Embed Size (px)
Citation preview
Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar
ÁRAMLÁSTAN GYAKORLATOK
Összeállította:
Dr. Török Sándor Ph.D egyetemi docens
Dodog Zoltán
egyetemi tanársegéd
GÖDÖLLİ 2014.
2
Elıszó Az „ÁRAMLÁSTAN GYAKORLATOK ” címő egyetemi jegyzet a Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar BSc hallgatói számára készült. A jegyzet az Áramlástan tárgy elméleti anyagát kívánja kiegészíteni, továbbá segítséget szeretne adni a szaktantárgyak áramlástani vonatkozású ismereteinek megalapozásához. A jegyzet három részbıl tevıdik össze. Az elsı az áramlástani mérések során használható mőszereket mutatja be. A második a hallgatók által a félév során elvégzendı méréseket ismerteti. A harmadik rész kidolgozott áramlástani példákat tartalmaz, amelyek az elıadások anyagához illeszkednek. Az ismertetett mőszerekkel hallgatóink a bemutató gyakorlatokon ismerkednek meg, ahol azok egy részével méréseket végeznek. A mőszerek körét úgy válogattuk össze, hogy elsısorban azok a változatok kerüljenek ismertetésre, amelyek használata általánosan elterjedt, korszerő mérési módszert biztosítanak és többnyire a hazai kereskedelemben is beszerezhetık. A jegyzet a Tanszék tantermében megtalálható mérıkörök figyelembevételével tárgyalja azokat a konkrét mérési feladatokat, amelyeket a hallgatók csoportokban végeznek el, és amelyekrıl mérési jegyzıkönyveket készítenek. Jegyzetünket azzal a céllal adjuk közre, hogy megkönnyítsük az Áramlástan tárgy gyakorlati anyagának elsajátítását a hallgatók számára. Gödöllı, 2014. január hó.
A szerzık
3
TARTALOMJEGYZÉK MÉRİMŐSZEREK ..................................................................................................4.
1. Nyomás- és nyomáskülönbség mérés mőszerei .............................5. 1.1. Közvetlen nyomásmérık ...............................................................................5. 1.1.1. Folyadéktöltéső barométer .....................................................................................5. 1.1.2. Piezométer ..............................................................................................................5. 1.1.3. "U" csöves nyomásmérı ........................................................................................6. 1.1.4. Ferdecsöves mikromanométer ...............................................................................8. 1.1.5. Miniméter .............................................................................................................10. 1.1.6. Merülı harangos nyomásmérı .............................................................................12. 1.1.7. Dugattyús nyomásmérı ........................................................................................12. 1.2. Közvetett nyomásmérık .............................................................................13. 1.2.1. Csırugós vagy Bourdon-csöves nyomásmérı .....................................................14. 1.2.2. Membrános nyomásmérık ...................................................................................17. 1.2.3. Szelencés nyomásmérı ........................................................................................18. 1.3. Nyomás- és nyomáskülönbség távadók .................................................20. 1.3.1. Piezoelektromos mérıjel-átalakító .......................................................................20. 1.3.2. Nyúlásmérı-bélyeges mérıjel-átalakító ...............................................................21. 1.3.3. Kapacitív mérıjel-átalakító ..................................................................................23. 1.3.4. Induktív mérıjel-átalakító ....................................................................................23. 1.4. Nyomásmérık vizsgálata, kalibrálása ...................................................24. 1.4.1. Merülı harangos nyomásmérı-vizsgáló készülék ...............................................25. 1.4.2. Nagypontosságú súlyterheléső manométer-vizsgáló készülék ............................26.
2. Sebességmérés mőszerei ............................................................................28. 2.1. Torlasztásos elven mőködı sebességmérık .........................................28. 2.1.1. Prandtl-csı ...........................................................................................................28. 2.1.2. Pitot-csı ...............................................................................................................30. 2.1.3. Pitot-Darcy sebességmérı .....................................................................................32. 2.2. Forgórendszerő sebességmérık ...............................................................32. 2.2.1. Kanalas anemométer ............................................................................................32. 2.2.2. Lapátkerekes, szárnylapátos anemométer ............................................................33. 2.2.3. Forgószárnyas sebességmérı ...............................................................................34. 2.3. Elektromos kimenettel rendelkezı sebességmérık ...........................34. 2.3.1. Izzószálas anemométer .........................................................................................34. 2.3.2. Bemerülı turbinás áramlásmérı ...........................................................................35. 2.3.3. Bemerülı örvénymérı ..........................................................................................37.
3. Térfogatáram mérés mőszerei ...............................................................38. 3.1. Zárt vezetékbe építhetı áramlásmérık ................................................40. 3.1.1. Mérıperem ...........................................................................................................40. 3.1.2. Venturi-csı ...........................................................................................................44. 3.1.3. Mérıtorok .............................................................................................................46. 3.1.4. Ív- és könyökcsövek .............................................................................................47. 3.1.5. Pontszerő mérık, szondák ....................................................................................49. 3.1.6. Egyéb mérıszőkületek .........................................................................................51. 3.1.7. Indukciós áramlásmérı ........................................................................................54.
4
3.1.8. Turbinás áramlásmérı ..........................................................................................55. 3.1.9. Örvénymérı ..........................................................................................................60. 3.1.10. Rotaméter .............................................................................................................63. 3.2. Nyílt felszínő csatornákban alkalmazható áramlásmérık .............64. 3.2.1. Mérıbukók ...........................................................................................................64. 3.2.2. Forgószárnyas vízsebesség-mérık .......................................................................67.
MÉRÉSEK .....................................................................................................................68.
1. Áramlástani laborgyakorlat. (Centrifugál szivattyú jelleggörbéinek felvétele.) ..................................................................................................................69. 2. Áramlástani laborgyakorlat. (Radiális ventilátor jelleggörbéinek felvétele.) ..................................................................................................................72.
PÉLDÁK .........................................................................................................................75.
IRODALOM ...............................................................................................................107.
MÉRİMŐSZEREK
5
1. Nyomás- és nyomáskülönbség mérés mőszerei 1.1. Közvetlen nyomásmérık 1.1.1. Folyadéktöltéső barométer A folyadéktöltéső barométereket a légnyomás mérésére használjuk. Névleges mérési tartományuk megközelítıleg 1 bar. A barométerek különbözı szerkezeti kivitelben készülnek, megkülönböztetésük a tervezı vagy a gyártó szerint szokásos. Bármely higanyos barométer valamilyen U alakú csıbıl áll, amelynek egyik szára tökéletesen zárt, a másik pedig a szabad légkörrel érintkezik. Az utóbb említett ág gyakran hengeres edény formájú - mint az 1. ábrán is látható -, amelyhez egy zárt csı csatlakozik. Ha minden levegıt és gızt eltávolítunk a zárt csıbıl, a higany addig emelkedik, míg egy bizonyos szintet el nem ér a nyitott edény szintje fölött.
1. ábra: A folyadéktöltéső barométer elvi kialakítása
Ez a szint adja meg a higanyoszlop magasságát. A légköri nyomás a higanyoszlop magasságának és a higany sőrőségének ismeretében kiszámítható, de általában a barométerekrıl közvetlenül is leolvasható:
gbp hgo ⋅ρ⋅= [Pa]
ahol: po: légköri nyomás [Pa] b: higanyoszlop magassága [m] ρhg: higany sőrősége [kg/m3] g: nehézségi gyorsulás [m/s2]
A barométerrıl leolvasott nyomásérték abszolút nyomást jelent. 1.1.2. Piezométer A piezometrikus nyomás a folyadék nyomási energiáját jellemzı, hosszúság dimenziójú mennyiség, az egységnyi tömegő folyadék nyomási energiája.
6
A csıvezetékben vagy a vizet vezetı talajrétegben uralkodó víz-nyomásnak közvetlen mérésére szolgáló függıleges csı, amelyben a víz a nyomásnak megfelelı magasságra emelkedik. Alkalmas a csıvezeték mentén, áramlás során létrejövı energia-, illetve nyomás-veszteség kimutatására, valamint térfogatáram mérés esetén nyomáskülönbség formájában jelentkezı un. mérımagasság (h) meghatározására kis nyomások esetén.
2. ábra: Piezométer alkalmazása
Az 1 és 2 pont közötti nyomáskülönbség:
ghpp sz21 ⋅ρ⋅=− [Pa]
ahol:
h: mérımagasság [m] ρsz: szállított közeg sőrősége [kg/m3] g: nehézségi gyorsulás [m/s2]
1.1.3. "U" csöves nyomásmérı Az "U" csöves nyomásmérı állandó keresztmetszető üvegcsıbıl készül úgy, hogy a két szára között hosszmérésre alkalmas skálát helyeznek el. A megmérendı nyomáskülönbség a két mérıfolyadék felszíne közötti távolságból számítható. A 3. ábrán látható, hogy az "U" csöves nyomáskülönbség mérıt különbözı módon csatlakoztathatjuk a nyomásmérés helyéhez, attól függıen, hogy milyen nyomások különbségét kívánjuk meghatározni.
7
3. ábra: "U" csöves nyomásmérı alkalmazása
Zárt csıvezetékben áramló közegnek a légköri nyomáshoz (po) viszonyított túlnyomásának meghatározásakor az "U" csı egyik szárát a csıvezeték nyomás-megcsapolásához csatlakoztatjuk, a nyomásközlı vezeték segítségével. A csı másik szárát szabadon hagyjuk. A nyomáskülönbség meghatározása ebben az esetben a következık szerint történik:
Valamely csıvezeték két pontjában fellépı nyomások különbségének meghatározására - figyelembe véve a 3. ábra jelöléseit - felírhatjuk a következı egyenletet:
8
Összehasonlítva a nyomáskülönbség-mérés két tárgyalt esetét látható, hogy az elsı esetben a mérés eredménye függ a „h” értéktıl a második esetben viszont nem, mivel itt a mérıfolyadék mindkét szára felett megtalálható a szállított közeg folyadékoszlopa. 1.1.4. Ferdecsöves mikromanométer A gyakorlatban használatos ferdecsöves mikromanométereknek két fajtája van az úgynevezett merevcsöves, illetve az állítható ferdecsıvel rendelkezı változat. Elıbbit az állandó jellegő üzemi mérésekhez, utóbbit pedig ellenırzı, kísérleti mérésekhez használják. Egyik gyakran alkalmazott típus vázlatát szemlélteti a 4. ábra. A mérıcsı elıre meghatározott áttételi viszony szerint állítható be, értéke az íves skáláról közvetlenül leolvas-ható.
4. ábra: Állítható ferdecsöves mikromanométer
Az állítható mikromanométerek nullhelyzete a mérési tartomány átkapcsolásakor megváltozik, és az eltérés a skála eltolásával rendszerint nem kompenzálható. A nullpont beállításának módja: a mérıcsı folyadékedényének oldalán, a fenékhez közel, csappal (2) ellátott csıcsonk "foglal” helyet. Ehhez gumicsıvel (1) csatlakozik, az un. kompenzálóedény (3), amelyben szintén mérıfolyadék van. Nyitott csapállásnál a két edény folyadékszintje azonos magasságú. Ha ez a skála nulla osztásvonalától eltér, akkor a kompenzálóedény emelésével, illetve süllyesztésével az eltérés megszüntethetı és a csap egyidejő zárásával a mőszer mérésre alkalmas. A ferdecsöves mikromanométer mérıcsöve 1,5...2,0 mm belsı átmérıjő. Ilyen vékony csöveknél nem érvényesül teljes egészében a közlekedı edények törvénye. Az ebbıl keletkezı eltérés állandó jellegő, ezért a mérési eredmény korrigálható. A ferdecsöves mikromanométer elınye abból adódik, hogy adott nyomáskülönbségnél a kis keresztmetszető, ferdecsıben nagyobb l kitérés jön létre, minél kisebb a csı vízszintessel bezárt szöge. Az l kitérés és a (p1 - p2) nyomáskülönbség között a gáz alakú közegek nyomásmérésénél a következı összefüggés áll fenn, figyelembe véve az 5. ábra jelöléseit:
9
5. ábra: Ferdecsöves mikromanométer
ahol:
A1: a mérıfolyadék tartály belsı keresztmetszete [m2] A2: a ferdecsı belsı keresztmetszete [m2] ρm: a mérés során használt mérıfolyadék sőrősége [kg/m3]
Az összefüggésben szereplı állandó értékek összevonhatók egy mőszerállandóba:
A nyomáskülönbség ezek után a következı összefüggéssel számítható:
l⋅=− Kpp 21
10
A ferdecsöves mikromanométer geometriai méreteibıl adódó korrekciót mérés során gyakran elhanyagolják és a következı összefüggéssel, számolnak:
A leolvasott l hosszúságból a keresett (p1 - p2) nyomáskülönbség gyors megállapítására a 6. ábrán látható diagram is használható.
