1.0. MJERENJE BRZINE STRUJANJA FLUIDA

Mjerenje brzine strujanja fluida provodi se u praksi i znanosti na razliitim mjestima i za razliite potrebe. Najee se mjerenjem brzine strujanja (prosjene brzine strujanja) posredno odreuje volumetrijski ili maseni protok fluida kroz cijevi ili kanale. Odreivanje brzine strujanja fluida izvodi se posredno preko mjerenja nekih drugih fizikalnih veliina kao to su: vrijeme potrebno da se pree put poznate duljine, dinamiki tlak struje fluida, razlika tlaka prije i poslije mjerne blende, promjena struje ili otpora kao funkcije promjene temperature osjetnog elementa koja ovisi o brzini strujanja (anemometar s toplom niti). Ovisno o namjeni mjerenja potrebno je odabrati prikladnu metodu, kojom se moe provesti mjerenje na najjednostavniji nain, a da rezultati mjerenja budu dovoljno toni.

1.1. METODE MJERENJA BRZINE STRUJANJA FLUIDA

Najei naini odreivanja brzine strujanja fluida su slijedei: Mjernom blendom Mjernom sapnicom Venturijevom sapnicom Pitot-Prandtlovom cijevi Krilnim anemometrom Mjerenje brzine strujanja anemometrom s toplom icom Mjerenje brzine strujanja ultrazvukom Mjerenje brzine strujanja laser-Doppler anemometrom

Postoje i druge metode kojima se moe odrediti brzina strujanja fluida, ali koje prvenstveno slue za mjerenje volumetrijskog i masenog protoka. Openito se moe rei da su mjerenja brzina strujanja fluida i odreivanje volumnog ili masenog protoka vrlo usko povezana tj. da se jedni iz drugih mogu meusobno odrediti.

1.1.1. Mjerenje brzine strujanja anemometrom s toplom niti Vrlo pogodan nain mjerenja brzine fluida, bilo da se radi o tekuini ili plinu, je mjerenje brzine fluida anemometrom s toplom niti (hot-wire anemometer) ili toplim filmom (hot-film anemometer). Osobita prednost ove metode mjerenja je u visokoj tonosti kao i mogunosti odreivanja profila brzine fluida po presjeku strujne cijevi. Zbog toga je ovo najvie koritena metoda mjerenja pri analizi polja brzina u strujanjima plinova i tekuina, te osobito prilikom odreivanja malih fluktuacija brzine strujanja.

Najznaajnije prednosti anemometra s toplom niti i toplim filmom su:

male dimenzije osjetnika i vrlo mali utjecaj na tok fluida, brzi odziv osjetnika, tj. brzo reagiranje na promjene mjerne veliine zahvaljujui maloj masi samog osjetnog tijela, visoka osjetljivost sustava koja moe pratiti vrlo male fluktuacije brzine.

Princip mjerenja brzine anemometrom s toplom nitiw

Tanka nit poloena u struju fluida zagrijava se elektrinim putem. Zagrijana nit odaje odreenu koliinu topline koja se moe opisati ukupnim toplinskim tokom, dok brzina struje fluida utjee na toplinu izmjenjenu konvekcijom izmeu osjetnika i fluida. Mjerei ovaj toplinski tok (posredno preko elektrinog otpora i jakosti struje) moe se odediti brzina fluida.Pri tome vrijedi slijedei izraz za toplinski tok izraen preko razlike temperatura i brzine fluida

gdje su:q ukupni toplinski tok sa osjetne niti na struju fluidaTw temperatura zagrijane nitiT temperatura struje fluida podalje od mjesta mjerenjav brzina fluidaa,b konstante dobivene kalibracijom ureaja

Ovaj toplinski tok izraen preko otpora niti i jakosti struje iznosi

gdje je:q ukupni toplinski tok sa osjetne niti na struju fluidaI jakost elektrine struje kroz osjetnu nitRw elektrini otpor niti na temperaturi TwR0 elektrini otpor niti na referentnoj temperaturi T0 q temperaturni koeficijent otpora niti

Definirane su funkcijske ovisnosti sljedeih veliina:

q = f 1 (v) I = f 2 (q, Rw ) U = f 3 ( I , Rw)

Na osnovi ovih ovisnosti moe se, uz poznat otpor osjetnika, dobiti ovisnost brzine i napona osjetnika:

U = f (v)

Sustav za anemometriranje DISA 55M, proizvoaa DISA ELEKTRONIK Herlev, Danska, pogodan je za mjerenje brzine strujanja fluida, kao i za praenje fluktuacija tih brzina. Sustav omoguuje mjerenje brzine strujanja principom anemometra s toplom niti i toplim filmom. Standardni sklop ureaja prikazan je na sl. 12.17.

Slika 1- Sustav DISA 55M

Sustav DISA 55 moe koristiti velik broj razliitih sondi koje su prilagoene tipu, brzini i temperaturi fluida te geometriji prostora u kojem se mjeri strujanje. Sve sonde mogu se podijeliti u osnovna dva tipa:

sonde s cilindrinim osjetnikom sonde s necilindrinim osjetnikom.

U osnovi svaka sonda za anemometriranje toplim osjetnikom sastoji se od sljedeih osnovnih dijelova: osjetnika, draa osjetnika, tijela sonde i elektrinih prikljuaka. Osjetnik sonde moe biti ili tanka ica ili tanki metalni film poloen na podlogu. Dok su osjetnici od ice uvijek izvedeni kao cilindrini, osjetnici od tankog metalnog filma mogu biti cilindrini i necilindrini.

