základních tvarù mìøicích trubek Coriolisových prùtokomìrù Úvod Dvojité pøímé paralelní trubice Dvojité souosé pøímé trubice Prùtokomìry s mìøicí trubicí ve tvaru oblouku Mìøicí trubice s deformací v krutu Potlaèení úèinkù vibrace potrubí Coriolisùv prùtokomìr s torzními kmity dvojité trubice tvaru W Ke konstrukci a materiálùm mìøicích trubic Obecné poznatky Mikromechanicky vyrobené Coriolisovy prùtokomìry Pøíložné Coriolisovy prùtokomìry Mìøicí obvody Coriolisových prùtokomìrù Obvody pro vytváøení kmitù Senzory polohy užívané u Coriolisových prùtokomìrù Mìøení èasových intervalù Typický mìøicí obvod pro zakøivené trubice Inteligentní prùtokomìry metody MVD Volba rozmìrù a rozsahu prùtokomìru Coriolisovy prùtokomìry pro látky v plynné a pevné fázi Zvláštnosti pøi aplikaci Coriolisových prùtokomìrù A OBSAH 9

10 Mìøení dvoufázového prùtoku tekutiny Digitální zpìtnovazební oscilátor Metrologické vlastnosti Coriolisových prùtokomìrù Výrobci Coriolisových prùtokomìrù PRÙTOKOMÌRY SE ZNAÈENÍM TEKUTINY (SMÌŠOVACÍ) Úvod Urèení prùtoku z rychlosti šíøení znaèky metoda postupové doby Urèení prùtoku ze zøeïování znaèkovací látky Integraèní metoda Metoda s prùbìžnou injektáží Korelaèní metody mìøení prùtoku Teorie Ultrazvukový korelaèní prùtokomìr Možnosti použití metody, výhody a nevýhody FLUIDIKOVÉ PRÙTOKOMÌRY Základní teorie Èásti fluidikových èidel Èidla prùtoku Provedení fluidikových prùtokomìrù Vírové prùtokomìry Víøivé prùtokomìry Oscilaèní prùtokomìry Instalace, aplikace Výrobci fluidikových prùtokomìrù TEPELNÉ PRÙTOKOMÌRY Úvod Termoanemometry Kalorimetrické Integrované kalorimetrické senzory prùtoku Inteligentní tepelné senzory prùtoku S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

11 15.4 Provedení tepelných prùtokomìrù Instalace, aplikace Výrobci tepelných prùtokomìrù ÚVOD K MÌØENÍ HLADINY Proè mìøit hladinu Výbìr senzoru Urèení objemu látky Pøesnost senzoru Další faktory pro výbìr senzoru Prostorové nároky Jiskrová bezpeènost Stupeò krytí IP Odolnost vùèi tlaku Spínací a rozpínací parametry Glosáø nìkterých ménì srozumitelných anglických termínù JEDNODUCHÉ INDIKÁTORY HLADINY Ponorná tyè Prùhledítka a stavoznaky Magnetické stavoznaky Termovizní zobrazování PLOVÁKOVÉ HLADINOMÌRY Pøehled plovákù Plovákové spínaèe Pseudospojité spínaèové Øetìzové a pásové stavoznaky Odporové snímaèe Snímaèe s Hallovou sondou Snímaèe s LVDT Magnetostrikèní hladinomìry A OBSAH 11

12 19 MECHANICKÉ HLADINOMÌRY Pøeklápìcí spínaè Vztlakové tìleso Spouštìný plovák Lopatkové Vibraèní Membránové spínaèe VÁŽNÍ SYSTÉMY Pøehled vážních systémù Vysoce pøesné systémy Systémy s nízkou pøesností Teplotní expanze nádoby Omezení stranových pohybù Poèet podpìr Další požadavky Volba pracovního rozsahu Instalace Kalibrace zaøízení Elektronická kalibrace Mechanická kalibrace Kalibrace pomocí hydraulického zvedáku Problémy TLAKOVÉ HLADINOMÌRY Pøehled a princip funkce Oddìlovací membrány Mìøení hydrostatického tlaku v atmosférických nádobách Ponorné snímaèe Statické snímaèe Mìøení hydrostatického tlaku v tlakových nádobách Suché pøipojení (dry leg) Mokré pøipojení (wet leg) Pøipojení oddìlovací membránou Zvláštní pøípady S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

13 21.5 Kompenzované systémy mìøení HTG Probublávací systém (Bubbler) ELEKTRICKÉ HLADINOMÌRY Potenciometrické Odporové pásky (resistance tape) Vodivostní Kapacitní Kapacitní hladinové spínaèe Spojité kapacitní snímaèe Termální senzory OPTICKÉ HLADINOMÌRY Reflexní Refrakèní Transmisní (absorpèní) Laserové senzory Triangulaèní dálkomìry Mìøení doby letu Kamerové systémy Optické vláknové senzory Refrakèní princip Reflexní princip Transmisní princip ULTRAZVUKOVÉ HLADINOMÌRY Pøehled ultrazvukové technologie Vlastnosti ultrazvuku a ultrazvukových senzorù Ultrazvukové pøevodníky Rychlost šíøení zvuku Hladinové spínaèe Transmisní-absorpèní spínaèe Reflexní spínaèe Spojité mìøení hladiny Princip èinnosti A OBSAH 13

