POMIAR PRZEPŁYWU
Andrzej Wawszczak
42 631 25 97
andrzej.wawszczak@p.lodz.pl
POMIAR PRZEPŁYWU
Andrzej Wawszczak
42 631 25 97
andrzej.wawszczak@p.lodz.pl
JEDNOSTKI STRUMIENIA PRZEPŁYWU
Strumień przepływu może być wyznaczony w jednostkach objętości [
m
3
/s
],
[
m
3
/h
] lub masy [
kg/s
], [
kg/h
]. Wyróżnia się strumień objętości:
lub strumień masy
gdzie: w
A
- średnia wartość chwilowych prędkości przepływu w przekroju
poprzecznym
rurociągu (m/s),
A - pole przekroju poprzecznego rurociągu, m
2
,
ρ - gęstość płynu, kg/m
3
.
A
w
V
A
A
w
m
A
A
0
A
dA
)
A
(
w
A
w
V
METODY POMIARU STRUMIENIA PRZEPŁYWU
Dwie zasadnicze grupy metod wyznaczania strumienia przepływu:
• pośrednia,
• bezpośrednia
.
Pośrednia
– wyznaczenie
średniej prędkości przepływu
w
A
np. metodą
znacznikową lub przez pomiar prędkości miejscowych (lokalnych) w
przekroju
poprzecznym
strumienia
i następnie dla znanego
pola przekroju
A, obliczenie strumienia przepływu.
Bezpośrednia
– użycie specjalnie w tym celu wykonanych przyrządów –
przepływomie-rzy
, których sygnały wyjściowe są wywzorcowane w
jednostkach przepływu.
Wśród
przepływomierzy
należy wyróżnić grupę przyrządów, w których
wyznacza się
średnią wartość prędkości w czasie obserwacji
. Pomiar
w tych przepływomierzach polega na odmierzeniu porcji płynu bądź przez
odważenie określonej masy płynu
, bądź przez
odmierzenie określonej
objętości
płynu.
Najbardziej miarodajnym pod względem energetycznym oraz w procesach
technologicz-nych i w celach rozliczeniowych jest
strumień masy
.
Większość jednak stosowanych metod pomiaru, ze względu na prostszą
konstrukcję przyrządu, pozwala wyznaczyć
strumień objętości
, i w
przypadku zmian warunków termodynamicznych płynu (ciśnienie,
temperatura), zmiana jego gęstości wywołuje dodatkowe błędy pomiaru.
W przyrządach do pomiaru strumienia masy jest uwzględniana
bezpośrednio w metodzie zmiana gęstości masy płynu, przez to te
przyrządy są zbyt skomplikowane oraz kosztow-ne i dlatego mało
rozpowszechnione.
METODY POMIARU ILOŚCI SUBSTANCJI
Ilości substancji
w jednostkach
• objętości - V [m
3
],
• masy - m [kg].
Do wyznaczenia
ilości substancji
w określonym przedziale czasu służą
liczniki przepływu
. Każdy z przepływomierzy z wyjściowym sygnałem
nadającym się do sumowania (całkowania), może służyć do wykonania
licznika ilości płynu
.
Liczniki ilości płynu
są z reguły wyposażone w przetworniki do pomiaru
strumienia. Sygnałami wyjściowymi z takich przyrządów są sygnały
strumienia płynu
oraz sygnały
ilości płynu
.
WŁAŚCIWOŚCI PRZEPŁYWOMIERZY
Przy wyborze przepływomierza występuje szereg uwarunkowań, których
jest znacznie więcej niż przy pomiarze innych parametrów i dlatego należy
uwzględnić następujące czynniki:
• właściwości metrologiczne
:
- mierzony parametr (strumień masy, strumień objętości lub ilość płynu),
- zakres pomiarowy, możliwość przeciążeń,
- wymagana dokładność (błąd względny wartości mierzonej czy klasowy)
- rodzaj sygnału wyjściowego,
- właściwości dynamiczne;
• właściwości płynu:
- rodzaj płynu, jego stopień czystości, właściwości korozyjne i ścierne
(erozyjne),
- jego skrajne (max ÷ min) wartości: gęstości, lepkości, ciśnienia i
temperatury;
• warunki instalacji:
- średnice rurociągów oraz stan ich powierzchni,
- możliwe długości prostoliniowych odcinków pomiarowych,
- możliwość wystąpienia wibracji, pulsacji przepływu i uderzeń
hydraulicznych,
- warunki otoczenia (zakres temperatur, wilgotność i agresywność
atmosfery),
- montaż w pomieszczeniach czy na zewnątrz;
• aspekty ekonomiczne:
- koszt zakupu i zainstalowania,
- koszt eksploatacji (energia zasilania, dodatkowe koszty energii
pompowania ze
względu na stratę ciśnienia),
- koszt konserwacji, napraw i niezawodność pracy.
WYBRANE POJĘCIA I ZALEŻNOŚCI
MATEMATYCZNE
Z MECHANIKI PŁYNÓW
Gęstości płynu
– ilość masy płynu w określonej (jednostkowej) objętości:
Lepkością płynu
– zdolność przenoszenia naprężeń stycznych.
•
lepkość dynamiczna
: [Pa·s],
•
lepkość kinematyczna
:
[m
2
/s].
Wzajemny związek między tymi właściwościami płynu:
Ściśliwość płynu
– zdolność płynu do zmniejszania swojej objętości pod
wpływem działania wywieranego na niego ciśnienia:
W warunkach technicznych ściśliwość wody może być pominięta i
woda
jest uważana za
płyn nieściśliwy
, jej gęstoś nie ulega zmianie pod
wpływem ciśnienia.
Gazy
i
pary
są
płynami ściśliwymi
.
]
m
/
kg
[
,
V
m
3
dp
d
1
Lepkość
– powoduje tarcie wewnątrz strugi płynu oraz o ścianki rurociągu.
Prędkość strugi płynu
wewnątrz prostoliniowego, o przekroju kołowym,
rurociągu jest funkcją odległości
r
od osi rurociągu –
w(r)
. Rozkład (profil)
prędkości w poprzecznym przekroju strumienia może być:
• przy
niewielkiej prędkości
przepływu – cząstki płynu poruszają się
równolegle do osi
kanału i poszczególne strugi płynu nie mieszają się
ze sobą, jest to przepływ
uwarst-
wiony
czyli
laminarny
,
• przy dostatecznie
dużych prędkościach
– występują wiry, intensywne
mieszanie się ze
sobą poszczególnych strug płynu, pojawia się
przepływ
burzliwy
czyli
turbulentny
,
Rozkład prędkości wewnątrz rurociągu można przybliżyć, dla przepływu:
•
laminarnego
– parabolą obrotową drugiego stopnia,
• turbulentnego
– parabolami obrotowymi wyższych stopni
.