6. ábra: Segédgörbék ferdecsöves mikromanométerhez
A ferdecsöves mikromanométerben mérıfolyadékként színezett desztillált vizet, etilalkoholt, petróleumot vagy egyéb, kis viszkozitású folyadékot használhatunk. 1.1.5. Miniméter Kis nyomásokat mérı mőszerek ellenırzéséhez, állandó vagy csak lassan változó kis nyomások méréséhez a minimétereket használjuk. Mérési pontosságuk egy nagyságrenddel nagyobb a ferdecsöves mikro-manométerekénél. A 7. ábrán a miniméterek egyik általánosan elterjedt típusának, az Askánia miniméternek a vázlata látható. A mőszer fı része az 1 és 2 folyadékos edény, amelyeket gumicsı kapcsol össze. Az 1 edény a 3 csavarorsóval emelhetı, illetve süllyeszthetı. Az 1 edény magassági helyzete a kerületén száz osztásvonallal ellátott 4 forgatógombbal állítható. Ezzel hozható létre a mérendı nyomással egyensúlyt tartó hidrosztatikus nyomás.
11
7. ábra: Askánia típusú miniméter felépítése
A készülék nullpontját a 2 edényben az 5 csúcs képezi. A 2 edény vízszintes tengelyő csı, amelynek egyik végét 6 homályos üveglap, a másik végét 7 nagyítólencse zárja le. Az 1 edény 8 mutatója milliméter beosztású 9 skála elıtt mozog. Ily módon az 1 edény helyzetének egész milliméter száma a 9 skáláról, a tized és század milliméterek pedig a 4 forgatógomb kerületén olvashatók le. A légköri nyomásnál nagyobb nyomású teret a 10, az annál kisebb nyomásút a 11 csıcsonkra csatlakoztatjuk. Nullhelyzetben a 7 nagyítólencse elé szerelt 12 tükörben az 5 csúcsot és annak a folyadék felületérıl visszavert képét látjuk. A kép azt a benyomást kelti, mintha a csúcs és tükörképe éppen érintenék egymást. Az esetleg mutatkozó eltérést a 13 nullállitó csavarral lehet megszüntetni.
12
Ha a 2 edényre nyomást vagy az 1 edényre szívást kapcsolunk, az 1 edényben a mérıfolyadék emelkedik, a 2 edényben süllyed. A 4 forgatógombbal az 1 edényt addig emeljük, amíg a tükörben az elıbb leirt képet látjuk. Ekkor a létrehozott hidrosztatikai nyomás a mérendı nyomással egyensúlyt tart. Nagysága az említett skálákról olvasható le. A miniméter mérıfolyadéka desztillált víz. Mérési tartománya 0...1500 Pa. Legnagyobb mérési hibája 0,05 Pa. 1.1.6. Merülı harangos nyomásmérı A merülı harangos nyomásmérıknél a zárófolyadékba (4) alul nyitott, rendszerint hengeres edény /l/ merül be, a 8. ábra szerinti elrendezésben. A folyadékoszlopon keresztül alulról bevezetett csı /2/ közvetíti a mérendı nyomást, amely a légköri nyomásnál kisebb vagy nagyobb értékő lehet. A mérendı nyomással rugó- /3/ vagy súlyerı tart egyensúlyt. Egyes kiviteleknél maga az ellensúly is zárófolyadékba merül.
8. ábra: Merülıharangos nyomásmérı felépítése
A merülıharangos nyomásmérık elınye, hogy állítóerejük nagy, ezért a mechanikai jellegő mutató- és írószerkezetüket egyszerő karos szerkezet mozgathatja. Hátrányuk nagy geometriai méreteik, és csekély mérési tartományuk. 1.1.7. Dugattyús nyomásmérı A dugattyús nyomásmérık mérési elve abban áll, hogy az ismert mérető dugattyúra ható, a nyomás következtében fellépı erıt hitelesített sulyokkal egyenlítjük ki. A súrlódás csökkentése céljából a dugattyú igen kis játékkal van a megfelelı hosszúságú hengerbe illesztve, a mérısúlyokat a dugattyú hossztengelyébe helyezik el és a dugattyút a sulyokkal együtt forgásba hozzák. A dugattyús nyomásmérı kialakítását a 9. ábra szemlélteti.
13
9. ábra: A dugattyús nyomásmérı elve
A p nyomás a dugattyú Ad felületébıl, a dugattyú Gd súlyerejébıl és az m mérıtömeg G súlyerejébıl a közismert módon számítható:
A nyomás szabatos meghatározásához az ilyen készülékek gyártói tapasztalati összefüggést adnak meg, figyelembe véve a súrlódás és a hımérséklet befolyását. A dugattyús nyomásmérı igen pontos, a legnagyobb nyomások mérésére is alkalmas. Hitelesítı, illetve kalibráló mőszerként vagy precíziós mérésekhez használják. Mérési pontosságuk a kiviteltıl függıen a mérendı nyomás 0,001 és 0,0001 része között van. 1.2. Közvetett nyomásmérık A mőszaki berendezésekben és a méréstechnikában használt nyomásmérı mőszerek legtöbbje a nyomás hatására létrejövı rugalmas alakváltozás alapján mőködik. Ezek a mőszerek a következı elınyökkel rendelkeznek az egyéb típusokhoz képest:
- méretük aránylag kicsi, - mőködési helyzetük tetszılegesen megválasztható, - mechanikai rezgéseknek ellenálló kivitelben is készülnek, - mérési tartományuk nagy, - a jelzett érték leolvasásához nagymérető skála készíthetı, - egyes mőszertípusok mérési pontossága kielégíti az alapmőszerekkel szemben támasztott követelményeket.
A rugóelemes nyomásmérık mérési tartománya néhány Pa nyomástól több száz MPa-ig terjed. A mérési tartomány az érzékelı rugóelem anyagával és alakjával szorosan összefügg.
14
A rugóelemes nyomásmérık lehetnek:
- csırugós vagy Bourdon-csöves, - membrános nyomásmérık, - szelencés.
1.2.1. Csırugós vagy Bourdon-csöves nyomásmérı A rugalmas alakváltozáson alapuló nyomásmérı mőszerek legnagyobb része csırugós vagy más néven Bourdon-csöves rendszerőek (10. ábra). Nevét Eugéne Bourdon (1808-1884) francia mechanikusról, feltalálójáról kapta. A körívre, vagy spirálra hajlított csı egyik végét beforrasztják, vagy fémkupakkal lezárják, és egy mutatóhoz csatlakoztatják. A másik vége kapcsolódik a nyomásmérési helyhez. A csı belsejébe jutó nyomás kiegyenesíteni igyekszik a csövet. A csı szabad végét egy szerkezet felnagyítva juttatja a mutatóhoz, amelyet elmozdít. A mutató alatti skálát megfelelıen kalibrálják. A mőszer széleskörő elterjedését egyszerő szerkezete és könnyő kezelhetısége magyarázza.
10. ábra: Bourdon-csöves nyomásmérı Nyomásérzékelésük ismert jelenségen alapul, mégpedig azon, hogy az egyik végén zárt, ellipszis keresztmetszető csı belsı terét valamely közeg nyomásával terhelve, kör alakot igyekszik felvinni (11. ábra).
11. ábra: Ellipszis szelvényő csı alakváltozása
15
A Bourdon-csı meghatározott sugarú körívre hajlított ellipszis vagy ehhez hasonló keresztmetszető rugalmas anyagú csı. A csırugó központi szöge kis nyomások érzékelésére 180° nagy nyomások esetén pedig 270°. A Bourdon-csı egyik végét lágy forrasszal a rugótestbe forrasztják, a nagy méréstartományú (10 MPa és e felett) mőszereknél be-csavarozzák, a másik végét hasonló módon fémkupakkal lezárják. A csırugó szabad vége a belsı térbe vezetett nyomás hatására elmozdul, az elmozdulás nagysága a csı anyagának rugalmassági határán belül arányos a terhelı nyomással és így nyomásmérésre felhasználható (12. ábra).
12. ábra: A csırugó elmozdulása a nyomás hatására
A csırugó terhelhetıségét különbözı tényezık együttesen határozzák meg, melyek közül a legfontosabbak:
– a csı anyagának rugalmassága, – a csı keresztmetszetének alakja, – a görbületi ív mérete.
A rugóelemes érzékelık különféle anyagból készülhetnek. Hasonló módon a csırugó keresztmetszete is igen sokféle lehet amint azt a 13. ábrán is láthatjuk.
13. ábra: Bourdon-csı kialakításánál alkalmazott keresztmetszetek
16
Ezek közül leggyakrabban alkalmazott az 1-3 változat. Az 1 keresztmetszető csı közepes nyomások, a 2 szelvényő csı kis nyomások (5 MPa alatt) mérésére alkalmas. A nagy nyomások mérésére a 4 és 5 szelvényő, a nagy nyomásoknál jelentkezı túlterhelések esetén a 6 szelvényő Bourdon-csövet alkalmazzák. A Bourdon-csı szabad végének elmozdulása függ a nyomás nagyságán kívül a csı görbületi sugarától és az iv hosszúságától. A geometriai méretek a kezelhetıség szempontjából csak bizonyos mértékig növelhetık. A szabad vég elmozdulásának mértéke a csırugó anyagától is függ, ezért amíg a kis- és közepes méréstartományú Bourdon-csövek anyaga rendszerint színes fém addig a nagy nyomások mérésére szolgáló mőszerekbe beépített változatok acélból készülnek. A mőszaki gyakorlatban alkalmazott csırugós nyomásmérık csırugójának falvastagsága és szelvénye közötti viszonyt a 14. ábra szemlélteti.
14. ábra:
A Bourdon-csı falvastagsága és szelvénye közötti viszony méréstartományonként A kitérés és ezzel együtt a mérımőszer érzékenysége több Bourdon-csı sorba kapcsolásával növelhetı. Kialakítás szerint az egymás fölé /a/ és az egymás mellé /b/ tekercselt, továbbá az egymás fölé hajlított /c/ többmenető Bourdon-csövek használatosak (15. ábra).
15. ábra: Többmenető Bourdon-csövek
17
1.2.2. Membrános nyomásmérık A membrános nyomásmérıknek a nyomás érzékelésére szolgáló membrán kialakításától függıen két alapvetı típusa van: a síkmembrános és csımembrános változat. Síkmembrános nyomásmérı A síkmembrános nyomásmérık érzékelıje két karima közé befogott rugalmas lap, melyet membránnak nevezünk. A nyomás hatására a membrán kihajlik, nagyságát a hozzákapcsolt mutató jelzi (16. ábra). A membránt koncentrikus körök mentén hullámosítják, ezzel növelhetı a kihajlás nagysága. A kihajlás teljes terheléskor mindössze 1,5...2 mm. A mérési tartomány túllépésekor a nyomásmérı membránja a befogókarimára felfekszik és ily módon a túlterheléssel járó igénybevétel hatását a membrán elkerüli. A membrános nyomásmérıvel nyomás, vákuum és nyomáskülönbség egyaránt mérhetı.
16. ábra: Síkmembrános nyomásmérı felépítése
Elınye, hogy a mechanikai rezgéseket az érzékelı-felület viszonylag jól tőri. Ezért sőrő, nyúlós anyagok nyomásának mérésére igen alkalmas. A fémrészeket megtámadó, korróziót okozó közegek nyomásának mérésére védımembránnal mőködı és bélelt mérıkamrájú mőszereket gyártanak. A membrános nyomásmérı hátránya, hogy túlterhelésre és hımérsékletváltozásra érzékeny. Csımembrános nyomásmérı A csımembrán egyik végén zárt, hullámos csı, amely a nyomás hatására hosszirányban megnyúlik vagy rövidül (17. ábra).
18
17. ábra: Csımembrános nyomásmérı felépítése
Érzékenysége a rugóelemes érzékelık között a legnagyobb. Hosszirányú méretváltozása az anyag rugalmassági határán belül arányos a terhelı nyomással. A csımembrán érzékenysége a hatásos felülettıl, a hullámok számától, a falvastagságtól és az anyag szilárdsági tulajdonságaitól függ. A csımembránt lágyított anyagból készítik és az anyag rugalmasságát a mérendı nyomás értelmével ellentétesen ható rugóval pótolják, A csımembrános készülékkel nyomás, vákuum és nyomáskülönbség mérhetı. Az elrendezés általában olyan, hogy a mérırugó a csımembrán belsejében foglal helyet, a nagyobb nyomás pedig mindig a szilfon külsı felületére hat kivéve a vákuummérıt, ahol fordított a helyzet. 1.2.3. Szelencés nyomásmérı A szelencés nyomásmérık érzékelıeleme vékony, rugalmas lemezbıl készült henger alakú szelence, /l/ amely a mérendı nyomás hatására rugalmas alakváltozást szenved. A szelence átmérıje magasságméretének többszöröse. A szelencébe vezetett nyomás hatására a két homloklap kihajlik, amelynek nagysága arányos a mérendı nyomással. A nyomás megszőntével a szelence visszakapja eredeti alakját. A szelence mozgását emeltyő továbbítja /3/ a mutatószerkezethez /4/, amely emeltyős vagy fogazott ív-fogaskerék rendszerő (18. ábra).
