Download pdf - Merenje protoka fluida

Transcript

Predmet: Merna tehnika SEMINARSKI RAD

MERENJE PROTOKA FLUIDA

Mentor: Prof. dr. Tomislav Petrovi Student: Ivan Stankovi, 230/08 Ni, jun 2011

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

SADRAJ:1. Uvod...............................................................................................................................3 2. Osnovni pojmovi i veliine u merenju protoka...............................................................3 2.1 Merai potisnute zapremine fluida...........................................................................5 2.2 Merai protoka koji rade na principu prenosa kinetike energije fluida ............9 1.3Merai protoka zasnovani na merenju pada pritiska................................................9 1.4Merai protoka zasnovani na merenju sile otpora .................................................14 1.5Noviji ureaji za merenje protoka............................................................................16 1.6Merenje masenog protoka......................................................................................18 3. Merai masenog protoka.............................................................................................19 3.1 Merai masenog protoka vrstih materijala ..........................................................19 3.2 Merai masenog protoka tenosti .........................................................................19 4. Konstrukcija i eksploatacija senzora protoka..............................................................20 5. Zakljuak......................................................................................................................21 6. Literatura......................................................................................................................22

2/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

1. UvodProblemi merenja protoka fluida javljaju se u mnogim granama tehnike,kao to je procesna industrija, snadbevanje vodom ili odvoenje otpadnih voda, kao i u mnogim drugim oblastima.Fluidi, iji se protok ili brzina meri, mogu biti gasovi, tenosti ili tenosti pomeane sa vrstim sastojcima. U industriji, pretvarai i instrumenti za merenje protoka predstavljaju najee sastavne delove regulatora procesaili pripadaju sistemima za automatsko upravljanje pomou raunara. U oblastisnadbevanja vodom (pijaom, za navodnjavanje, odvoenje otpadnihvoda...), tenim ili gasovitim gorivima, merai protoka predstavljaju osnovne delove brojila, kojim se meri protekla koliina fluida. S obzirom da se radi oupravljanju u zahtevnoj procesnoj industriji i/ili naplati velikih novanih iznosa,jasno je da se od meraa protoka zahteva vrlo velika tanost i pouzdanost.

2. Osnovni pojmovi i veliine u merenju protokaProtok je koliina fluida, koja protekne kroz posmatrani popreni presek za jedinicu vremena. Prema tome da li se koliina fluida izraava preko zapremine ili mase razlikujemo: zapreminski protok:

gde je Qv zapreminski protok, V zapremina proteklog fluida, d()/dt oznaava totalni diferencijal funkcije () po vremenu. maseni protok:

gde je Qm maseni protok, m masa proteklog fluida, d()/dt oznaava totalni diferencijal funkcije () po vremenu. Prirodniji je maseni protok jer opisuje stvarnu koliinu materije u kretanju. Zapreminski protok zavisi od gustine, pritiska, temperature materije, te od lokalne gravitacije. Koliina fluida koja je protekla kroz mera protoka (protokomer) u vremenskom intervalu [t1,t2], dobija se integracijom izraza za zapreminski odnosno maseni protok (Qv, Qm respektivno).

3/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Maseni i zapreminski protok su vezani relacijom:

gde je sa obeleena gustina (specifina masa) fluida. Ova jednaina je osnovna pri zapreminskom merenju protoka. Odnos protoka i brzine proizilazi iz zakona odranja mase, a izraen je poznatom jednainom kontinuiteta:

gde je v srednja brzine u posmatranom poprenom preseku, a sa XS je obeleen povrinski integral po posmatranom poprenom preseku. Ova jednaina je osnovna pri brzinskom merenju protoka. Protok gasova. Merenje protoka gasova zavisi od njihove temperature I pritiska. Zato se protok gasova izraava u odnosu na normalno stanje gasova, koje je definisano pritiskom pn=101325 Pa i temperaturom T=293,15 K pri relativnoj vlanosti =0 % tako da je:

gde se sa koeficijentom k koriguje neidelanost gasova pri velikim pritiscima, a T je temperatura merenog gasa. Osetni elementi za merenje protoka se zasnivaju na nekoliko osnovnih principa. To su: - merenje potisnute zapremina (F) - konverzija kinetike energije u energiju pritiska ili u potisak (F) - merenje koliine kretanja i momenta koliine kretanja (F, Fm) - merenje srednje brzine ili integrala lokalnih brzina (F) - korienje toplotnog bilansa (Fm) - korienje materijalnog bilansa (Fm) - brojanje komada (Fn)

