Układy pomiarowe natężenia przepływu paliwa do wtryskiwaczy

Transkrypt

1 Układy pomiarowe natężenia przepływu paliwa do wtryskiwaczy Autor: Dominik Kozik Dziedzina wiedzy: Lotnictwo Dział: Mechanika lotnicza Czas szkolenia: 1h Ilość slajdów: 35

2 Pomiar natężenia przepływu płynu podstawowe pojęcia Pomiar strumienia płynu rozumiany jest jako pomiar strumienia masy lub pomiar strumienia objętości. Strumień masy q m określa się jako granicę wyrażenia Strumień objętości określa się za pomocą wzoru Powyższe równania definiują wartość chwilową strumienia masy lub objętość płynu. Wiąże je zależność q m = ρ q v gdzie q m masa płynu, t- czas, V- objętość, ρ gęstość płynu

3 Podział przepływomierzy Najbardziej istotnym kryterium podziału przepływomierzy jest wielkość mierzona, którą może być objętość lub masa płynu, strumień objętości lub masy płynu, a także prędkość przepływu płynu. Dwie pierwsze wielkości mierzą liczniki przepływu, dwie drugie przepływomierze, trzecią anemometry. Najczęściej przyjmowanym kryterium podziału przepływomierzy jest podział według fizycznych zasad ich działania. Stosując to kryterium wyodrębnić można następujące grupy przepływomierzy: 1. Spiętrzające przepływ (zwężkowe, rurki spiętrzające, sondy piętrzące, dyskowe) 2. Pływakowe 3. Tachometryczne (turbinowe) 4. Elektromagnetyczne 5. Ultradźwiękowe 6. Komorowe 7. Siłowe (Coriolisa) 8. Cieplne 9. Wirowe 10. Inne (optyczne, korelacyjne).

4 Przepływomierze zwężkowe Zwężka jest pomiarowym elementem dławiącym powodującym powstanie różnicy ciśnień statycznych. Przy przejściu przez przewężenie. Następuje spadek ciśnienia, a wzrasta prędkość przepływu. Strumień masy można wyznaczyć przez pomiar ciśnienia różnicowego Δp. Przepływomierz zwężkowy (rys. a) jest przyrządem pomiarowym, w skład którego wchodzą: zwężka pomiarowa (1) zainstalowana w prostym odcinku rurociągu, przewody impulsowe (2) wraz z armaturą oraz przetwornik różnicy ciśnień (3).

5 Przepływomierze zwężkowe Przed kryzą ciśnienie zwiększa się, następnie w otworze kryzy następuje duży spadek ciśnienia, na skutek zwiększenia prędkości, która rośnie nadal za zwężką, aż do najmniejszego przekroju strugi. Ostatecznie ciśnienie zwiększa się kosztem zmniejszenia prędkości i osiąga wartość P5. Powstaje więc strata P1-P5, która jest zawsze mniejsza od ciśnienia różnicowego ΔP=P2-P3.

6 Przepływomierze zwężkowe q v C A (1 4 ) 2 p q v - strumień objętości, q m - strumień masy, A p - różnica ciśnień, C - współczynnik przepływu zwężki, ε - liczba ekspansji, β- przewężenie równe d/d, A - pole przekroju zwężki, ρ- gęstość płynu Zakres stosowalności dobiera się na podstawie: - średnicy rurociągu D, - przewężenia β = d/d, - liczb Re min i Re max PN 93/M-53950/01

7 Rodzaje kryz Kryzy w zależności od usytuowania otworów impulsowych dzielimy na: przytarczowy odbiór ciśnienia różnicowego szczelinowy punktowy kołnierzowy odbiór ciśnienia typu D D / 2.

8 Rodzaje kryz Wymiary kryzy znormalizowanej: 0,005D e 0,02D, 30 F 60 e E 0,05D, 0,20 d/d 0,75 E 13 mm

9 Rodzaje kryz

10 Kryza zalety i wady Zalety: - tania, - łatwa w wykonaniu i montażu, - mały ciężar, - dostateczna dokładność pomiarów. Wady: - stosunkowo duże straty ciśnienia, - szybkie zużywanie się ostrych krawędzi, - łatwość uszkodzenia przez działanie chemiczne przepływających czynników

11 Zwężka Venturiego Zasada jej działania jest idealną ilustracją prawa Bernoulliego. W pewnym miejscu kanału, w którym z prędkością v przemieszcza się płyn znajduje się przewężenie o znacznie mniejszym przekroju. Z prawa Bernoulliego, oraz warunku ciągłości przepływu, wynika, że kwadrat prędkości płynu przed zwężką jest wprost proporcjonalny do różnicy ciśnień przed zwężką i na niej. W klasycznej zwężce Venturiego w celu pomiaru wykorzystuje się barometr różnicowy. Obecnie w celach pomiarowych wykorzystuje się działające na tej samej zasadzie kryzy. Zwężka znalazła szerokie zastosowania w miejscach, gdzie wymagane jest wytworzenie podciśnienia mając do dyspozycji tylko ciśnienie.