Czynnikiem decydującym o charakterze przepływu jest wartość
liczby
Reynoldsa
Re
, która wyraża stosunek sił bezwładności F
b
, działających na
element płynu w strumieniu, do sił tarcia F
t
, wywołanych jego lepkością,
czyli:
gdzie: D – wewnętrzna średnica rurociągu, [m],
w
A
– średnia prędkość w przekroju poprzecznym rurociągu, [m/s],
– lepkość kinematyczna, [m
2
/s].
Średnia prędkość płynu
w przekroju poprzecznym, przy stałym strumieniu
masy, jest zawsze jednakowa bez względu na charakter przepływu.
A
t
b
w
D
F
F
Re
Rozkład prędkości w(r) w przekroju poprzecznym strumienia
dla różnych warunków przepływu:
1 - przepływ laminarny, 2 - przepływ burzliwy w gładkim rurociągu, 3 - przepływ
burzliwy w rurociągu chropowatym.
Krytyczna liczba Reynoldsa –
Re
kr
:
wartość liczby Reynoldsa, przy
której przepływ
laminary
przechodzi w przepływ
turbulentny
.
W zakresie Re = (2000 ÷ 4000) obserwuje się niestabilny
(niejednoznaczny) charakter przepływu. Może on być
laminarny
lub
turbulentny
(burzliwy).
Większość przepływomierzy jest wrażliwa na profil prędkości, więc pomiary
przepływu w pobliżu Re
kr
są trudne.
Na parametry przepływu w strumieniu turbulentnym wywiera bardzo duży
wpływ
chropowatość powierzchni wewnętrznej rury
.
Chropowatość bezwzględna rury – Δ
:
wysokości występów na
wewnętrznej powierzchni rury wyczuwalna: optycznie i mechanicznie,
określa stan powierzchni wewnętrznej rury.
Chropowatość Δ
ma istotny wpływ na naprężenia styczne przy ściance
rury. Im jest ona większa tym naprężenia będą większe i krzywa rozkładu
prędkości będzie bardziej wydłużona (krzywa 3).
Wpływ chropowatości wzrasta wraz ze zmniejszaniem średnicy rurociągu.
Wskutek tarcia lepkiego następuje zamiana energii kinetycznej na ciepło –
powstaje strata ciśnienia, którą w prostym rurociągu o długości l i średnicy
D wyraża się wzorem:
gdzie: λ
t
- współczynnik strat w rurociągu:
- gładkim dla przepływu laminarnego:
- gładkim dla przepływu turbulentnego:
- chropowatym dla przepływu turbulentnego:
D
w
l
2
1
p
2
A
t
s
Re
64
t
25
,
0
t
Re
316
,
0
D
Re,
f
t
PROSTOWNICE
Wszelkie
przeszkody
na drodze przepływu strumienia płynu wywołują
zniekształcenia krzywej rozkładu prędkości
(asymtrię).
Dla zapewnienia poprawności pomiarów strumieni przepływu, niezbędne
są, przed i za czujnikiem przepływomierza, prostoliniowe odcinki
rurociągów o minimalnych chropo-watościach, tzw.
odcinki pomiarowe
, aby
przepływający przez czujnik strumień płynu mógł się ustabilizować.
Długości tych odcinków wyraża się wielokrotnością średnicy rurociągu np.
5·D, 15·D itp.
Niktóre przepływomierze są szczególnie wrażliwe na odkształcenie profilu
prędkości
i wymagają długich odcinków pomiarowych. Skrócenie odcinków
pomiarowych umożli-wiają tzw.
prostownice strumienia
.
Wybrane przykładowe rozwiązania prostownic strumienia.
Długość prostownicy L jest wyrażona krotnością średnicy D rurociągu.
KLASYFIKACJA ZASAD PRZETWARZANIA
STOSOWANYCH W PRZEPŁYWOMIERZACH
• odmierzanie jednakowych porcji objętości lub masy cieczy gromadzonej
w zbiorniku pomiarowym (częstotliwość operacji napełniania pozwala
wyznaczyć średnią w czasie obserwacji prędkość cieczy) –
przepływomierze zbiornikowe
(naczyniowe);
• przepływająca ciecz lub gaz bezpośrednio napędzają ruchomy element
czynny wywołując jego ruch: obrotowy, mimośrodowy lub posuwisto-
zwrotny –
przepływomierze tachometryczne
;
• odpowiednio ukształtowane przewężenie kanału przepływu wywołuje
spadek ciśnienia przepływającego płynu, którego wartość (zgodnie z
prawem Bernoulliego) jest zależna od średniej prędkości płynu –
przepływomierze zwężkowe
i
przepływomierze kapilarne
(pomiar
ciśnienia różnicowego),
przepływomierze opływowe
(pośredni pomiar
spadku ciśnienia – pomiar siły działającej na element przewężający
kanał);
• obliczanie średniej prędkości przepływu na podstawie wartości prędkości
lokalnych
w(r)
–
rurki
spiętrzające
,
anemometry
,
sondy
termoanemometryczne
(bilans cieplny);
anemometry laserowe
(zmiana
prędkości rozchodzenia się w płynie fali świetlnej),
przepływomierze
ultradźwiękowe
(zmiana prędkości rozchodzenia się w płynie fali
dźwiękowej);
• przepływomierze elektromagnetyczne
– zasada indukcji
elektromagnetycznej;
• przepływomierze wirowe
– wzbudzanie się wirów na przeszkodzie
umieszczonej w stru-dze mierzonego płynu, których częstotliwość zależy
od jego strumienia objętości
• efektu działania sił bezwładności lub wartość tych sił –
przepływomierze
krzywkowe
(kolanowe), z działaniem sił zewnętrznych:
przepływomierze z
przyspieszeniem Coriolisa
,
przepływomierze giroskopowe
itp.;
• inne zasady przetwarzania: bilans chemiczny roztworu –
przepływomierze
zastrzykowe
(znacznikowe), bilans cieplny –
przepływomierze
kalorymetryczne
, korelacja zaburzeń stochastycznych itp.
Metody pomiar
przepływu:
a - zwężkowa,
b - wirowa,
c - ultradźwiękowa,
d - elektromagnetyczna,
e - turbinowa,
f - komorowa,
g - Coriolisa.