4/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

2.1 Merai potisnute zapremine fluidaKod ureaja za merenje protoka iz ove grupe, protok fluida se meri na osnovu prenete zapremine fluida kroz rotacioni, nutacioni ili oscilatorni sistem. Pri tome se deo energije pritiska fluida koristi za pokretanje meraa. Izlazni signal koji je proporcionalan protoku predstavlja broj obrtaja ili hodova pokrenutih elemenata mernog instrumenta u jedinici vremena, odnosno, dobija se u obliku frekvencije. Opseg merenja je ogranien za odredjenu veliinu instrumenta. Ovi merai nisu pogodni za merenje malih ili velikih protoka. Pri malim protocima gubici fluida kroz zazore pokretnog sistema izazivaju velike greke, dok pri velikim protocima dolazi do isuvie velikog broja obrtaja pokretnog sistema u jedinici vremena. Greke pri merenju zavise od vrednosti protoka, viskoznosti fluida, naina zaptivanja pokretnog sistema i preciznosti izrade instrumenta. Najee korieni tipovi instrumenata za merenje protoka na osnovu potisnute zapremine su sledei: (a) Rotacioni merai protoka U ovu grupu meraa protoka spadaju: - gasni satovi (za merenje protoka gasova) - merai sa rotacionim eliptinim zupanicima (za merenje protoka tenosti) - merai sa rotacionim osmicama (za merenje protoka gasova) - merai sa rotacionim trouglastim klipom (za merenje protoka tenosti i gasova) - merai sa klizeim krilcima (za merenje protoka viskoznih tenosti) Gasni satovi Kod gasnih satova se princip rada zasniva na tome da gas koji se dovodi kroz uplju osovinu 2 pokree bubanj sa specijalno profilisanim pregradama 1. Bubanj se nalazi u cilindrinoj oblozi 3 koja je neto preko polovine ispunjena zaptivnom tenou. Pregrade na bubnju su postavljene tako da u svakom trenutku razdvajaju gas od zaptivne tenosti. Gas koji dolazi kroz uplju osovinu deluje svojom razlikom pritisaka na pregrade 1 i okree bubanj. Pri svakom obrtu kroz bubanj proe zapremina gasa koja odgovara zapremini bubnja. Kao zaptivna tenost obino se upotrebljava voda ili maloviskozno silikonsko ulje (za suve gasove). Obrtanje bubnja se prenosi na sistem brojanika koji direktno pokazuju proteklu zapreminu gasa. Za pokretanje bubnja i sistema zupanika i kazaljki potrebna je razlika pritisaka od 2 8 mm vodenog stuba.

5/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Slika 2.1 Gasni sat

Tanost merenja je velika i maksimalno doputeno odstupanje je 1%. Instrument moe meriti i male protoke, ali maksimalni protok je ogranien dimenzijama bubnja kao i maksimalnim doputenim brojem obrtaja. Upotrebu ograniavaju niski pritisci gasa, prisustvo tenosti i dimenzije instrumenta (naroito za vee kapacitete), pa se ovi instrumenti koriste uglavnom u laboratorijama i manjim industrijskim postrojenjima. Merai sa rotacionim eliptinim zupanicima (za merenje protoka tenosti) Mera protoka sa rotacionim eliptinim zupanicima koristi se za merenje protoka tenosti. Razlika pritiska obre rotacione klipove koji se u bilo kom poloaju dodiruju bar u jednoj taki i naleu na zid cilindrinog kuita, takoe u jednoj taki.

Slika 2.2 Mera protoka tenosti sa rotacionim eliptinim zupanicima

Pri svakom njihovom obrtaju prenosi se iz iz prostora vieg pritiska u prostor nieg pritiska, koliina fluida definisana geometrijom meraa. Oba prostora su u svakom momentu razdvojena. Zapremina prenetog fluida se meri preko broja obrtaja jednog zupanika (klipa) koji se prenosi na kazaljke i brojni sistem. Merai protoka tenosti sa eliptinim klipovima se upotrebljavaju samo za tenosti koje ne nose suspendovan materijal. Tenosti mogu biti malo ili srednje viskozne. Tanost merenja je visoka, do 0,5% nominalnog protoka. Merai sa rotacionim osmicama (za merenje protoka gasova) Merai protoka gasova sa rotacionim osmicama se upotrebljavaju samo za gasove. Rade na istom principu kao i merai protoka sa rotacionim eliptinim zupanicima. Tanost merenja je neto manja u odnosu na merae protoka tenosti, do 2 % nominalnog protoka. Rade za nadpritiske do 1 bar. Oblast merenja sa propisanom tanou je od 20 150 % nominalnog protoka.6/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Slika 2.3 Mera protoka gasova sa rotacionim osmicama

Merai protoka iz ove grupe se koriste za merenje zapreminskog protoka i njegovu integraciju, odnosno za odreivanje protekle zapremine. Poto se kao izlaz dobija frekvencija, u svrhu prenosa i daljeg korienja, izlazni signal se preko odgovarajueg pretvaraa prevodi u strujni ili naponski elektrini signal. Ovi merai se izrauju za nominalne prenike cevovoda od 38 do 600 mm i nominalne protoke od 2 do 4000 m3/h. Mogu se koristiti na temperaturama do 200 C i pritiscima do 80 bar. (b) Nutacioni merai protoka Nutacioni merai protoka su pogodni za merenja protoka istih i srednje viskoznih tenosti benzina, ulja, mleka, piva. Oni registruju protok kontinualno. To se postie sloenim kretanjem nutacijom pregradne ploe 1, koja se sukcesivno kruno iskoava, to omoguuje kruno leite 2 u kuitu specijalnog oblika 3. Pregradna ploe je na jednom delu zaseena i u taj zasek zadire nepokretna pregrada 4. Ona primorava tenost da kruno prolazi kroz mera. Tenost moe da se kree ispod i iznad pregradne ploe 1, sve u zavisnosti od njenog poloaja prema otvoru za ulaz tenosti. Tenost se uvodi sa jedne strane nepokretne pregrade 5 a izvodi sa druge strane 6. Ako tenost pone da utie kroz otvor 5 iznad ploe, zbog pritiska kojim raspolae, ploa e se kruno naginjati sve do izlaza, da bi propustila tenost koja se iznad nje nalazi. Zbog potpune simetrije, sa druge strane ploe deavae se isto u odgovarajuem ciklusu. Moe se rei da ploa ovog meraa vri pravilna kruna ljuljanja kao to vre ekvatorske ravni nebeskih tela. Ovakva ljuljanja se nazivaju nutacijama, po emu je ovo merilo i dobilo naziv.