12 Dysza i zwężka Venturiego

13 Straty ciśnienia w zwężkach

14 Przepływomierze dynamometryczne

15 Przepływomierze dynamometryczne W przepływomierzach dynamometrycznych struga oddziaływuje na element konstrukcyjny w niej umieszczony. Pomiar siły z jaką oddziaływuje strumień na ten element lub przemieszczenia tego elementu umożliwia wyznaczenie strumienia masy. Wymagana jest znajomość gęstości płynu. Przykładem przepływomierza dynamometrycznego jest przepływomierz tarczowy. Siła z jaką płyn oddziaływuje na tarczę jest proporcjonalna do gęstości płynu i kwadratu prędkości. Pomiar siły działającej na tarczę można wykonać wykorzystując przetwornika tensometryczne lub sprężyny pomiarowe. Stosowane są również układy pomiarowe, w których kompensuje się siłę działającą na tarczę na drodze elektromagnetycznej lub pneumatycznej.

16 Przepływomierze dynamometryczne Niepewność pomiaru strumienia płynu za pomocą przepływomierza tarczowego wynosi od 0,5 do 2% zakresu pomiarowego. Zalety: - prosta konstrukcja, - duża trwałość, - możliwość wykorzystania do pomiaru cieczy zabrudzonych lub z pęcherzykami gazu Wady: - większość przepływomierzy charakteryzuje się stosunkowo małą dokładnością pomiaru

17 Przepływomierze elektromagnetyczne q v VA kdb

18 Przepływomierze elektromagnetyczne Napięcie na elektrodach jest przekształcane zwykle na standardowy sygnał prądowy (4+20 ma) lub sygnał częstotliwościowy ( Hz). Cewki magnesu mogą zasilane prądem zmiennym lub stałym. Przy wzbudzaniu prądem zmiennym, cewki elektromagnesu zasilane są prądem o napięciu V i częstotliwości Hz. W przepływomierzu generowane jest pole magnetyczne z częstotliwością równą częstotliwości prądu zasilającego. Amplituda sygnału będzie proporcjonalna do prędkości przepływu płynu. Wadą tego typu zasilania jest pojawianie się napięcia na elektrodach, nawet jeśli płyn pozostaje w bezruchu, gdyż pole magnetyczne jest zmienne w czasie. Sygnał ten stanowiący szum może być w fazie z sygnałem generowanym przez przepływający płyn i wówczas trudno go wyeliminować z sygnału występującego na elektrodach. Jeżeli sygnał generowany przez przepływ płynu i szum nie są w jednej fazie, to wówczas za pomocą układu elektronicznego można łatwo wyeliminować szum. W celu wyeliminowania szumu znajdującego się w tej fazie z sygnałem generowanym przez przepływający płyn, przepływ płynu powinien być wstrzymany i wskazania przepływomierza wyzerowane. Zerowanie przepływomierza zasilanego prądem zmiennym musi odbywać się dość często, gdyż szum może zmieniać się również w czasie trwania pomiaru. Stanowi to istotną wadę przepływomierzy magnetycznych zasilanych prądem zmiennym. Przy wzbudzaniu magnesów za pomocą prądu stałego częstotliwość impulsów wynosi od 7 do 30 Hz. W przepływomierzach magnetycznych wzbudzanych prądem stałym nie występuje konieczność częstej korekty zerowych wskazań przy braku przepływu płynu.

19 Przepływomierze elektromagnetyczne Niepewność pomiarowa jest rzędu 0,5% mierzonego strumienia przepływu Zalety: - brak oporów przepływu, - kształt profilu prędkości nie wpływa na dokładność wskazań, - brak ruchomych części, - pomiar przepływów wielofazowych Wady: - pomiar wyłącznie cieczy przewodzących prąd elektryczny

20 Przepływomierze ultradźwiękowe Rozróżnia się dwa zasadnicze sposoby działania przepływomierzy ultradźwiękowych: Pierwszy sposób oparty jest na pomiarze czasu przejścia t sygnału ultradźwiękowego od nadajnika N do odbiornika O znajdujących się od siebie w odległości L. Czas przejścia t zależny jest od prędkości rozchodzenia się dźwięku a w przepływającym płynie oraz prędkości przepływającego płynu w. Jeżeli sygnał dźwiękowy wysyłany jest w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływającego płynu, to czas przejścia t1 jest mniejszy od czasu przejścia t2 sygnału wysyłanego przez nadajnik w kierunku przeciwnym do kierunku przepływającego płynu. Drugi sposób pomiaru prędkości przepływającego płynu wykorzystuje zjawisko odkryte przez Dopplera w 1842 roku. Stwierdził on, że częstotliwość dźwięku odbieranego przez nieruchomego obserwatora wydaje się większa, gdy źródło dźwięku przemieszcza się w kierunku obserwatora i mniejsza, gdy ruchome źródło dźwięku oddala się od niego. Szybkość rozchodzenia się dźwięku w płynie jest funkcją jego gęstości i temperatury

