Hmotnostní měření malých průtoků tekutin v uzavřených kanálech Adámek, Milan 1 & Vavruša, Svatomír 2 1 Mgr., Ústav automatizace, FT-Zlín, VUT Brno, nám. T.G.M. 275, 762 72 Zlín adamek@zlin.vutbr.cz, http://ft3.zlin.vutbr.cz/adamek/home.htm 2 vavrusa@zlin.vutbr.cz Abstrakt Příspěvek upozorňuje na možnost využití tepelných průtokoměrů pro měření průtoku uvolňujícího se methanu při anaerobním rozkladu odpadních vod. Je diskutována možnost náhrady bublinkového průtokoměru diferenčním anemometrem v laboratorních podmínkách. Klíčová slova: anaerobní procesy, hmotnostní průtokoměr, senzor, skok. 1 ÚVOD Odpady produkované při průmyslové výrobě se stávají vážným problémem pro celé lidstvo. Využití odpadů jako druhotných surovin může znamenat nejen významný přínos pro ekonomiku, ale i významný přínos pro ochranu životního prostředí, šetření prvotních surovin a energetických zdrojů. V současné době jsou při rozkladech odpadů používány stále častěji anaerobní procesy (speciálně pro vysoce znečištěnou odpadovou vodu s větším množstvím karbonu). Při použití anaerobních procesů (na rozdíl od procesů aerobních) dochází k drastickému snížení energetických nákladů, ke snížení produkce kalů, k tvorbě bioplynů (CH 4 ). Tyto plyny mohou být dále aktivně využívány. Pro úspěšný průběh anaerobní reakce je rozhodující teplota, ph, obsah toxických látek, celkový obsah organického podílu. Teplota nejvíce ovlivňuje poslední stadium reakce, tj. methanizaci. Methanogenní bakterie mají nižší rychlost reprodukce při nižších teplotách a navíc jsou citlivé na teplotní změny. Rychlost anaerobní reakce lze studovat měřením průtočného množství uvolňovaného methanu. Vlastní reakce je pozvolný proces trvající až několik dnů (5-7 dnů). Průtočné množství uvolněného methanu se v průběhu reakce pohybuje v rozsahu 0-20 ml/h. 2 MĚŘENÍ PRŮTOKU I když měření průtoku, průtočného množství a rychlosti proudění tekutin patří v mnohých průmyslových odvětvích k nejdůležitějším typům měření, z běžně nabízených průtokoměrů k tomuto měření žádný dostupný průtokoměr nevyhovuje. Zdokonalování dlouhodobě známých principů měření průtoku vedlo k tomu, že dnes je na trhu množství ekonomicky dostupných a zároveň velmi přesných měřidel vhodných pro laboratorní i průmyslovou praxi. Ne nadarmo měření průtoku a průtočného množství patří k metrologicky nejvíc propracovaným typům měření. Běžně dostupné průtokoměry mají pracovní rozsah od hodnoty 3 : 1 do hodnoty 50 : 1 (podíl maxima a minima měřícího rozsahu). Tyto nabízené průtokoměry pracují s chybou 0,5% - 3% z měřícího rozsahu. Poněkud horší je nabídka průtokoměrů pro měření velmi malých průtoků, např. pro měření průtoků plynů v rozsahu 0-10 ml/h. Jako velmi zajímavá se jeví nabídka mikromechanických senzorů průtoku tekutin. Tyto senzory jsou založené na principu transportu tepla a jsou vyrobeny z krystalu křemíku
mikromechanickými postupy. Vzhledem k malé dostupnosti těchto mikrosenzorů byla studována možnost využití tepelných průtokoměrů pro výše zmiňovaný typ chemické reakce. 3 DIFERENČNÍ ANEMOMETR Tepelné průtokoměry jsou založeny na závislosti výměny tepla mezi zdrojem a okolím na hmotnostním průtoku. Lze přitom použít dva přístupy: - měřit ochlazení žhaveného drátku (termoanemometry) - měřit oteplení tekutiny (kalorimetrické) Pozornost byla zaměřena na konstrukci a využití diferenčního anemometru. Tento využívá dvou vrstvových odporů R 1 a R 2 umístěných spolu s vyhřívacím odporem R H na izolačním podkladu. Obr. 1. Princip diferenčního anemometru. Při nulové rychlosti proudění tekutiny jsou odpory R 1 a R 2 zahřívány na stejnou teplotu a měřící můstek je vyvážen. Při nenulové rychlosti proudění tekutina ochlazuje přední odpor a zvýšeným přenosem tepla od R H ohřívá odpor zadní. Toto zapojení je obecně doporučováno pro citlivá měření malých průtoků. Při výpočtu hmotnostního průtoku se předpokládá, že teplo z vyhřívacího odporu se celé vyzáří do proudící tekutiny. Rozdíl teplot tekutiny před a za vyhřívacím odporem se dá vypočítat podle vztahu: Q = m. c p. (υ 2 - υ 1 ) (1) přičemž P = Q = R.I2 (2) kde m je hmotnost ohřívané tekutiny c p je hmotnostní tepelná kapacita při konstantním tlaku υ 2 je teplota tekutina za vyhřívacím odporem υ 1 je teplota před vyhřívacím odporem P je tepelný výkon ohřívače R je odpor spirály topného odporu I je proud protékající topným odporem
