PRZEMYSŁOWY POMIAR PRZEPŁYWU CIECZY

Transkrypt

1 PRZEYSŁOWY POIAR PRZEPŁYWU CIECZY. Wprowadzenie. Pomiar przepływu płynów ( cieczy, zawiesin, par i gazów ) ma istotne znaczenie w wielu procesach przemysłowych i innych gałęziach życia. Polega on na określeniu średniej prędkości przepływu [m/s] albo ilości przepływającego medium jako masowego Q [kg/s] lub objętościowego Q V [m 3 /s] natężenia przepływu. Najczęściej w praktyce dokonuje się pomiarów przepływu cieczy (wody, paliw płynnych, pary wodnej ) w rurociągach o przekroju kołowym. Znając pole przekroju wewnętrznego A ( średnicę wewnętrzną D N ) rurociągu i prędkość przepływu można jednoznacznie określić przepływ objętościowy Q V ( objętościowe natężenie przepływu ), a jeśli znana jest także gęstość ρ mierzonego medium to można łatwo określić przepływ masowy Q. ( masowe natężenie przepływu ). Wynika to z relacji: 3 V π DN m QV = = A = ν t s ( ), 4 m ρ V Q Q kg = = = ρ V t t s ( ). Z relacji ( ) i ( ) wynika natężenie przepływu zależy zawsze od prędkości przepływu. Jednak rozkład wartości tej prędkości w przekroju rurociągu nie jest jednostajny co spowodowane jest niejednakowym oddziaływaniem na cząsteczki płynu sił bezwładności, lepkości i napięcia powierzchniowego. Ponadto siły te w różnym stopniu zależą od prędkości przepływu oraz od temperatury płynu. Powoduje to tory ruchu cząstek płynu (strugi ) oraz ich prędkości nie są jednakowe przy różnych średnich prędkościach płynu. W praktyce przyjmuje się zwykle dwa rodzaje charakteru ruchu płynu w rurociągu: spokojny ( laminarny ) rozkład prędkości w przekroju rurociągu jest w przybliżeniu paraboliczny jak na rys.b oraz przepływ burzliwy ( turbulentny ) rozkład prędkości jest zbliżony do prostokątnego, strugi płynu są zawirowane jak na rys.a. y a) b) D N x l stab Rys.. Rozkład prędkości cieczy w przekroju poprzecznym rurociągu ; a) dla przepływu burzliwego, b) dla przepływu laminarnego lub ustabilizowanego w odległości l stab ( 3 5 ) D N od źródła zaburzającego przepływ. Rozkład prędkości strugi płynu w przekroju rurociągu dla przepływu laminarnego można opisać zależnością: y y = 0 DN gdzie 0 prędkość strugi w środku przekroju, ( 3 ) WNE 08 ćw. 7 Pomiary przepływu

2 y prędkość strugi w odległości y od środka przekroju. Prędkość średnia przepływu laminarnego jest równa: = 0 ( 4 ). Charakter przepływu płynu w rurociągu zależy od prędkości przepływu, średnicy rurociągu D N, gęstości i lepkości płynu. oże on być określony liczbą kryterialną ( liczbą podobieństwa ) Reynolds a Re: Re = D ρ N ( 5 ) η przy czym η[p] lepkość dynamiczna płynu, [P.].(pauz) = 0 - [kg/m s], [cp] = 0-3 [kg/m s] = 0-3 [Pa s]. Za równo gęstość ρ jak i lepkość dynamiczna płynu η zależy od jego temperatury ϑ. Do pomiaru przepływu mogą być wykorzystywane różnego rodzaju przepływomierze np.: przepływomierze cieplne ( przepływomierze kalorymetryczne i termoanemometry ), w których wykorzystuje się efekty wymiany ciepła pomiędzy badanym płynem i grzejnikiem pomiarowym przy stałej mocy grzejnika lub stałym przyroście temperatury badanego płynu. rotametry ( pomiary małych przepływów w rurociągach pionowych) pracujące przy stałej różnicy ciśnień na zasadzie ciała unoszonego ciała obrotowego (pływaka ), przepływomierze mechaniczne, w których badany płyn przepływając napędza turbinkę mechanicznego urządzenia liczącego, kryzy pomiarowe - specjalnie dobrane przewężenia w rurociągu np. przesłona z centralnym otworem ( kryza normalna ), rurki spiętrzające np. rurka Pitot a, rurka Prandtla stanowiące przeszkodę w rurociągu, w których wykorzystuje się różnicę ciśnień płynu przed i za przeszkodą, którą jest specjalna rurka z przegrodą i otworkami, przepływomierze elektromagnetyczne dla płynów o dostatecznej przewodności elektrycznej, w których wykorzystuje się efekt Faraday a polegający na indukowaniu w płynie siły elektromotorycznej w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu i pola magnetycznego, przepływomierze wirowe ( czujnikami wirów wiroczułe ), które reagują na częstotliwość powstających wirów i turbulencji w badanym płynie w pobliżu specjalnie ukształtowanego elementu czujnika stanowiącego przeszkodę w przepływie, przepływomierze wibracyjne działające na zasadzie zmiany częstotliwości rezonansowej drgającego elementu czujnika wywoływane siłą bezwładności przepływającego płynu, przepływomierze ultradźwiękowe działające najczęściej na zasadzie pomiaru czasu przebiegu fali dźwiękowej w badanym płynie, przepływomierze odśrodkowe ( masowe ) wykorzystujące efekty odkształceniowe powodowane siłami Coriolisa w wyniku przepływu badanej cieczy przez zakrzywione odcinek rurociągu, których sygnałem pomiarowym jest odkształcenie tego odcinka rurociągu lub siła odśrodkowa działająca na czujnik umieszczony na jego ścianie. Pomiary przepływu w przemyśle często odbywają się w niekorzystnych warunkach ( szeroki zakres mierzonych przepływów przy jednocześnie dużej ich zmienności w czasie, zanieczyszczenia ciałami stałymi stanowiącymi zawiesiny, zmiany temperatury badanego płynu, agresywność chemiczna itp.) przy czym wymagana jest stosunkowo wysoka dokładność pomiaru, niezawodność pracy przepływomierza oraz prostota jego montażu i obsługi. Z tego WNE 08 ćw. 7 Pomiary przepływu

