Wprowadzenie.

Pomiar przepływu płynu (cieczy lub gazu) polega na określeniu średniej prędkości przepływu  [m/s] albo ilości przepływającego medium jako strumienia masy Q_M [kg/s] lub strumienia objętości Q_V [m³/s] płynu. W powszechnym użyciu jest też nazwa „natężenie przepływu” lub jeszcze prostsza „przepływ”. Najczęściej w praktyce dokonuje się pomiarów przepływów płynów (wody, paliw płynnych, pary wodnej ) w rurociągach o przekroju kołowym.

Znając pole przekroju wewnętrznego A ( średnicę wewnętrzną D_N ) rurociągu i prędkość przepływu υ można jednoznacznie określić strumień objętości Q_V ( objętościowe natężenie przepływu ), a jeśli znana jest także gęstość ρ mierzonego medium to można łatwo określić strumień masy Q_M. ( masowe natężenie przepływu ). Wynika to z relacji:

( 1 ),

( 2 ).

Jednak rozkład prędkości strug w przekroju rurociągu nie jest jednostajny co spowodowane jest niejednakowym oddziaływaniem na cząsteczki płynu sił bezwładności, lepkości i napięcia powierzchniowego. Ponadto siły te w różnym stopniu zależą od strumienia oraz od temperatury płynu. Powoduje to, iż tory ruchu cząstek płynu (strugi ) oraz ich prędkości nie są jednakowe przy różnych średnich prędkościach płynu. W praktyce przyjmuje się zwykle dwa rodzaje charakteru ruchu płynu w rurociągu: spokojny ( laminarny ) - rozkład prędkości w przekroju rurociągu jest w przybliżeniu paraboliczny jak na rys.1b oraz przepływ burzliwy ( turbulentny ) - rozkład prędkości jest zbliżony do prostokątnego , strugi płynu są zawirowane jak na rys.1a.

Rys.1. Rozkład prędkości cieczy w przekroju poprzecznym rurociągu ;a)dla przepływu burzliwego,b)dla przepływu laminarnego lub ustabilizowanego w odległości l_stab ≥( 3 ÷ 5 )⋅D_N od źródła zaburzającego przepływ.

Rozkład prędkości strugi płynu w przekroju rurociągu dla przepływu laminarnego można opisać zależnością:

( 3 )

gdzie υ₀− prędkość strugi w środku przekroju ,

υ_y − prędkość strugi w odległości y od środka przekroju .

Prędkość średnia przepływu laminarnego jest równa:

( 4 ).

Charakter przepływu płynu w rurociągu zależy od prędkości przepływu υ , średnicy rurociągu D_N , gęstości i lepkości płynu. Może on być określony liczbą kryterialną ( liczbą podobieństwa ) Reynolds'a Re:

( 5 )

przy czym η[P] − lepkość dynamiczna płynu, 1 [P](puaz) = 1⋅10^-1 [kg/m⋅s] ,

1[cP] = 10^-3 [kg/m⋅s] = 1⋅10^-3[Pa⋅s].

Do pomiaru strumienia płynu mogą być wykorzystywane różnego rodzaju przepływomierze np.:

• przepływomierze cieplne (przepływomierze kalorymetryczne i termoanemometry ), w których wykorzystuje się efekty wymiany ciepła pomiędzy badanym płynem i grzejnikiem pomiarowym przy stałej mocy grzejnika lub stałym przyroście temperatury grzejnika

• rotametry (pomiary małych strumieni w rurociągach pionowych) pracujące przy stałej różnicy ciśnień na zasadzie unoszonego ciała obrotowego (pływaka ),

• przepływomierze mechaniczne, w których badany płyn przepływając napędza turbinkę mechanicznego urządzenia liczącego,

• kryzy pomiarowe - specjalnie dobrane przewężenia w rurociągu np. przesłony z centralnym otworem ( kryza normalna ) ,

• rurki spiętrzające np. rurka Pitot'a, rurka Prandtla, stanowiące przeszkodę w rurociągu , w których wykorzystuje się różnicę ciśnień płynu przed i za przeszkodą.

• przepływomierze elektromagnetyczne dla płynów o dostatecznej przewodności elektrycznej, w których wykorzystuje się efekt Faraday'a polegający na indukowaniu w płynie siły elektromotorycznej w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu i pola magnetycznego,

• przepływomierze wirowe ( czujnikami wirów - wiroczułe ) , które reagują na częstotliwość powstających wirów i turbulencji w badanym płynie w pobliżu specjalnie ukształtowanego elementu czujnika stanowiącego przeszkodę w przepływie,

• przepływomierze wibracyjne działające na zasadzie zmiany częstotliwości rezonansowej drgającego elementu czujnika wywoływane siłą bezwładności przepływającego płynu,

• przepływomierze ultradźwiękowe działające najczęściej na zasadzie pomiaru czasu przebiegu fali dźwiękowej w badanym płynie,

• przepływomierze odśrodkowe ( masowe ) wykorzystujące efekty odkształceniowe powodowane siłami Coriolisa w wyniku przepływu badanej cieczy przez zakrzywione odcinek rurociągu, w których sygnałem pomiarowym jest odkształcenie tego odcinka rurociągu lub siła odśrodkowa działająca na czujnik umieszczony na jego ścianie.

