APARATE DE MASURA SI CONTROL

Proiect

Profesor coordonator : Chiliban Marius

Masurarea vitezei fluidelor

Introducere

Viteza particulei de fluid se defineste ca limita raportului intre deplasarea unuei particule de fluid si intervalul corespunzator de timp atunci cand acest interval tinde spre zero.Deoarece viteza fluidului pate sa varieze in spatiu si timp pot fi definite si alte masuri ale vitezei, precum viteza medie, etc.

In procesul de masura a vitezei fluidelor apar aceleasi deziderate majore ca si la masurarea presiunii fluidelor si anume:

-precizie -minima perturbarea a fenomenului prin prezenta -calitati dinamice ale sistemului de masurare -rezolutie spatiala la senzor -compromis acceptabil tehnico-economic(pret

acceptabil la tehnica satisfacatoare).

a)Instrumente directe de masurare a vitezei

1)Trasori macroscopici-In ipoteza ca trasorul introdus in curentul fluid se misca identic cu fluidul adiacent se folosesc drept trasori macroscopici, solizi, corpuri simple precum: Plutitori,prajini sau paravane mobile

Trasorii macroscopici se utilizeaza pe rauri si canale, in general la curenti lichizi la suprafata libera.

2)Trasori microscopici- Se prezinta sub forma unor indicatori optici, electrici, chimici si radioactivi respectiv de exemplu sub forma unor coloranti, solutii saline, bule de gaz si substante radioactive.

Locul de utilizare este orice retea hidraulica sa pneumatica, in conducte si canale

3)Vitezometre cu ultrasunete-Instrumentul se bazeaza pe emisia si receptia unor ultrasunete in curentul fluid.Se utilizeaza doua posturi de emisie –receptie la distanta apreciabila de-a lungul unei conducte in care curge un fluid.

Cronometrarea duratelor necesare semnalelor ultrasonore de a parcurge in ambele sensuri distante cunoscuta intre posturi este suficienta pentru determinarea vitezei curentului fluid .

b)Aparate cu rotor pt masurarea vitezei

Aparatele de masurare a vitezei curentilor fluizi cu rotor sunt de fapt microturbine ce exploateaza dependenta intre viteza curentului si turatia rotorului la turbomasini.

Aceste aparate de masura determina viteza medie corespunzatoare ariei transversale masurate de rotor.

Aparatele cu rotor pentru gaz se numesc anemometre si cele pentru lichide moristi hidraulice

c)Sondele de viteza

Sonda de viteza este un aparat de masura format dintr-un tub de viteza(canula), racorduri flexibile si unul sau mai multe piezometre.

Tipuri constructive de tuburi de viteza:

-Tubul Pitot-Prandtl-Tubul Fuhrman-Tubul cilindric

Sonda de viteza Pitot-Prandtl

-Tubul Pitot-Prandtl este in forma de L cu capul emisferic si sectiune transversala circulara si ovala.

-Masoara viteza fluidelor de la viteze mici (0,1 m\s) pana la viteze sonice, chiar si supersonice =3, la gaze -Aceasta are o precizie de 2,5% eroare relativa. -Sondele au calitati dinamice slabe, sunt aparate de masura utile in regimuri stationare sau pt viteze medii. -Periodic se verifica etansarea tubului Pitot-Prandtl la suprapresiune.De obicei 2 bar

CALCULUL VITEZEI CU SONDE PITOT-PRANDTL:

Aceasta se face in:

1).Lichide( fluidele incompresibile )

Conform fig. de mai sus daca se introduce presiunea dinamica , ca diferenta intre presiunea totala si statica intr-un punct , rezultand viteza curentului de lichid. Se observa ca pentru masurarea vitezei curentului fluid incompresibil este suficient un singur piezometru . Daca capatul tubului Pitot-Prandtl nu are forma emisferica se introduce un coeficient de corectie.

2).Gaze (fludie compresibile): Pentru masurarea vitezei in acest caz avem nevoie de cele 2 piezometre conform fig. prezentate mai sus. Uneori este convenabil a calcula viteza unui gaz cu reactia amendata de o corectie si montajul stabilite pentru lichid (fluid incompresibil) .

