MĚŘENÍ PRŮTOKU A PROTEKLÉHO MNOŽSTVÍ

Transkript

1 MĚŘENÍ PRŮTOKU A PROTEKLÉHO MNOŽSTVÍ Výsedek ěření průtoku ůže být udáván buď jako hotnostní nebo jako objeový průtok: d d t dv d t Q [ kg.s ] [ 3.s ] Měřida průtoku vybavená integrační zařízení udávají proteké nožství: t t ρ V 3 Q dt [ kg] V Q dt [ ] V Průtok je ožno vyhodnotit i na zákadě ěření ístní či střední rychosti édia proudícího znáý průřeze: - v, v - ístní, resp. střední.d. [ 3 Q v S v S. s ] V rychost [ 3.s - ] S S -průřez potrubí [ ] t t Význa ěření průtoku inforace o toku ateriáu podkad pro biance běhe technoogického procesu biance při příju a expedici produktů inforace pro řízení procesu bianční ěření znečišťujících átek v obasti ochrany životního prostředí Sníače průtoku využívá se ceé řady funkčních principů existují značné rozdíy v cheických a fyzikáních vastnostech tekutin, jejichž průtok je nutno ěřit většinou je ěřen průtok či proteké nožství při provozních podínkách odernější přístroje provádí autoatickou korekci a přepočítávají údaj na vztažné podínky současný trend je zaěřen na příé ěření hotnostního průtoku (ěření nezávisé na tepotě, taku a viskozitě édia) Přehed průtokoěrů Objeová ěřida ebránový pynoěr bubnový pynoěr pístová ěřida Průtokoěry s ěření takové diference rychostní sondy průřezová ěřida kapiární průtokoěr Rotaetry (průřezová ěřida) Průtokoěry turbinkové a opatkové Indukční průtokoěry Utrazvukové průtokoěry Průtokoěry vírové Průtokoěry hotnostní Corioisův průtokoěr tepené průtokoěry 3 Objeová ěřida protekého nožství oděřování objeu pynu nebo kapainy v oděrných prostorách cykické pnění a vyprazdňování oděrných prostor ěřítke protekého nožství je počet ěřicích cyků Mebránový pynoěr Provedení se dvěa koorai: koora rozděená pohybivou ebránou přívod a odvod je ovádán šoupátkový rozvode počet cyků je ěřen počítade přívod pynu ebrány bianční ěřido pro obchodní a odběrateskou síť šoupátka 4 Bubnový pynoěr otočný buben rozděený radiáníi přepážkai na čtyři oděrné prostory opatřené štěrbinai pro přívod a odvod pynu buben je uístěn v nádobě vypněné zčásti kapainou, která tvoří uzávěr oděrných prostor odvod pynu zatíco pyn postupně pní jeden oděrný prostor, daší prostor se vyprazdňuje s hřídee bubnu je spojené počítado protekého nožství kapaina přívod pynu Pístová ěřida ěřenou kapainou se střídavě napňují a vyprazdňují oděrné prostory vyezené píste a těese ěřida užívá se dvou a více oděrných prostorů pro zajištění pynué funkce Pohyb pístu: příočarý vratný pohyb pístní tyč ovádá šoupátkový rozvod a počítado točivý nebo krouživý pohyb pohyb pístu ovádá počítado nebo je převeden na eektrické ipusy (např. eektroagnetický indukční sníač) ěřido pro přesná aboratorní a ověřovací ěření 5 6

2 Ováové ěřido v ěřicí kooře se odvaují dvě ováová těesa hnací sía je dána rozdíe taků na přední a zadní stěně těes Schéa ěřida: přívod kapainy ováové těeso Provedení ěřida: Průtokoěry s ěření takové diference v potrubí dochází ke zúžení průtočného průřezu rozdí statických taků sníaný diferenční takoěre před a za zúžení je závisý na veikosti průtoku Průřezová ěřida Škrticí orgány: sníání takové diference cona dýza Venturiho dýza Pro bianční ěření různých druhů kapain: organické kapainy (ihoěry, ěřida pohonných hot, oejů apod.) potravinářský průys (éko) 7 dříve vei rozšířená etoda ěření průtoku pynů i kapain v současné