7/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Slika 2.4 Nutaciono merilo

Pri ljuljanju osovina zgloba 7 opisuje koninu povrinu a njen kraj krugove. Zbog toga ona gura ispod sebe zupanik polugu 8 vezanu za mehanizam za registrovanje obrtaja. Poto jednom obrtaju odgovara odreena zapremina, na osnovu broja obrtaja lako se izraunava koliina protekle tenosti. Ovi merai rade potpuno kontinualno, sa malim padom pritiska i irokim opsegom protoka. (c) Oscilatorni merai - merai sa oscilatornim cilindrinim klipom (za merenje malih protoka tenosti, primenljivi za merenje protoka korozivnih tenosti); - merai sa oscilatomim membranama ili mehovima (za merenje protoka gasova). Merai protoka sa oscilatornom dijafragmom Kod ovih instrumenata protok gasa se meri na principu slinom radu klipne maine, samo to je klip zamenjen dijafragmom. Pod dejstvom razlike pritiska gasa dijafragma 1 se kree iz krajnjeg desnog poloaja (a) u krajnji levi poloaj (b). Pokretanje dijafragme otvara odgovarajue ventile 2 i 3 i naizmenino puta gas sa leve i desne strane dijafragme. Pokretanje ventila se prenosi na sistem dekadnih brojila.

Slika 2.5 Mera protoka gasova sa oscilatornom dijafragmom

8/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Ovi merai se upotrebljavaju najvie za merenje potronje gorivog gasa. Tanost merenja je 2%. Za rad im je potrebna razlika pritiska od 8 18 mm vodenog stuba.

2.2 Merai protoka koji rade na principu prenosa kinetike energije fluida

Kod turbinskih meraa se merenje zapreminskog protoka fluida zasniva na prenosu koliine kretanja fluida lopaticama turbine meraa. Koriste se dva osnovna tipa ovih ureaja: a) Tangencijalni - mlazni merai protoka kod kojih mlaz tenosti deluje na izdubljene lopatice obrtnog kola, a broj obrtaja se mehaniki prenosi na broja koji integrie proteklu koliinu. Najee se koriste za merenje utroene zapremine vode. Greka merenja iznosi oko 2% i poveava se pri malim protocima. b) Aksijalni - propelerski merai protoka koji se sastoje od propelera koji je aksijalno postavljen u cevnom elementu istog prenika kao i cevovod u koji je ugraen. Fluid protie kroz lopatice propelera i obre ga. Propeler je nainjen od feromagnetnog materijala i njegovo obrtanje se prenosi, preko induktivnog davaa postavljenog izvan cevi, na pretvara koji frekvencijuu obrtanja propelera pretvara u standardni naponski ili strujni signal. Propelerski turbinski merai protoka se koriste prvenstveno za merenje protoka tenosti malih i srednjih viskoziteta, ali se mogu koristiti i za merenje protoka gasova. Nominalni prenici cevovoda mogu biti 6 - 750 mm, a protoci koji se mere od 0,004 do 140.000 dm3/min. Za industrijske instrumente je opseg merenja najee od 12:1 do 30:1, izuzetno 150:1. Mogu se koristiti pri pritiscima do 200 bar i temperaturama od -255 do 300 C. Greke merenja ovih ureaja su manje od 0.25%, reproduktivnost bolja od 0.02% a linearnost u opsegu 1:12 bolja od 0.5%. Zbog svoje velike tanosti i pouzdanosti, turbinski merai se koriste kao sekundarni standardi za merenje protoka.