Calculul vitezei cu sonda sferica: Sonda sferica are un tub cu cap sferic cu 5 orificii legate de 5 piezometre. Aceasta permite determinarea directiei sensului si valorii vitezei curentului fluid, intr-un punct. Pentru masurare orificiile capului sferic trebuiesc orientate aproximativ pe directia curentului si in sens opus, conform fig. de mai jos:

Miscarea reala a fluidului in jurul capului sferic al cubului sondei se poate modela printr-un curent fluid potential. Miscarea potentiala se genereaza prin suprapunerea unei translatii peste un dipol spatial conform urmatoarei figuri, viteza obtinandu-se in urmatoarea forma:

Sonda Pitot-Prandtl in curent turbulent:

Calculul vitezei curentului fluid incompresibil se aplica cu buna aproximatie curentilor fluizi reali. Daca in regim laminar doar neglijarea pierderilor hidraulice (disipatii) ar putea fi invocata in curent turbulent se adauga si regimul de miscare local stationar.

Incertitudini si erori in masurarea vitezei cu sonda Pitot-Prandtl:

Erori de aliniere Erori de turbulenta Erori de perete Erori datorita geometriei orificiilor de presiune Erori datorita geometriei capului sondei Erori datorita suportilor Erori datorita dimensiunilor tubului

Termoanemometrele Sunt aparate de masura a vitezei curentiilor de

fluid bazate pe debitul cantitatii de caldura disipata (putere calorica pierduta ) de catre un element sensibil (senzorul) a carui temperatura este realizata din rezistenta sa electrica.

Au excelente calitati dinamice, iar senzorul se poate realiza miniatural si foarte sensibil. Acestea, masoara vitezele instantanee locale si fluctuatiile de viteza.

Termoanemometrele se compun din traductori

mecano-electrici (sonda cu sensor cu fir, fibra sau folie) , blocuri de prelucrare electronica a semnalului (punti,amplificatoare,adaptoare,liniarizatoare,corelatoare,analizatoare de frecventa, etc. ) si dispositive de afisaj si inregistrare a rezultatelor.

Sondele termoanemometre

Se compun din senzori, support, corp si conexiuni.Clasificarea sondelor termoanemometrice se poate face in raport cu tipul constructive in : Sonde cu fir cald, cu fibra si cu folie .

Se constata ca sondele termoanemometre sunt predispose derivei. Termoanemometrele au banda de frecvente pana la MHz pentru viteza si KHz pentru temperature.

Senzorul termoanemometric Senzorul termoanemometric sub forma de fir sau

folie este de dimensiuni reduse, cu timp de raspuns scurt si sensibilitate ridicata. Senzorul perturba foarte putin curentul fluid.

Caracteristiciile senzorilor cu fir cald :

Rezistenta electrica a firului rece : R =3,5 Ω Rezistenta electrica a firului cald : R = 7 Ω Orientarea obijnuita a firului: transversala si

vertical Numarul Reynolds = 30 Numarul Nusselt = 2

Calitati cerute firului senzorului termoanemometric

Rezistenta mecanica Coeficient ridicat de variatie a rezistentei sau

rezistivitaii cu temperature Greu oxidabil Sudabil sau lipibil Tehnologia de executie a senzorilor

termoanemometrici se face prin :

Trefilare pentru fire Gravare pentru folii Stropire pe fibre

Surse de erori si incertitudini Surse de erori si incertitudini in procesul de masurare

cu termoanemometrele sunt urmatoarele :

Neuniformitatea temperaturii si vitezei la capetele firului in general al senzorului termoanemometrului

Senzorul, firul sau folia se modifica geometric si metalografic in timp

Firul si folia se polueaza in functionare ( cu praf, ulei, noroi, particule solide, bule de gaz, etc. )

Variatiile rapide ale vectorului fluctuatilor turbulente ale curentului fluid din jurul senzorului

Modificarea apreciabila a directiei curentului.