19
18. ábra: Szelencés nyomásmérı mőködési vázlata
Az emeltyős megoldás pontosabb mérést nyújt, viszont a fogazott ív-fogaskerék rendszerben azonos nyomáson a mutató kitérése nagyobb. A mérımőszer annál érzékenyebb, minél vékonyabb fémlemezbıl készül a szelence és minél nagyobb a hatásos felülete. E célból a szelence homloklapját koncentrikus körök mentén hullámosítják. A szelencés nyomásmérı túlterhelésre rendkívül érzékeny. Túlterheléskor az érzékelı eredeti alakját elveszíti és az ilyen készülék mérésre már nem alkalmas, a szelencét cserélni kell. A szelence rugalmasságából származó visszatérítı erı kicsi, mert a mérési tartománynak megfelelı lemezvastagság meglehetısen vékony és ily módon mullhibával kell számolni. A jelenség megszüntetésére a szelencét pálca alakú egyenes rugóval elıfeszítik, hatására a rugalmas szelence elmozdulása a 19. ábrán vázolt 1 jelleggörbe szerint alakul. Látható, hogy a mőszer terhelésének megszőnése után a mutató határozott nullhelyzetet jelez. A 2 jelleggörbe ugyanazon készülék szelencéjének elmozdulását szemlélteti elıfeszítés nélkül. A szelencés nyomásmérı mérési tartománya 0,1..63 kPa között választható. Alkalmas nyomás, nyomáskülönbség és vákuum mérésére.
19. ábra: A szelencés nyomásmérı jelleggörbéje
20
1.3. Nyomás- és nyomáskülönbség távadók 1.3.1. Piezoelektromos mérıjel-átalakító A piezoelektromos átalakítók erıt /nyomást/ alakítanak át villamos feszültséggé. A piezoelektromos átalakítók mőködése a piezoelektromos hatáson alapszik. E hatás lényege, hogy egyes szigetelı kristályokból kivágott hasábok meghatározott felületein erı hatására villamos töltések jelennek meg. A töltés megjelenésének mechanizmusát az egyik legjellegzetesebb piezoelektromos anyagon, a kvarckristályon mutatjuk be. A kvarc hatszögletes rendszerben kristályosodik. E hatszögő kristály rajzát a 20. ábrán látjuk.
20. ábra: Kvarckristály
Az ábrán a kristályba berajzoltunk egy derékszögő koordinátarendszert is. E koordináta-rendszer tengelyeit a kvarckristály kitüntetett irányai szerint helyeztük el. X tengely: villamos tengely Kvarc esetén a piezoelektromos hatás következtében megjelenı töltések mindig az X tengelyre merıleges felületen jelennek meg. Y tengely: mechanikai tengely A kvarckristály, villamos tengelyére merıleges felületére felvitt töltések hatására, az Y tengely irányában méretváltozást szenved. Z tengely: optikai tengely Optikai alkalmazásoknál a kvarckristályt e tengelyre merıleges felületek mentén hasítják el. Ez az irány villamos és mechanikai szempontból közömbös, ezért semleges tengelynek is nevezik. A kvarckristályból piezoelektromos átalakító; céljára hasábot vagy hengert úgy kell kihasitani, hogy feltétlenül legyen az X tengelyre merıleges felülete /lásd az ábrán a kristályba berajzolt hengeres kivágást/. A hatszöglető kristályrendszer miatt a kvarckristály három villamos és három mechanikai tengely-jel rendelkezik. Az egyes-X, ill. Y tengelyek egymással 120°-os szöget zárnak be. A kvarckristályt az X tengely irányában F erıvel megnyomva a keletkezı Q töltés nagysága:
ahol:
- k: a töltésérzékenységi állandó
21
A töltés csak az erı nagyságától függ, de független a geometriai méretektıl. A piezoelektromos átalakítók kimeneti mennyisége feszültség. Azért, mert a keletkezı töltések feltöltik a kristály kapacitását. A kristályon megjelenı feszültség nagysága:
ahol:
- U: a kristályon megjelenı feszültség, - Q: az erıhatás /nyomás/ által kiváltott töltés, - C: a kristály kapacitása.
A kvarckristály villamos helyettesítı képének megrajzolásakor figyelembe vesszük, hogy állandó mechanikai terhelés rákapcsolásának pillanatában a kvarckristály feltöltött kondenzátor, amelyet a kristály R ellenállása zár le. A helyettesítı kép a 21. ábrán látható.
21. ábra: Piezoelektromos kristály helyettesítı képe
A helyettesítı képbıl következik, hogy piezoelektromos átalakítóval állandósult erıhatás /nyomás/ folyamatosan nem mérhetı. Azért, mert a feltöltött kondenzátor az R ellenálláson keresztül kisül, tehát megszőnik a feszültség. 1.3.2. Nyúlásmérı-bélyeges mérıjel-átalakító
Ezekben a mérendı nyomás egy fémtestre hat, amelynek a felületére erısítik a nyúlásmérı-
bélyeget. A fémtest nyúlását vagy összenyomódását a nyúlásmérı-bélyeg ellenállás változása
alakítja át. Az üreges henger szerkezeti anyagának gondosan megvizsgált, nagy rugalmasságú
nemes acélokat használnak. A mérıtestre általában négy nyúlásmérı-bélyeget erısítenek fel
Wheatstone-hidba /22. ábra/.
22. ábra: Wheatstone-hid
22
A nagyobb nyomások mérésére alkalmas kivitelt mutat be a 23. ábra.
23. ábra: Mérıcella nagy folyadéknyomásra
1. nyomócsı 6. kiegyenlítı ellenállások
2. ház 7. kapocsléc
3. menet 8. csatlakozó kapcsok
4. nyúlásmérı-bélyeg 9. kábelcsatlakozás
5. biztonsági szelep A nyomásérzékelı elem az egyoldalúan zárt csı /l/, amelynek belsı tere összeköttetésben van a mérıfolyadékkal. Ez a csı a legtöbb kivitelben jó rugalmas tulajdonságú, rozsdamentes acélból készül, egyes különleges típusokban pedig foszforbronzból. A csı felületén tengelyirányban két nyúlásmérı-bélyeg van, kettı pedig erre keresztirányban /4/. A kapocsléc /7/ légmentesen zárja a sárgaréz- vagy acélházat, amelybıl a levegıt eltávolítják. Az 5 helyen behelyezett sárgaréz membrán a biztonsági szelep szerepét tölti be. Ilyen mérıcellák különbözı kivitelben készülnek. Mérési határaik 7...7000 bar. Kis nyomások meghatározására a 24. ábrán látható mérıcella szolgál.
24. ábra: Mérıcella kis folyadéknyomásra
A mérni kívánt nyomás a monelfémbıl készült csımembránra /l/ hat. Ez az egyoldalon befogott karral /3/ van összeköttetésben. A nyomás hatására a kar meghajlik. Ennek következtében a felragasztott 4, 5 nyúlásmérı-bélyegek közül kettı megnyúlik, míg a másik kettı összenyomódik. Amint az ábrából látható, az elrendezést nyomáskülönbség érzékelı kivitelben is készítik. Az egy csımembrános megoldást légtelenített, kivitelben készítik, tehát az abszolút nyomást mérik. Ezeket a mérıcellákat is különbözı kivitelben gyártják. Mérési tartományuk: 1...7 bar.
23
1.3.3. Kapacitív mérıjel-átalakító A kapacitiv erı- és nyomásmérı cellák két lemezbıl álló kondenzátorok. A mérendı jellemzı hatására változik a közöttük levı levegıréteg. A 25. ábra egy membrános mikromanométert mutat be.
25. ábra: Membrános mikromanométer
A távadó korrózióálló acélból készült mérıcella /l/. A cellát két kamrára osztja a légmentesen záró rézmembrán /3/. Ez a 2 állóelektróddal a C kapacitást alkotja. A p1 mérendı nyomás és a p2 összehasonlító nyomás között kialakuló ∆p nyomáskülönbség hatására behajlik a membrán és ezzel változik a C kapacitás is. 1.3.4. Induktív mérıjel-átalakító A villamos egyenáram kimenıjelő nyomástávadók folyadékok, gızök és gázok nyomásának mérésére, illetve a nyomással arányos áramjel távadására alkalmasak. A bemenı nyomással arányos kimenıjel /4-20 mA egyenáram/ a mőszaki adatokban megadott terhelı ellenállás figyelembe vételével felhasználható szabályozók, jelzımőszerek, regisztrálók, valamint adatfeldolgozók mőködtetésére. A mérendı közeggel érintkezı alkatrészek anyaga különbözı minıségő, rozsdamentes saválló acél. A bemeneti nyomás az érzékelıre /pl. Bourdoncsı/ hat, amely arányosan elmozdul. Ez az elmozdulás karáttételen keresztül a ferrit magra jut és a mérı-átalakítóban villamos jellé alakul. Ez a villamos jel az elektronikus egységhez csatlakozik. A méréstartományt a beépített érzékelı /Bourdon-csı, szilfon-membrán/ határozza meg. A távadó érzékelıje 6 bar-nál nagyobb nyomások esetén Bourdon-csı /26. ábra/, ennél kisebb nyomásokra pedig rugóval elıfeszített membrán szelence /27. ábra/.
26. ábra: Nyomástávadó Bourdon-csıvel
24
27. ábra: Nyomástávadó szilfonmembránnal
1.4. Nyomásmérık vizsgálata, kalibrálása
A nyomás- és nyomáskülönbség mérı mőszereket a pontossági osztályok valamelyikébe sorolják be. A szabvány szerint alkalmazható pontossági osztályokat az alábbi táblázat tartal-mazza. A táblázatban megtalálhatók az egyes pontossági osztályokhoz tartozó megengedett alaphibák és az ellenırzés során megengedett hibák számszerő értékei is. Ezek az értékek tájékoztatást adnak arra vonatkozólag, hogy a mőszer használata során milyen hibával dolgozhatunk. A mőszerek vizsgálatánál beszélhetünk alaphibáról és járulékos hibáról. Az alaphiba a mőszer pontossági osztályának megfelelı megengedett hiba. Az alaphiba értékét a jelzési tartomány abszolút értékének százalékában adják meg. Az alaphibát a következı tényezık határozzák meg: irányváltási hiba, ismétlési hiba, érzéketlenségi küszöb, nullahiba, érzéketlenségi hiba.
25
A járulékos hiba a környezeti feltételeknek a referencia feltételektıl való eltérése által okozott hiba. A járulékos hibát befolyásoló tényezık: környezeti hımérséklet, barometrikus nyomás, rezgések, külsı mágneses tér, tápfeszültség, áramforrás frekvenciája, pneumatikus tápnyomás, helyzetfüggıség. A mőszerek vizsgálata és hitelesítése során elsısorban az alaphibát kell meghatározni. Minden új mőszertípust forgalomba hozatal elıtt típusvizsgálat alá kell vetni, amelyet az erre illetékes szerv, jelenleg az Országos Mérésügyi Hivatal végez, az általa elıirt módszer szerint. A típusvizsgálaton túl a mőszereket hitelesíteni is kell, amelyet az Országos Mérésügyi Hivatal végezhet el. 1.4.1. Merülı harangos nyomásmérı-vizsgáló készülék A nyomásmérı mőszereket mőködés közben az üzemi mérıhelyen vagy leszerelés esetén az erre kijelölt helyen a mőszer használója is bevizsgálhatja, kalibrálhatja. Az üzemi mérıhelyen végzendı ellenırzéshez használható berendezés a 0,6 pontossági osztályú kettıs ellenırzı nyomásmérı, amelyet a vizsgálandó mőszerrel együtt azonos nyomású térhez kapcsolhatunk. Az eljárás hátránya, hogy a vizsgálandó mőszer mérési tartományából csak a nullpont és az éppen fennálló üzemi nyomás értéke ellenırizhetı. A vizsgálóhelyiségben a nyomásmérık teljes mérési tartománya ellenırizhetı, azonban a mőszerek mőterheléséhez nyomás elıállító készülék is szükséges. A geometriai méretek adottsága miatt a kis- és a nagy nyomásokat különbözı szerkezető készülékkel hozzák létre. A kis nyomások elıállítására használatos berendezés egyik megoldásának vázlata látható a 28. ábrán.
28. ábra: Merülı harangos nyomásmérı-vizsgáló készülék
26
Az 1 edénybe merülı 3 harang a 4 csavarorsó forgatásával emelkedik vagy süllyed. A 3 harang alatti térbıl kinyúló 5 csı a 6 elzárócsap közbeiktatásával kapcsolódik a 8 vizsgálandó és a 9 ellenırzı mőszerhez. Az edény és a harang anyaga acél, a zárófolyadék higany. A létrehozható nyomás kb. 1 bar. A mőszerrel vákuum is elıállítható. 1.4.2. Nagypontosságú súlyterheléső manométer-vizsgáló készülék Nagyobb nyomásokat csavarorsós dugattyúval, illetve súlyterheléssel hozhatunk létre. Ilyen készülékekkel maximális nyomásként 1000 bar nyomás hozható létre. A készülékek töltıfolyadéka paraffinolaj, petróleum vagy transzformátorolaj. Oxigénnyomást mérı mőszereket csak e célra állandó jelleggel kijelölt, mindenféle zsiradéktól és olajtól mentes készülékkel szabad ellenırizni. Ennek töltıfolyadéka glicerin és desztillált víz keveréke. Súlyterheléső manométer-vizsgáló készüléket mutat be a 29. és 30. ábra.
29. ábra: Nagypontosságú súlyterheléső manométer-vizsgáló készülék
A mérıberendezés felépítése és mőködése a következı: a súlyterheléső dugattyús nyomásmérıt /7/ és a mőszerhez csatlakoztatott nyomásmérıt /11/ valamint nyomás távadót /12/ azonos nyomás terheli. Ugyan ilyen nyomás uralkodik a dugattyús szivattyúban /2/ is.
