Przep³yw

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 3 -

Badanie przepływu

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, sposobów sprawdzania i zasad prawidłowej eksploatacji

czujników  i  przetworników  ciśnienia,  poziomu  i  przepływu.  Instalację  technologiczną  stanowi
zamknięty  obieg  wody  pompowanej  za  pomocą  pompy  ze  zbiornika  dolnego  do  zbiornika
pomiarowego.  Układ  sterowania  umoŜliwia  płynną  regulację  przepływu  poprzez  dławienie  po  stronie
tłoczącej pompy obiegowej.

Stanowisko pomiarowe umoŜliwia zmierzenie charakterystyk statycznych zabudowanych

przetworników, a współpracujący ze stanowiskiem pomiarowym komputer umoŜliwia zebranie danych
z obiektu, dokonania koniecznych obliczeń oraz graficzne przedstawienie otrzymanych zaleŜności. Cały
cykl pomiarowy moŜe być wykonany przy sterowaniu ręcznym lub w sposób automatyczny poprzez
sterownik programowalny.

2. Wprowadzenie teoretyczne

2.1 Definicje oraz podstawowe określenia

Przepływem nazywamy postępujące przemieszczanie się cieczy, par lub gazów w rurociągach,

kanałach, dyszach, przewęŜeniach oraz innych elementach przewodu. Przepływ nazywany jest
ustalonym, jeśli kierunek i prędkość płynących cząstek w tym samym miejscu strugi nie zmienia się w
czasie. W przewodzie o przekroju kołowym, wypełnionym całkowicie przepływającym czynnikiem,
rozróŜnia się dwa rodzaje przepływów:

rozwarstwiony (laminarny);

burzliwy (turbulentny).

Ruch laminarny jest to ruch występujący przy małych prędkościach i charakteryzuje się

regularnością i równoległością torów cząstek. W przekroju wzdłuŜnym przewodu rozkład prędkości ma
w przybliŜeniu kształt paraboli, a największa prędkość występuje w osi przewodu.

Ruch burzliwy, jest ruchem powstającym przy większych prędkościach, towarzyszą mu: pulsacja

prędkości  i  poprzeczne,  chaotyczne  ruchy  cząsteczek.  Pulsacje  prędkości  mają  duŜą  częstotliwość,
moŜna  więc  dla  krótkich  przedziałów  czasu  określić  wartość  średnią  prędkości  w  poszczególnych
punktach.  Wielkość  tę  nazywamy  prędkością  przeciętną  w  danym  punkcie  i  w  danej  chwili.  W
rozwaŜaniach trwałości czy jednostajności ruchu burzliwego bierze się pod uwagę te właśnie prędkości
przeciętne.

2.2 Liczba Reynolds’a

Liczba Reynolds’a (

) – jest odniesiona do warunków dopływowych płynu (przed zwęŜką) i

do średnicy wewnętrznej odcinka pomiarowego:

(2.1)

gdzie:

- średnia prędkość płynu w odcinku pomiarowym przed zwęŜką;

- średnica wewnętrzna rurociągu;

- kinematyczny współczynnik lepkości płynu.

2.3 Metody pomiarowe

2.3.1 Metoda objętościowa

Metoda objętościowa to najłatwiejsza metoda pomiaru przepływu. Polega na pomiarze przyrostu

słupa wody dla stałego przedziału czasu. Znając pole powierzchni dolnej zbiornika, w którym
następuje pomiar przyrostu słupa wody oraz czas tego przyrostu, moŜemy obliczyć strumień
objętościowy wody według wzoru:

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 4 -













∆

(2.2)

gdzie:

- pole powierzchni dolnej zbiornika;

∆

- przyrost wysokości cieczy w zbiorniku;

- czas obserwacji przyrostu wysokości.

Mając obliczony strumień objętości moŜna obliczyć strumień masy:













≈

1000

001

(2.3)

gdzie:

- objętość właściwa wody

0010949

2.3.2 Metoda zwęŜkowa

Jest to najbardziej rozpowszechniona metoda pomiaru strumienia masy gazów, par i cieczy.

Wykorzystuje  ona  zaleŜność  spadku  ciśnienia  na  organie  spiętrzającym,  od  prędkości  czynnika
przepływającego  przez  ten  organ.  W  technice  pomiarowej  jako  organ  spiętrzający  stosuje  się  kryzy,
dysze  i  zwęŜki.  Strumień  masy  moŜna  wyznaczyć  pośrednio  przez  pomiar  ciśnienia  róŜnicowego

∆

powstałego przed i za zwęŜką. Wymagana jest przy tym znajomość parametrów określających stan
fizyczny płynu oraz wielkości wchodzących do równania określającego strumień masy.