3 3 względu w przemysłowych pomiarach przepływu popularne są przepływomierze turbinkowe, kryzy pomiarowe, rurki spiętrzające, przepływomierze elektromagnetyczne oraz przepływomierze wirowe.. Stanowisko laboratoryjne. Zbiornik pomiarowy Rurociąg Z K R h W ZR3 K T Czujnik tensometryczny Z3 T ZR ZR Z I =(4-0)mA Procesor wagowy Pompa AK AW AR A Zasilacz RS 3 Commubox Przełącznik elektroniczny Komputer Rys.. Schemat funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego do pomiaru przepływu wody. Na rys. zaznaczono obieg wody oraz połączenia układów elektrycznych i drogi sygnałów pomiarowych, symbole literowe oznaczają: A K, A., A R, A W miliamperomierze prądu stałego ( cyfrowe ) mierzące prądy wyjściowe odpowiednich czujników przepływu; K, K.., R i W., cyfrowe manometry różnicowe z wyjściem prądowym (4 0) ma, Czujniki przepływu: K, K kryzy pomiarowe,. przepływomierz elektromagnetyczny z przetwornikiem cyfrowym i wyjściem prądowym (4 0) ma, R czujnik przepływu ru 橤 ka spiętrzająca Pitot a, W przepływomierz wirowy ( wiroczuły) z przetwornikiem cyfrowym i wyjściem prądowym (4 0) ma, T czujniki tensometryczne wagi do ważenia zbiornika pomiarowego współpracujące z procesorem wagowym, Z, Z zawory regulacji przepływu, ZR, ZR, ZR3 zespół zaworów rozdzielających i odpowietrzających instalację pomiaru różnicy ciśnień. WNE 08 ćw. 7 Pomiary przepływu