27
A vizsgálat megkezdése elıtt az olajrendszert légteleníteni kell. A légtelenítés úgy végezhetı el, hogy a méréshatárnak megfelelı terhelısúlyokat helyezünk a súlytartó tálcára /6/, majd a dugattyús szivattyú csavarorsójának forgatásával lebegı helyzetbe hozzuk a dugattyús nyomásmérı dugattyúját /7/. A mérıhelyeket vagy ledugózzuk, vagy megfelelı méréshatárú nyomásmérıket csatlakoztatunk hozzájuk. Körülbelül 15-20 perces nyomáson tartás után a nyomórendszerben kevés levegı marad. Az egész rendszert az olajtartályból /9/ a tőszelep nyitása mellett tudjuk feltölteni olajjal úgy, hogy közben a dugattyús szivattyú /2/ dugattyúját a felsı holtpontból az alsó holtpont felé mozgatjuk, a kézi kerék /l/ segítségével. A légtelenítés befejezése után következhet a nyomásmérı vizsgálata. A vizsgálat alá vont mőszert /11,12/ csatlakoztatjuk a berendezéshez, majd a nyomásfokozatnak megfelelı terhelısúlyt helyezünk a súlytartó tálcára /6/. A mérıdugattyú /1/ forgató motorját /4/ bekapcsoljuk és a csavarorsós nyomás elıállítóval /2/ a nyomást fokozatosan emeljük, míg a mérıdugattyú /7/ lebegı állapotba kerül, a zászló /5/ csúcsáig. Mérés alatt a mérıdugattyúnak /7/ oly mérvő süllyedése nem lehet, hogy a lebegı állapot megszőnjön. A létrehozott nyomás számszerő értéke a terhelısulyokról leolvasható. A vizsgált mőszer jelzését ehhez az értékhez viszonyítjuk. Az ilyen kialakítású vizsgáló készülék pontossága jobb, mint ±0,1 %.
30. ábra: Nyomásmérık kalibrálása
28
2. Sebességmérés mőszerei 2.1. A torlasztásos elven mőködı sebességmérık 2.1.1. Prandtl-csı A félgömbvégő Prandtl-csı szabványos kialakításával és a kialakítást meghatározó hidraulikai tulajdonságokkal a MSZ 1709/2. lap "Folyadékáram-mérés, mérés torlócsıvel" c. szabvány foglalkozik. A torlócsıvel csak egyfázisú folyadék vagy gáz áramlása mérhetı. A folyadék vagy gáz nem tartalmazhat olyan mennyiségő, illetve minıségi szennyezést, amely a mőszer eldugulását okozhatja, vagy annak szárán olyan lerakódást alkothat, amely az áramképet megváltoztathatja. Torlócsövet folyadékmennyiség mérésére csak állandósult vagy lassan változó áramlás esetén lehet használni. Az áramló folyadékban levı és az áramlás irányával párhuzamos tengelyő henger körüli nyomáseloszlás a 31. ábra szerinti.
31. ábra: Nyomáseloszlás a Prandtl-csı mentén
Az orrpontban az össznyomás /pö/ egyenlı a mőszerrel meg nem zavart áramlás /ps/ statikus és a /pd/ dinamikus (ρ·v2/2) nyomásának összegével. Egy alkotó mentén haladva, a csı palástja mentén a nyomás az orrpont után a statikus nyomás értéke alá csökken, majd a végtelenben eléri a statikus nyomás nagyságát. A nyomás ilyen eloszlásán alapul a sebesség meghatározása különféle torlócsövekkel, mivel az orrpontban mérhetı össznyomás és az áramló közeg statikus nyomásának különbsége, a dinamikus nyomás:
pd = pö - ps
Behelyettesítve a dinamikus nyomást:
ρ · v2/2 = pö - ps A sebesség:
ahol:
C: mőszerállandó ≈ 1 ρ: a szállított közeg sőrősége [kg/m3]
29
A Prandtl-csı alakja és kivitele a 32. ábrán látható.
32. ábra: Félgömbfejő Prandtl-csı
Ha Re>3000, akkor a szabványnak megfelelı Prandtl-csı kalibrálás nélkül használható és mőszerállandója /C/ l-nek tekinthetı. A Prandtl-csı körüli nyomás /depresszió/ az orrponttól 3 d távolságban mindössze 1,6 %-a a dinamikus nyomásnak. A mőszer szárának elıtorlasztó hatása van. A nyél megfelelı elhelyezése nagyrészt kompenzálja az orrponttól 3 d távolságban az 1,6 %-os depressziót. A mérési szelvényt úgy kell megválasztani, hogy abban a sebességeloszlás szabályos legyen. Ennek érdekében zárt csıvezetékben, illetve nyílt szelvényő csatornában történı mérésnél a mérési szelvény elıtt legalább 20 D, illetve 4 B és utána legalább 5 D, illetve 1 B változatlan keresztmetszető zavartalan egyenes szakasz legyen. Ügyelni kell arra, hogy a folyadék a csıben ne forogjon. Körszelvényő csıvezetékek esetén, legalább két egymásra merıleges átmérı mentén tetszıleges számú, de átmérıként legalább 10 pontban mért sebesség alapján kell a sebességeloszlást meghatározni. A csı keresztmetszetét legalább öt egyenlı területő koncentrikus körgyőrőre kell osztani. E győrőterületeket tovább felezı köröknek megfelelı sugarakon kell mérni a sebességet. A vk középsebesség az összes mért sebességek számtani középértéke. A keresztmetszeten idıegység alatt átáramló térfogat a térfogatáram:
ahol:
A: az átáramlási keresztmetszet [m2] vk: az áramló közeg középsebessége [m/s]
A mérési pontok kijelölése a 33. ábrán látható.
30
33. ábra: A mérési pontok kijelölése
2.1.2. Pitot-csı A Pitot-csı a Prandtl-csıhöz hasonlóan pontszerő sebességmérıként használható. A müszerállandója jó közelítéssel l-nek vehetı. Zárt csıvezetékbe történı beépítése és egy hozzá kapcsolt "U"-csöves differenciál manométer a 34. ábrán látható.
34. ábra: Pitot-csı zárt csıvezetékben
31
A 900 -ban meghajlított csövet az áramlás irányával szemben helyezzük el. Ezzel érzékeljük az áramló közeg össznyomását /pö/. A zárt csıvezeték falára merıleges csövecske érzékeli a statikus nyomást /ps/. Így az "U"-csöves differenciál manométer a kétféle nyomás különbségét méri, amely nem más, mint a dinamikus nyomás (pd =ρ·v
2/2). Így a sebesség:
A nyomáskülönbség:
ahol: h: az "U"-csöves differenciál manométeren a kitérés [m] ρsz: a szállított közeg sőrősége [kg/m3] ρm: a mérıfolyadék sőrősége [kg/m3]
Nyílt felszínő csatornában is alkalmazhatunk Pitot-csövet sebesség mérésére. Ezt a változatot tünteti fel a 35. ábra.
35. ábra: Pitot-csı alkalmazása nyílt felszínő csatornában
32
2.1.3. Pitot-Darcy sebességmérı A sebességmérı kialakítása a 36. ábrán látható.
36. ábra: Pitot-Darcy sebességmérı
Mőködését tekintve megegyezik a Pitot-csıvel. Itt is az áramló közeg mozgási energiája alakul át helyzeti energiává.
Kialakítása úgy történik, hogy a két csövet összekapcsoljuk, és bizonyos vákuumot létesítünk a vízfelszín fölött. Ez nem módosítja a szintkülönbséget, csupán a leolvasáshoz kényelmesebb helyzetet biztosít. Nyílt felszínő csatornában a mérés a következıképpen történik: A sebességmérı meghajlított csövét az áramlás irányával szembe helyezzük, és az elzárócsapot kinyitjuk. Ekkor a sebességgel arányosan a vízszint „h” magasságba emelkedik. Ez után elzárjuk a csapot és a sebességmérıt annyira emeljük ki a vízbıl, hogy a leolvasás kényelmes legyen, de ügyeljünk rá, hogy mind a két szár még a vízben maradjon. 2.2. Forgórendszerő sebességmérık 2.2.1. Kanalas anemométer A kanalas anemométert fıként a meteorológiában és a hajózásban szélsebesség meghatározására alkalmazzák (37. ábra).
37. ábra: Kanalas anemométer
33
A kanalas anemométer mőködése azon alapszik, hogy egy nyitott félgömb ellenállás-tényezıje a domború oldaláról megfújva sokkal kisebb /Ce1 = 0,34/, mint az ellenkezı oldalról megfújva /Ce2 = 1,33/. Bebizonyítható, hogy az ennek következtében beálló fordulatszám a szélsebességgel lineárisan arányos. A szélirányra merılegesen álló két kanálra a nyomatéki egyensúly a súrlódástól eltekintve:
Az összefüggésbıl látható, hogy a kerületi sebesség a szélsebesség harmad részével egyezik meg. Az anemométer skáláján rendszerint csak a levegı által megtett útnak megfelelı métert találjuk, hogy sebességet kapjunk a leolvasott méterszámot azzal az idıvel kell osztani, amely alatt a mutató haladt. A csapágyak súrlódása, a levegı sőrőségének és viszkozitásának befolyása következtében a mőszert szélcsatornába hitelesíteni kell. Az ilyen mérımőszerhez a szállító hitelesítési görbét (38. ábra), vagy kiértékelı táblázatot mellékel.
38. ábra: A kanalas anemométer hitelesítési görbéje
2.2.2. Lapátkerekes, szárnylapátos anemométer A lapátkerekes anemométer axiális ventillátorhoz hasonló. Nyitott körhenger alakú házban axiális lapátozású járókereket forgat az áramló közeg. A mérés és hitelesítés alatt a forgás-tengely legyen párhuzamos a légsebesség irányával. A lapátokra ható erık kerületi összetevıje forgatja a lapátkereket. Az „n” fordulatszámot vagy közvetlenül mérik, vagy meghatározott idı alatt megtett körülfordulások száma alapján állapítják meg. A lehetı legkisebb súrlódású csapágyak ellenére a „v” szélsebesség nem arányos az „n” fordulatszámmal. Ezért a mőszer hitelesítése szükséges. Ennek eredményét a kanalas anemométerhez hasonló hitelesítési görbe vagy kiértékelı táblázat alakjában csatolják a mőszerhez. A szárnylapátos anemométer mérési tartománya rendszerint 0,2...40 m/s.
34
2.2.3. Forgószárnyas sebességmérı Egy ideális szárnyas vízsebesség-mérı fordulatszáma tökéletesen arányos a víz sebességével. A gyakorlatban egy többé-kevésbé lineáris kapcsolat érvényes. Minden esetre elegendı a for-dulatszámok (többnyire elektromos) számlálása és a megfelelı idık mérése ahhoz, hogy a sebességet kiszámíthassuk. A szárnyas vízsebesség-mérı hitelesítési egyenletének általános alakja:
v = a + b · n ahol:
v: a viz meghatározandó sebessége [m/s] a és b: hitelesítési állandók n: a mérıszárny fordulatszáma [l/s]
A szárnyas vízsebességmérıt fıleg a csatornákban és folyókban áramló víz sebességének meghatározására használják (39. ábra).
39. ábra: Forgószárnyas vízsebesség-mérı
2.3. Elektromos kimenettel rendelkezı sebességmérık 2.3.1. Izzószálas anemométer Kis áramlási sebességek mérésére tehetetlenség-mentesnek tekinthetı izzószálas méréstechnikát fejlesztettek ki. Az izzószálas anemométer (40. ábra) mérési elvének az alapja az, hogy a fémhuzal villamos ellenállása, annak hımérsékletétıl függ. A villamos árammal hevített vékony platina vagy wolframszálat, amelynek átmérıje 1,5.,,15 µm és hossza 1...5 mm, a v sebességő közeg hőti. Az izzószálas anemométerrel kétféle mérési módszert használnak: a,/ Az állandó I áramerısségő módszernél a vékony szál ellenállásának megváltozása miatt keletkezı U feszültségkülönbséget mérik. b./ Az állandó szálhımérséklet vagy állandó ellenállás módszernél az ehhez szükséges főtıáram I erısségét mérik, igen érzékeny hídkapcsolás segítségével.