PRZEPŁYWOMIERZE TURBINOWE
D = (6 ÷ 600) mm
V
max
/ V = 20 ÷ 10
odcinki
pomiarowe > 10·D
Uproszczony schemat przepływomierzy turbinowych (wodomierzy)
skrzydełkowych:
a) jednostrurnieniowy, b) wielostrumieniowy.
1 – wirnik, 2 – przekładnia, 3 – licznik.
D < 50 mm
V
max
= (2÷30) m
3
/h
V < 2 (5) %
p < 1 MPa
p < 80 kPa
Uproszczony schemat przepływomierzy turbinowych
(wodomierzy) z osiowym przepływem:
a) z osią poziomą, b) z osią pionową
V < 400 m
3
/h (oś pionowa,
czulszy)
V < 4000 m3/h (oś pozioma)
V < 2 (5) %
p < 1,6 MPa
p < 30 kPa
Schemat przepływomierzy turbinowych z pokazaniem charakterystycznych
kształtów wirników i sposobów przekazywania prędkości wirnika:
a) lekko zwichrowane łopatki i magnes NS w postaci krążka umieszczonego
prostopadle do osi wirni-ka, b) łopatki płaskie z materiału ferromagnetycznego, c) i
d) kształt wirnika dla cieczy i dla gazów:
1 - prostownica strumienia, 2 - cewka czujnika, 3 - sygnał napięciowy czujnika
prędkości obrotowej,
4 - łożysko teflonowe.
p < 16 (25) MPa
n < 20 000
obr/min
Przykładowe zmiany niepewności pomiaru δV w funkcji strumienia
przepływu V
dla przepływomierza skrzydełkowego i przepływomierza śrubowego
(dla różnych wartości lepkości dynamicznej η)
PRZEPŁYWOMIERZE KOMOROWE
Schemat pracy przepływomierza z owalnymi tłokami:
a)...d) kolejne położenie tłoków 1 i 2
Schemat gazomierza
rotorowego:
1 - obudowa, 2 - tłoki wirujące
V
max
= (15 ÷ 30000) m
3
/h
p < 0,4 kPa
V
max
= (0,3 ÷
400) m
3
/h
p < 0,2 kPa
Przykładowe zmiany niepewności δ
V
w funkcji strumienia przepływu V
przepływomierzy komorowych dla
płynów o różnych wartościach
lepkości dynamicznej η:
1 - przepływomierz z mimośrodową
komorą wirnikową, 2 – przepływomierz z
owalnymi wirnikami, 3 - gazomierz
rotorowy.
• duża dokładność i zakresowość pomiaru;
• wrażliwość na zanieczyszczenia;
• duża cena, szczególnie dla większych średnic.
PRZEPŁYWOMIERZE ZWĘŻKOWE
Zalety
:
• uniwersalna metoda
– pomiar przepływu płynów jednofazowych: cieczy,
par przegrza-nych i gazów przy praktycznie nieograniczonych
parametrach termodynamicznych: temperatury i ciśnienia,
• duża
niezawodność
,
• duża
trwałość
,
• łatwa
eksploatacja
.
Wady
:
• duża
strata ciśnienia,
a zatem i energii,
• dość duży
błąd pomiaru
±(1÷5)%.
• mała
zakresowość
(stosunek maksymalnego i minimalnego przepływu)
3:1
, w układach specjalnych o rozszerzonym zakresie pomiarowym –
10:1
,
• ograniczone
średnice rurociągów
– w zasadzie (50÷1000) mm,
• duża
stała czasowa
układu pomiarowego przy pomiarze przepływu
płynów ściśliwych (gazów).
Układy pomiarowe zwężek znormalizowanych
:
a) kryza ISA z pomiarem przytarczowym, b) kryza ISA z pomiarem „D i D/2", c) dysza
ISA,
d) dysza Venturiego, e) klasyczna zwężka Venturiego;
p - przyrząd do pomiaru różnicy ciśnień statycznych; Z - zwężka pomiarowa, 1 i 2 -
rurki sygnałowe (piezometryczne, króćce pomiarowe), l
1
, l
2
– odległości rurek
sygnałowych od zwężki pomiarowej.
Przepływ strumienia płynu
przez zwężkę oraz rozkład w
rurociągu
w otoczeniu zwężki:
ciśnienia p:
przy ściance,
w osi rurociągu;
prędkości średniej w
A
:
dla płynu
nieściśliwego,
dla płynu ściśliwego.
Dla rurociągu o przekroju kołowym strumień masy płynu związany jest
z różnicą ciśnień (p
1
-
p
2
) zależnością:
gdzie: - strumień masy płynu, kg/s,
C - współczynnik przepływu,
- przewężenie,
d - średnica otworu zwężki w warunkach roboczych, m,
D - średnica wewnętrzna rurociągu w warunkach roboczych, m,
1
- liczba ekspansji odniesiona do warunków po stronie dopływowej
zwężki
pomiarowej, dla cieczy
1
=
1 dla gazu
1
=
(p
1
,t
1
)
<
1,
p - ciśnienie różnicowe, p
=
p
1
-
p
2
, Pa,
1
- gęstość płynu odniesiona do warunków po stronie dopływowej
zwężki
pomiarowej,
1
=
(p
1
,t
1
), kg/m
3
,
p
1
- bezwzględne ciśnienie statyczne płynu przed zwężką
pomiarową, Pa,
t
1
- temperatura płynu przed zwężką pomiarową, °C.
Współczynnik przepływu C oraz liczba ekspansji
1
zależne są od rodzaju
zwężki pomia-rowej i sposobu pomiaru ciśnienia różnicowego (kryza).
Ogólnie wartość ≤ 1 (dla płynów nieściśliwych = 1). Dla przypadku dysz
sposób odbio-ru różnicy ciśnień jest jednoznacznie określony. Natomiast
dla kryz wyróżnia się dwa podstawowe sposoby pobierania pomiarowego
spadku ciśnienia na zwężce: ciśnienie p
1
w odległości D przed zwężką,
ciśnienie p
2
w przekroju D/2, tj. w punkcie największego przewężenia
strugi, czyli w punktach 1 i 2, ciśnienie p
I
i p
II
bezpośrednio przed i za
tarczą kryzy, tzw. pomiar przytarczowy.
1
2
1
4
p
2
d
4
1
C
m
m
D
d
Dla wszystkich rodzajów zwężek należy przyjąć
liczbę Reynoldsa
odniesioną do średnicy D:
gdzie: - lepkość dynamiczna płynu odniesiona do warunków po stronie
dopływowej
zwężki pomiarowej,
1
=
(p
1
,t
1
), Pa·s.