4 4 Pytania kontrolne.. Podać jednostki miar przepływu oraz wzajemne ich związki.. Co charakteryzuje liczba Reynolds a i jakie ma znaczenie przy doborze przepływomierza? 3. Jak zależałyby sygnały wyjściowe czujników opisanych przepływomierzy od temperatury cieczy jeśli nie zastosowano by w nich kompensacji wpływu temperatury? 4. Porównać wrażliwość temperaturową, na wibracje, na zanieczyszczenia oraz pulsacje mierzonego przepływu cieczy poszczególnych przepływomierzy. 5. Porównać właściwości metrologiczne opisanych przepływomierzy. 6. W jaki sposób można zwiększyć rozdzielczość i dokładność wskazań poszczególnych opisanych przepływomierzy w przypadku małych natężeń przepływów w badanych rurociągach? 7. Dlaczego należy umieszczać przepływomierze w rurociągu w odległości l > (3...5 )D N od elementów zaburzających przepływ? Co powoduje zaburzenia przeplywu? 8. Które z opisanych przepływomierzy są najmniej wrażliwe na zakłócenia badanego przepływu? 3. PROGRA ĆWICZENIA. Przeprowadzić identyfikację przepływomierzy i współpracujących z nimi przyrządów pomiarowych.. Przygotować przyrządy pomiarowe ( komputer jeśli ma być wykorzystywany ) do pracy. 3. Uruchomić pompę wodną i w razie stwierdzenia zapowietrzenia przewodów pomiaru różnicy ciśnień przeprowadzić ich odpowietrzenie w sposób opisany w instrukcji na stanowisku laboratoryjnym. 4. Włączyć procesor wagowy i dokonać ważenia zbiornika pomiarowego bez wody ( Tara ) w razie potrzeby dokonać operacji tarowania. 5. Zaworem Z ustawiać kolejno natężenia przepływu i dokonywać odczytów odpowiednich przyrządów w określonych chwilach czasowych. 6. Zmierzyć temperaturę badanej wody i uwzględnić jej wpływ na dokładność przeliczeń jednostek przepływu ( m/s, kg/s, dm 3 /s ) na podstawie ważenia zbiornika z wodą i pomiaru jej poziomu za pomocą wodowskazu ( pomiar h [ mm ] ). 7. Porównać wskazania poszczególnych przepływomierzy i wyznaczyć ich błędy przyjmując jeden z nich jako przyrząd odniesienia 8. W zakresie mierzonych przepływów wyznaczyć błędy nieliniowości wskazań poszczególnych czujników ( określić błędy przetworników przepływomierzy, w których ma miejsce linearyzacja wskazań ). 9. Sporządzić odpowiednie wykresy wskazanie Y, czułość S[ masowego przepływu S m, prędkości przepływu S, objętościowego przepływu S V ( błąd nieliniowości ) jako funkcja natężenia przepływu ( odpowiednio, Q m., Q V ). 0. Ocenić granice błędów wzorcowania przepływu za pomocą wodowskazu. Zwrócić uwagę na menisk w rurce wodowskazu. Do obliczeń przyjąć średnicę rurociągu D N = 65 mm ( ½ ), wymiary podstawy zbiornika 60x60 mm = 0,3844 m, przyjąć błąd rozdzielczości pomiaru wielkości gabarytowych zbiornika pomiarowego równy ± mm.. Wnioski. WNE 08 ćw. 7 Pomiary przepływu

5 5 BADANIE I WZORCOWANIE CZUJNIKÓW PRZEPŁYWU GAZU W ćwiczeniu laboratoryjnym bada się czujniki przepływu powietrza w rurociągu na stanowisku laboratoryjnym pokazanym na rys.3. ikromanometr [kpa] Anemometr [m/s] ultimetr [ma] Wentylator p Kryza pomiarowa ϑg p p R T ϑ T ω r n I T Turbinka pomiarowa Zasilacz stabilizowany U z Regulator przepływu I T Rys.3. Schemat funkcjonalny stanowiska do badania czujników przepływu gazu. Na stanowisku laboratoryjnym pokazanym na rys.3 znajduje się kryza pomiarowa współpracująca z mikromanometrem cyfrowym, termoanemometr, którego grzejnikiem a zarazem czujnikiem temperatury jest półprzewodnikowy termorezystor typu KTY84-30 zasilany stabilizowanym napięciem U Z. Prąd przepływający przez termorezystor mierzony jest za pomocą miliamperomierza (multimetr cyfrowy) oraz anemometr z czujnikiem turbinowym, który w ćwiczeniu jest przyrządem wzorcowym. 4. PROGRA ĆWICZENIA.. Przeprowadzić identyfikację układu pomiarowego na stanowisku laboratoryjnym. Sprawdzić i zanotować wskazania przyrządów pomiarowych przy wyłączonym zasilaczu stabilizowanym (U Z = 0) 3. Włączyć zasilacz i w razie potrzeby ustawić wartość napięcia U Z = 5V 4. Nastawić pokrętłem regulatora prędkości przepływu maksymalny przepływ 5. Dokonać odczytu wskazań przyrządów pomiarowych na stanowisku 6. Dokonać pomiaru charakterystyki kryzy oraz termoanemometru (charakterystyki wzorcowania) nastawiając kolejne wartości prędkości przepływu - Uwaga! należy dokonywać odczytów wskazań przyrządów wtedy gdy ustalą się wskazania. 7. Sporządzić wykresy zmierzonych charakterystyk wzorcowania: p = f ( ) dla kryzy pomiarowej oraz I T = f ( ) dla termoanemometru. 8. Sporządzić wykresy charakterystyk czułości dla zmierzonych charakterystyk kryzy oraz termoanemomtru. 9. Wnioski. WNE 08 ćw. 7 Pomiary przepływu