době je nahrazována odernějšíi sníači s příý eektrický výstupe Teoretické vztahy pro průřezová ěřida zákadní vztahy pro odvození: rovnice kontinuity toku rovnice Bernouiho definujee poěr zúžení : f F d D sěr toku d, D - průěr [] p,p -tak[pa] f, F - průřez [ ] v,v - rychost proudění [.s - ] označení veičin: D, F v p p apikací zákadních vztahů dostanee vztah pro objeový průtok: f ( p p ) ρ. v f za conou se proudnice ještě zužují, rychost ještě vzrůstá, což je respektováno dašíi opravnýi koeficienty, které jsou zahrnuty do tzv. průtokového součinitee α d, f v Průtokový součinite α hodnoty průtokového součinitee byy stanoveny na zákadě odeových pokusů pro tzv. norovaná ěřida (zachování geoetrické a hydrodynaické podobnosti) hodnoty α se zjišťují z tabuek nebo grafů průtokový součinite závisí na poěru zúžení a na Reynodsově číse Závisost α na : Závisost α na Re: a hranice toerance b hranice konstantnosti průřezová ěřida jsou vhodná pro ěření průtoků v obasti vyšší turbuence, kde α nezávisí na Re 3 Expansní součinite ε při průtoku pynů a par škrticí orgáne nastává při pokesu taku expanse a dochází ke zěně hustoty édia zavádí se proto expansní součinite ε hodnoty ε se zjišťují z noograů Výsedný vzorec pro objeový průtok: α ε f ( p p ) ρ f průřez zúženého ísta údaj o průtoku spočítáe na zákadě naěřené diference taku hodnoty součiniteů α a ε jsou uvedeny v norách pro výpočet průřezových ěřide výhodou norovaných průřezových ěřide je, že není nutné provádět kaibraci a údaj o průtoku vypočítáe s dekarovanou přesností pode norovaného postupu 4 Měřicí zařízení s průřezový ěřide Měřicí zařízení tvoří: škrticí orgán cona, dýza, Venturiho dýza diferenční takoěr sníání diference taku na škrticí eeentu ventiová souprava uožňuje připojení diferenčního takoěru propachování a odkaování signáního potrubí odvzdušnění signáního potrubí Taková ztráta ěřida vzniká tření a víření před a za ěřide je vždy enší než ěřená diference taku na škrticí orgánu největší takovou ztrátu vykazuje cona, nejenší Venturiho dýza 5

3 Zpracování signáu z průřezového ěřida Bokové schéa zpracování signáu: sníač diference taku eektronické obvody průtok proteké nožství Měření průtoku s autoatickou korekcí vivu tepoty a taku: Kapiární průtokoěr škrticí eeente je kapiára pro ainární tok kapiárou patí Hagen-Poiseuiova rovnice:. d 8. η. π 4 ( p p ) Q - objeový průtok [3.s-] V p,p -tak[pa] d, - průěr a déka kapiáry [] η - dyn. viskozita [Pa s] kapiára T P Pd eektronické obvody řízené ikroprocesore α ε f 0 ρ konstanty přepočtený průtok pt ( p p ) 0. p T 0 6 Pd ísto jedné kapiáry je ožno zařadit soustavu kapiár či ae nebo keraickou či kovovou fritu průtokoěr vhodný pro aboratorní apikace pro ěření aých průtoků podínkou je čistota ěřeného édia pro ěření diference taku se používá běžně kapainových anoetrů je ožno využít citivých sníačů s poovodičovýi tenzoetry 7 Rotaetry rotaetry patří ezi průřezová ěřida, u kterých se s ěnicí průtoke ění průtočná pocha při stáé takové rozdíu před zúžení a za ní havní funkční části rotaetru: svisá ěřicí trubice írně kužeovitého tvaru, nahoru se rozšiřující (úhe kužee je enší než stupně) uvnitř trubice se vznáší rotující těísko (nevhodně označované jako pováček) výstupní signáe je vertikání pooha těíska kónická trubice rotační těísko Síy působící v těžišti těíska: F G F V + F P + F T F G, F