Dla strumienia masy:

εα

∆

(2.4)

oraz dla strumienia objętości:

(2.5)

gdzie:

- liczba przepływu, dla wody

813

;

- liczba ekspansji, dla wody

;

- pole powierzchni otworu przepływowego zwęŜki;

- objętość właściwa płynu, dla wody

0010949

Pozostałe dane potrzebne do obliczeń:

- moduł zwęŜki,

215

;

- średnica prześwitu zwęŜki pomiarowej,

;

- średnica wewnętrzna rurociągu,

2.3.3 Pomiar strumienia masy przepływomierzem indukcyjnym

Przepływomierz indukcyjny słuŜy do pomiaru strumienia cieczy przewodzących. Idea pracy

przetwornika  opiera  się  o  zasadę  pomiaru  siły  elektromotorycznej  indukowanej  w  przewodniku
poruszającym  się  w  polu  magnetycznym.  Wartość  napięcia  jest  wprost  proporcjonalna  do  prędkości
cieczy,  indukcji  magnetycznej  i  do  odstępu  pomiędzy  elektrodami  równego  średnicy  rur.  Pomiar
wielkości strumienia masy odczytujemy na wyświetlaczu przetwornika elektronicznego MPP-02.

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 7 -

4. Przebieg ćwiczenia

4.1 Przygotowanie stanowiska do pomiaru

Przed przystąpieniem do ćwiczenia naleŜy zapoznać się z budową i rozmieszczeniem

elementów na pulpicie sterowniczym i planszy pomiarowej. Pulpit sterowniczy wyposaŜony jest w
przyciski sterownicze, przyrządy pomiarowe, komputer, sterownik, przełącznik zmiany trybu pracy oraz
zasilacz 24V DC.

Przyciski sterownicze znajdują się na zielonej części pulpitu. Wszystkie przyciski koloru

czerwonego  są  przyciskami  załączającymi,  natomiast przyciski  w  kolorze  czarnym  są  wyłączające.  Ze
względu na to, Ŝe przyciski wyłączające są bardzo czułe na dotyk, co podczas wykonywania ćwiczenia
moŜe  spowodować  przypadkowe  wyłączenie  któregoś  z  zaworów,  prowadząc  tym  samym  do
niedroŜności układu podczas pracy pompy, a w konsekwencji do uszkodzenia układu hydraulicznego,
nie  wolno  kłaść  na  przyciski  Ŝadnych  przedmiotów.  Gdyby  jednak  doszło  do  wyłączenia  (zamknięcia)
elektrozaworów, naleŜy natychmiast wyłączyć pompę.

Pierwsze dwa rzędy przycisków licząc od góry, są przeznaczone do sterowania zaworami,

natomiast przyciski w dwóch niŜszych rzędach, są przeznaczone do sterowania pompą, siłownikiem
oraz układem automatyki.

Włączenie danego zaworu (jego otwarcie) jest potwierdzone zaświeceniem się lampki

sygnalizacyjnej przy tym zaworze oraz charakterystycznym dźwiękiem (buczeniem) elektromagnesu
danego zaworu.

Opis zaworów:

Z1O

- zawór obejściowy czujnika elektromagnetycznego;

Z1G

- zawór przed i za czujnikiem elektromagnetycznym (obwód główny);

Z2O

- zawór obejściowy zwęŜki spiętrzającej;

Z2G

- zawory przed i za zwęŜką spiętrzającą;

- zawór spustowy.

Przed przystąpieniem do kaŜdorazowego uruchomienia pompy naleŜy sprawdzić, czy odpowiednie
zawory zostały załączone i czy został odpowiednio otwarty zawór z siłownikiem. Zawór ten moŜe być
sterowany przy pomocy przycisków (Zamknij / Otwórz) lub ręcznie poprzez naciśnięcie i przytrzymanie
przycisku znajdującego się na zaworze i przekręceniu dźwigni.

4.2 Pomiar charakterystyk statycznych przetworników przepływu przy ręcznym

sterowaniu układem pomiarowym

Pomiar strumienia masy obejmuje jedną serię pomiarów, w której zostaje wyznaczony

strumień masy trzema metodami:

metodą zwęŜkową;

metodą objętościową;

przy pomocy przetwornika elektromagnetycznego.