Średnicę wewnętrzną rurociągu D i otworu zwężki d w warunkach
pomiarowych należy obliczyć uwzględniając współczynniki rozszerzalności
cieplnej k
t
materiałów, z których wykonane są rurociąg i zwężka. Zwykle
pomiary średnic wykonywane są w temperaturze 20°C. Do wyznaczenia
średnic w warunkach pomiarowych można posłużyć się zależnoś-ciami:
D = k
tD
· D
20
,
d = k
td
· d
20
gdzie: k
tD
, k
td
- współczynniki rozszerzalności cieplnej rurociągu i zwężki,
D
20
, d
20
- średnice rurociągu i otworu zwężki w temperaturze 20°C.
Do obliczenia współczynnika rozszerzalności cieplnej k
t
można posłużyć
się przybliżoną zależnością:
k
t
= 1 + a · (t
1
- 20)
Wartość współczynnika a zależy od rodzaju materiału, przykładowo:
stal węglowa
:
a
=
1.42·10
-5
,
stal nierdzewna
:
a
=
1.84·10
-5
,
brąz
:
a
=
1.96·10
-5
.
D
m
4
Re
1
D
ZWĘŻKI ZNORMALIZOWANE
Kryza z przytarczowym odbiorem ciśnienia
3
.
0
D
6
5
.
3
7
.
0
D
6
8
2
Re
10
A
0063
.
0
0188
.
0
Re
10
000521
.
0
216
.
0
0261
.
0
5961
.
0
C
8
.
0
D
Re
19000
A
1
1
4
1
p
p
35
.
0
41
.
0
1
Niepewność względną wartości
współczynnika przepływu C,
wyrażoną w procentach, można
określić z zależności:.
75
.
0
6
.
0
dla
%
5
.
0
667
.
1
C
oraz
6
.
0
dla
%
5
.
0
C
Niepewność względną wartości liczby
ekspansji
1
, wyrażoną w procentach, można
określić z zależności:
%
p
p
4
1
1
gdzie: - wykładnik izentropy płynu,
1
=
(p
1
,t
1
).
p
C
1
C
1
2
4
2
4
Przybliżoną wartość straty ciśnienia można obliczyć z
zależności:
gdzie: - strata ciśnienia,
, Pa.
3
1
p
p
D = (50 ÷ 1000) mm;
= (0,2 ÷ 0,45);
RE = (5000
÷ 10
8
);
Dysza ISA 1932
15
.
1
D
6
15
.
4
2
1
.
4
Re
10
0033
.
0
00175
.
0
2262
.
0
99
.
0
C
2
1
/
)
1
(
/
2
4
4
/
2
1
1
1
1
1
1
1
2
p
p
gdzie:
8
.
0
6
.
0
dla
%
4
.
0
2
C
oraz
6
.
0
dla
%
8
.
0
C
%
p
p
2
1
1
D = (50 ÷ 500) mm;
= (0,3 ÷ 0,44);
RE =
(70000 ÷ 10
7
);
Klasyczna zwężka Venturiego
D = (50 ÷ 1200) mm;
= (0,3 ÷ 0,75);
RE = (2·10
5
÷ 2·10
6
);
•
ze zbieżną częścią stożkową
wykonaną metodą
obróbki skrawaniem
:
C=0.995
dla:
50 mm ≤ D ≤ 250 mm, 0.4 ≤ ≤ 0.75,
Liczbę ekspansji ε
1
należy przyjąć taką jak dla dyszy ISA 1932.
•
ze zbieżną częścią stożkową
wykonaną z blachy metodą
spawania
:
C=0.995
dla:
200 mm ≤ D ≤ 1200 mm,
0.4 ≤ ≤ 0.7.
Liczbę ekspansji ε
1
należy przyjąć taką jak dla dyszy ISA 1932.
%
1
C
%
5
.
1
C
%
p
p
100
4
1
8
1
Zależność współczynnika przepływu od liczby Reynoldsa
Niepewność pomiaru strumienia masy płynu
2
1
2
1
1
2
2
2
4
2
2
4
4
2
1
1
2
4
1
p
p
4
1
d
d
1
2
D
D
1
2
C
C
m
m
2
1
2
1
2
1
p
1
1
2
1
2
1
t
1
1
1
t
t
p
p
gdzie:
C,
1
, D, d, p,
1
, p
1
, t
1
- niepewności
bezwzględne
W normie
PN EN ISO 5167
podano sposób obliczenia wymiarów zwężek oraz
strumieni przepływu.
Montaż zwężek pomiarowych
Obudowy kryz z pomiarem ciśnienia różnicowego:
a) przytarczowym, b) szczelinowym.
1 – kryza, 2 – uszczelka, 3 – pierścieniowa komora pomiarowa, 4 – komora
wyrównawcza, 5 – szczelina piezometryczna.
Zwężki pomiarowe zabudowane w rurociągu:
a) kryza zabudowana w rurociągu wysokiego ciśnienia;
1 - rura, 2 - kryza pomiarowa, 3 - szczeliny, 4 - króćce pomiarowe;
b) dysza;
1 - dysza, 2 - króćce pomiarowe;
Klasyczna zwężka Venturiego zabudowana w kanale powietrza:
1 - kanał powietrza o przekroju kołowym, 2 - zwężka Venturigo, 3 - pierścieniowe
kolektory zbiorcze ciśnienia statycznego
ZWĘŻKI NIEZNORMALIZOWANE
Zwężki do pomiaru strumieni przepływu przy małych wartościach liczb Re:
a) - zwężka podwójna, b) - zwężka kwadrantowa, c) - kryza z podwójnym skosem.
Zwężka segmentowa
Zwężka Dalla
Schemat zwężki progowej
zabudowanej w kanale o
przekroju prostokątnym
STRATY CIŚNIENIA
Wartości strat ciśnienia Δp
su
odniesione do wartości pomiarowej
różnicy ciśnień Δp w funkcji m=
2
(
- przewężenie), dla wybranych
zwężek:
1 - kryza segmentowa,
2 - kryza ISA,
3 - dysza ISA,
4 - dysza Venturiego,
5 - klasyczna zwężka Venturiego,
6 - zwężka Dalla
ZASADY DOBORU ZWĘŻKI POMIAROWEJ
I PRZETWORNIKA RÓŻNICY CIŚNIEŃ
Na
dobór
elementów zwężkowych układu pomiarowego mają wpływ:
•
właściwości
fizykochemiczne płynu,
•
rodzaj
przepływu,
• wymagana
dokładność
pomiaru,
•
koszty
wykonania i montażu,
• dopuszczalne trwałe
straty ciśnienia
(straty energii).