Pomiary strumienia płynu w przemyśle często odbywają się w niekorzystnych warunkach (szeroki zakres mierzonych przepływów przy jednocześnie dużej ich zmienności w czasie, zanieczyszczenia ciałami stałymi stanowiącymi zawiesiny, zmiany temperatury badanego płynu, agresywność chemiczna itp.) przy czym wymagana jest stosunkowo wysoka dokładność pomiaru, niezawodność pracy przepływomierza oraz prostota jego montażu i obsługi. Z tego względu w przemysłowych pomiarach przepływu popularne są przepływomierze turbinkowe, kryzy pomiarowe, rurki spiętrzające, przepływomierze elektromagnetyczne oraz przepływomierze wirowe.

Ciśnieniomierze

W przemyśle (także w praktyce laboratoryjnej) pomiary ciśnienia oprócz pomiarów temperatury należą do najczęściej wykonywanych pomiarów w procesach produkcyjnych. Pomiary te dotyczą zarówno ciśnień statycznych jak i dynamicznych cieczy i gazów, przy czym pomiary zmiennych ciśnień dokonywane są rzadziej. Do pomiaru ciśnień wykorzystuje się różnorodne zjawiska fizyczne zachodzące w gazach, cieczach lub ciałach stałych na skutek zmian ciśnienia np. rozszerzalność, zmiany temperatury, odkształcenie, zmiany częstotliwości drgań, zmiany przewodnictwa w półprzewodnikach, właściwości propagacji fal akustycznych lub optycznych itp. Z różnorodności tych zjawisk wynika mnogość konstrukcji i właściwości manometrów.

Ze względu na prostotę konstrukcji, dużą niezawodność i praktycznie liniową zależność wskazań od mierzonego ciśnienia rozpowszechnione są manometry z „ rurką Bourdona” w, których wykorzystuje się odkształcenie sprężyste jednostronnie zamkniętej specjalnie zwiniętej spłaszczonej rurki metalowej pod wpływem ciśnienia panującego wewnątrz rurki. Manometry te pozwalają mierzyć ciśnienia statyczne z niepewnością (0,5 ÷ 5)%, a ich konstrukcja pozwala w łatwy sposób przetwarzać odkształcenie rurki na sygnał elektryczny przy pomocy indukcyjnościowego czujnika przemieszczenia. Ma to istotne znaczenie w automatyzacji procesów przemysłowych. W praktyce w manometrach często oprócz rurek Bourdona wykorzystuje się inne elementy sprężyste w kształcie mieszków i membran i przetwarza się ich odkształcenie lub siły parcia i naprężenia za pomocą czujników indukcyjnościowych, pojemnościowych, tensometrycznych i piezoelektrycznych. Do wzorcowania manometrów przemysłowych zwykle wykorzystuje się manometr tłokowo-wagowy realizujący wprost definicję ciśnienia hydrostatycznego.

Ze względu na sposób równoważenia sił parcia wywoływanych ciśnieniem manometry można podzielić na następujące rodzaje:

• Hydrostatyczne − równoważenie słupem cieczy,

• Hydrauliczne − ciecz stanowi zamknięcie przestrzeni w, której panuje mierzone ciśnienie, umożliwiające równoważenie inną metodą,

• Sprężynowe − w, których siłę parcia równoważy siła sprężyny nie będącej częścią naczynia ograniczającego przestrzeń ciśnienia.

• Sprężyste − równoważenie siłą sprężystości odkształcanego elementu sprężystego będącego częścią naczynia w, którym panuje mierzone ciśnienie,

Dane uzyskane na zajęciach dla przepływomierzy :

Przepływomierz obrotowo-krzywkowy		Przepływomierz turbinkowy
Częstotliwość kHz [ 1kHz = 120dm^3/min]	Przepływ [l/min ] Xm	Przepływ [ l/min] Ym
0,142	0,01704	12,6
0,210	0,02520	19,3
0,290	0,03480	31,2
0,370	0,04440	40,7
0,484	0,05808	50,0
0,557	0,06684	62,4
0,647	0,07764	71,8
0,706	0,08472	84,3
0,786	0,09432	96,1

Błąd nieliniowości :

z = Y_m - Y_w Y_w= 1056,5*X_m-7,0052

Dane uzyskane na zajęciach dla manometrów :

Zadawane ciśnienie w [at = kG/cm^2]	Mierzone ciśnienie -manometer 1 [ kG/cm^2 ]	Mierzone ciśnienie -manometer 2 [V]
0	0	0
50	54	0,629
100	105	1,258
150	158	1,876
200	209	2,490
250	260	3,120
300	312	3,740
350	367	4,370