Przed przystąpieniem do pomiaru naleŜy włączyć zasilacz i komputer. Po uruchomieniu

komputera  naleŜy  uruchomić  program  LABORKA.  Z  menu  naleŜy  wybrać  opcję  POMIAR  RĘCZNY.  Na
ekranie monitora ukaŜe się tabela pomiarowa z opisem poszczególnych kolumn oraz zegarem. Wyniki
pomiarów  naleŜy  wpisywać  w  odpowiednie  rubryki  przeznaczone  dla  odpowiednich  przyrządów.
Pozostałe  kolumny  zostaną  wypełnione  automatycznie  po  obliczeniu  odpowiednich  wielkości  przez
algorytm zawarty w programie.

Następną czynnością jest ustawienie przełącznika rodzaju pracy w pozycji „A” co odpowiada

sterowaniu  ręcznemu.  NaleŜy  równieŜ  przygotować  mierniki  do  odczytu  sygnałów  pomiarowych  z
sondy pojemnościowej, czujnika EPA i wagi prądowej (WT-15). Zakresy wszystkich przyrządów naleŜy
ustawić  na  30  mA.  Wartość  wskazywana  przez  miliamperomierz  odczytujący  sygnał  z  sondy
pojemnościowej powinien wynosić około 9 mA przy pustym zbiorniku. KaŜdy większy poziom sygnału
świadczy  o  obecności  wody  w  zbiorniku,  co  moŜna  sprawdzić  na  skali  znajdującej  się  na  zbiorniku.
NaleŜy  wówczas  otworzyć  zawór  spustowy  ZS  obserwując  jednocześnie  wartość  wskazywaną  przez
miliamperomierz  sondy.  zaleca  się,  aby  pomiar  wykonywać  od  wartości  prądu  ok.  11  mA,  co

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 8 -

odpowiada wartości 0 na skali zbiornika. Zakresy wartości sygnałów prądowych dla poszczególnych
czujników są następujące:

EPA

20 mA;

WT-15

20 mA;

Sonda pojemnościowa 9

20 mA.

PoniewaŜ przy całkowicie otwartym siłowniku wartość uzyskiwanych sygnałów jest znacznie

większa i osiąga około 30 mA, dlatego pomiar naleŜy wykonać do wartości około 20 mA, co
odpowiada połowie otwarcia zaworu siłownika.

Pomiar moŜna przeprowadzać od największej wartości przepływu (zawór z siłownikiem

otwarty na ok. 50 %) do wartości najmniejszej, jak i odwrotnie. Zawór z siłownikiem moŜe być
maksymalnie zamknięty do wartości 5 mA, którą wskazuje EPA podczas pomiaru właściwego.

Nad

zielonym

polem

pulpitu

znajduje

się

elektroniczny

przetwornik

czujnika

elektromagnetycznego z ciekłokrystalicznym wyświetlaczem, który wyświetla wartość strumienia masy
w kg/s i ilość przepompowanego medium. Wartości te są traktowane jako wartości wzorcowe dla
pozostałych pomiarów. Litery R lub F wyświetlane przed wartością strumienia oznaczają odpowiednio:
R – przepływ rewersyjny;
F – przepływ w przód.

Po wykonaniu opisanych czynności moŜna przystąpić do właściwego pomiaru. Pomiar

rozpoczynamy  od  ustawienia  zaworu  z  siłownikiem  (w  zakresie  od  5  mA  do  20  mA  wskazywanego
przez  miliamperomierz  EPA  podczas  właściwego  pomiaru).  Włączamy  zawory  obejściowe  Z1O  oraz
Z2O  i  włączamy  pompę.  Włączenie  zaworów  obejściowych  sygnalizowane  jest  zapaleniem  się  lampki
kontrolnej  nad  danym  zaworem.  Następnie  po  odczekaniu  ok.  5

10 sekund naleŜy otworzyć zawory

główne Z1G oraz Z2G (potwierdzenie otwarcia zaworów sygnalizowane jest odpowiednią lampką nad
danym zaworem). Po upływie ok. 5