Duża wartość p jest korzystna dla wyboru zakresu pomiarowego
przetwornika p.
Dla kryz liczba przepływu C przyjmuje najmniejsze wartości, a więc
pomiarowa różnica ciśnień będzie przyjmować większe wartości niż dla
innych zwężek i będą większe straty.
Przy dużych ciśnieniach statycznych p
1
i występowania stanów
nieustalonych
(duże
i gwałtowne zmiany ciśnienia), stosuje się dysze nie cienkościenne kryzy,
które mają mniejszą wytrzymałość.
W przypadku pomiaru przepływu płynów ściśliwych przy dużych zmianach
strumieni, należy dążyć do małych wartości p, aby ograniczyć zmiany
liczby
ekspansji
,
a
zatem
i wartości niepewności .
Zmiany strumienia przepływu zmieniają różnicę ciśnień p:
gdzie: p
max
– zakres pomiarowy przetwornika różnicy ciśnień,
odpowiadający maksy-
malnemu strumieniowi: .
Niepewność względna pomiaru różnicy ciśnień p:
gdzie:
p –
niepewność bezwzględna pomiaru różnicy ciśnień
p,
p
g
–błąd graniczne przetwornika różnicy ciśnień.
Jeżeli:
to niepewność względna pomiaru różnicy ciśnień p
wzrośnie 9 razy,
co spowoduje odpowiedni wzrost niepewności pomiaru strumienia
przepływu.
2
max
max
m
m
p
p
max
m
2
max
max
g
m
m
p
p
p
p
max
m
3
1
m
INSTALACJE POMIAROWE
Przykłady instalacji
przepływomierzy zwężkowych:
a) i a') dla gazu, b) i b') dla wody,
c) i c') dla pary:
1 - zwężka zabudowana w
rurociągu,
2 - rurki sygnałowe,
3 - zblokowany zawór 3-drogowy,
4 - zblokowany zawór 5-drogowy,
5 - ciśnieniomierz różnicowy
(przetwornik
różnicy ciśnień
Δp),
6 - odpowietrznik,
7 - odwadniacz,
8 - naczynie kondensacyjne
(naczynie
poziomowe)
PRZEPŁYWOMIERZE OPŁYWOWE -
ROTAMETR
Siła hydrodynamiczna F:
F = A
p
· (p
1
– p
2
)
gdzie: A
p
- największa powierzchnia przekroju poprzecznego elementu
dławiącego,
p
1
p
2
- średnie wartości ciśnień przed i za elementem dławiącym.
Różnicę ciśnień p
1
- p
2
można wyznaczyć dla mierzonego strumienia
objętości , jako:
gdzie: ρ - gęstość płynu,
α - liczba przepływu,
A - powierzchnia przepływu w najmniejszym przekroju kanału,
- liczba ekspansji.
V
2
2
1
A
V
2
p
p
F
A
2
A
V
p
)
d
D
(
)
d
D
(
4
)
d
D
(
4
A
2
2
h
2
d
D
)
(
tg
)
(
tg
h
d
)
(
tg
h
A
p
p
p
A
)
(
V
g
2
)
h
(
f
V
Rotametr:
a) szklany, b) metalowy z czujnikiem indukcyjnościowym
1 – pływak, 2 – zwężka, 3 – rdzeń ferromagne-tyczny, 4 – cefka, 5 – śruba zerująca
Zakres pomiarowy
zależy od:
• długości rury przepływowej,
• przekroju szczeliny promieniowej, kąta φ nachylenia ścianek rury,
• gęstości materiału pływaka i przepływającego płynu.
Zalety
:
• praktycznie równomierna podziałka,
• możliwość wykonania typoszeregu od najmniejszych (przyrządy
laboratoryjne) do
dużych strumieni przepływów:
dla cieczy (0,001 ÷ 400) m
3
/h,
dla gazów (0,03 ÷ 2000) m
3
/h (D < 150 mm),
• zakresowość 10:1,
• możliwość pomiarów lekko zanieczyszczonych płynów,
• nie wymagają odcinków pomiarowych,
• straty ciśnienia w rotametrach są nieznaczne i mało zależą od strumienia
przepływu,
• prosta konstrukcja, tanie, łatwość wykonania z materiałów odpornych na
korozję,
Wady
:
• mała klasa dokładności (2÷3),
• trudności z przenoszeniem położenia pływaka na odległość,
• konieczność wzorcowania charakterystykpomiarowych,
• wpływ zmian termodynamicznych płynu na charakterystyki pomiarowe,
• niskie ciśnienia i temperatury płynu,
• nie nadają się do pomiaru pary.
RURKI SPIĘTRZAJĄCE
Rurka spiętrzająca wraz z manometrem różnicy ciśnień tworzą układ
pomiaru ciśnienia dynamicznego p
d
.
Lokalna prędkość płynu:
gdzie: - gęstość płynu,
- współczynnik korekcyjny, = (0,98÷1,02).
d
p
2
w
Zasada pomiaru rurkami spiętrzającymi:
a) i a') - rurka Pitota, b) - rurka Prandtla
1 - rurka zewnętrzna, 2 - rurka wewnętrzna, 3 - otwór piezometryczny do pomiaru
ciśnienia całkowite-go, 4 - głowica pomiarowa, 5 - otwory lub szczeliny
piezometryczne do pomiaru ciśnienia statycznego.
p
d
= h · g ·
Rurka
Prandtla
(Re)
f
w
w
max
A
D
w
Re
max
4
w
D
m
A
2
4
w
D
V
A
2
Wyznaczenie
strumienia
objętości
V
z
wykorzystaniem
rurek
spiętrzających:
• znając krzywą rozkładu prędkości w rurociągu, wyznaczoną droga
pomiaru prędkości
lokalnych, oblicza się metodą całkowania prędkość
średnią w
A
, a następnie strumień
objętości V;
• wyznaczenie prędkości maksymalnej w
max
płynu na podstawie pomiaru
ciśnienia
dynamicznego tylko w osi rurociągu, a następnie
korzystając z zależności analitycz-
nych lub wykresów w
A
= f(w
max
)
oblicza się w
A
.
• wyznaczenie prędkości średniej na podstawie bezpośredniego pomiaru
średniego
ciśnienia dynamicznego w przekroju poprzecznym
rurociągu, stosując do tego celu
tzw. uśredniające rurki
spiętrzające.