1.3

Merai protoka zasnovani na merenju pada pritiska

Jedan od najee korienih principa merenja protoka u industriji se zasniva na korienju prigunica. To su merai protoka kod kojih se zbog suenja u cevovodu kinetika energija fluida delimino pretvara u energiju pritiska. Promenljiva razlika pritisaka ispred i iza suenja predstavlja nelinearnu funkciju srednje brzine, odnosno zapreminskog protoka fluida. Priguni elementi se koriste za merenje protoka jednofaznih tenosti, gasova i para pri turbulentnom reimu strujanja i u irokim granicama temperature i pritiska. Osnovni tipovi prigunica. Postoje tri osnovna tipa prigunica: priguna ploa (blenda), mlaznica (sisak) i Venturi-cev. Sva tri tipa prigunica su standardizovana.9/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Slika 2.6 Konstrukcija standardne prigune ploe

Merni sistem za merenje protoka pomou prigunica se sastoji od primarnog elementa - prigunice, ugraene u cevovod, koja izaziva suenje poprenog preseka, transmitera diferencijalnog pritiska kojim se meri razlika pritisaka ispred i iza prigunice i vodova kojima je ovaj diferencijalni manometar povezan sa mestima na kojima treba meriti pritisak. Ovi vodovi su najee opremljeni ventilima, a kada je to potrebno i zatitnim sudovima.

Slika 2.7 Konstrukcija mlaznice

Slika 2.8 Konstrukcija Venturi cevi

Standardna priguna ploa se izrauje u obliku tanke ploe (debljine 2-6 mm i ne vie od 0.1 prenika cevovoda) sa krunim otvorom, od mesinga ili elika. Kod mlaznice je otvor ploe profilisan i produen u obliku mlaznice, dok se kod Venturi-cevi suenje mlaza postie profilisanjem cevi. Kod svih tipova prigunica, osnovni parametar prigunice prcdstavlja odnos prenika otvora i unutranjeg prenika cevovoda, koji se oznaava sa m.

10/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Standardne prigunice se po pravilu ugrauju na horizontaine delove cevovoda. Prigune ploe i mlaznice se ugrauju izmeu prirubnica, dok se Venturi-cev ugrauje umesto dela cevi. Tok fluida ispred prigunice treba da bude umiren, tako da treba predvideti dovoljnu duinu prave cevi ispred prigunice. Pored ova tri osnovna tipa prigunica, postoje i druge konstrukcije. Za merenje protoka tenosti sa suspendovanim esticama, esto se koriste segmentne prigunice.

Slika 2.9 Segmentna prigunica

Princip merenja protoka pomou prigunica. Princip merenja zapreminskog protoka fluida pomou prigunice bie prikazan na primeru prigune ploe koja je najjednostavnija. Na slici 2.10 je ematski prikazano strujanje fluida kroz deo cevi u koji je ugraena priguna ploa i padovi pritiska na tom delu cevi. Presek oznaen sa 3 predstavlja mesto na kome je mlaz fluida najui i naziva se vena kontrakta.

Slika 2.10 Strujanje fluida kroz cev u koju je ugraena priguna ploa i odgovarajui padovi pritiska

Primenom Bernulijeve (Bernoulli) jednaine na preseke 1 i 3:

11/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

moe se doi do izraza za zapreminski protok kroz prigunicu:

Koeficijent 0 se naziva teorijski protoni broj prigunice, i definie se na sledei nain:

U ovim jednainama je: m=A2/A1 - standardizovani odnos preseka otvora prigunice i preseka cevovoda; =A3/A2 - koeficijent kontrakcije mlaza; A1, A2, A3 - povrine poprenog preseka cevovoda, otvora prigunice i mlaza u veni kontrakti; v1, v3 - srednja brzina fluida u cevovodu, odnosno u veni kontrakti; p1, p3 - pritisci u presecima 1 i 3; - gustina fluida; 1-3 - koeficijent mesnog otpora prigunice; F - zapreminski protok fluida. Teorijski protoni broj zavisi od tipa i konstrukcije prigunice, kao i od odnosa m i Re-broja. Zavisnost teorijskog protonog broja od m, za standardne prigune ploe, mlaznice i Venturi-merila, prikazana je na slici 2.11. Pri merenju protoka pomou prigunica, ova vrednost mora da se koriguje mnoenjem sa popravnim koeficijentima, od kojih su najvaniji: k - popravni koeficijent za temperaturu, koji uzima u obzir temperaturno sirenje otvora prigunice pri merenju protoka na povienim i snienim temperaturama. k - popravni koeficijent za viskoznost (koristi se kada je Re-broj manji od granine vrednosti pri kojoj koeficijent lokalnog otpora prigunice vie ne zavisi od brzine strujanja fluida; k - popravni koeficijent za gustinu, koji se koristi za stiljive fluide (za gasove i pare); kp - popravni koeficijent za pritisak, koji se koristi ako se merenje pritiska ne vri tano u presecima 1 i 3. Ovaj koeficijent se mora odrediti eksperimentalno, za nestandardno postavljene cevi; k - popravni koeficijent za hrapavost, koji se uvodi za prigunice postavljene na hrapave cevi;

12/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Slika 2.11 Zavisnost teorijskog protonog broja od m

Ukupni izraz za protok kroz prigunicu se moe prikazati kao:

gde veliina C, koja obuhvata sve popravne koeficijente:

predstavlja konstantu prigunice i za standardne prigunice se moe odrediti raunski, a za nestandardne eksperimentalno. Poto je veza izmeu protoka i pada pritiska na prigunici koji se meri nelinearna (izmerenisignalje proporcionalan kvadratuprotoka), da bi se dobila linearna veza izmeu izlaznog signala i merene veliine (protoka), mora se izvriti linearizacija. To se moe postii korienjem transmitera diferencijalnog pritiska koji ima nelinearnu karakteristiku (oblika kvadratnog korena) ili dodavanjem posebnog raunskog elementa - korenatora, kojim se vri linearizacija izlaznog signala iz transmitera diferencijalnog pritiska. Na slici 2.12 je prikazana blok ema koja prikazuje merenje protoka tenosti pomou prigune ploe, u sistemu sa standardnim elektrinim signalom. Elementi ovog sistema za merenje su: 1 - priguna ploa, 2 -pretvara diferencijalnog pritiska, 3 - napojni transformator, 4 - izvor jednosmernog napajanja (ispravlja), 5 - korenator, 6 pokaziva.