10 sekund naleŜy wyłączyć zawory obejściowe Z1O i Z2O. Po

zamknięciu  zaworów  obejściowych  naleŜy  jak  najszybciej  odczytać  w  tym  samym  momencie  stan
poziomu  wody  w  zbiorniku  poprzez  odczyt  wartości  prądu  wskazywaną  przez  miliamperomierz  sondy
pojemnościowej  oraz  czas  rozpoczęcia  pomiaru  z  zegara  na  monitorze  komputera.  Pomiar  naleŜy
wykonywać  przez  okres  60  sekund.  W  tym  czasie  naleŜy  odczytać  wartość  prądów  wskazywanych
przez  miliamperomierze:  przetwornika  EPA  oraz  wagi  prądowej  WT-15,  oraz  wartość  przepływającej
masy przez czujnik elektromagnetyczny, wskazywaną na wyświetlaczu elektronicznym. Po upływie 60
sekund  naleŜy  wyłączyć  pompę  i  odczytać  wartość  końcową  poziomu  wody  w  zbiorniku  wskazywaną
miliamperomierzem  sondy  pojemnościowej.  Wszystkie  zanotowane  wartości  naleŜy  wpisać  w
poszczególne  pola  tabeli  pomiarowej.  Następnie  naleŜy  wypuścić  wodę  ze  zbiornika  górnego  do
dolnego  przez  otwarcie  zaworu  spustowego  ZS.  Następnie  naleŜy  ustawić  nową  wartość  przepływu
przez  zmianę  połoŜenia  zaworu  z  siłownikiem  i  powtórzyć  całą  procedurę  pomiarową.  Pomiary
powtórzyć dla 5 róŜnych wartości przepływu.

Uwaga!.

1. NaleŜy zwrócić szczególną uwagę podczas przełączania zaworów, aby nie zamknąć drogi przepływu

wody, przez przypadkowe zamknięcie nieodpowiednich zaworów.

2. Przełączenie zaworów po czasie ok. 5

10 sekund, związane jest z koniecznością wyrównania

ciśnienia wody i zapobiega uszkodzeniu przetworników przed nagłym jednostronnym wzrostem
ciśnienia.

Po wprowadzeniu wszystkich wyników dla danej wartości przepływu zostaje wyliczony

strumień przepływającej masy wg zaleŜności:

dla metody zwęŜkowej:

εα

∆

(4.1)

dla metody objętościowej:













∆

(4.2)













≈

1000

001

(4.3)

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 9 -

Program automatycznie przelicza wprowadzone wartości prądu na wartość ciśnienia oraz

przyrost  słupa  wody  wyraŜony  w  centymetrach.  Po  wpisaniu  wszystkich  danych  i  przepisaniu
obliczonych  przez  komputer  wartości,  naleŜy  nacisnąć  przycisk  KONIEC,  co  powoduje  zamknięcie
aktualnego  okna  i  powrót  do  okna  głównego  programu.  Następnie  naleŜy  otworzyć  menu  WYKRES  i
wybrać  opcję  STEROWANIE  RĘCZNE.  To  spowoduje  otwarcie  okna  pozwalającego  na  wybór  typu
wyświetlanego  wykresu.  Sposób  wyświetlania  danych  moŜe  być  zmieniony  poprzez  wybranie
odpowiedniej  opcji  z  menu  RODZAJ  WYKRESU.  Po  zakończeniu  pracy,  wyjście  z  programu  jest
realizowane po wybraniu opcji KONIEC z menu głównego.

4.3 Automatyczne sterowanie procesu pomiarowego

Pomiar automatyczny wykonywany jest przy pomocy sterownika SAIA PCD2. Jest on

umieszczony w półce pulpitu sterowniczego, a przebieg procesu oraz wyniki pomiarów przedstawione
są w programie WIZCON 7 uruchamianym na komputerze typu PC. Ta część ćwiczenia jest całkowicie
automatyczna.  Obsługa  sprowadza  się  jedynie  do  rozpoczęcia  procesu  pomiarowego  naciskając
przycisk  START  na  pulpicie  sterowniczym  lub  zielonego  przycisku  w  programie  WIZCON.  Przycisk
STOP  na  pulpicie  lub  czerwony  przycisk  w  programie  WIZCON  jest  przeznaczony  do  zatrzymania
całego  procesu  pomiarowego  w  razie  wystąpienia  nieprawidłowości  podczas  przebiegu  ćwiczenia.
KaŜdorazowe  naciśnięcie  przycisku  STOP  powoduje  zatrzymanie  procesu  pomiarowego  i  ponowne
rozpoczęcie  całego  ćwiczenia.  Zakres  ćwiczenia  obejmuje  wykonanie  pomiarów  strumienia  masy
róŜnymi metodami dla pięciu róŜnych wartości przepływu i wykreśleniu odpowiednich charakterystyk.