14 Umístìní senzoru Zpracování signálu RADARY Historická perspektiva Fyzika radaru Rychlost šíøení vln Odraz elektromagnetických vln Polarizace Interference Typy radaru FM-CW radar Pulzní radar Pracovní frekvence Pøesnost radaru Rozlišitelnost FMCW radar Pulzní radar Anténa Obecné vlastnosti antén Druhy antén Instalace radaru Kónické antény Tyèové antény Obecné zásady Mìøení sypkých látek Bezpeènost práce Kontaktní radar, TDR, GWR Použití TDR pro mìøení hladiny Porovnání vlastností vlnovodù Metody mìøení hladiny kontaktním radarem Bezkontaktní TDR Mikropøíkonový impulzní radar (MIR) Pøipojení a software S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

15 26 RADIAÈNÍ HLADINOMÌRY Pøehled radiaèních hladinomìrù Útlumové hladinomìry Neutronové hladinomìry (neutron back scatter) Mìøení hustotního profilu REJSTØÍK KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN TECHNICKÁ LITERATURA ADRESY PRODEJEN TECHNICKÉ LITERATURY PÁR SLOV O NAKLADATELSTVÍ A OBSAH 15

16 PØEDMLUVA Mìøení prùtoku a výšky hladiny látek patøí do málo poèetné skupiny úkolù mìøicí techniky v nichž chyby, nejistoty a poruchy mìøicího postupu bezprostøednì ovlivòují ekonomické parametry technologického procesu. Je to patrné napø. pøi mìøení hmotnostního prùtoku, kdy nejistoty mìøení vyvolají pøímo vyèíslitelné finanèní ztráty na stranì dodavatele, resp. odbìratele. Negativním dopadùm ztrát, vzniklých nesprávným výbìrem a provozem pøístrojù, lze do znaèné míry zabránit pochopením fyzikální podstaty v pøístroji probíhajících procesù. Uvážíme-li neobyèejnì širokou variabilitu fyzikálních vlastností mìøených látek a okolních podmínek mìøení, vyžaduje hlubší poznání vlastností daného principu pøístroje široké znalosti z oblasti mechaniky, proudìní, fyzikální chemie, materiálového inženýrství, elektrotechniky a elektroniky. Proto tato publikace, vycházející v nakladatelství BEN technická literatura v rámci edice vìnované senzorùm neelektrických velièin, si klade za cíl podrobnìji seznámit technické pracovníky výroby, ale i studenty odborných škol, s principy senzorù pro mìøení prùtoku a výšky hladiny, vèetnì mìøicích obvodù specificky pro tyto úèely vyvinutých. Je snad zbyteèné zdùrazòovat, že z tak rozsáhlého spektra známých principù a konstrukcí byly autory vybrány pouze koncepce reprezentující celou tøídu obdobných senzorù nebo pøedurèené k dalšímu vývoji, napø. realizaci technologií mikromechanických senzorù (MEMS). Správnost výbìru splòujícího tato kritéria autoøi opírají o svou dlouholetou pedagogickou zkušenost ve výuce senzorù na Elektrotechnických fakultách v Praze a Brnì a o prezentace vlastních pøíspìvkù z této oblasti na konferencích Prùtok a Mìøení hladin a v odborné literatuøe (napø. èasopis Automatizace a Automa). Autoøi považují za nutné hned na zaèátku upozornit, že v publikaci nejsou uvedeny metody mìøení prùtoku v otevøených kanálech a rovnìž specifické metody mìøení prùtoku plynù. Z dùvodù omezeného rozsahu publikace je rovnìž vynechána problematika kalibrace a verifikace prùtokomìrù a hladinomìrù. Z obdobných pøíèin nebylo možné do publikace ve vìtší míøe zahrnout rozsáhlý materiál popisující relevantní normy. Vìøíme, že tím není ohrožen hlavní zámìr a charakter publikace. Pokud znalostí uvedené v publikaci pomohou ètenáøi nejen pochopit podstatu funkce ale i vysvìtlit a odstranit artefakty vznikající pøi provozu popisovaných mìøicích zaøízení, budou cíle sledované autory díla, splnìny. Autoøi by na tomto místì rádi podìkovali doc. Ing. Josefu Jenèíkovi, CSc., známému odborníkovi v oblasti mìøení prùtoku, za jeho peèlivou oponenturu a cenné pøipomínky. Dík za pomoc a cenné rady patøí i mnoha kolegùm, pøátelùm a dalším odborníkùm, kteøí pøispìli radou a cennými informacemi. Rozhodnì je nutné jmenovat pana Karla Závìtu a pana Luïka Krause z FZÚ AVÈR, pana Lubomíra Dudu z firmy Krohne a pana Rainera Meyna z Vishay Measurements Group. Dále patøí dík kolegùm z FEL ÈVUT, zejména Pavlu Ripkovi a Janu Vèelákovi za poskytnutí informací a rad. 16 S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A