35
40. ábra: Izzószálas anemométer
Mivel az U = f (v) görbe az állandó áramerısségő módszernél a sebesség növekedésével a vízszinteshez közeledik és ezért a módszer érzékenysége csökken, ez a módszer 20 m/s-nál kisebb sebességek mérésére korlátozódik. Az elıforduló instacioner sebességingadozás nem lehet ± 10 %-nál nagyobb. Az állandó ellenállás módszere, amelynél az izzószál hımérsékletét tartják állandó értéken, lényegesen nagyobb sebességeknél és sebességingadozásoknál is használható. A v áramlási sebesség az I hídáram negyedik hatványa szerint változik. 2.3.2. Bemerülı turbinás áramlásmérı A Turbo Quant bemerülı áramlásmérık az elektronikus kijelzı mőszerekkel felhasználhatók sebesség, térfogatáram, az átáramlott mennyiség összegzett mérésére, adagolás vezérlésre, valamint helyi- táv- kijelzésre, illetve regisztrálásra. A bemerülı áramlásmérı tolózár vagy gömbcsap segítségével építhetı be nagy átmérıjő csövekbe, a technológiai folyamat megszakítása nélkül (41. ábra). Mőködési elv: A zárt csıvezetékben nyomás alatt áramló közeg útjában ferro-mágneses szárnykerékkel ellátott áramlásérzékelı van elhelyezve, amely a szárnykerék bemerülési mélységében uralkodó áramlási sebességgel arányos fordulatszámmal forog. A ferromágneses szárnykerék forgását indukciós jeladó érzékeli. Az indukciós jeladó tekercsbıl és permanens mágnesbıl áll. A jeladó fluxusát a közeledı, illetve távolodó lapátok változtatják, ezáltal a tekercsben elektromotoros erı indukálódik. Az indukciós jeladó a szárnykerék /rotor/ minden fordulata alatt a lapátok számának megfelelı villamos kimenıjelet ad. A kimenı frekvencia egyenesen arányos a mérendı közeg áramlási sebességével.
36
41. ábra: Bemerülı turbinás áramlásmérı
37
2.3.3. Bemerülı örvénymérı A bemerülı turbinás áramlásmérıhöz hasonlóan nagy átmérıjő zárt csıvezetékekben folyadékok és gázok sebességének, térfogatáramának, valamint összegzett térfogatának a mérésére szolgál. A mérési keresztmetszetben a szonda különbözı mélységekben rögzíthetı, így pontszerő sebességek mérésére is alkalmas. A szondába egy delta keresztmetszető zavarótest van beépítve (42. ábra), amelynek két oldalán váltakozva örvények szakadnak le az áramló közeg sebességével arányosan. Az idıegység alatt leszakadó örvények száma annál nagyobb, minél nagyobb az áramló közeg sebessége. A leszakadó örvények érzékelése történhet termisztorral vagy rezgılemezzel. A kimenı villamos jel frekvencia, amely egyenesen arányos a közeg áramlási sebességével. (Részle-tesebb ismertetés az áramlásmérık fejezetben található.)
42. ábra: Bemerülı örvénymérı beépítése
38
3. Térfogatáram mérés mőszerei Áramlásméréssel kapcsolatos definíciók: Az áramlásmérıket illetıen megkülönböztetünk átfolyó mennyiségek és mennyiségek mérésére szolgáló mőszereket. Egy csatorna-, vagy csıkeresztmetszeten átfolyó mennyiség alatt azt a közegmennyiséget értjük, amely idıegység alatt a meghatározott keresztmetszeten áthalad. Az átfolyó mennyiség és a mennyiség tehát két olyan fizikai mérték, amelyek az idıvel vannak egymással összefüggésben. Az összefüggést az 43. ábra szemlélteti:
43. ábra: Mennyiség és az átfolyó mennyiség közötti összefüggés
Az eddigiek alapján beszélhetünk: Térfogatáramról , amely a csıvezeték meghatározott keresztmetszetén idıegység alatt átáramló térfogat nagysága.
Tömegáramról, amely a csıvezeték meghatározott keresztmetszetén idıegység alatt átáramló tömeg nagysága.
A térfogatáram és a tömegáram között a sőrőség létesít kapcsolatot.
A térfogatáram meghatározása az áramló közeg középsebességének és az átáramlási keresztmetszet ismeretében történik.
Az áramló közegek pontos mérése igen nagy körültekintést igényel. A tulajdonképpeni mérendı érték mellett például egy szőkítı elemes mérı hatónyomása mellett néhány közegparaméternek, így a sőrőségnek, a viszkozitásnak és néhány eljárásnál a fajhınek is jelentıs a befolyása. Ezek a közegparaméterek nemcsak az áramló közeg fajtájától, hanem állapotának jellemzıitıl - a nyomástól és a hımérséklettıl - is függnek.
39
Az áramló közegnél a viszkozitás is szerepet játszik. Az általa okozott feszültségek hozzák létre többek között az áramlási ellenállást, az egyenetlen sebességeloszlást a csıkeresztmetszetben, a leválási jelenséget. A viszkozitás hatása olyan bonyolult, hogy nem lehet pontosan megállapítani, mint a sőrőségét, hanem kísérleti úton megállapított értékekkel, pl. az átfolyási tényezıvel és ellenállás értékekkel kell figyelembe venni. E tényezık megállapítására a mőszereket üzemi körülmények között kell hitelesíteni. Néhány esetben, amikor a mőszerek nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és ha az áramlást csak három erı, a nyomás, a súrlódás és a tehetetlenség összhatása határozza meg, a tényezıket modellen végzett kísérletekkel is meg lehet állapítani. Ezek eredményei átvihetık tetszés szerinti mérımőszerre, amennyiben belsı geometriai formája hasonlít a modellére, és ha a Reynolds-számok mindkét esetben azonosak. A viszkozitás hatása az áramlási profil példáján mutatható be. Ez úgy alakul ki, hogy az áramlás a csıfalon nyugalmi állapotba kerül, és a sebesség a közeg viszkozitásától függıen meredeken, vagy kevésbé meredeken nı a csı közepe felé. A 44. ábrán sebességprofilok láthatók sima és durva felülető csövekben, ahogy igen hosszú, zavarmentes csıszakaszok után kialakulnak. Ezek optimális profilok, amilyenek a gyakorlatban igen ritkán fordulnak elı, mivel 100 D, vagy nagyobb zavarmentes csıszakaszra van szükség a kialakulásukhoz. A hitelesítéssel, vagy modellkísérletekkel meghatározott tényezıket többnyire ezekre a profilokra vonatkoztatják. A 44. ábrán látható, hogy a sebességprofil azonos q átfolyó mennyiségnél, és ugyanolyan A csıkeresztmetszeten mért v ráfolyási sebességnél, annál hegyesebb lesz, minél nagyobb a viszkozitás befolyása és minél durvább a csı belsı felülete.
44. ábra:
Lamináris és turbulens áramlások sebességprofiljai sima és érdes csövek esetén A viszkozitás befolyását a dimenzió nélküli Reynolds-számmal jellemzik, ami annál kisebb, mennél nagyobb az η dinamikai viszkozitás.
40
Erısen viszkózus áramlásoknál - lamináris áramlásoknál, ahol Re ˂ 2300 - parabolikus profilt kapunk, amelynek maximális sebessége kétszer akkora, mint a közepes, vagy átlagsebesség (vA). Ugrásszerően megy át a jóval laposabb turbulens profilba, ami a Reynolds-szám növekedésével egyre laposabb lesz. 3.1. Zárt vezetékbe építhetı áramlásmérık 3.1.1. Mérıperem Mérıperemnek nevezzük a vékonyfalú, éles sarkú, hengeres nyílású szőkítı elemeket. Az MSZ 1709/3 "Folyadékáram-mérés; mérés mérıperemmel" c. szabvány tartalmazza a mérıperem és mérıvezeték olyan méretviszonyait, valamint hidraulikai jellemzıit, amelyeknek betartása mellett felépített mérıberendezéssel hitelesítés nélküli térfogatáram mérés végezhetı el. Ezekhez a berendezésekhez a szabvány megadja a kísérleti úton meghatározott átfolyási számokat (α), amelyeket a térfogatáram összefüggésébe helyettesítve, a ható-nyomás (mérımagasság) ismeretében meghatározzák az idıegység alatt átáramló folyadék mennyiségét, a térfogatáramot. A mérıperem kivitelére fontos követelmény, hogy a csı belsejében lévı része körszimmetrikus legyen, a homlokfelületei pedig síkok és párhuzamosak legyenek. A szabvány szerint alkalmazható mérıperem alakját az 45. ábra tünteti fel.
45. ábra: Szabványos mérıperem
41
Nyomásmérı megcsapoláson a csıfalba készített, a csı belsı felületén végzıdı nyilast értünk. A megcsapolás általában kör keresztmetszető (furat), de bizonyos esetekben körgyőrő alakú rés is lehet (46. ábra).
46. ábra: A nyomásmérı megcsapolás kialakítása
A mérıperem beépítését és a nyomásmérı megcsapolások elhelyezési lehetıségéit a 47. ábra tünteti fel. Eszerint megkülönböztetünk: - sarokban elhelyezett nyomásmérı megcsapolást, - karimán átmenı nyomásmérı megcsapolást, - „D és D/2” távolságban elhelyezett nyomásmérı megcsapolást, valamint - „Vena Contracta” síkjában elhelyezett nyomásmérı megcsapolást.
47. ábra: A mérıperem beépítése és a nyomásmérı megcsapolások elhelyezési lehetıségei
42
A térfogatáram meghatározására szolgáló összefüggés:
ahol:
qv = térfogatáram [m3/s] α = átfolyási szám [-] Ad = a szőkített átáramlási keresztmetszet (d2 · π / 4) [m2] ρsz = a szállított közeg sőrősége [kg/m3] p1 = statikus nyomás a mérıperem elıtt [N/m2] p2 = statikus nyomás a mérıperem után [N/m2]
A mérıperem méretezése. A feladat a leggyakrabban úgy merül fel, hogy adott átmérıjő csıvezetékben mérıperem segítségével kívánunk térfogatáramot mérni. Ez magában foglalja azt a feladatot is, amikor adott mérető, ill. méretviszonyú mérıperem átfolyási számát kell meghatároznunk. Attól függıen, hogy a nyomásmérı megcsapolásokat hol helyezzük el, a méretezés menete változik. Ezért pontos méretezés esetén elengedhetetlen a már említett szabvány használata. A továbbiakban egy olyan módszert mutatunk be, amely gyors, elızetes számítások esetén alkalmazható, ha a Reynolds-szám meghatározott korlátok közé esik. Kiindulásul adott: - D csıátmérı határértékei:
50 mm ≤ D ≤ 1000 mm - qv mértékadó térfogatáram, Reynolds-számmal kifejezett alsó határértéke az 49. ábra állandósági határgörbéje mentén olvasható le, felsı határértéke:
- ∆p a kívánt mérınyomás, a mérıperem elıtti és utáni nyomások különbsége (∆p= p1- p2). Ezt a kívánt mérési pontosság, vagy a választott nyomásmérı mőszer mérési tartománya határozhatja meg. A szükséges szőkítési szám (m) meghatározása: Szőkítési szám alatt a mérıperem szőkített átáramlási keresztmetszetének és a csıvezeték belsı keresztmetszetének a hányadosát értjük.
A továbbiakban a mérıperemre már felírt térfogatáram összefüggést használjuk fel.
43
behelyettesítve:
ebbıl kifejezve:
A 48. ábra alapján α grafikusan meghatározható, így:
illetve
A mérıperem szőkítı nyílása kiadódik.
48. ábra:
Szabványos mérıperem átfolyási számai m · α függvényében
44
A következı számítási módszert akkor használhatjuk, ha adott nyílásátmérıjő mérıperemünk van és annak az átfolyási számát akarjuk meghatározni. A méretezés elsı lépése itt is ReD értékének kiszámítása a mérendı térfogatáramból. Ezt követıen a mérıperem geometriai méreteibıl meghatározzuk a szőkítési viszonyt /m/. Majd a 49. ábra diagramjai alapján ellenırizzük, hogy az adott mérıperemünk ReD értéke az állandósági határgörbétıl jobbra esik-e. Amennyiben ez a feltétel teljesül, akkor az adott mérıperem alkalmas a mérendı térfogatáram meghatározására. A számításhoz szükséges átfolyási szám közvetlenül kiolvasható a szőkítési viszony függvényében. Meg kell jegyezni, hogy ezeket a diagramokat csak sarok megcsapolású szabványos mérıperem esetén alkalmazhatjuk.
49. ábra:
Sarok-megcsapolású szabványos mérıperem átfolyási számai
3.1.2. Venturi-csı A Venturi-csı olyan, a csı tengelyével koncentrikus tengelyszimmetrikus szőkítı elem, amely konfuzorból, hengeres részbıl és diffuzorból áll. Ha a konfuzor rész szabványos mérıtorok kialakítású, akkor a szőkítı elem neve mérıtorok beömléső Venturi-csı, ha a konfuzor kúp, akkor a neve kúpos Venturi-csı /klasszikus/. Az MSZ 1709/5. lap "Folyadékáram-mérés; Mérés Venturi-csıvel" c. szabvány tartalmazza a Venturi-csövek és mérıvezetékek olyan méretviszonyait, hidraulikai jellemzıit, amelyeknek betartása mellett felépített mérıberendezéssel hitelesítés nélküli térfogatáram-mérés végezhetı el.
45
A kúpos /klasszikus/ Venturi-csı keresztmetszetét az 50. ábra tünteti fel.
50. ábra: A kúpos /klasszikus/ Venturi-csı jellemzı méretei
A kúpos Venturi-csı hengeres részbıl /A/, az ezt követı kúpból /B/ konfuzorból, hengeres torokrészbıl /C/ és kúpos diffuzorból /E/ áll. A térfogatáram mérése Venturi-csı segítségével (51. ábra).