Pomiar rozpoczyna się od włączenia zasilacza i komputera. WaŜnym elementem jest kolejność

wykonywanych czynności. Dlatego naleŜy przed uruchomieniem programu WIZCON włączyć zasilacz
sterownika.

Program WIZCON naleŜy uruchomić klikając dwukrotnie ikonę WIZCON znajdującą się na

pulpicie Windows. W lewym górnym rogu pojawi się ikona logowania, po kliknięciu której pojawi się
okienko dialogowe, w które naleŜy wpisać nazwę uŜytkownika oraz hasło:
UŜytkownik:

STUDENT

Hasło:

STUDENT

Po zalogowaniu pojawi się pasek szybkiego wyboru, z którego naleŜy wybrać ikonę W

pojawi

się okienko „Studio aplikacji WIZCON’a”, w którym naleŜy wybrać z górnego menu Plik

→

Otwórz i

zaznaczyć plik pracas.vim, a następnie nacisnąć OK. Uruchomiony obraz synoptyczny urządzenia
pomiarowego moŜe być źle wyśrodkowany i dlatego naleŜy uŜyć polecenia w menu Opcje

→

Idź do

strefy , wybrać strefa i nacisnąć OK. Jeśli wskaźnikiem myszki nie jest „łapka” tylko „strzałka”, to
wybieramy polecenie Tryby

→

Włącz Aktywatory.

Po naciśnięciu zielonego przycisku nastąpi rozpoczęcie procesu pomiarowego, który odbywa

się  w  pełni  automatycznie.  Przebieg  procesu  moŜna  obserwować  na  obrazie  synoptycznym  –
załączenie  zaworów  głównych  i  obejściowych,  zaworu  spustowego  (podczas  spuszczania  wody  z
górnego  zbiornika),  wskazania  wartości  prądów  przetworników  EPA  i  WT-15,  róŜnicy  poziomów
początkowego oraz końcowego, a takŜe kolejny numer pomiaru.
Po pięciu pomiarach proces zatrzyma się automatycznie i  ukaŜe się tabela pomiarowa z odczytanymi
wartościami (plik wyniki.txt), a takŜe dwa wykresy:

( )

Między aktywnymi oknami: obrazy synoptycznego, tabeli pomiarowej i wykresami moŜna poruszać się
za pomocą klawiszy Alt-Tab lub wybierając odpowiednie okno z paska zadań.

Wszystkie zaleŜności są obliczone analogicznie jak dla sterowania ręcznego. RóŜnice stałych

przeliczeniowych występujące między sterowaniem ręcznym, a sterowaniem automatycznym wynikają
z zastosowanych dzielników rezystancyjnych w sterowniku, w celu uzyskania odpowiedniego sygnału.

Uwaga!
W razie wystąpienia jakichkolwiek nieprawidłowości podczas pracy sterownika i nie zadziałaniu
przycisku STOP, naleŜy wyłączyć zasilacz!

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 10 -

5. Zakres sprawozdania

Wykreślić charakterystyki statyczne przepływomierzy:

( )

gdzie:

- prąd przetwornika WT-15

- masa przepływu mierzona przetwornikiem elektromagnetycznym;

- masa przepływu obliczona metodą zwęŜkową;

- masa przepływu obliczona metodą objętościową;

- liczba Reynolds’a;

- współczynnik przepływu.

Obliczenie liczby Reynolds’a

min

354

max

354

gdzie:

- dynamiczny współczynnik lepkości płynu (wody)

−

[kg/ms];

- średnica wewnętrzna rurociągu.

- przewęŜenie zwęŜki pomiarowej

gdzie:

- średnica otworu przepływowego zwęŜki;

- średnica wewnętrzna rurociągu.

- współczynnik przepływu

0337

0900

0029

1840

0312

5959

−













−

gdzie:

- przewęŜenie kryzy;

- liczba Reynolds’a odniesiona do średnicy rurociągu;

- iloraz odległości pomiędzy otworem impulsowym, a powierzchnią dopływową kryzy i średnicy

rurociągu;

- iloraz odległości pomiędzy otworem impulsowym, a powierzchnią odpływową kryzy i

średnicy rurociągu.

Podać wzory na podstawie których program komputerowy dokonał obliczeń strumienia masy i
sprawdzić poprawność obliczeń w dwóch dowolnie wybranych punktach dla kaŜdej charakterystyki.

Literatura

[1] Edmund Romer:

Miernictwo przemysłowe

, PWN, Warszawa 1978, str. 223-248,

[2] Miłek Marian:

Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi

, Zielona Góra 1998,

str. 243-249, 251-258.