21 Przepływomierze ultradźwiękowe

22 Przepływomierze ultradźwiękowe w 1 2cos L t 1 L t 2 q v A w k A- pole przekroju rurociągu w- prędkość strumienia k- współczynnik czułości

23 Przepływomierze ultradźwiękowe wielościeżkowe Rys. Przepływomierze ultradźwiękowe wielościeżkowe do pomiaru prędkości średniej w przekroju poprzecznym rury: a) cięciwowe położenie ścieżek; b) średnicowe położenie ścieżek

24 Przepływomierz ultradźwiękowy Dokładność i zakres: C - błąd do 0,5% - 1% wartości mierzonej (przylgowe do 5%) Zalety: - niewprowadzanie dodatkowych oporów przepływu, - możliwość realizacji pomiaru w kanałach o dużych średnicach Wady: - nieużyteczny przy przepływach dwufazowych, - duża wrażliwość na zmiany profilu prędkości w przypadku jednego toru akustycznego - w niszach czujnika może zbierać się powietrze lub zanieczyszczenia

25 Przepływomierze cieplne kalorymetryczny termokonwekcyjny Q T 1 T 2 T 1 T 2 q m c p Q ( T ) 2 T1 q a T T ) m ( 2 1 Q strumień ciepła, c p ciepło właściwe płynu, T 2 -T 1 przyrost temp płynu b

26 Przepływomierze cieplne W przepływomierzu cieplnym do przepływającego czynnika doprowadza się moc cieplną i mierzy spowodowany tym przyrost temperatury płynu ΔT. Przyrost ten jest w bezpośrednim związku z mierzonym strumieniem masy. Metody cieplne są stosowane przede wszystkim w przypadku małych strumieni masy. Ograniczenie wynika z konieczności doprowadzenia odpowiednio dużej energii do grzejnika przepływomierza, gdy przepływ charakteryzuje się dużą wartością. Przepływomierze kalorymetryczne, w których cały przepływający strumień jest podgrzewany ΔT, a strumień masy wynika z bilansu cieplnego układu przy znanej ilości dostarczanego ciepła poprzez elementy grzejne, przepływomierze termokonwekcyjne, w których podgrzewanie czynnika następuje jedynie w warstwie przyściennej, a różnica temperatur mierzona czujnikami umieszczonymi po obu stronach grzejnika jest bezpośrednio związana ze strumieniem masy. Przepływomierze kalorymetryczne ze względu na podgrzewanie całej powierzchni masy czynnika stosowane są głównie do pomiarów małych przepływów. Przy większych strumieniach płynu pomiar polega na zbocznikowaniu zasadniczego strumienia masy i realizacji kalorymetrycznej metody pomiaru na boczniku. Temperatury T 1 i T 2 są mierzone za pomocą termometrów oporowych, które stanowią dwie gałęzie mostka Wheatsona.

27 Przepływomierze cieplne

28 Przepływomierze cieplne Niepewność pomiaru masy wynosi 0,5% Zalety: - bezpośredni pomiar strumienia masy - brak części ruchomych, - pomiar przepływu płynów agresywnych (montaż na zewn. powierzchni rurociągu) Wady: - mała dokładność przy większych przepływach

29 Przepływomierz wirowy W przepływomierzach wirowych wykorzystuje się zjawisko powstawania wirów za nieruchomym ciałem o ostrych krawędziach umieszczonych w przepływającym płynie. w f d St w prędkość przepływu, f częstotliwość generowanych wirów, St liczba Strouhala

30 Przepływomierz wirowy

31 Przepływomierz wirowy Aby zapewnić pożądaną dokładność liczba Re powinna być większa od 10000, prędkość przepływu cieczy 0,3-7,5 m/s Niepewność pomiaru wynosi 0,75% dla cieczy Zalety: - liniowa charakterystyka częstotliwościowa, - mała wrażliwość na zmiany temperatury oraz zmiany lepkości płynu, - duża niezawodność (brak części ruchomych), - duży zakres pomiarowy Wady: - duża wrażliwość na zaburzenia przepływu, - istotne błędy pojawiające przy zmianach przepływu o charakterze dynamicznym (np. pulsacja)

32 Przepływomierz wirowy

33 Jednostka dozująca paliwo (FMU Fuel Metering Unit)

34 Jednostka dozująca paliwo (FMU Fuel Metering Unit) Zlokalizowana blisko skrzynki napędu agregatów i przykręcona bezpośrednio do pompy paliwa. Pompa paliwa wysokiego ciśnienia tłoczy większy strumień paliwa niż jest wymagany do FMU. FMU, będące pod kontrolą EEC (Engine Electronic Control) mierzy strumień masy dopływającego paliwa do wtryskiwaczy i do pracy siłowników. Niewykorzystywany strumień paliwa tłoczony przez pompę paliwa wysokiego ciśnienia jest zawracane poprzez FMU do układu paliwowego niskiego ciśnienia.

35 Umieszczenie przepływomierza w silniku