Metrologia Przemysłowa - laboratorium

Ćwiczenie 4

BŁĘDY INSTALACYJNE PRZEPŁYWOMIERZY

ZWĘŻKOWYCH

Instrukcja laboratoryjna

„Człowiek - najlepsza inwestycja”

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Warszawa 2009

2

Ć

wiczenie 4

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

1 WSTĘP

Celem ćwiczenia jest zbadanie wpływu niektórych zjawisk fizycznych zachodzących przy

przepływie płynu przez rurociągi i elementy armatury na zniekształcenia profilu prędkości
oraz na błędy przepływomierzy spowodowane tymi zniekształceniami. Problemy te będą zba-
dane na przykładzie przepływomierza zwężkowego.

2 WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Elementy armatury i kształtki, takie jak trójniki, kolanka, przewężenia, zawory itp. zabu-

rzają profil prędkości, wpływając na wskazania większości przepływomierzy. Na rys. 1 przed-
stawiono charakter zaburzeń wywołanych przez wybrane elementy armatury. I tak np. kolanko
powoduje silna asymetrie profilu prędkości. Siła odśrodkowa wypycha elementy płynu w kie-
runku zewnętrznej strony kolana (rys. 1 a). Jednocześnie strumień odrywa się od wewnętrz-

Rys. 1. Zaburzenia profilu prędkości generowane przez wybrane elementy armatury

nej strony kolana i powstaje obszar silnych zaburzeń połączonych nawet z przepływem
wstecznym (recyrkulacja) od strony wewnętrznej kolana i znacznym wzrostem prędkości po
zewnętrznej jego stronie.

Podobne zjawiska występują w trójniku (rys. 1 d), powodując także silne zniekształcenie

osiowej symetrii strumienia.

Przewężenie powoduje spłaszczenie profilu prędkości a rozszerzenie (rys. 1 b) – wyostrze-

nie profilu.

Nawet osiowosymetryczny element, jakim jest stożkowe rozszerzenie rurociągu może

spowodować zaburzenie osiowej symetrii strumienia. Dzieje się tak zwykle, gdy kąt rozwarcia
jest większy niż 15

°

. Jest to spowodowane tzw. efektem Coandy czyli przyklejeniem się

strumienia do ścianki stożka.

Niektóre przepływomierze, m. in. zwężkowy, są szczególnie wrażliwe na zawirowania

strumienia. Zawirowania takie mogą powstać za układem dwóch kolanek w różnych płasz-
czyznach (rys. 1 e), a także w rurach spawanych spiralnie.

Ć

wiczenie 4

3

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Specyficznym przypadkiem elementów zaburzających są zawory. Zwłaszcza zawory regu-

lacyjne, w których stopień zniekształcenia profilu prędkości zmienia się przy zmianach stop-
nia otwarcia zaworu, mogą być źródłem poważnych problemów w przypadku pomiaru stru-
mienia płynu. Dlatego zasadniczo zawory takie należy instalować za przepływomierzem. Na-
tomiast całkowicie otwarte zawory pełnoprzelotowe, typu zasuwa czy zawór kulowy wprowa-
dzają stosunkowo niewielkie zaburzenia.

Całkowity zanik zniekształceń profilu prędkości następuje dopiero po przepłynięciu płynu

przez prosty odcinek rurociągu o długości 100 do 200 jego średnic (zależy to m. in. od rodzaju
elementu zaburzającego i liczby Reynoldsa). Taki przepływ, który już dalej nie zmienia swo-
jego profilu, nazywamy w pełni rozwiniętym. Ponieważ jednak pewne zniekształcenia profil
prędkości są dopuszczalne, nie wymaga się aby strumień przed przepływomierzem był w peł-
ni rozwinięty.

3 WPŁYW ZNIEKSZTAŁCEŃ PROFILU PRĘDKOŚCI NA WSKAZANIA

PRZEPŁYWOMIERZY ZWĘśKOWYCH

Ze względu na wielką różnorodność elementów armatury i kształtek badania ich wpływu

na wskazania przepływomierzy zwężkowych ograniczają się głównie do określenia minimal-
nych długości prostych odcinków rurociągu między elementem zaburzającym a zwężką. Kry-
terium określenia minimalnej dopuszczalnej odległości jest zwykle błąd spowodowany znie-
kształceniami profilu prędkości, dopuszcza się go na poziomie 0,2 %.

Długości tych wymaganych prostych odcinków dla najczęściej stosowanych elementów

armatury podano w normie [1]. Norma dopuszcza skrócenie tych odcinków do połowy; jed-
nakże wówczas w trakcie analizy niepewności należy całkowitą obliczoną niepewność pomia-
ru strumienia płynu powiększyć algebraicznie o 0,5 %.