Uśredniające rurki
spiętrzające
a) cterootworowa sonda
Annubar,
b) sonda z pomiarem
ciśnienia statycznego w
otworze rurociągu,
c) sonda z pomiarem
ciśnienia statycznego w
kolektorze łączącym otwory
w rurociągu
1 – kolektor, 2 – przetwornik
różnicy ciśnień, 3 – zawór
do usuwania
zanieczyszczeń.
• małe straty ciśnienia płynu, dzięki małym wymiarom sondy,
• stosunkowo niski koszt w porównaniu z przepływomierzami zwężkowymi,
szczególnie
w przypadkach dużych średnic rurociągów oraz rurociągów
już istniejących,
• większą od zwężek odpornością na abrazję i korozję,
• możliwość stosowania w kanałach o przekroju niekołowym,
• duży wpływ chropowatości rurociągów oraz zniekształcenia profilu
prędkości –
konieczne jest zastosowanie długich prostoliniowych
odcinków pomiarowych lub
prostownic strumienia,
• mała wartość różnicy ciśnień na wyjściu, szczególnie w przypadku płynów
o małej gęstości, np. dla powietrza różnica ta wynosi rzędu kilkunastu do
kilkudziesięciu Pa.
• w przypadku płynów zanieczyszczonych następuje zatykanie otworów
piezometrycz- nych.
PRZEPŁYWOMIERZE ULTRADŹWIĘKOWE
Zmiany prędkości fali ultradźwiękowej w ruchomym środowisku cieczy.
Przepływomierz ultradźwiękowy:
• ultradźwiękowe głowice: nadawcza N i odbiorcza O,
• przewody łączące,
• jednostka elektroniczna zawierającej generator częstotliwości
(2÷10) MHz, układy
sterujące i przeliczające.
Głowice nadawcze i odbiorcze tworzą kanał pomiarowy.
Zasada działania
przepływomie-rza
ultradźwiękowego 2-
kanało-wego
W pierwszej fazie głowica nadawcza N
1
pobudzona krótkim impulsem napięciowym (1) o czasie
trwania 200 ns i ampli-tudzie 300 V z układu kształtowania impulsów Ul
1
generuje impuls
ultradźwiękowy (2). Impuls ten po czasie
1
zostanie odebrany przez głowicę odbiorczą O
1
i
zamieniony na przebieg elektryczny (3) (w przetworniku elektroakustycznym), który w układzie
formowania UF
1
jest wzmacniany i przekształcany na sygnał prostokątny (4). Czoło tego impulsu na
nowo pobudza układ kształtowania impulsów UI
1
, który wysyła następny impuls napięciowy,
pobudzający głowice nadawczą i cykl obiegu impulsów się powtarza. Podobnie przebiega proces
pomiaru w torze (2).
Czas
1
przejścia fali ultradźwiękowej z głowicy nadawczej N
1
do odbiorczej
O
1
zgodnie z ruchem cieczy:
gdzie: D - średnica wewnętrzna rurociągu,
- kąt ustawienia głowic ultradźwiękowych względem osi rurociągu,
c - prędkość fali ultradźwiękowej w cieczy,
w
D
- średnia arytmetyczna prędkości cieczy w rurociągu.
Dla wody:
c = 1450 m/s
, dla 15
o
C, zmiana temperatury:
3,6 (m/s)/K
Dla eliminacji wpływu zmian temperatury, określa się również czas
przelotu fali w kierun-ku przeciwnym ruchowi wody (tor pomiarowy N
2
-O
2
),
jako:
Czyli:
= (10
-3
÷10
-4
) s,
2
-
1
= 10
-6
s,
wymagana dokładność pomiaru
(10
-7
÷10
-8
) s.
Wartości czasów wyznaczonych dla pojedynczego cyklu przelotu fali
ultradźwiękowej, nie można wykorzystać do obliczenia prędkości w
D
.
Stosowane są dwa podstawowe sposoby wyznaczania czasów przelotu fali:
• pomiar częstotliwości przebiegu impulsów w torach pomiarowych,
• pomiar wartości czasów
1
i
2
jako średnie arytmetyczne z N przebiegów
w poszcze-
gólnych torach.
)
cos(
w
c
)
sin(
D
D
1
)
cos(
w
c
)
sin(
D
D
2
2
1
D
1
1
)
2
sin(
D
w
Zasada działania przepływomierza ultradźwiękowego 1-kanałowego
Sygnał z nadajnika N
1
jest odebrany po czasie
1
przez odbiornik O
2
, i po
czasie
p
jest wysyłany z N
2
sygnał, odbierany przez O
1
po czasie
2
.
W czasie przerwy
p
następuje wytłumienie, pojawiających się między
głowicami, sygnałów odbitych. Po wykonaniu N pomiarów czasów
przebiegów
1
i
2
, następuje okres obliczeń zgodnie ze wzorem:
2
2
1
1
2
D
)
2
sin(
D
4
w
D
A
w
A
k
1
w
A
V
1
k
,
w
w
k
A
D
D
0
D
dD
)
D
(
w
D
1
w
Przepływomierze ultradźwiękowe
:
• nie mają elementów ruchomych i spiętrzających wywołujących straty
energetyczne,
• duża zakresowość 10:1,
• średnice rurociągów: ((0,015)0,2 ÷ 6) m, przy czym przy dużych
średnicach występuje
wielokrotne odbicie fali ultradźwiękowej, co
zwiększa błąd pomiaru.
• długie odcinki pomiarowe,
• pomiar strumieni przepływu cieczy czystych,
• pomiar prędkości w
D
, a nie prędkości w
A
powoduje, że należy wprowadzić
współczyn-
niki poprawkowe od zniekształcenia profilu prędkości,
• z powodu silnego tłumienia fali ultradźwiękowej nie stosowano tych
przepływomierzy
do pomiaru przepływu gazu, obecnie wprowadzane
są rozwiązania do pomiaru przepły-
wu gazu,
• wysokie koszty układu pomiarowego,
• niepewność pomiaru ±(0,5÷2)%.
Schematy montażowe głowic przepływomierza jednokanałowego:
a) po średnicy, b) po cięciwie, c) w osi rurociągu
niepewność pomiaru dla
wody
1000 < Re < 5000: < ± 1
%
Re > 5
000: < ± 0.5 %
wymagany odcinek
prosty:
przed
20
DN.
gazomie
rz
PRZEPŁYWOMIERZE
ELEKTROMAGNETYCZNE
Indukowanie
się
siły
elektromotorycznej
(SEM)
w
przewodniku
poruszającym się poprze-cznie do linii pola magnetycznego.
Przewodząca prąd elektryczny ciecz, płynąca w rurze, spełnia rolę
przewodnika.