13/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Slika 2.12 Blok ema merenja protoka tenosl i pomou prigune ploe, u sistemu sa standardnim elektrinim signalom

Poloaj prikljuaka za merenje razlike pritisaka ispred i iza prigunice je standardizovan. Prvi standard, koji se najee koristi, predvia da je udaljenost ovih prikljuaka jednaka preniku cevovoda (D) ispred i polovini prenika cevovoda (D/2) iza prigunice. Drugi standard predvia udaljenosti 3D ispred i 1D iza prigunice. U prvom sluaju se meri maksimalna razlika pritisaka, a u drugom se meri nepovratni pad pritiska koji nastaje zbog mesnog otpora prigunice, i koji iznosi:

pn=(1-m) p pn=(1-1.4m) p pn=(0.22-0.2m) p

za prigunu plou za mlaznicu za Venturi-merilo

1.4

Merai protoka zasnovani na merenju sile otpora

Princip rada anularnih merila se zasniva na merenju sile koja deluje na telo koje se nalazi u centru cevovoda, nastale usled otpora kretanju fluida. Postoje dve osnovne varijante anularnih merila: merila sa konstantnom silom i promenljivim poprenm presekom cevovoda - rotametri, i merila sa promenljivom silom i konstantnim presekom cevovoda -merila sa metom. Rotametri Na telo koje se nalazi u struji fluida deluje sila:

gde je: v - srednja brzina fluida, f - gustina fluida, A{) - povrina poprenog preseka potopljenog tela i Cw koeficijent otpora. Kod rotametara se kao telo koristi objekat, najee u obliku igre ili sfere, koji slobodno lebdi u vertikalnoj koninoj cevi kroz koju fluid struji navie. Sila definisana prethodnom jednainom se uravnoteava sa teinom potopljenog tela umanjenom za14/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

silu potiska. Da bi ovakva ravnotea mogla da se uspostavlja pri promenljivom protoku, cev u kojoj se potopljeno telo kree mora biti konina. U tom sluaju se dobija sledea korelacija koja daje vezu izmeu protoka fluida F i vertikalnog pomeranja potopljenog tela Y:

gde je Kk nagib konusa, a i Vt I t zapremina i gustina materijala potopljenog tela. Na slici 2.13 su prikazana tri osnovna tipa rotametara: (a) rotametar sa igrom, (b) rotametar sa kuglom i (c) rotametar sa plovkom na voici.

Slika 2.13 Osnovni tipovi rotame-tara: (a) sa igrom; (b) sa kuglom; (c) sa plovkom na voici

Rotametar sa igrom se koristi za merenje protoka malo viskoznih i providnih tenosti i gasova. Konina cev je najee staklena ili plastina, a poloaj igre, i preko njega protok, se najee oitava vizuelno. Odnos maksimalnog i minimalnog protoka koji se moe meriti je najee 10:1, tanost merenja je oko 2%, a radni pritisci do 6 bara. Rotametar sa kuglom je pogodan za merenje malih protoka, kao i za merenje protoka korozivnih tenosti i gasova. Ostale karakteristike su sline kao kod rotametara sa igrom. U poslednje vreme se rotametri sa igrom i sa kuglom koriste ne samo kao merai, ve i kao transmiteri protoka. To je mogue ako se u igru, odnosno kuglu rotametra ugradi stalni magnet, iji se poloaj prati spoljnim senzorima i pretvara u odgovarajui standardni signal. Rotametar sa plovkom na voici se koristi za merenje protoka viskoznih i neprovidnih lenosti (nafta, ulja i slino), kao i za vee protoke. Umesto staklene, koristi se metalna cev, a plovak je vezan za metalni ipku - voicu, iji slobodni kraj predstavlja jezgro diferencijalnog transformatora. Na ovaj nain se pomeranje plovka, nastalo kao rezultat promene protoka, direktno prevodi u elektrini signal, koji se moe koristiti za prenos i regulaciju. Merila sa metom15/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Ovi uredaji se koriste za merenje protoka pri izrazito tekim uslovima i ada: za viskozne fluide, visoke temperature i pritiske, otrovne i korozivne tenosti. U ovom sluaju se u centru horizontalne cevi, na put struje fluida postavlja tanak disk - meta, iji je poloaj x proporcionalan protoku:F=K x

Poloaj mete se odreuje metodom diferencijalnog transformatora, metodom merne trake ili korienjem pneumatskog pretvaraa. Na slici 2.14 je prikazana konstrukcija merila sa metom sa pneumatskim pretvaraem. Oznake na slici odgovaraju sledeim delovima: 1 - meta, 2 - poluga na elastinom zglobu, 3 -pneumatski pretvara.