V, F P, F T - sía gravitační, vztaková, taková, třecí Provedení rotaetrů rotaetry uožňují ěřit průtoky hoogenních tekutin s nejrůznějšíi fyzikáníi vastnosti ěřicí rozsahy od 0, /h až do 5 3 /h ěřicí trubice bývá nejčastěji skeněná poohu těíska ze sníat vizuáně, agneticky, fotoeektricky, indukční sníače a pod. Laboratorní průtokoěry: Provozní rotaetry: rotační těísko Za předpokadu turbuentního obtékání ze F T zanedbat a po dosazení ůžee vyjádřit vztah pro takový spád před a za těíske, který je konstantní. 8 9 Průtokoěry turbinkové a opatkové turbinka, opatkové nebo šroubové koo uváděné do otáčivého pohybu siový účinke proudící tekutiny rychost otáčení je úěrná střední rychosti proudění závisost frekvence otáčení popisuje rovnice: f k. -s f -frekvence otáčení [s - ] - objeový průtok [ 3.s - ] Axiání průtokoěr: sěr toku šroubové koo počítado ipusů k - konstanta [ -3 ] s - skuz ěřida [s - ] osa rotace eží ve sěru toku édia ipusní sníání otáček bezdotykově - indukčně, fotoeektricky, eektroagneticky frekvence otáčení je úěrná okažitéu průtoku cekový počet otáček závisí na proteké nožství 0 Lopatkový radiání průtokoěr osa rotace je koá k ose toku édia jednovtokový opatkový průtokoěr echanické počítado nebo vysíač ipusů Provedení: vícevtokový opatkový průtokoěr opatkové koo výhody: - výstupní signá ve forě frekvence nevýhody: - poěrně veká chyba v počátku stupnice -průtokoěr neěří od nuy, rotor ěřida se začíná otáčet až od Q in. -průtokoěr vykazuje takovou ztrátu

4 Indukční průtokoěry využívají Faradayova zákona o eektroagnetické indukci při pohybu vodiče v agnetické poi pohybující vodič je představován eektricky vodivou kapainou ezi eektrodai peranentní agnet nebo eektroagnet vytváří agnetické poe úsek potrubí usí být z neferoagnetického a nevodivého ateriáu eektrody pro sníání indukovaného napětí jsou na vnitřní stěně trubky koo na sěr agnetických siočar pro indukované eektrické napětí patí: E B. d. v E - indukované napětí [V] B - agnetická indukce [T] d - vzdáenost eektrod [] v - rychost kapainy [s - ] za určitých podínek patí, že indukované napětí je úěrné střední rychosti proudící kapainy. Provedení indukčního průtokoěru cívka eektroagnetu eektrody nevodivá výsteka trubky indukční průtokoěry se vyrábějí s průěre od až do jen pro vodivé kapainy (vodivost větší než µs) vhodné pro ěření viskózních kapain, kaů, kapain s vysoký obsahe sedientujících částic průtokoěr nevykazuje takovou ztrátu ůže být zabudován do potrubí v ibovoné pooze 3 Utrazvukové průtokoěry Průtokoěr využívající Dopperova jevu použitený pro proudící édia, obsahující částice odrážející zvuk (pevné částice nebo bubiny pynu v kapaině) průtokoěr se skádá z vysíače a přijíače utrazvuku, které jsou připevněny na jedné straně potrubí bubiny vysíač vysíá UZ-signá o znáé frekvenci (okoo 0,5 MHz) Uz-signá odražený od pohybující se částice je zachycen přijíače vysíač a přijíač utrazvuku f, f -frekvence vysíaná a přijíaná c, v - rychost utrazvuku a rychost édia zěna frekvence přijatého signáu závisí na rychosti pohybu částice vzdauje-i se částice od detektoru, pak patí vztah: c f f c + v 4 Průtokoěry s vyhodnocení doby šíření UZ-signáu pracují v diferenční zapojení UZ-signá ve forě ipusu se vysíá ve sěru a proti sěru proudění vyhodnocují se časové rozdíy při průchodu ipusů v obou sěrech šíření c + v t f V P c + v