Csõvezetékeredeti átmérõje
Torokátmérõ
1 2
D α1 α2d D
3
α1
α2
= 21 + 2
= 5 - 15
o o
o oh
Áramlás
Csõvezetékeredeti átmérõje
Hg
víz
∆
h
51. ábra: Térfogatáram mérése Venturi-csıvel
A térfogatáram meghatározására szolgáló összefüggés:
46
ahol:
qv = térfogatáram [m3/s] α = átfolyási szám [-] d = a szőkített rész (torok) átmérıje [m] ρsz = a szállított közeg sőrősége [kg/m3] ∆p = statikus nyomáskülönbség (∆p= p1- p2) [N/m2]
Az összefüggésbıl kitőnik, hogy teljesen hasonló a mérıperemre felírthoz. 3.1.3. Mérıtorok A mérıtorok olyan, a csı tengelyével koncentrikus, tengelyszimmetrikus szőkítı elem, amelynek szelvénye a csıkeresztmetszetrıl a torok-keresztmetszetig folytonos görbe szerint szőkül. A görbének a csıfaltól kiinduló része egy darabon a csıfalra merıleges egyenes is lehet. A mérıtorok szőkülı része hengeres résszel, a torokkal folytatódik. Az MSZ 1709/4. lap „Folyadékáram-mérés, mérés mérıtorokkal” c. szabvány tartalmazna az ISA 1932 fajtájú, valamint a nagysugarú mérıtorok és mérıvezeték olyan méretviszonyait, hidraulikai jellemzıit, amelyeknek betartása mellett felépített mérıberendezéssel hitelesítés nélküli térfogatáram-mérés végezhetı el, Az említett típusú mérıtorkokat már közvetlenül kalibrálták és róluk elegendı számú és minıségő tapasztalati adat áll rendelkezésre, így azok alapján a hasonló alkalmazási esetekre kellı biztonsággal lehet következtetni. Az ISA 1932 fajtájú mérıtorok kialakítását az 53. ábra tünteti fel. Ennél a típusnál a nyomásmérı megcsapolások sarok-megcsapolásúak, amely lehet győrőkamrás és furatos kivitelő.
53. ábra:
Az ISA 1932 fajtájú mérıtorok nyomásmegcsapolásai
47
A térfogatáram meghatározására szolgáló összefüggés:
ahol:
qv = térfogatáram [m3/s] α = átfolyási szám [-] d = a szőkített rész (torok) átmérıje [m] ρsz = a szállított közeg sőrősége [kg/m3] ∆p = statikus nyomáskülönbség (∆p= p1- p2) [N/m2]
Az összefüggésbıl kitőnik, hogy teljesen hasonló a mérıperemre és Venturi-csıre felírthoz. 3.1.4. Ív- és könyökcsövek Az ív- és könyökcsövekkel végezhetı térfogatáram-mérés különösen a kissé szennyezett, pl. öntözıvíz mérésnél nagy jelentıségő. Ennek oka az, hogy adott esetben nem igényel többletberuházást, nem okoz többletveszteséget sem és a hordalékos vagy lebegı uszadékos szennyezettséggel szemben gyakorlatilag érzéketlen. A következıkben röviden ismertetjük az MSZ 269 szabvány elıírásait. Mindezt azonban csupán a térfogatáram-mérésre felhasználandó könyökcsövek elızetes méretezésére szánjuk, és kihangsúlyozzuk, hogy az ív- és könyökcsöveket a helyszínen vagy hasonló áramlási viszonyok között laboratóriumban minden esetben kalibrálni kell. A mérıkönyök elvi vázlatát és a nyomásviszonyok alakulását az 54. ábra tünteti fel.
54. ábra: Mérıkönyök nyomásviszonyai
48
A nyomáskülönbség a könyök elıtt 1 - 1,5 D távolságban kezdıdik és a könyök után hasonló távolságban egyenlítıdik ki. A külsı ívén a nyomás a könyök tengelyvonalának síkjában maximumra nı, majd a könyök utáni csıfalon ismét a statikushoz közelít. A belsı ívén az áramlásnak a könyök falától való elszakadása és a turbulencia következtében a statikus nyomás az elıbbivel ellenkezıleg a könyök tengelyvonalának síkjában minimumra csökken. Majd a könyök utáni jelzett távolságban éri el ismét a statikus nyomást. A térfogatáram és mérımagasság közötti összefüggés:
ahol:
D: a csıvezeték belsı átmérıje [m] k: mérımagasság tényezı [-] h: mérımagasság (nyomáskülönbség) [méter vízoszlop]
A "k" kísérleti tényezı értékét az 55. ábra tünteti fel, a könyökcsövek íveltsége (ε= R/D) függvényében.
55. ábra:
Mérıkönyök mérımagasság tényezıje az íveltség függvényében Ha R/D > 2, akkor "k" értéke számítható is:
A fenti adatok ReD > 5 · 105 esetén érvényesek. Szabványos íves könyökcsövek (R=D+100 mm) térfogatáramának gyors kiszámítását teszi lehetıvé az 56. ábra nomogramja.
49
56. ábra: Szabványos íves könyökcsövek térfogatárama
3.1.5. Pontszerő mérık, szondák A különbözı fajtájú torlócsövek az áramlás egy pontjában kialakuló átlagsebességet mérik úgy, hogy azzal valamilyen összefüggés szerint (általában négyzetes) arányos mérımagasságot állítanak elı. Tekintettel arra, hogy a mérıjelképzés a keresztmetszetnek csupán egy "pontjában" történik, ezeket a mérıjelképzıket folyamatos térfogatáram-mérésre csupán több üzemállapotban végrehajtott kalibrálással ajánljuk. A következı szondák alkalmazását ismertetjük:
– Prandtl-csı, Pitot-csı, – Felületi mérıfej, – Venturi-szonda.
Prandtl-csı, Pitot-csı A szonda szabványos kialakításával és a kialakítást meghatározó hidraulikai tulajdonságokkal a már említett MSZ 1709/2 lap "Folyadékáram-mérés; mérés torlócsıvel" c. szabvány foglalkozik. Mivel a sebességmérı mőszerek között részletesen ismertettük, ezért itt külön nem térünk ki rá. Ezen mőszerek segítségével az áramlási keresztmetszetben átlagsebességet határozunk meg és ezt megszorozva az átáramlási keresztmetszettel, megkapjuk a térfogatáramot:
qv = A · vátl. [m /s]
ahol:
A: az átáramlási keresztmetszet [m] vátl.: az áramlási keresztmetszetben az átlagsebesség [m/s]
50
Felületi mérıfej A felületi mérıfej lényegileg a csıfalra és az áramlás irányára merılegesen beépített torlasztó elem, elıtte és utána elhelyezett nyomásmegcsapolásokkal. A mérıfej hidraulikailag az alábbi összefüggéssel jellemezhetı:
ahol:
qv: térfogatáram [m3/s] K: a csıkeresztmetszet területét is magába foglaló állandó [-] ∆h: a torlasztóelemen létrejövı nyomáskülönbség [vízoszlop mm] n: hatványkitevı, általában 0,5 - 0,55 között változik.
Alkalmazható kialakítását az 57. ábra tünteti fel. A mérıjelképzı anyaga rozsdamentes acél.
57. ábra: A felületi mérıfej alkalmazható kialakítása
51
Venturi-szonda A Venturi-szonda lényegében egy mellékáramkörő nyomásfokozó berendezés. A teljesen kitöltött szelvényő, nagy átmérıjő csıbe kicsiny csıdarabot helyezünk, amelynek belseje a Venturi-csı elve szerint szőkül össze. A szonda belsejébıl két különbözı helyrıl elvezetett statikus nyomás különbsége függ a helyi sebességtıl, illetve a térfogatáramtól. A mérınyomás lényegesen nagyobb, mint az átlagsebességbıl számítható sebességmagasság, annak többszöröse lehet, s a csı végére felhúzott sarkantyú győrővel jelentısen fokozható. Elvi elrendezését és fı méreteit az 58. ábra tünteti fel.
58. ábra: Venturi-szonda elrendezése és fı méretei
A szonda mérımagasságának /h/ és az átlagsebességbıl /v/ számítható sebességmagasság viszonyát az áttételi szám /a/ fejezi ki,
A szonda térfogatáramát ugyanazzal az összefüggéssel adhatjuk meg, mint felületi mérıfej esetében, ahol "n" kitevı értéke 0,5. 3.1.6. Egyéb mérıszőkületek A következıkben olyan mérıszőkületeket mutatunk be röviden, amelyek szintén javasolhatók folyamatos térfogatáram-mérésre.
- Negyedkörös és kúpos mérıtorok - Szegmens mérıperem - "Hengeres oldalszőkítéső" mérıcsı
Negyedkörös és kúpos mérıtorok A negyedkörös mérıtoroknál a szőkítınyílás a belépı oldalon egy 90º-os körívvel le van kerekítve. Kialakítását az 59. ábra tünteti fel.
52
59. ábra: Negyedkörös mérıtorok
A lekerekítés célja a görbület változások helyén bekövetkezı leválás elkerülése, illetve csökkentése, mert ez a keresztmetszetet, s ezzel az átömlési tényezıt csökkenti. Alkalmazása olyan kis ReD -számú áramlások esetén elınyös, amikor a mérés más szőkítınyilással már nem lehetséges. A kúpos mérıtorok kialakítását a 60. ábra tünteti fel.
60. ábra: Kúpos mérıtorok
A negyedköröshöz hasonlóan ez is elsısorban kis ReD -számú áramlások mérésére szolgál, azonos térfogatáramnál azonban nagyobb mérınyomást szolgáltat. Méretezésük a mérıpereméhez hasonlóan történik. A térfogatáram összefüggés segítségével kiszámítjuk m · α, majd α /diagramból/ és végül a szőkítési számból /m/ "d" értékét. Szegmens mérıperem A szegmens mérıperem, mint szőkítınyílás az éles szélő mérıperemhez áll a legközelebb, de attól annyiban különbözik, hogy a szabad nyilas alakja nem a csıátmérıvel koncentrikus kör, hanem a csı köríve és a szőkítınyílás egyenese által határolt körszegmens.
53
Elsısorban szennyezett vizek mérésre alkalmazzák, mert az áramló víz a szilárd részecskéket a csı alján a szőkítınyíláson át is magával tudja sodorni. Öntözıvíz mérésre különösen alkalmas. Kialakítását a 61. ábra tünteti fel.
61. ábra: A szegmens mérıperem
Méretezése a mérıpereméhez hasonlóan történik. Hengeres oldalszőkítéső mérıcsı A szőkítıelem kialakítását a 62. ábra tünteti fel. Legegyszerőbben úgy készíthetı el, hogy egy csıvezetéket két párhuzamos, rá merıleges tengelyő vele megegyezı mérető csıszakaszok behegesztésével leszőkítjük.
62. ábra: Hengeres oldalszőkítéső mérıcsı
Egyszerő kialakítása és a folyadékszennyezıdéssel szembeni érzéketlensége /gyakorlatilag nem akadhat meg elıtte uszadék, vagy hordalék/ miatt javasoljuk öntözıvíz folyamatos mérésére. Adott méretviszonyú (D, a/D) mérıcsı esetében a különbözı térfogatáramhoz tartozó mérımagasság gyors meghatározását teszi lehetıvé a 63. ábra nomogramja.
54
63. ábra:
A mérımagasság számítása adott méretviszony és térfogatáram mellett 3.1.7. Indukciós áramlásmérı Az elektromágneses áramlásmérés elve a Faraday-féle indukciótörvényen alapszik. Ha mágneses térben l hosszúságú vezetıt v sebességgel mozgatunk, a vezetıben Ui feszültség indukálódik:
Ui = B · l · v A mágneses térben mozgó vezetı folyadék is lehet, feltéve, hogy vezetıképessége eléri a mérés érdekében megkívánt minimális értéket. Az indukciós áramlásmérı mőködési elve a 64. ábrán látható.
64. ábra: Az indukciós áramlásmérı mőködési elve
55
A térfogatáramot - figyelembe véve a qv = A · v, ill. az Ui = B · l · v egyenleteket - a következı összefüggés szerint számíthatjuk:
ahol:
Ui: E1 és E2 elektródok között indukálódott feszültség A: mérıcsı belsı keresztmetszete B: mágneses indukció l: E1 és E2 elektródok közötti folyadékszál hossza (D)
Az egyenlet jobboldalának második tényezıje a mérés folyamán állandó, így a térfogatáram feszültségméréssel meghatározható. Gyakorlatban mágnesként váltakozó árammal gerjesztett mágneses teret használunk, ami kiküszöböli az elektrolitikus befolyásokat és váltóáramú jelerısítı alkalmazását teszi lehetıvé. Az alkalmazás során ügyelni kell arra, hogy gáz, levegızárványok vagy szilárd szennyezıdés az elektródokat el ne szigetelhesse. Ez vízszintes síkú elektródapár esetén gyakorlatilag nem következhet be. A mérıcsı elektromosan szigetelı, vegyi agresszivitásnak ellenálló anyagból készül. A fémelektródákat ötvözött nemesfémbıl állítják elı. Az indukciós térfogatáram-mérı elınyei a következık: - Széles méréstartományban alkalmazható a kimenıjel linearitása következtében. Nem okoz nehézséget pl. 0,3 - 10 m/s sebességhatárú tartomány mérése sem. - Hidraulikus energiavesztesége gyakorlatilag nincs. - A pulzációra, a vízsebesség gyors változásaira érzéketlen. - A különbözı szennyezıdésekre szintén érzéketlen. Eltömıdési veszély sehol nem áll fenn, öntözıvíz mérésére gyakorlatilag minden esetben alkalmazható. - Automatizálási feladatokra felhasználható. 3.1.8. Turbinás áramlásmérı A turbinás áramlásmérı a csıben nyomás alatt áramló gáz, vagy folyadék térfogatáramának és mennyiségének a mérésénél jelentıs alkalmazási területet kapott. Gyors elterjedését indokolja, hogy mérési információja elektronikus eszközökkel továbbítható és úgy szabályozási, mint értékelési célokra egyaránt alkalmas. Jelentıs az a tulajdonsága is, hogy igen széles mérési tartományban pontossága megelızi az egyszerősége miatt kiterjedten alkalmazott szőkítı elemes mérıket. A mőszer mőködését tekintve két egységre osztható: 1. Mérıturbina , amely a mérendı mennyiség és a mérı kimenı jele közötti kapcsolat létrehozására szolgál (csıvezetékbe építve). 2. A jelfeldolgozó-egység, amely a mérıturbina kimenıjelét szabályozási vagy értékelési célra átalakítja, illetve kijelzi.