Slika 2.14 Mera protoka sa metom sa pneumatskim pretvaraem

Merila sa metom se koriste za merenje protoka tenosti i gasova u irokom opsegu protoka (od 0.05 dm3/s do vrlo visokih vrednosti), viskoznosti (od vazduha do asfaltne mase), temperature (do 400 C) i pritisaka (od vakuuma do 100 bara). Zavisno od konstrukcije, opsega i uslova rada, tanost merenja moe biti od 0.5% do 5%.

1.5

Noviji ureaji za merenje protoka

Pored navedenih, u novije vreme se koriste i razliiti ureaji kod kojih se merenje protoka zasniva na nekim specificnim fenomenima. Naveemo najvanije. Elektromagnetni (indukcioni) merai protoka Ovi ureaji koriste princip da se pri kretanju elektinog provodnika kroz magnetno polje generie napon. Njima se moe meriti protok elektrolita ili drugih elektroprovodnih tenosti, na osnovu merenja indukovane elektromotorne sile izmeu dve elektrode na cevovodu, kada se cevovod nalazi u magnetnom polju. Polarizacija elektroda se izbegava korienjem naizmeninog magnetnog polja. Elektromagnetni merai protoka se mogu koristiti za merenje srednjih brzina od 10-4, do vrlo velikih vrednosti. Viskoznost, temperatura, gustina i sadraj suspendovanog materijala nemaju uticaja na merenje. Mogu se koristiti za iroke opsege pritisaka.16/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Osnovni uslovi za korienje elektromagnetnih meraa protoka su da je specifina elektrina otpornost fluida manja od 3.5xl0-4 m, da je cevovod po celom preseku ispunjen tenou i da je raspored brzina u cevovodu simetrian. Greka merenja je manja od 0.5%, otpor strujanju je zanemarljiv, a odziv na promenu protoka vrlo brz (reda veliine 1 ms). Merai protoka zasnovani na otkidanju vrtloga Ovi ureaji koriste pojavu otkidanja vrtloga koji se javljaju kada fluid struji oko tela nehidraulikog oblika. Tok fluida ne moe da sledi oblik objekta i granini sloj fluida se odvaja od njega, formirajui turbulentne vrtloge sa strana objekta. U toku kretanja, veliina ovih vrtloga se poveava, da bi na kraju dolo do njihovog otkidanja od objekta, naizmenino sa jedne i sa druge strane objekta. Brzina njihovog formiranja i otkidanja je direktno proporcionalna zapreminskom protoku fluida.Merai protoka zasnovani na otkidanju vrtloga se razlikuju medu sobom na osnovu metode koja se koristi za detektovanje vrtloga. Najee se koriste sledee etiri metode: 1. Metoda koja koristi termistor koji je tako postavljen da se periodino hladi promenom protoka fluida pri prolasku vrtloga, pri emu se meri promena elcktrinog otpora termistora zbog promene temperature. 2. Za potopljeno telo iza koga se formiraju vrtlozi se vezuje sfera ili disk izraen od lakog metala koji se pomera napred nazad kada se vrtlozi otkidaju alternativno sa jedne i druge strane objekta. Oscilacije ovakve sfere, odnosno diska, se broje pomou magnetnog namotaja. 3. Ova metoda koristi traku koja se prostire iza potopljenog tela na kome dolazi do otkidanja vrtloga. Alternativno otkidanje vrtloga sa jedne i druge strane tela izaziva pomeranje trake sa jedne strane na drugu. Vri se detekcija ovog kretanja trake ili indukovanog mehanikog napona u njoj. 4. etvrta metoda za detekciju vrtloga koristi ultrazvune transmitere i prijemnike. Vrtlozi se detektuju pomou zvunog signala koji se emituje sa potopljenog tela, ili se meri refleksija ili refrakcija ultrazvunih talasa na vrtlozima iza tela. U svim ovim sluajevima, dobija se broj vrtloga na osnovu koga se dobija signal koji je proporcionalan protoku. Ova veza je linearna. Ovi tipovi meraa protoka se proizvode za opsege 10:1 i 20:1. Koriste se za merenje protoka fluida u turbulentnom reimu. Kada je Re-broj vei od 30000, tanost ovih ureaja ne zavisi od gustine, viskoznosti, temperature i pritiska. Ultrazvuni merai protoka Svi ultrazvuni merai protoka se zasnivaju na merenju kanjenja primljenih ultrazvunih talasa koje se menja pri promeni protoka tenosti. Zavisno od istoe tenosti iji se protok meri, koriste se dve osnovne tehnike merenja: 1. Kod prve tehnike, u cevovod se postavljaju dva suprotna prijemnika, tako da je jedan uzvodno, a drugi nizvodno od mesta emitovanja talasa. Pomou ovih prijemnika se meri razlika brzine zvuka u pravcu i nasuprot pravca strujanja fluida. Za merenja ovog tipa, potrebno je da je tenost iji se protok meri relativno ista. 2. Druga tehnika se primenjuje na merenje protoka tenosti koje sadre neistoe (estice ili mehurie) od kojih mogu da se odbiju zvuni talasi. Ove neistoe bi trebalo da17/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