Protectii si remedii

Fata de aceste surse de erori si incertitudini :

Calibrare si etalonare periodicaDepoluare prin baie ultrasonic a senzorului dublata de o

atenta filtrare a fluiduluiProtectia prin curatirea senzoruluiCalibrare dinamicaIntroducerea coeficientiilor de corectie pentru sensibilitatea

spatial. Moduri de functionare a termoanemometrelor Constructiv si principal, exista doua moduri de functionare a

termoanemometrelor :

Cu intensitate constantaCu temperature constanta

Masurarea vitezei efective a curentului fluid turbulent

a.) Firul senzorului termoanemometrului perpendicular pe viteza medie

La masuratori in curenti turbulenti toti termeni de ordinul al treilea se pot neglija daca turbulenta este foarte mica ,chiar si termenii de ordinul al doilea se pot neglija.

b.) Firul senzorului termoanemometrului este inclinat fata de viteza medie

c.) Masurarea fluctuatiilor turbulenteSe presupune ca un curent turbulent se poate descrie cu ajutorul vitezei

medii v^ si fluctuatiilor u`, v` si w` si ca toate fluctuatiile sunt mici comparativ fata de v^.In concluzie, pentru masuratori precise sunt necesare la fluctuatiile de viteza trei citiri simultane. Daca v`/v^<<1 se poate lua in considerare termenul ce il contine pe v`.

Daca in procesul de masurare se foloseste un termoanemometru cu un singur fir semnalele nu pot aparea simultan si este necesar folosirea valorilor medii ale patratelor lor.d.) Determinarea directiei curentului fluid

Se presupune ca directia v a curentului fluid foemeaza un unghi alfa cu axa sondei. Senzorul termoanemometrul este plasat in planul (u, w).In loc de a roti sonda termoanemometrica in jurul axei, o sonda cu firul in X sau V se poate utiliza pozitionand firele in planul (u,w). Acum este important ca SI = SII .e.) Corelatii si scari de lungime

Prelucrarea masuratorilor unor procese aleatoare sunt prezentate in cap. 9. Aici se vor utiliza elemente de analiza corelationala, din acest capitol particularizate la functiile de viteza. Daca doua semnale de tensiune electrica , U`a(u`i) si U`b(u`j), exista simultan fiecare reprezentand viteza u`, la pozitia sau momentul A exista posibilitatea de a corela aceste semnale.

ANEMOMETRELE CU LASER (AL)

Masurarea vitezei cu anemometrul cu laser prin efect Doppler se bazeaza pe

detectarea modificarii frecventei unei raze laser, care a fost difuzata de micile

particule dintr-un fluid care se deplaseaza odata cu fluidul. Metoda masurari cu laser

este de data relativ recenta.

Avantajele utilizarii anemometrelor cu laser:

-masurare nedistructiva-aparat neperturbant-precizie de masurare este de ordinul 0,1%-calitatile dinamice excelente

Dezavantaje anemometrelor cu laser:

-intensitate slaba a luminii difuzate face ca semnalul util sa fie afectat de mult zgomot si sa fie dificil de analizat-sensibilitate marita la vibratii a echipamentului optic

-necesitatea unor pereti solizi si medii fluide transparente.

Instalatii optice al Anemometrelor cu laser

Corespunzator celor 3 scheme optice de baza exista si relatii optice ale AL deosebite conform fig. alaturate . Instalatia optica cea mai folosita este cea a anemometrelor cu laser cu raze duale , adica cu difuzie inainte respectiv inapoi.

Particule difuzate

Particulele difuzate sunt sursa de baza a semnalelor Doppler. Dimensiunile particulelor sunt cuprinse intre 0,1-10 µm. Caracteristicile particulelor:-raportul semnal/zgomot pe care il produce sa fie mare-densitatea particulei apropiate de densitatea fluidului-suprafata difuzata mare-proprietati uniforme si concetratie controlabila-pret de cost acceptabil.

Va multumim!

Anul III TDDH-532

Studentii: Sasu Horea Moldovan Vasile Claudiu Moldovan Oliviu Matei Bucsa Ioan Stroia Alexandru

Anul Universitar 2011-2012