c - v P V c + v c v výsedný údaj nezávisí na rychosti UZ v édiu (nezávisí na sožení édia, na tepotě a na taku) t f f f c v f v 5 Provedení UZ-průtokoěru UZ-signá se vysíá napříč potrubí pod úhe α někdy se využívá odrazu od protější stěny potrubí t k. v. cos α vysíač a přijíač vysíač a přijíač UZ Vírové průtokoěry využívá se tvorby tzv. Karánových vírů při obtékání těesa neproudnicového tvaru víry vznikají střídavě z jedné a druhé strany přepážky, která je vožena do potrubí frekvence tvorby vírů je funkcí rychosti proudění sníání siového naáhání eektronické obvody vysíač a přijíač přepážka f - frekvence vírů a - šířka přepážky Sr f v a Sr - Strouhaovo číso v - rychost proudění přístroje nevykazují žádnou takovou ztrátu bezdotykové ěření 6 Sníání frekvence vírů: tenzoetrické sníače piezoeektrické sníače ochazování vyhřívaného teristoru utrazvukové sníače přepážka 7

5 Přednosti vírových průtokoěrů neobsahují pohybivé součásti poskytují ineární signá v široké rozezí ( až 00) % výstupní veičinou je frekvence (výhodné pro čísicové zpracování signáu) souží jako náhrada kasických Provedení vírových průtokoěrů: průřezových ěřide vyrábí se pro jenovité světosti od 5 až do 300 a více pro vyhodnocení signáu se užívá obvodů řízených µp Nevýhody: vykazují takovou ztrátu nehodí se pro ěření aých průtoků, jsou vhodné jen pro turbuentní proudění při ěření nesí docházet k vibrací potrubí (čerpada) přepážka 8 Průtokoěry hotnostní většina průtokoěrů je vyráběna jako ěřida objeová údaj objeových průtokoěrů je ovivňován zěnai tepoty, taku a hustoty Pro stanovení hotnostního průtoku se využívá: apikace ikroprocesorové techniky ve spojení s konvenčníi průtokoěry - hotnostní průtok zjišťuje výpočte Corioisových průtokoěrů tepených průtokoěrů 9 Corioisův průtokoěr princip využívá Corioisovy síy v otočné soustavě se pohybuje těeso o hotnosti rychostí v soustava se otáčí úhovou rychostí ω r r na těeso působí Corioisovo zrychení a c a ( r c v ω ) Corioisovu síu, která působí ve sěru koé na rovinu vektorů v a ω na eeent o hotnosti pak ůžee vyjádřit vztahe: r r r F C ( ω v ) vektory v a ω jsou navzáje koé r vyjádříe rychost v : vyjádříe Corioisovu síu: FC ω t F ω Q C v t Corioisova sía působící na eeent tekutiny je úěrná Aniace deforace potrubí pro nuový průtok pro nenuový průtok hotnostníu průtoku Q 30 3 Konstrukce senzorů využívající Corioisovy síy zákade senzoru je ěřicí trubice ve tvaru písene U otáčivý pohyb je nahrazen kitání koe osy ω trubice je rozkitávána eektroagnetickou siou a vykonává periodický kývavý pohyb s haronický průběhe o kitočtu ω při protékající tekutině budou Corioisovy síy působící na úseky trubice ve sěru toku opačné ve vtokové a výtokové části Vibrující ěřicí trubice: osa kývavého pohybu trubice Siové působení na vibrující trubici: sěr toku kapainy Corioisova sía Corioisova sía sěr pohybu trubice 3 příé sníání F C by byo obtížné, vyhodnocuje se účinek oentu síy: M FC r r r Corioisova sía F C α sěr pohybu trubice Corioisova sía důsedke působení siové dvojice vzniká cekový oent M, který způsobí zkroucení trubice při kývavé pohybu trubice se úhová rychost ění a dosahuje axia při průchodu středu trubice kidovou poohou také Corioisova sía a oent síy ají haronický průběh působící oent je v rovnováze s direktivní oente trubice, který závisí na tuhosti trubice úhe zkroucení trubice je ěronosnou veičinou ěřeného průtoku α 33