se kreu istom brzinom kao osnovni tok tenosti. Koristi se Doplerov (Doppler) efekat, tako to se meri promena frekvencije talasa koji se odbijaju od neistoa u tenosti. Ova promena frekvencije talasa je proporcionalna brzini tenosti. Obe tehnike merenja protoka koje koriste ultrazvuk odgovaraju srednjoj brzini tenosti du putanje zvunog talasa. Poto se profil brzina menja sa promenom Rejnoldsovog broja, ovo utie i na koeficijent koji povezuje izlazni signal iz instrumenta sa protokom. Ovo je naroito izraeno pri promeni brzina fluida izmeu laminarnog i turbulentnog reima strujanja i u toj oblasti su greke merenja najvee. Pored navedenih, u novijoj literaturi se pominju i metode odreivanja protoka fluida zasnovane na merenju kroskorelacije stohastikih umova, korienju obeleenih supstanci, formiranju aksijalnog vrtloga, fluidikim elementima, merenju odvedene toplote i td.

1.6

Merenje masenog protoka

Merai iz ove grupe instrumenata mere direktno teinu materijala koja protekne u jedinici vremena kroz neki transporter ili vod, mere koliinu kretanja materijala za odreeni presek ili moment koliine kretanja tako to struji fluida daju i obrtno kretanje. Ovi merai se najee upotrebljavaju za vrst materijal, viefazne fluidne sisteme ili tenosti promenljive gustine.

Automatske porcione vage Automatske porcione vage odmeravaju i odbrojavaju are vrstog (komadnog, zrnastog ili spraenog) materijala. One se sastoje od dozera za vrst materijal, koa ija se teina meri zajedno sa materijalom, ureaja za pranjenje ili prevrtanje koa, sistema za merenje I registratora za registrovanja teine i odbrojavanje ari. Vaga radi ciklini, i ciklus moe biti automatski ili poluautomatski. Na slici je prikazana ema vage, bez sistema za merenje, u tri osnovne faze ciklusa: a punjenje koa, b odmeravanje I c pranjenje. Ciklus moe da traje 30 s, zapremina koa moe biti veoma razliita (od 0,05 0,5 m3), a tanost merenja je 0,5 % i vea. Postoji veliki broj razliitih konstrukcija ovakvih vaga.

Slika 2.15 Automatska porciona vaga 18/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

3. Merai masenog protoka

3.1 Merai masenog protoka vrstih materijalaZa kontinualno merenje masenog protoka vrstog nasutog materijala najee se koriste transporteri sa trakom. Konstrukcije transportera mogu biti razliite. Na slici 3.1 je prikazan kratak dozirni transporter obeen na konzolu za merenje mase.

Slika 3.1 Transporter sa trakom za merenje masenog protoka vrstih materijala

Materijal iz dozera 1 pada na traku 2. Pogonski dobo trake 3 je na uvrenoj osovini a drugi vodei dobo 4 je na kraju slobodne konzole koja je uravnoteena sistemom za merenje. Masa konzole sa trakom I materijalom se kontinualno registruje. Brzina trake je poznata konstantna veliina, pa se masa moe direktno izraunati u jedinicama masenog protoka .

3.2 Merai masenog protoka tenostiPod pojmom meraa masenog protoka tenosti podrazumevaju se instrumenti koji jednim merenjem neposredno mogu dati podatak o veliini masenog protoka, a to su u najveem broju sluajeva instrumenti zasnovani na principu merenja momenta koliine kretanja fluisa koji struji. Da bi moment koliine kretanja mogao da se meri, struji fluida mora da se da rotaciono kretanje, pa se meri moment sile potreban za izazivanje ovog kretanja, ili moment sile potreban da se rotaciono kretanje umiri. Postoje tri vrste ureaja koji rade na ovom principu. Instrument sa impelerom i turbinom Kod ovog instrumenta fluidu koji protie kroz cev daje se odreena ugaona brzina, tako to fluid prolazi kroz otvore na disku koji rotira stalnom ugaonom brzinom, a koji se pokree asinhronim elektromotorom 1. Neposredno iza diska (impelera) 2, na istoj osovini je postavljen istovetan disk 3 (turbina). Turbina je uravnoteena spiralnom19/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

oprugom 4 tako da je preneti momoent koliine kretanja obre za odreeni ugao koji je proporcionalan momentu sprega koji deluje na disk turbine.

Slika 3.2 Instrument sa impelerom I turbinom

Instrument moe da meri protok tenosti, gasova, dvofaznih sistema tenost gas, tenost tenost ili nekih suspenzija. Tanost merenja je 0,5 % od pune skale. Mera protoka sa jednim rotorom Radi na istom principu kao prethodni instrument, samo je impeler vezan za sinhroni motor magnetnim kvailom koje prenosi konstantan moment sprega na impeler. Pod dejstvom ovog sprega I prenetog momenta koliine kretanja na tenost, impeler se obre nekom uaonom brzinom koja je proporcionalna masenom protoku.