Przepływomierz
elektromagnetyczny
zawiera
czujnik
pomiarowy,
elektryczny układ zasi-lający oraz elektroniczny układ przetwarzania
sygnału pomiarowego.
Przepływomierz elektromagnetyczny:
a)zasada działania i budowa, b) przepływomierz zainstalowany w rurociągu
1 - dwie cewki wytwarzające pole magnetyczne o indukcji B, 2 - rura z przepływającą
cieczą wykonana z materiału niemagnetycznego (ebonit, szkło epoksydowe, stal
niemagnetyczna), odizolowana elektry-cznie od cieczy i elektrod (pokrycie teflonem
lub korundem), 3 - dwie elektrody, 4 – warstwa izolacji.
Prostopadle do linii pola magnetycznego i wektora prędkości powstaje pole
elektryczne o natężeniu:
E = B · w(r)
, a na elektrodach powstaje różnica
napięć.
Dla równomiernego pola magnetycznego i osiowo symetrycznego rozkładu
prędkości w(r) wzdłuż promienia r rurociągu napięcie na elektrodach
wynosi:
W wyniku reakcji elektrokinetycznych i elektrochemicznych oraz innych
czynników w obwodzie pomiarowym powstają sygnały wpływające, które
zniekształcają sygnał użyteczny. Sygnał napięciowy powstały na
elektrodach pomiarowych, po uwzględnieniu wpływów, można zapisać w
ogólnej postaci jako:
gdzie: U
u
- wartość sygnału użytecznego,
U
B
- tzw. SEM transformacji,
U
e
- siła elektrochemiczna, zakłócenia zewnętrzne, szumy itp.
k
1
i k
2
- stałe, charakterystyczne dla kształtu krzywej rozkładu
prędkości i kon- strukcji czujnika.
Czujnik przepływomierza elektromagnetycznego stanowi źródło napięciowe
o relatywnie bardzo małym napięciu (czułość czujnika wynosi (1÷5) mV/
(m/s)) ale bardzo wysokiej rezystancji wewnętrznej, stwarzającej duże
trudności pomiarowe.
A
2
D
0
w
D
B
dr
r
)
r
(
w
D
B
8
U
e
d
dB
k
w
D
B
k
U
U
U
U
2
A
1
e
B
u
Źródłem pola magnetycznego może być elektromagnes zasilany prądem
stałym lub zmiennym.
Przepływomierze elektromagnetyczne ze stałym polem magnetycznym
mają wady:
• brak
możliwości
wydzielenia
w
sygnale
pomiarowym
siły
elektrochemicznej i SEM
polaryzacji,
• trudności wzmacniania SEM prądu stałego (dryft zera).
Znalazły zastosowanie do pomiaru strumieni cieczy pulsujących oraz
roztopionych metali (reaktory jądrowe z ciekłym sodem).
Zasilanie elektromagnesów czujnika przepływomierza prądem pulsującym
o niskiej częstotliwości pozwala na wyeliminowanie SEM transformacji,
prądów wirowych, strat energii w przewodach sygnałowych oraz dryftu
zera. Stosowane są również przebiegi prądów pulsujących (prostokątne,
trapezowe lub trójkątne), których częstotliwości wahają się od ułamków Hz
do kilku Hz. Najczęściej jest to częstotliwość
50/16 = 3 1/8 Hz
, a przebieg
indukcji B jest niesymetryczny lub symetryczny względem osi czasu.
Zastosowanie
w
czujnikach
odpowiednio
ukształtowanego
pola
magnetycznego, pozwol-iło zmniejszyć wrażliwość czujnika na zaburzenia
przepływu cieczy (niesymetryczny rozkład prędkości w(r)) oraz skrócić
odcinki pomiarowe.
Konstrukcje czujników z elektrodami pojemnościowymi, które nie stykają
się z cieczą (nie występuje problem ich zanieczyszczania), pozwalają
stosować przepływomierze elektromagnetyczne również dla cieczy o
przewodności <10 mS/m.
Cechy przepływomierzy elektromagnetycznych to:
• pomiar przepływu cieczy o przewodności >5 mS/m,
• duża zakresowość (20) 10:1, przy prędkościach od 0,025 do 10 m/s,
• średnice rurociągów od 3 mm do 1 (2,5) m,
• minimalny wpływ krzywej rozkładu prędkości (profilu) cieczy,
• minimalne odcinki pomiarowe w porównaniu z innymi sposobami
pomiarów,
• błąd pomiaru ±(0,5÷1,0)%, a nawet ±0,2% dla wzbudzenia prądem
pulsującym,
• wysokie koszty wynikające ze stosowania dużej indukcji i konieczności
budowy
nieprzewodzącego rurociągu,
• wymagają układów elektronicznych o wysokiej integracji.
PoWoGaz
FLOMAG FM
PRZEPŁYWOMIERZE WIROWE
Zasada tworzenia się wirów na przeszkodzie:
a) dla Re>Re
kr
, b) dla Re<Re
kr
W przepływomierzach wirowych wykorzystuje się zależność częstotliwości
tworzenia się wirów na przeszkodzie wstawionej w strumień płynu.
W przepływomierzu z wirem postępowym (Karmana) na drodze strumienia
jest umiesz-czona nieruchoma przeszkoda - generator wirów.
Konstrukcja generatora wirów (kształt i wymiary geometryczne) powinna
być taka, aby wiry uformowane na nim były stabilne, regularne i nie
wrażliwe na niewielkie zmiany kształtu generatora w czasie eksploatacji
(zanieczyszczenia).
Generator wirów jest bryłą nieopływową (walec, graniastosłup o przekroju
prostokątnym lub trójkątnym), symetryczną w płaszczyźnie równoległej do
strugi.
gdzie: St - bezwymiarowa stała
zwana
liczbą Strouhala,
b - charakterystyczny wymiar
przeszkody, na której powstają
wiry.
Detektor
zaburzenia
może
być
przetwornikiem
ciśnieniowym
lub
prędkościowym.
W wybranym punkcie strugi, w pobliżu
gene-ratora,
każdemu
wirowi
odpowiada lokalna zmiana ciśnienia.
Stosując czujnik ciśnienia mierzy się
częstotliwość zmian ciśnienia, a zatem
i częstotliwość generowania się wirów.
Uwzględniając zależność na ciśnienie
dyna-miczne, otrzymuje się:
gdzie: c - stała.
b
w
St
f
Częstotliwość f generowania wirów jest
liniowo zależna od prędkości płynu:
Zasada działania
przepływomierza wirowego z
ciśnieniowym czujnikiem
piezoelektrycznym:
1 - generator wirów,
2 - czujnik piezoelektryczny,
U
P
- sygnał napięciowy z czujnika.