Osjetnici u obliku niti (ice)Osjetnici u obliku niti, na DISA sondama, obino su izraeni od volframove ice promjera 5 m presvuene platinom sl. 12.21. Za specijalne primjene upotrebljavaju se ice od platine promjera 1 m (za mjerenje temperature) i platina-rodij ice promjera 10 m (za rad na visokim okolinim temperaturama). ica je razapeta i zavarena izmeu dva draa. Aktivna duljina ianog osjetnika ovisi o izvedbi, a moe biti izmeu 0,4mm i 2,2 mm.

Slika 2: Osjetnici u obliku ice

1.1.2. MJERILA PROTOKA S TURBINOMSastoje se od rotora (turbine) s dvije ili vie lopatica, koji se uslijed protoka fluida okree kutnom brzinom linearno proporcionalnom brzini protjecanja.Lopatice rotora su od feromagnetskog materijala. Kada lopatica prolazi ispod permanentnog magneta dolazi do promjene magnetskog toka te se u zavojnici inducira napon:

pri emu je n broj okretaja turbine a m broj lopatica.Q= KfK= konstanta koju specificira proizvoa

Slika 3: Mjerilo protoka sa turbinomPostoji i izvedba mjerila protoka s turbinom kod koje su permanentni magneti ugraeni u lopatice rotora, a u statoru se nalazi samo namot. Pri mjerenju plinova i prozirnih tekuina koriste se i optiko mjerenje kutne brzine rotora.

Slika 4: Izvedba sa magnetima ugraenim u lopatice rotora

Ka Karakteristike mjerila protoka s turbinom: linearnost i tonost 0.05% do 0.1% maksimalnog protoka - esto se koriste kao sekundarni etaloni za kalibraciju drugih mjerila protoka dobre dinamike karakteristike vremenska konstanta od 2 ms do 10 ms irok raspon protoka, od 0.1 dm3/s do preko 1000 dm3/s dinamika 10:1 pri maksimalnom protoku stalni gubitak tlaka moe iznositi i preko 30 kPa

1.1.3. Mjerenje brzine strujanja ultrazvukom Dopler efekt

Ultrazvuk je zvuk ija frekvencija iznosi vie od 20 kHz. Valne duljine ultrazvunih valova iznose 0.5 10 -6 m do 1,5 10 6 m. Ultrazvuni valovi mogu se dobiti pomou specijalnih ureaja , nazvanih generatorima ultrazvuka, a moe se koristiti i za mjerenje protoka tekuina. Kod mjerenja ultrazvukom najbolje rezultate dobijemo za mjerenjemedija konstantne gustoe.Dopplerov efekt:

Slika 5: Prikaz Doplerovog efektaIzvor koji emitira frekvenciju kree se Izvor koji emitira frekvenciju kree prema promatrau, valna duljina se se od promatraa, valna duljina se smanjuje,frekvencija se poveava, poveava, frekvencija se smanjuje, promatra vidi plavu boju promatra vidi crvenu boju

U odreenom mediju i pod odreenim uvjetima brzina irenja zvuka je konstantna. Akose nosei fluid kree, tada se, u ovisnosti o smjeru irenja zvuka, njegova brzinapoveava ili smanjuje za vrijednost brzine kretanja tog fluida. Na isti je nain ifrekvencija zvuka, mjerena pomou detektora zvuka, funkcija kretanja noseeg fluida (Dopplerov efekt).

Koristi se kada u tekuini ima estica (ili mjehuria) od kojih se ultrazvuk moe reflektirati. Primjer: neinvazivno mjerenje protoka krvi u ilama.Karakteristike mjerila protoka s Dopplerovim efektom:- na rad utjee koncentracija i veliina estica kao i raspodjela brzine fluida po presjeku cijevi.- tonost: 5%1.1.4. Opis naina rada LDA (laser- Doppler) Laser-Doppler anemometrom mjeri se brzina strujanja fluida u mjernom volumenu (mjernoj toki) u jednom trenutku, tj odreuje se trenutna brzina fluida u jednoj toki. Ovim nainom mjerenja brzine struje fluida ne ometamo tok struje fluida kao to je sluaj npr. mjernom blendom ili s Pitot cijevi. LDA prua mogunosti mjerenja i daje precizne rezultate u nestacionarnom i turbulentnom reimu strujanja fluida. Nedostatak je da se LDA-om mogu mjeriti brzine strujanja samo transparentnih medija za zrake laserskog svjetla, kao i injenica da ne daje kontinuirani mjerni signal izmjerene brzine.

Slika 6:Shema LDA sa osnovnim elementima

Jednokomponentni sustav s dvije laserske zrake mjeri jednu komponentu brzine, a dvije laserske zrake su istig intenziteta. Iz lasera zraka pada na polurefleksni razdjelnik svjetlosne zrake (Beam spliter) i na njemu se zraka dijeli na dvije zrake tako to dio svjetlosti prolazi kroz razdjelnik, a dio se reflektira na na zrcalo (mirror) i usmjerava na leu (sending lens) koja zrake svjetlosti fokusira u mjerni volumen. Iz mjernog volumena dio svetlosti se raspruje i preko sabirne lee (reciving lens) i fokusira u fotodetektoru. Mjerenje brzine strujanja fluida deava se unutar podruja mjernog volumena. Unutar podruja mjernog volumena gdje se sijeku dvije laserske zrake svijetlosti, pojavljuju se svijetle i tamne pruge interferencije.Samo mjerenje brzine strujanja vri se tako da sitne estice noene strujom fluida iju brzinu mjerimo prolaze kroz svijetle i tamne pruge u mjernom volumenu i dio svijetlosti raspruju preko sabirne lee na fotodetektor. Frekvencija rasprivanja svijetla koje preko sabirne lee pada na fotodetektor proporcionalna je brzini strujanja fluida unutar mjernog volumena.

10