4. Konstrukcija i eksploatacija senzora protokaKonstrukcija i eksploatacija senzora protoka i koliine zavise od metrolokih osobina senzora i osobina fluida. Savremeni merai protoka i koliine treba da zadovolje sledee karakteristike: Visoka tanost merenja. U inenjerskim aplikacijama tipina tanost senzora protoka je 1-2%, ali esto je potrebna tanost od 0.1-0.5%. Visoka tanost zavisi od metoda merenja i konstrukcione izvedbe senzora. Viskoa pouzdanost. Hemijska agresivnost i neistoe fluida su glavni uzroci nedovoljne pouzdanosti. Korienjem indirektnih metoda merenja I konstrukciono dobro reenih senzora ispunjavaju se zahtevi za visokom pouzdanou. Nezavisnost rezultata merenja od gustine fluida. Ovaj zahtev se posebno postavlja kod merenja protoka gasova, jer njihova gustina zavisi od temperature i pritiska. Brzina odziva. Vea brzina odziva se zahteva kod merenja promenjivog protoka i u sistemima automatske regulacije. Metoda merenja i konstrukcione izvedbe senzora najvie utiu na brzinu odziva.20/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Korisni merni opseg. Obino se izraava kao odnos Qmax/Qmin i kod savremenih koriolis senzora poprima vrednost 100. Vrsta mernog medija. Konstrukicone osobine senzora protoka I koliine zavise od toga da li su namenjeni za merenje gasa, tenosti ili smee. Opseg merenja. Protok se meri u irokom opsegu i treba voditi rauna da je tanost merenja esto u funkciji mernog opsega. Odnosno, tanost kod nekih protokomera nije ista pri razliitim vrednostima protoka. Razliite vrste teenja i tipova kanala. Tok fluida je laminaran, turbulentan ili kombinovan, a ostvaruje se u otvorenim ili zatvorenim kanalima. Razliita delovanje okoline. Merenje protoka se vri u irokom opsegu temperature od 2500C do +6000C. Pobrojanim fiziko-tehnikim karakteristikama senzora protoka treba dodati jo neke karakteristike meraa protoka (senzor+pretvara). Naime, merai protoka u takozvanim inteligentnim merenjima treba da obezbede laku I pouzdanu integraciju u sistem automatskog upravljanja i sistem za nadzor. Tako da se posebno razmatraju npr. broj digitalnih i analognih Ulaza/Izlaza, tip komunikacije (HART, Profibus,...), dodatne funkcije (doziranje-batching, sumiranje, merenje gustine,...) i sl. Imajui u vidu sve pobrojane zahteve, kako senzora tako i pretvaraa, u svakodnevnoj inenjerskoj praksi sve vie se nameu tri grupe protokomera:

- Maseni-koriolis protokomeri - Elektromagnetni ili indukcioni protokomeri i - Ultrazvuni protokomeri.5. Zakljuak

Pri projektovanju sistema upravljanja treba najpre definisati upravljake zahteve, odnosno ciljeve upravljanja, definisanjem izlaznih veliina kojima treba upravljati i zahteva u pogledu njih. Zatim treba definisati mogua merenja u sistemu i mogue manipulativne ulazne promenljive i poremeaje koji deluju na proces. Sledei korak se sastoji u izboru konfiguracije upravljanja, odnosno informacione strukture koja povezuje merenja i manipulativne promenljive u sistemu. Na kraju treba izvriti izbor i specifikaciju svih elemenata koje treba ugraditi u sistem upravljanja da bi se ostvarili postavljeni zahtevi upravljanja. Neophodan uslov za bilo koju vrstu upravljanja procesom je ostvarivanje merenja odreenih promenljivih tog procesa. Zbog toga je vrlo znaajno odabrati merne elemente koji e dati tana, precizna i pouzdana merenja. Kod regulacionih sistema sa povratnom spregom, vri se merenje izlaznih promenljivih kojima se eli upravljati dok se kod upravljanja sa upravnom spregom mere ulazni poremeaji. Merni elementi predstavljaju glavni izvor informacija u sistemu upravljanja i zbog toga se esto nazivaju informacioni elementi.

21/22

Merna tehnika

Merenje protoka fluida

Kao to smo naglasili, da bi mogli da se koriste u sistemima automatskog upravljanja, merni elementi treba da konvertuju fiziku veliinu koja se meri u neki od standardnih signala. Elementi koji se koriste u te svrhe se nazivaju merni pretvarai (davai), ili ,ee, merni elementi - transmiteri. Merni elementi - transmiteri se sastoje zapravo iz dva dela: osetnog elementa (senzora) i pretvarakog dela (transmitera). Zavisno od vrste transmitera, izlaz iz mernog elementa e biti standardni pneumatski, strujni, naponski ili digitalni signal.

6. Literatura1) Tomislav Petrovi Predavanja iz merne tehnike Ni, 2011 2) http://polj.uns.ac.rs/ 3) http://ccd.uns.ac.rs/

22/22


Recommended