56
Az elektromos jelrendszerő turbinás mérı elvi felépítése látható a 65. ábrán, ahol a mérıturbina a következı fıbb szerkezeti egységekbıl áll: - axiális lapátozási turbinakerék, - a turbinakerék tengelyét tartó sikló- vagy golyós csapágyakkal kialakított csapágybak, - elektromos jeladó, amely egy mágneses tekercsben az elıtte elhaladó turbinalapátoknak vagy a forgótengelyre szerelt fogas koszorú fogainak megfelelı számú elektromos impulzusokat indukál. - Az így keletkezett - turbinakerék forgásával arányos - jeleket a jelfeldolgozó egység digitális vagy analóg információvá alakítja. A mérıturbina, mint azt az ábrán láthatjuk, egy olyan axiális átömléső turbina, amelynek külsı un. hasznos teljesítmény leadása nincs, tehát a járókereket ilyen fékezınyomaték nem terheli, így a lapátokon létrejövı elterelés mértéke is kisebb a szokásosnál. Ez lehetıvé teszi, hogy a mérıturbina mőködése jól megközelíthesse, az áramlástechnikai gépek affinitási tör vényeinek azt a tételét, hogy a járókerék fordulatszáma lineáris összefüggésben van a gépben kialakuló térfogatárammal.
65. ábra: A turbinás áramlásmérı elvi felépítése
Ezek alapján megállapíthatjuk, hogy a turbinakerék fordulatszáma az átáramlott közeg térfogatáramával, egy adott idıtartam alatt megtett fordulatok száma pedig ezen idıben át-áramló térfogattal arányos. Ez a tény teszi a mérıturbinát egyrészt térfogatáram-mérésre, másrészt az átfolyt térfogat mennyiségének számlálására alkalmassá. A térfogatáram és a fordulatszám közötti lineáris függvénykapcsolat, amelyet a késıbbiekben a mérı linearitásának nevezünk, tökéletesen csak az ideális közeggel mőködı súrlódás nélküli mérıturbinában jöhet létre.
ni = ki · Q
57
ahol: ni: a turbinakerék "ideális" fordulatszáma a mérı tökéletes linearitása esetén, ki: az egyenes iránytangense, Q: tényleges térfogatáram.
A valóságos folyadék esetében és a fellépı csapágysúrlódás, valamint résáramlás miatt a turbinakerék az ideálistól eltérıen tényleges fordulatszámmal fog forogni.
n = k · Q ahol:
n: tényleges fordulatszám k: a módosult ponthoz tartozó iránytangens, amely a térfogatáram függvényében változik.
A mérı linearitását jellemzı ni(Q) és a tényleges fordulatszám görbéjét jelentı n(Q) összefüggéseket a 66. ábra szemlélteti.
66. ábra: A mérıturbina fordulatszám jelleggörbéi
Az ábrából következik, hogy a mérı fordulatszámának ∆n eltérése a mért térfogatáramban is egy ∆Q eltérést okoz. A mérés abszolút hibája:
A mérés relatív hibája:
A relatív hiba a fordulatszámokkal is felírható:
Mivel a térfogatáram függvényében az n fordulatszám eltérése az ni értékébıl tendenciaszerően változik. Ennek a változásnak megfelelıen a mérı abszolút és relatív hibája
58
is a térfogatáram függvénye. A mérıturbinák relatív hibájának térfogatáram függését az un. hibagörbén szokásos megadni (67. ábra).
67. ábra: A mérıturbina hibagörbéje
Az ábrán feltüntettük a mérési tartományt, amelyik Qmin -tıl a mérın megengedett Qmax térfogatáramig terjed. A mérési tartományon belül a mérı relatív hibája nem lépheti túl a ± ∆ε -nal megadott hibahatárokat. A mérı hibagörbéjének felrajzolása - az elızı összefüggés értelmében - a mérıturbinán átáramló közeg térfogatáramának és a járókerék fordulatszámának meghatározása útján történhet. Mint az elızıekben ismertettük, a mérıturbina olyan elektromos kimenıjelet szolgáltat, amelynek frekvenciája a turbinakerék fordulatszámával arányos. A kimenıjel frekvenciáját általában digitális frekvenciamérıvel mérik. Térfogatáram-mérés közben mért frekvenciából a következı összefüggés szerint számolhatjuk a térfogatáramot:
ahol:
Q: a mért térfogatáram [m3/s] Qmax : a mérıturbinára jellemzı maximális térfogatáram [m3/s] fmax : a maximális térfogatáramhoz tartozó frekvenciaszám [Hz] f: a mért frekvenciaszám [Hz]
A mérıturbina beépítése Az áramlástechnikai szempontok figyelembevételével, a specifikált pontosság eléréséhez a mérıturbina közvetlen környezetében úgynevezett "mérıszakaszt" kell kialakítani. A mérıszakasz /68. ábra/ áramlásrendezıvel ellátott megelızı egyenes csıszakaszból, a mérıturbinából és a követı egyenes csıszakaszból áll. A megelızı csıszakasz hossza legalább 10 D, a követı csıszakasz hossza legalább 5 D legyen, ahol D a mérıturbina névle-ges átmérıje.
59
Ha a csıvezeték átmérıje nagyobb, mint a mérıturbina névleges átmérıje, akkor a mérıszakasz elıtt szőkítést utána pedig bıvítést kell alkalmazni. A csıvezeték és a mérési szakasz közötti átmenetekhez 7°-os félkúpszögő konfuzort, ill. diffuzort kell beépíteni.
68. ábra: A mérıturbina beépítése
60
3.1.9. Örvénymérı Az örvényleválásos áramlásmérı készülékek folyadékok, gázok és gızök térfogatáramának mérésére, széles nyomás-, hımérséklet- és viszkozitás tartományban alkalmazhatók különbözı ipari technológiákban. Az alkalmazott mérési elv nagy pontosságot biztosít, szinte mindenhová alkalmazható, ahol térfogatáramot vagy átáramló anyagmennyiséget kell mérni, összegezni és kijelezni. Az elektronika frekvencia kimenete lehetıvé teszi, hogy az örvénymérıket számítógéppel, szabályozókkal, illetve adatfeldolgozó berendezésekkel ellátott technológiákhoz is alkalmazhassuk. Mőködés A mérés elvi alapját a „Kármán-féle” örvénysor jelensége képezi. A témával Kármán Tódor magyar fizikus foglalkozott behatóan. Az áramló közbe merülı test körül örvények jönnek létre (69. ábra).
69. ábra: Az örvénymérı elvi mőködése
Vagyis az áramló közegbe helyezett, az áramlás irányára merıleges tengelyő "zavarótest" mögött az örvények váltakozva a test egyik, majd másik oldalán szakadnak le. Kimutatható, hogy az áramlás irányára merıleges "d" méretbıl, a közeg "v" áramlási sebességébıl és az örvényképzıdés "f" frekvenciájából képzett dimenzió nélküli szám, az un. Strouhal-szám állandó:
Az "Sr" értéke 103...105 Re - szám tartományon belül 0,2 és ezt az értéket a nyomás, a hımérséklet és a viszkozitás változása csak elhanyagolható mértékben befolyásolja. Amennyiben a Strouhal-szám állandósága biztosított, akkor a leválási frekvencia egyenes arányban áll az áramlási sebességgel:
61
Hazánkban az MMG gyártja ezeket az áramlásmérıket amerikai licenc alapján delta keresztmetszető zavarótesttel, amely elısegíti az örvények leszakadását és egyben jó ismétlıdési pontosságot biztosít. A leszakadás frekvenciáját termisztorral vagy rezgı lemezekkel érzékeljük. Termisztort alkalmazva érzékelıként a stabil árammal főtött érzékelı az örvények leszakadásának ütemében periodikusan lehől, ezáltal változtatja ellenállását. A változó ellenállás frekvenciája szolgál a további jelfeldolgozás alapjául. A rezgılemezes áramlásmérıknél a mérés alapja, hogy az örvények leszakadása nyomáskülönbséget hoz periodikusan létre a zavarótest két oldala között, a nyomás különbségre érzékeny rezgılemez rezgési frekvenciája arányos lesz a közeg áramlási sebességével. Ezeknél a mechanikus érzékelıknél induktív jeladókat használunk. Felépítés Az örvénymérık az érzékelıt tartalmazó mérıtestbıl és jelfeldolgozó elektronikus egységbıl állnak. A mérı hibagörbéje lát ható a 70. ábrán. Ha a Reynolds-szám 104 értéknél nagyobb, akkor az idıegység alatt leszakadó örvények száma széles tartományban az áramlási sebességgel arányos.
70. ábra: Az örvénymérı hibagörbéje
Ahhoz, hogy az örvényleválást zavaró tényezıket kiküszöböljük, a mérıt úgynevezett elı- és követı csıszakasszal, áramlásrendezıvel kell ellátni. Ezek együttesen alkotják a mérıszakaszt (71. ábra). Az örvénymérıhöz közvetlen kijelzı csatlakoztatható vagy frekvenciamérı. Ha frekvenciát mérünk, akkor a következı összefüggéssel számolhatjuk a térfogatáramot.
ahol:
qv : a mért térfogatáram [m3/s] qmax.: a mérıre jellemzı maximális térfogatáram [m3/s] fmax.: a mérıre jellemzı maximális térfogatáramhoz tartozó frekvencia szám [Hz] f : a mért frekvencia [Hz]
62
71. ábra: Az örvénymérı beépítése
63
3.1.10. Rotaméter A rotaméterek állandó nyomáskülönbséggel mőködı áramlásmérık, mert a mérendı közegnek az érzékelı elemen /lebegıtest/ keletkezett nyomásesése az egész mérési tartományban megközelítıen állandónak nevezhetı. A rotaméter (72. ábra) felfelé kúposán bıvülı csıbıl /l/ áll. Az ebben áramló mérendı közegben szabadon lebeg az úszó /2/. Ez a két alkatrész elegendı az áramlásmérı mőködéséhez.
72. ábra: A rotaméter mőködési vázlata
A leggyakrabban alkalmazott alakú úszót az ábra szemlélteti. Az úszó alul kúpos része hengeresbe megy át, felül ferde bevágásokkal készült peremmel. A bevágások következtében a felfelé áramló közeg az úszót forgásba hozza, ezáltal mérés közben központi helyzetben tartja és megakadályozza, hogy a csı falához súrlódjék, továbbá csökkenti a mőszer érzékenységi küszöbét. Az úszó egyensúlyi helyzetét és ebbıl a térfogatáramot az ábra jelöléseivel a következıképpen fejezhetjük ki. A hidrodinamikus /F1/, hidrosztatikus /F2/ felhajtóerık és a súlyerı /G/ egyensúlya:
ahol:
F1: hidrodinamikus felhajtóerı [N] Cw: az úszó ellenállás tényezıje /alaktényezı/ [-] ρsz: a szállított közeg sőrősége [kg/m3] v: áramlási sebesség [m/s] A0: az úszó legnagyobb keresztmetszete [m2]
64
ahol:
F2: hidrosztatikus felhajtóerı [N] V: az úszó térfogata [m3] ρsz: a szállított közeg sőrősége [kg/m3] g: nehézségi gyorsulás [m/s2]
ahol:
G: súlyerı [N] V: az úszó térfogata [m3] ρúszó: az úszó anyagának sőrősége [kg/m3] g: nehézségi gyorsulás [m/s2]
A rotaméterek fıbb elınyei a következık: - A mutatott érték jól leolvasható. - Ha a térfogatáram növekszik, az úszó emelkedést végez, így az úszó és a kúpos csı fala közötti szabad keresztmetszet nı. Ez jól követhetı és átlátszó csı esetén a csıre mart skálán leolvasható. A skála gyakorlatilag lineárisnak tekinthetı. - Kis térfogatáramok is jól mérhetık. - A nyomásveszteség az egész mérési tartományban közel állandó és kis értékő. - Mérési tartományuk nagy. Qmax / Qmin = 10:1 nagyságrendő általában. - Agresszív folyadékok és gázok is mérhetık. 3.2. Nyílt felszínő csatornákban alkalmazható áramlásmérık 3.2.1. Mérıbukók A folyamatos térfogatáram-mérés legrégebben ismert mőtárgyai a bukógátak, vagy mérıbukók. A bukók a víz átbukása alapján két fı csoportba oszthatók.