Obr. 2. Rozložení teploty podél měrné trubice. Ze vztahů (1) a (2) lze vyjádřit hmotnost ohřívané proudící tekutiny ve tvaru: P m = cp( υ2 υ1) (3) Hmotnostní průtok Q m lze pak s využitím předchozích vztahů psát ve tvaru: P Q = m a. cp( υ2 υ1) (4) kde a je konstanta. 4 KONSTRUKČNÍ USPOŘÁDÁNÍ A VOLBA SENZORŮ Při odvozování výše uvedených vztahů se předpokládá, že všechno teplo z topného odporu se vyzáří do proudící tekutiny. Pro vyhřívání proudící tekutinu je možné ohřívat přímo vnořením topné spirály do tekutiny nebo ohříváním vnější části měrné trubice. Ohřev tekutiny pomocí obr. 3a byl využit ve skleněné měrné trubici s malou tepelnou vodivostí (tepelná vodivost 0,6 Wm -1 K -1 ), ohřev podle obr. 3b byl aplikován u měděné měrné trubice s vysokou tepelnou vodivostí ( tepelná vodivost 395 Wm -1 K -1 ). Obr. 3.Konstrukční uspořádání měrné trubice. Snímání teplot bylo provedeno opět přímým měřením teploty proudící tekutiny podle obr. 3a a měřením povrchové teploty měrné trubice podle obr. 3b. K vlastnímu snímání teploty byly použity perličkové termistory NTC s typovým označením NR 506, platinové a měděné drátky o průměru 0,05mm. Hlavním nedostatkem při měření teploty pomocí NTC termistorů se jeví jejich vysoká nelinearita při velkém rozsahu teplot. Dalším nedostatkem, který negativně ovlivňoval měření, je značná individuálnost vlastností termistorů (u nepárových termistorů jiné průběhy závislosti R na t). Měděné drátky byly zvoleny z důvodu dostupnosti a velkého teplotního součinitele odporu, jejich nevýhodou se však ukazuje malá rezistance, snadná oxidace a tím i nestabilita pro dlouhodobá měření. Pro velmi citlivá měření s platinovými drátky je třeba použít drátky s čistotou Pt kolem 99,95%. Vzhledem k vysokým B
pořizovacím nákladům této platiny byly použity drátky s čistotou Pt 95%. "Přítomnost nečistot" v Pt senzorech způsobila určité problémy s vyvažováním měřícího můstku a také s návratem můstku do rovnováhy při snížení průtoku až na nulovou hodnotu. 5 DISKUSE DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ Ověřování vlastností diferenčního anemometru a vhodnost konstrukčního uspořádání bylo doposud prováděno při měření průtoku vody (dostupnost, snadné cejchování). Konstrukční uspořádání se skleněnou měrnou trubicí, s přímým vyhříváním proudící tekutiny a snímáním teploty pomocí perličkových termistorů se ukázalo jako nejméně výhodné. Při tomto uspořádání nastávaly největší problémy s vyvažováním měřícího můstku (velká tepelná nestabilita) a s opakovatelností měření (nemožnost při stejném nastavení průtoku naměřit opakovaně stejnou hodnotu výstupního napětí). Průtokoměr konstrukčně uspořádán podle obr.3b s měřením teploty pomocí Pt drátků s 95% čistotou Pt vykazoval nedostatky zejména při snižování průtoku až na nulovou hodnotu. Ukázalo se, že pro zkonstruování přesného průtokoměru s "dlouhou" životností (vzhledem k oxidaci), je třeba použít podle [1] platinu zahraničně dováženou s čistotou až 99,99%. V našich měřících podmínkách nejlepší vlastnosti vykazovalo konstrukční uspořádání s tenkostěnnou měděnou trubičkou o průměru 0,8 mm a 1 mm s povrchovým měřením teploty pomocí měděných drátků o průměru 0,05 mm. Tento průtokoměr vykazoval poměrně malou U časovou konstantu (v níže uvedeném obrázku je x = ). U MAX x 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 t [s] Obr.4. Odezva soustavy na skok rychlosti proudící tekutiny. Statická převodní charakteristika tohoto konstrukčního uspořádání v časově ustáleném stavu je na obr.5.
U[V] 12 10 8 6 4 2 5 10 15 20 25 30 Obr.5. Statická převodní charakteristika 6 Závěr Doposud vlastnosti diferenčního anemometru byly studovány při průtoku vody. Z uvedených výsledků vyplývá, že pro měření dlouhodobých dějů (několik dnů) se nejeví jako příliš vhodná volba měření teploty pomocí Cu senzorů vzhledem k jejich poměrně vysoké oxidaci. Pro dlouhotrvající měření je vhodné pro povrchové měření teploty použít platinové odporové drátky s čistotou až 99,99%. V současné době je pozornost zaměřena na možnost využití diferenčního anemometru pro měření velmi malých průtoků plynů pro anaerobní rozkladné procesy. Pro tento typ měření je využito uspořádání podle obr.3a. 7 Literatura: [1] ĎADO, S.- KREIDL, M. Senzory a měřicí obvody. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1994. ISBN 80-01-0257-6 [2] CHUDÝ, V.- PALENČÁR, R. - KUREKOVÁ, E. - HALAJ, M. Meranie technických veličín. Bratislava: Vydavatelstvo STU, 1999. ISBN 80-227-1275-2 [3] Prodejní katalogy. GES Electronics, GM Electronic. (1998,1999)