2
2
d
f
c
2
w
p
Aby zmierzyć strumień przepływu w zakresie 10:1, należy mierzyć pulsację
ciśnienia o amplitudach w granicach 100:1. Czujnik musi być zatem czuły
przy małych prędkościach, a jednocześnie przy dużych wytrzymywać
znaczne naprężenia.
Przepływomierz z temperaturowym czujnikiem (czujnikiem
prędkościowym):
a) zasada pracy, b) przepływomierz zabudowany w rurociągu;
1 - generator wirów, 2 - czujniki termistorowe
Czujnik temperaturowy stanowi mały termistorowy element podgrzewany
prądem elek-trycznym, który jest umieszczony w takim punkcie strugi, że
podlega cyklicznemu ochła-dzaniu, w wyniku lokalnego zwiększenia
prędkości (+Δw), wywołanego wirem.
Częstotliwość schładzania czujnika temperaturowego jest częstotliwością
generowania wirów. Ze względu na bezwładność cieplną czujnika wraz ze
wzrostem
częstotliwości
zaburzeń,
maleje
amplituda
sygnału
pomiarowego.
Przepływomierze wirowe służą do pomiaru przepływu czystych i
zanieczyszczonych cieczy oraz gazów, a ostatnio również do pomiaru
przepływu pary o temperaturach do 400°C. Częstotliwość f zmienia się od
3 do1000 Hz.
Niepewność pomiaru ±1 % dla Re>20000 przy zakresowości od 20:1.
Zakres pomiaru dla cieczy do 1200 m
3
/h, a dla gazów do 250 000 m
3
/h.
Przepływomierze te nie posiadają elementów ruchomych, są trwałe, mają
dobre właści-wości metrologiczne i stosunkowo niskie koszty.
Istotne wady to: bardzo mała częstotliwość generowania wirów przy
dużych średnicach rurociągów oraz wrażliwość na zdeformowane profile
prędkości, konieczne proste odcinki pomiarowe.
niepewność pomiaru
standardowo
:
ciecze
para i gazy
ciecze, para, gazy
Re
20 000 ± 0.75 %
Re
20 000 ± 1 %
10 000 < Re < 20 000 ± 2
%
kompensacja zmian temperatury i ciśnienia:
ciecze
para i gazy
10 000 < Re < 20 000 ± 2 %
10 000 < Re < 20 000 ±
2.5 %
Re
20 000 ± 0.75 %
Re
20 000 ± 1.5 %
wymagane odcinki proste:
przed
20
DN,
za
5
DN
PRZEPŁYWOMIERZE WYKORZYSTUJĄCE
SIŁĘ CORIOLISA
Na rurę o kształcie litery U, w której przepływa strumień płynu m działają
siły F
M
i F'
M
wywołane zewnętrznym wymuszeniem o stałej częstotliwości.
Przemiennie działające siły wywołują drgania rury o prędkości kątowej ω
względem osi x-x. Jeżeli strumień m = 0, to pod wpływem tych sił ramiona
(1) i (2) rury wykonują drgania harmoniczne względem czujników położenia
C
1
i C
2
, a odcinek (3) rury zajmuje zawsze równoległe położenie względem
osi x-x. Dla m>0, jednoczesne oddziaływanie prędkości kątowej ω i
prędkości średniej płynu w
A
wywołuje siłę przyspieszenie Coriolisa a
C
:
Ponieważ kąt między jest 90
o
to można przyjąć:
a
C
= 2 · ·
w
A
.
Siła Coriolisa działająca na rurę o długości l: , gdzie:
.
Para sił F
C
na ramieniu r wytwarza moment: M
C
= 2 · F
C
· r, skręcający
rurę względem osi y-y. Momentowi temu przeciwdziała moment zwrotny
wywołany sprężystością rury:
M
Z
= K
S
· i zależny od odchylenia Ψ oraz stałej K
S
sprężystości materiału
rury.
Przy równości momentów M
C
= M
Z
:
)
w
(
2
a
A
C
l
m
2
F
C
A
w
A
m
A
w
i
r
l
4
K
m
S
Zalety
:
• uniwersalna zasada pomiaru dla cieczy i gazów;
• jednoczesny, bezpośredni pomiar: strumienia masy, gęstości, lepkości;
• zasada pomiaru niezależna od fizycznych właściwości produktu;
• pomiar niezależny od profilu przepływu medium;
• układ nie wymaga stosowania żadnych odcinków prostych przed i za
przepływomie- rzem.
Pomiar strumienia masy cieczy, gazów i zawiesin o wartościach (5 ÷
300000)kg/h z nie-pewnością ±(0,2÷1)%, przy ciśnieniach do 20 MPa oraz
średnicach D = (1,5 ÷ 150)mm.
Dokładność pomiaru jest niezależna od temperatury, ciśnienia i lepkości
płynu. Jednak decydujący wpływ ma stała sprężystości K
S
, która nie może
ulegać zmianie w czasie eksploatacji. Jako materiał konstrukcyjny rur jest
stosowany tytan
PRZEPŁYWOMIERZE CIEPLNE
Zasada działania przepływomierzy cieplnych:
a) w układzie z podgrzewaniem płynu, b) w układzie ze schładzaniem sondy
Przepływomierze cieplne (termiczne, termometryczne, kalorymetryczne)
wykorzystują efekt wymiany ciepła pomiędzy badanym płynem i
grzejnikiem pomiarowym przy stałej mocy grzejnika lub stałym przyroście
temperatury grzejnika.
1, 2 - czujniki pomiarowe
temperatury,
3 - grzejnik, 4 - izolacja cieplna.
1- podgrzewany czujnik pomiarowy
temperatury t
s
,
2 - czujnik temperatury płynu t
p
, 4 -
izolacja cieplna.
t
c
m
P
p
)
t
t
(
m
C
B
P
p
s
n
gdzie: P - moc cieplna, m – strumień masy, c
p
- ciepło właściwe przy
stałym ciśnieniu,
t - przyrost temperatury, B, C – stałe zależne od właściwości płynu
i materiału
sondy, n - wykładnik potęgi zależny od kształtu sondy
(najczęściej n = 0,5)
Położenie czujników przepływomierzy
termicznych:
a) przepływomierz w postaci wstawki rurowej,
b) przepływomierz w postaci sondy,
c) przepływomierz z kilkoma sensorami
uśredniającymi rozkład prędkości
LITERATURA