4 MOśLIWOŚĆ ZMNIEJSZENIA WPŁYWU ZABURZEŃ PROFILU PRĘDKOŚCI

NA BŁĄD POMIARU

Z tablic zawartych w normie [1] widać wyraźnie, że m mniejsze przewężenie zwężki

β

,

tym krótsze są wymagane proste odcinki rurociągu (uwaga: przewężenie definiujemy jako
stosunek średnicy otworu zwężki d do średnicy rurociągu D;

β

= d/D). O ile więc nie ma

miejsca na zastosowanie odpowiednio długich odcinków pomiarowych, można rozważyć
zmniejszenie

β

. Konsekwencją tego będzie jednak zwiększenie strat ciśnienia.

Z tej samej normy wynika, że klasyczna zwężka Venturiego umożliwia zastosowanie kil-

kakrotnie krótszych odcinków pomiarowych niż pozostałe zwężki (kryzy, dysze i dysze Ven-
turiego). Dodatkowy plus to mniejsze straty ciśnienia dla klasycznej zwężki Venturiego niż
dla kryz i dysz.

Jest też możliwość zastosowania prostownic strumienia, które w zależności od konstrukcji

mniej lub bardziej skutecznie porządkują strumień. Najczęściej stosowane konstrukcje pro-
stownic strumienia przedstawiono na rys. 2.

4

Ć

wiczenie 4

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Prostownice wg rys. 2 a (gwiazdowa), 1b (AMCA, plaster miodu) i 1 c (wiązkowa) elimi-

nuj w zasadzie głównie zawirowania strumienia, bez większego wpływu na profil prędkości.

Prostownica wg rys. 1 d (Zankera) i 1 e (Sprenkle’a) bardzo skutecznie eliminują zarówno

zawirowania jak też porządkują zniekształcony profil prędkości. Niestety, okupione jest to
znacznymi stratami ciśnienia generowanymi przez te prostownice.

Ostatnio najczęściej stosuje się różnego rodzaju prostownice tzw. płytowe. Konstrukcję ta-

kiej prostownicy przedstawiono na tys. 1 f. Jest to dość gruba płyta (0,1D do 0,15D) z odpo-
wiednio rozmieszczonymi otworami. Sposób rozmieszczenia tych otworów może być różny,
zależnie od projektanta danej prostownicy (np. Nova, Gallager, K-lab, Mitsubishi).

Rys. 2. Najczęściej stosowane prostownice strumienia. a – gwiazdowa b – plaster miodu (AMCA),

c – wiązkowa, d – Zankera, e – Sprenkle’a, f – płytowa.

5 INNE RODZAJE BŁĘDÓW INSTALACYJNYCH

Nawet poprawnie, zgodnie z norma wykonana zwężka, zabudowana w wystarczająco dłu-

gich odcinkach pomiarowych może dawać wyniki pomiarów obarczone znacznym błędem w
przypadku nieprawidłowej instalacji.

M.in. odcinki pomiarowe przed zwężką powinny być kołowe z dopuszczalną odchyłką

0,3 % na długości 2D przed zwężką.

Zwężka powinna być współosiowa z rurociągiem. Dopuszczalną mimoosiowośc zwężki

określa warunek e

≤

0,0025D/(0,1 + 2,3

β

4

).

Ć

wiczenie 4

5

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Jeżeli odcinek dopływowy składa się z kilku odcinków rury, to dopuszczalny uskok na po-

łączeniach tych odcinków wynosi 0,3 % średnicy wewnętrznej rurociągu D.

Ważne jest prawidłowe wykonanie połączeń między zwężką a przetwornikiem różnicy ci-

ś

nień. Stosowane do tego celu przewody impulsowe powinny być poprowadzone tak, aby nie

pojawiły się w nich pęcherze gazu (w przypadku pomiaru cieczy) lub korki cieczy (przy po-
miarze gazu). Zakłada się bowiem, że oba przewody wypełnione są całkowicie mierzoną cie-
czą lub gazem. Pojawienie się korka cieczy lub pęcherza gazu w jednym z przewodów naru-
sza równowagę, zmieniając ciśnienie hydrostatyczne w tym przewodzie. W efekcie zmierzone
ciśnienie różnicowe będzie sumą ciśnienia wytworzonego przez zwężkę i tego ciśnienia hy-
drostatycznego, może to być źródłem poważnych błędów, zwłaszcza przy małych wartościach

∆

p.

Dla zapobiegania tym zjawiskom ogólną zasadą jest montaż przetwornika ciśnienia różni-

cowego:

-

dla gazów – nad zwężką,

-

dla cieczy – pod zwężką.