- tökéletes átbukású és - tökéletlen átbukású bukók.
A tökéletes átbukás nagyobb szintesést követel meg, de a mérés pontosabb. A kétféle átbukást a 73. ábra szemlélteti.
73.ábra: A víz átbukása a bukókon
65
A következıkben a mérıbukókat az átfolyási nyilas alakja szerint csoportosítjuk: - háromszögszelvényő, Thomson-féle, - négyszögszelvényő, oldal kontrakció nélküli, Bazin-féle, - négyszögszelvényő, oldal kontrakciós, Poncelet-féle, - trapézszelvényő, a Cipoletti-féle.
A 74. ábra a különféle bukó keresztmetszeteket tünteti fel.
74. ábra: Különféle bukó keresztmetszetek
66
Kis térfogatáramok mérésére jól használhatjuk a háromszög keresztmetszető Thomson-féle bukókat. A mérımagasság /h/ ismeretében a következı összefüggéssel számolhatjuk a térfogatáramot:
ahol: qv: a mért térfogatáram [m3/s] µ: vízhozam tényezı [-] g: nehézségi gyorsulás [m/s2] α: a bukó fél nyílásszöge [º] h: mérımagasság [m]
Az összefüggés levezetése a 74. ábra jelölései alapján:
ahol:
A vízhozam tényezı /µ/ értékét a 75. ábrán látható diagramból olvashatjuk le a nyílásszög függvényében.
67
75. ábra: A vízhozam tényezı értékei
Bazin bukóra a térfogatáram összefüggés:
ahol:
µ = 0,645
Poncelet-bukóknál a térfogatáram összefüggés:
ahol:
µ értéke 0,58...0,59 között van. A trapézszelvényő bukók átmenetet jelentenek a háromszög- és négyszögszelvényő bukók között. A Cipoletti bukónál alkalmazható térfogatáram összefüggés:
3.2.2. Forgószárnyas vízsebesség-mérık Ezekkel a mérıkkel térfogatáramot úgy tudunk meghatározni, nyílt felszínő csatornákban, hogy az adott átáramlási keresztmetszetben több helyütt pontszerő sebességet mérünk, és ebbıl v átlagsebességet számolunk, majd ezt megszorozzuk az A átáramlási keresztmetszettel.
A sebesség meghatározására és a mőszer ismertetésére a "sebességmérık" fejezetben már részletesen kitértünk.
68
MÉRÉSEK
69
1. Áramlástani laborgyakorlat
Centrifugál szivattyú jelleggörbéinek felvétele A mérés célja Az örvényszivattyúk fordulatszámának változásával a térfogatáram egyenes, a szállítómagasság pedig négyzetes arányban növekszik. A Q-H jelleggörbe a térfogatáram és a szállítómagasság közötti kapcsolatot mutatja. Ennek megszerkesztéséhez több, különbözı térfogatáramhoz tartozó szállítómagasság értéket kell meghatározni. A mérıberendezés leírása A mérıberendezés vázlata a 76. ábrán látható.
76. ábra: A mérıberendezés vázlata
1. nyomásmérı csatlakozópontok 2. rotaméter 3. fıkapcsoló 4. centrifugál szivattyú 5. folyadéktartály 6. nyomásmérı 7. elzáró szerelvény 8. kézi tolózár
A centrifugál szivattyú egy folyadéktartályból az elıremenı ágba nyomja a folyadékot, ami egy áramlásmérın és egy tolózáron keresztül jut vissza a folyadéktartályba. A szivattyú szívó-és nyomó ága közötti nyomáskülönbséget egy elektronikus kézi differenciálnyomás-mérı készüléken lehet leolvasni. A térfogatáram nagysága a szivattyú fordulatszámának és a tolózár állásának módosításával változtatható.
70
A mérıberendezés üzembe helyezése, és a mérés elıkészítése
• Ellenırizni kell a folyadéktartály töltöttségi szintjét, szükség szerint után kell tölteni. • A szivattyú tápkábelét az elektromos teljesítménymérıbe, majd azt a fali
dugaszolóaljzatba kell csatlakoztatni. • A nyomásmérı készülék csatlakozócsöveit a szivattyú nyomó- és szívó ágában
kialakított legközelebbi csatlakozópontokra kell rákötni. • A nyomásmérı készüléket be kell kapcsolni, és a gyors nyomásváltozások
kijelzésének elkerülésére aktiválni a filter funkciót. • A centrifugál szivattyún a fokozatválasztót a kívánt állásba kell kapcsolni. • A fıkapcsoló elfordításával indítható a szivattyú és a mérés.
A mérés végrehajtása:
• A kézi tolózár segítségével be kell állítani a kívánt térfogatáramot, melynek értéke a rotaméteren ellenırizhetı.
• A kívánt térfogatáram mellett le kell olvasni a szivattyú szállítómagasságát jelzı nyomásértéket, és a szivattyút hajtó motor teljesítményfelvételét.
• Újabb jelleggörbe pont felvételéhez meg kell ismételni az 1. és 2. pontot, egy újabb térfogatáram érték mellett.
A felvett munkapontok alapján megrajzolható a Q-H jelleggörbe. A feljegyzett értékek mellett az emelımagasságot átváltással, a hasznos teljesítményt és a hatásfokot számítással kell meghatározni. A hasznos teljesítmény a térfogatáram, az emelımagasság, a sőrőség, és a nehézségi erıtér nagyságának szorzatából számítható:
gHQPh ⋅ρ⋅⋅= ahol:
Ph: hasznos teljesítmény [W] Q: térfogatáram [m3/s] H: emelımagasság [m] ρ: szállított közeg sőrősége [kg/m3] g: nehézségi gyorsulás [m/s2]
Az összhatásfokon a hasznos teljesítmény és a centrifugál szivattyú által felvett villamos teljesítmény hányadosát értjük:
f
hö P
P=η
ahol: ηö: összhatásfok [%] Ph: hasznos teljesítmény [W] Pf: felvett villamos teljesítmény [W]
Ez a mutató magába foglalja a szivattyú és az annak meghajtását biztosító villamos motor hatásfokát is. A fizikai mennyiségek mérıszámát az SI mértékegységrendszer szerint kell megadni!
71
A mérési jegyzıkönyv az alábbi tartalmi követelményeknek feleljen meg: 1. A mérés céljának összefoglalása. 2. A mérés lebonyolításának körülményei, a mérési beállítások feltüntetése. 3. A mért értékek prezentálása rendezett formában. 4. A Q-H jelleggörbe, a felvett- és hasznos teljesítmény valamint a hatásfok
megrajzolása milliméterpapíron. A mérési jegyzıkönyvet A4 mérető lapokon kell elkészíteni. A címlapon fel kell tüntetni a mérés és a kiértékelés megnevezését, valamint a jegyzıkönyv készítıjének nevét és NEPTUN kódját. A munkapontok felvételéhez, a számított értékek táblázatba foglalásához és a jelleggörbe megrajzolásához (3.-4. pont) használható az utolsó oldalon mellékelt munkalap. A lapokat össze kell tőzni, beadási határidı a mérést követı 2. hét!
MÉRÉSI MUNKALAP
Mért értékek Számított értékek
No. Q [l/h] ∆p[mbar] Pf [W] H [m] P h [W] ηö [%]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
72
2. Áramlástani laborgyakorlat
Radiális ventilátor jelleggörbéinek felvétele
A mérés célja A mérés célja egy radiális ventilátor jellemzıinek, vagyis a térfogatáramnak (qv), az össznyomás növekedésnek (∆pö), a statikus nyomásnövekedésnek (∆pst), a felvett teljesítménynek (Pf), a hasznos teljesítménynek (Ph) és a motor-ventilátor gépcsoport hatásfokának (ηMV) a felvétele. A jelleggörbék felvétele állandó fordulatszámon történik. Ez a következı függvénykapcsolatok meghatározását jelenti:
∆pö = f(qv) - az össznyomás növekedés, ∆pst = f(qv) - a statikus nyomásnövekedés, Pf = f(qv) - a felvett teljesítmény, Ph = f(qv) - a hasznos teljesítmény és ηMV = f(qv) - a motor-ventilátor gépcsoport hatásfoka a térfogatáram függvényében.
A mérıberendezés leírása A mérıberendezés vázlata a 77. ábrán látható:
77. ábra: A mérıberendezés vázlata
1. U-csöves manométer 2. Kijelzı- és kezelıegység 3. Csöves manométer
4. Ferdecsöves manométer 5. Radiális ventilátor és meghajtómotor 6. Nyomócsı 7. Írisz blende 8. Venturi-csı 9. Fojtószelep
73
A mérendı gép egy hátrahajló lapátozású, radiális átömléső ventilátor. A hajtógép egyfázisú aszinkron motor. A ventilátor a szabadból szív, a nyomóoldalon egy egyenes hengeres csıszakasz kapcsolódik a ventilátorhoz. A térfogatáram mérésére a nyomócsıbe épített Venturi-csı vagy Írisz blende szolgál. A kiválasztott mérıeszköz által létesített nyomáskülönbséget csöves manométerrel, illetve ferde csöves, vízzel töltött manométerrel mérjük. A ventilátor fordulatszáma a kezelıegységen található potméterrel állítható be, a munkapont beállításához a nyomócsıbe épített fojtószelep használható. A mérıberendezés üzembe helyezése, és a mérés elıkészítése
• A mérıpad tápkábelét a fali dugaszolóaljzatba kell csatlakoztatni. • A használni kívánt térfogatáram mérı készülék csatlakozócsöveit össze kell kötni a
csöves manométerrel. • A ventilátor a fıkapcsolóval indítható. • A kezelıpanelen található potméterrel beállítható a ventilátor fordulatszáma.
A mérés végrehajtása Az elsı munkapont felvételéhez a fojtószelepet teljesen ki kell nyitni. Ekkor rögzíteni kell a mért paramétereket, amelyek a következık:
- ∆pst: statikus nyomásnövekedés [Pa] - ∆p : nyomáskülönbség az írisz blendén [Pa] - k : az Írisz blende kalibrációs állandója [-] - Pf : a villamos motor által felvett teljesítmény [W]
Ezt követıen a fojtószelep fokozatos zárásával további munkapontokat állítunk be, és rögzítjük az elızıekben felsorolt paramétereket. A vizsgálatot a nyomóvezeték teljes zárásáig folytatjuk. A mérési adatok kiértékelése
Térfogatáram: pkqv ∆⋅=
[dm3/s]
Átlagsebesség a nyomóvezetékben: 1000A
qv v
⋅=
[m/s]
Nyomóvezeték keresztmetszete: 4
DA
2 π⋅= [m2] ; D=0,1m
Dinamikus nyomás: 2.lev
d v2
p ⋅ρ= [Pa] ; ρlev=1,2 kg/m3
Össznyomás növekedés: dstö ppp +∆=∆ [Pa]
Hasznos teljesítmény: 1000
pqP öv
h∆⋅= [W]
74
Motor-ventilátor gépcsoport hatásfoka: 100P
P
f
hMV ⋅=η [%]
Tartalmi és formai követelmények A mérési jegyzıkönyvet az alábbi tartalmi követelményeknek megfelelıen kell elkészíteni:
1. Borítólapon a mérés megnevezése, idıpontja és helye, a jegyzıkönyv készítıjének neve és NEPTUN kódja.
2. A mérés céljának összefoglalása. 3. A mérıeszköz megnevezése és ismertetése. 4. A mért és számított értékek prezentálása rendezett formában. 5. Jelleggörbék megrajzolása milliméterpapíron.
Mért értékek Számított értékek
No. ∆pst
[Pa] ∆p
[Pa] k Pf [W]
qv [dm3/s]
v [m/s]
pd [Pa]
∆pö
[Pa] Ph
[W] ηMV [%]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
75
PÉLDÁK
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
IRODALOM
[1]. Dr. Bobok Elemér: Áramlástan bányamérnököknek; Mőszaki Könyvkiadó, Budapest, 1987
[2]. Dr. Gruber József-Dr. Blahó Miklós: Folyadékok mechanikája Tankönyvkiadó, 1973. [3]. Hegel I.-Füredi G.-Szlivka F.:Áramlástani mérések Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1993. [4] Dr.Lajos Tamás: Áramlástan alapjai Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1994. [5]. L.D.Landau,E.M.Lifsic: Elméleti fizika VI. Hidrodinamika;
Tankönyvkiadó, Budapest, 1980. [6]. Nyúli, Gy.-Vincze, Gy.: Áramlástan GATE, Gödöllı, 1987. [7]. Dr. Sassy László-Dr. Török Sándor: Áramlástani mérések Gödöllı, 1983. [8]. Dr. Szlivka Ferenc: Áramlástan Gödöllı, 1999. [9]. Dr. Szlivka Ferenc: Áramlástan energetikai fıiskolások számára Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1996. [10]. Dr. Szlivka F.-Dr. Bencze F.-Kristóf G.: Áramlástan példatár Mőegyetemi Kiadó, Budapest, 1998. [11]. Dr. Sitkei György: Gyakorlati áramlástan; Mezıgazdasági Szaktudás Kiadó,
Budapest, 1997.