6 ceková deforace raen se zjišťuje poocí detektorů poohy, které indikují průchod sníacích bodů sníací bod Schéa průysově vyráběného průtokoěru detektor poohy detektor poohy sníací bod při pohybu trubice sěre nahoru indikuje průchod sníacího bodu nejprve pravý detektor a za interva t evý detektor veikost t je úěrná hotnostníu průtoku a sníá se jednou za periodu kitů trubice Vyhodnocení axia periodicky proěnného kroutícího oentu se provádí prostřednictví dvou poohových senzorů. Signá z poohových senzorů, který je ineárně úěrný hotnostníu průtoku je dáe zpracován v eektronických obvodech Aniace kineatiky U-trubice Provedení Corioisova průtokoěru Senzor s dvojitou trubicí: Provozní apikace: Na axonoetrické pohedu je dobře patrné rozkitávání trubice eektroagnete. Na pohedu zpředu je vidět deforace trubice 36 dvojitá kitající trubice přívod édia Vastnosti: údaj nezávisí na zěnách hustoty, tepoty,taku, viskozity ěřicí rozsahy od 0 g/in až do někoika tisíc kg/in ůže pracovat při tepotách od -40 C do +00 C Apikace: široké upatnění od ěření kapaného dusíku až po ěření sině viskózních a pastovitých hot nevadí přítonost pěny, bubin či suspendovaných částic 37 Corioisův průtokoěr s příou trubkou hnací cívka kitající trubice Vastnosti a apikace: prakticky nuová taková ztráta snadné čistění vhodný pro apikace v potravinářské průysu (nápojový průys, kašovité a pastovité hoty) optoeektronické senzory poohy z nesyetrie výstupních signáů senzorů poohy ze určit veikost průtoku senzor inteigentní převodník 38 Tepené průtokoěry princip spočívá ve vyhodnocování energetické rovnováhy při sdíení tepa z eektricky vyhřívaného topného eeentu do proudící tekutiny dvě varianty senzorů: ěří se ochazování topného těesa ěří se otepení proudící tekutiny Teroanenooetrický senzor tepo odvedené ze žhaveného drátku či vyhřívaného teristoru do tekutiny je závisé na rychosti proudicí tekutiny vyhodnocuje se zěna tepoty odporového senzoru používá se k proěřování rychostních profiů vyhřívaný teristor ěřicí sonda 39

7 Diferenční tepený průtokoěr tekutina je vedena tenkostěnnou tepeně dobře vodivou kovovou trubicí na středu trubice je uístěno topné vinutí po obou stranách jsou syetricky navinuty odporové senzory tepoty při nuové průtoku je rozožení tepoty v trubici syetrické při průtoku tekutiny se syetrické rozožení poruší naěřený tepotní rozdí závisí topení v oezené rozsahu průtoků ineárně na hotnostní průtoku Q : υ υ A c P Q p rozožení tepoty A - konstanta [s.k.j - ] c p -ěrné tepo [J.kg -.K - ] P - tepený příkon [J.s - ] odporové senzory tepoty 40 Provedení tepeného průtokoěru eektronická řídicí jednotka reguační venti senzor tepeného průtokoěru Apikační ožnosti ěření a reguace průtoku čistých tekutin pro ěření aých průtoků zejéna v aboratorních podínkách ěřicí rozsahy od 3 /in až do desítek /in 4 Voba vhodného typu průtokoěru Při výběru vhodného průtokoěru je zapotřebí zvažovat řadu kritérií: charakteristika ěřeného édia (cheické a fyzikání vastnosti) podínky ěření (tepota, tak) úče ěření (bianční ěření, čido reguátoru) ěřicí rozsah inearita statické charakteristiky přesnost, opakovatenost zpracování signáu (anaogový, čísicový výstup, kounikace s počítače) taková ztráta ontáž ěřida, servis a údržba přístroje potřeba daších poocných zařízení finanční nákady 4