Zapewniona jest wówczas naturalna ewakuacja korków cieczy lub pęcherzy gazu do ruro-

ciągu.

Jeśli te zasady nie mogą być spełnione, należy zastosować odwadniacze (pomiar gazu) lub

odpowietrzniki (pomiar cieczy). Przykłady poprawnej instalacji przetwornika przedstawiono
na rys. 3.

Przy pomiarze pary należy stosować tzw. naczynia poziomowe, zapewniające stały, taki

sam w obu przewodach impulsowych, poziom kondensatu.

6 OPIS STANOWISKA

Ć

wiczenie będzie wykonywane na niskociśnieniowym stanowisku powietrznym. Badana

będzie kryza w rurociągu o średnicy nominalnej DN 80. Stanowisko wyposażone jest w sze-

Rys. 3. Poprawne połączenia przewodami impulsowymi zwężki z przetwornikiem: a – po-

miar gazu, b – pomiar cieczy

6

Ć

wiczenie 4

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

reg kształtek (redukcje, kolana, proste odcinki rurociągu), które umożliwiają montaż przed
zwężką różnych konfiguracji orurowania typowych dla warunków przemysłowych. Niektóre
przykładowe konfiguracje przedstawiono na rys. 4.

Za kryzą jest zainstalowany drugi, kontrolny przepływomierz (np. wirowy, turbinowy),

wskazujący strumień objętości q

v

, w tak dużej odległości od kryzy, że wszelkie zmiany konfi-

guracji rurociągów przed kryzą nie wprowadzają zauważalnych zmian jego wskazań.

Do zwężki podłączony jest przetwornik różnicy ciśnień, którego wyjście stanowi standar-

dowy sygnał prądowy 4 – 20 mA. Dla uniknięcia komplikacji związanych z faktem, że cha-
rakterystyka przepływomierza wirowego jest liniowa w funkcji przepływu a zwężkowego –
kwadratowa, w przetworniku ciśnień ustawiono funkcję pierwiastkowania. Prąd wyjściowy z
przetwornika różnicy ciśnień będzie więc liniową funkcją przepływu.

Stanowisko wyposażone jest w zasuwę z napędem elektrycznym do ustawiania wartości

strumienia objętości.

7 WYKONANIE ĆWICZENIA

W pierwszej części ćwiczenia należy wyznaczyć zależność wyjściowego sygnału prądowe-

go z przetwornika

∆

p przepływomierza zwężkowego w funkcji wskazania strumienia objęto-

ś

ci q

v

wskazanego przez przepływomierz kontrolny dla prawidłowych warunków od strony

dopływowej zwężki. W tej fazie należy więc zamontować przed zwężką odpowiednio długi,
zgodny z normą [1] prosty odcinek pomiarowy DN 80. Dla każdej wartości q

v

należy dokonać

po 5 odczytów obu wielkości – strumienia q

v

i prądu wyjściowego i, po czym obliczyć średnią

arytmetyczną. Umożliwia to zredukowanie niepewności przypadkowych związanych z nie-
równomiernością przepływu.

Należy wyznaczyć fragment 6 – 8 punktów charakterystyki i = f(q

v

) w zakresie od maksy-

malnej osiąganej wartości strumienia o ok. 1/3 tej wartości. Charakterystykę tę należy wyko-
nać szczególnie starannie, gdyż jest ona podstawą do wszelkich dalszych działań, następnie
należy aproksymować ją linią prostą lub inną krzywą aproksymującą, o ile będą występować
zauważalne nieliniowości (teoretycznie charakterystyka ta powinna być liniowa).

Rys. 4. Przykładowe konfiguracje ele-
mentów zaburzających strumień:

a – prosty odcinek 3

×

DN80 + zwężka

DN80/50 + prosty odcinek 10

×

DN50,

b – prosty odcinek 3

×

DN80 + zwężka

DN80/50 + 2 kolana DN50 w jednej
płaszczyźnie

+

prosty

odcinek

10

×

DN50,

c – prosty odcinek 3

×

DN80 + zwężka

DN80/50 + 1 kolano DN50 + prosty
odcinek 10

×

DN50.

1 – kryza, 2 – wymienne proste odcinki
rur o różnych długościach

.

Ć

wiczenie 4

7

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Charakterystykę należy nanieść na wykres o postaci pokazanej na rys. 5.

Dalsze pomiary wykonujemy tak samo, ale już po zamontowaniu przed kryzą kolejnych

konfiguracji złączek zaburzających przepływ, przy różnych odległościach od kryzy.

Ponieważ wykazano doświadczalnie, że w zakresie stosowania zwężek błędy związane ze

zniekształceniami profilu prędkości nie zależą od wartości strumienia, w dalszej części ćwi-
czenia wystarczy wykonać po jednym pomiarze dla każdej konfiguracji rurociągów przed kry-
zą, dla jednej wartości strumienia mieszczącej się w zakresie wykonanej uprzednio charakte-
rystyki podstawowej. (ale jak poprzednio, na podstawie 5 uśrednionych odczytów!). Dla zwe-
ryfikowania tego stwierdzenia należy jednak, przynajmniej dla jednej konfiguracji rurociągów
zaburzających, wykonać pomiary dla dwóch różnych wartości strumienia.

Uzyskane punkty należy nanieść na wykres jak na rys. 5.

Wyniki badań będą poprawne, gdy w ich trakcie wszelkie inne warunki pomiaru będą stałe.

Dlatego na początku i na końcu badań należy odczytać i zapisać ciśnienie atmosferyczne. W
trakcie badań okresowo kontrolować temperaturę. W razie jej nadmiernych zmian (powyżej 3
K) uruchomić klimatyzację pomieszczenia.

8 OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ, ZAWARTOŚĆ SPRAWOZDANIA

Błędy instalacyjne spowodowane kolejnymi zaburzającymi konfiguracjami rurociągu nale-

ż

y obliczyć z wzoru

%

100

⋅

∆

=

i

i

e

inst

(1)

Wszystkie uzyskane wyniki należy przedstawić zbiorczo w postaci tabelarycznej oraz na

wykresie o postaci przedstawionej na rys. 5. Przykładowy wykres przedstawiono na rys. 6.

Rys. 5. Sposób określania błędów
instalacyjnych.

– punkty charakterystyki podstawo-
wej (bez zaburzeń profilu prędkości)

– punkt charakterystyki po zamon-
towaniu elementów zaburzających

8

Ć

wiczenie 4

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Dla ujednolicenia, należy w sprawozdaniu stosować symbole konfiguracji rurociągu jak na

rys. 4. Np. konfigurację wg rys. 4 b składającej się z:

-

prostego odcinka rury o długości trzech średnic nominalnych DN 80 (3

×

DN80),

-

zwężki DN80/50,

-

2 kolan DN50 w jednej płaszczyźnie,

-

prostego odcinka rury o długości dziesięciu średnic nominalnych DN 50 (10

×

DN50)

należy oznaczyć:

3

×

DN80 + zw DN80/50 + 2 kol DN50 jed. pł. + 10

×

DN50

17

17,5

18

18,5

19

19,5

104

106

108

110

112

114

116

Flow rate, m3/h

S

q

u

a

re

r

o

o

t

o

f

p

re

s

s

u

re

d

if

fe

re

n

c

e

straight pipe DN80, 30D
reducer DN80/50, 10D upstreams
reducer DN80/50, 5D upstreams
reducer DN80/50, 3D upstreams
reducer DN80/50 + bend 10D upstreams
reducer DN80/50 + bend, 5D upstreams
reducer DN80/50 + bend 3D upstreams
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 3D upstreams
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 5D upstreams
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 10D upstreams
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 3D upstreams
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 3D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, prependicular planes, 5D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 8D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 10D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 3D upstr.
straight pipe, 30D
reducer 80/50, 10D upstreams
reducer 80/50, 5D upstreams
reducer 80/50, 3D upstreams
reducer 80/50 + bend 10D upstreams
reducer 80/50 + bend 5D upstreams
reducer 80/50 + bend, 3D upstreams
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 3D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 5D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 10D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, same plane, 3D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 3D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 5D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 8D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes 10D upstr.
reducer 80/50 + 2 bends, perpendicular planes, 3D upstr.

Rys. 6

Przykładowe wyniki badań błędów instalacyjnych

Ponadto należy wykonać wykresy przedstawiające jak, dla określonej konfiguracji rurocią-

gu, błędy wyliczone z wzoru (1) zmieniają się w funkcji odległości zaburzającego układu od
kryzy.

Jak zwykle, niezbędnym elementem sprawozdania jest schemat stanowiska pomiarowego

wraz z opisem i wykazem najważniejszej aparatury oraz wnioski.

Ć

wiczenie 4

9

„Bł

ę

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęż

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ś

ci termodynamicznych

Bibliografia

[1] PN-EN ISO 5167-1. Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych. Kryzy,

dysze i zwężki Venturiego wbudowane w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju
kołowym.

[2] Turkowski M. Pomiary przepływów (skrypt), Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej,

1989 r.

[3] Turkowski M. Przemysłowe sensory i przetworniki pomiarowe. Oficyna Wydawnicza Po-

litechniki Warszawskiej, 2002 r.