background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

Ćwiczenie 16 

IDENTYFIKACJA STRUMIENIA PRZEPŁYWU PŁYNU 

1.  Wstęp 

 

Pomiary  strumienia  przepływającego  płynu  są  jednymi  z  najczęściej 

wykonywanych  w  praktyce  przemysłowej  oraz  laboratoryjnej.  Wiele  przyrządów 
różniących  się  dokładnością,  wielkością  oraz  stopniem  złożoności  zostało opracowanych 
bądź  przystosowanych  w  celu  mierzenia  strumienia  przepływu.  Generalnie  przyrządy  do 
pomiaru  przepływów  można  podzielić  na  dwie  grupy:  do  pomiarów  bezpośrednich  oraz 
pośrednich.  Przyrządy  z  pierwszej  grupy  mierzą  objętość  bądź  masę  płynu  w  danej 
jednostce  czasu.  Urządzenia  te  są  zwykle  stosunkowo  dużych  rozmiarów  i  posiadają 
niewielką częstotliwość charakterystyk odpowiedzi. Jednakże charakteryzują się one dużą 
dokładnością i precyzyjnością, dzięki czemu często używane są do kalibracji urządzeń do 
pomiarów pośrednich. 
Przyrządy  do  pomiarów  pośrednich  składają  się  z  dwóch  komponentów  –  części 
zasadniczej  (sondy),  która  znajduje  się  w  kontakcie  z  badanym  płynem  oraz  elementu 
przetwarzającego  reakcję  sondy  na  wielkość  mierzoną.  Przyrządy  te  charakteryzują  się 
stosunkowo  niskimi  kosztami  oraz  zajmują  niewiele  miejsca,  dzięki  czemu  są  często 
spotykane w przemyśle jak i laboratoriach badawczych. Najszerzej stosowanymi metodami 
pośredniego pomiaru przepływu są pomiary pola prędkości jak i spadku ciśnienia. 
 

2.  Pomiar prędkości płynu 

 

Najstarszą, historycznie rzecz biorąc, metodą pomiaru prędkości było użycie sond 

aerodynamicznych,  które  pozwalają  określić  lokalną  prędkość  przepływu  na  podstawie 
pomiaru  różnicy  między  ciśnieniem  statycznym  a  ciśnieniem  całkowitym,  większym  od 
statycznego  o  wartość  powstałą  w  wyniku  wytracenia  energii  kinetycznej  płynu.  Zasada 
działania  prędkościomierzy  piętrzących  opiera  się  na  proporcjonalności  miejscowej 
prędkości  przepływu  V  do  wspomnianej  różnicy  ciśnień  (ciśnienia  dynamicznego  p

d

wynikającej z równania Bernoulliego: 

d

p

2

V

r

=

   

 

 

(2.1) 

 
Najprostszym przyrządem służącym do pomiaru tego ciśnienia jest rurka Pitota (rys. 2.1). 
Jest to  rurka zgięta pod kątem prostym, którą skierowuje się jednym końcem równolegle 
przeciw  przepływowi,  a  drugi  koniec  łączy  się  z  manometrem.  W  celu  wyznaczenia 
ciśnienia  dynamicznego  konieczny  jest  równoczesny  pomiar  ciśnienia  statycznego. 
Przyrządem o podobnej zasadzie działania jest rurka Prandtla. Różnica w stosunku do rurki 
Pitota polega na tym, że odbiór ciśnienia statycznego odbywa się na pobocznicy rurki za 
pomocą szczeliny piezometrycznej (rys. 2.2).  
 
 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

 

 

Rys. 2.1. Rurka Pitota 

 

 

 
  

Rys. 2.2. Rurka Prandtla wraz z rozkładem ciśnienia dynamicznego 

 

Istotną  rzeczą  przy  pomiarze  rurką  Prandtla  jest  zachowanie  odległości  przyrządu  od 
ściany przewodu. Gdy odległość  między osią przyrządu a ścianą  jest mniejsza od dwóch 
średnic  rurki  pomiar  może  być  obarczony  zbyt  dużym  błędem.  W  przepływach 
turbulentnych  rzeczywiste  ciśnienie  jest  mniejsze  od  wartości  mierzonych.  Generalnie 
wyniki  pomiarów  są  wiarygodne,  gdy  intensywność  turbulencji  jest  mniejsza  niż  10%. 
Opisane  powyżej  rurki  piętrzące  służą  do  pomiaru  lokalnej  prędkości  płynu.  Chcąc 
mierzyć  średnią  prędkość  ruchu  burzliwego  by  na  jej  podstawie  wyznaczyć  wydatek 
przepływu  należy  przeprowadzić  tak  zwane  sondowanie  rurociągu.    Przy  dokładnych 
pomiarach  należy  podzielić  rozpatrywane  przekroje  na  części  o  jednakowych  polach 
powierzchni.  Na  rysunku  2.3  przedstawiono  podział  pola  przekroju  poprzecznego 
rurociągu kołowego na 8 części. 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

 

 

Rys. 2.3. Podział pola przekroju poprzecznego rurociągu kołowego 

 

Średnia prędkość przepływu płynu w przypadku wspomnianego podziału przekroju 

jest równa średniej arytmetycznej zmierzonych prędkości lokalnych.  
 

 

Rys. 2.4. Anemometry skrzydełkowe 

 

Drugą  grupą  anemometrów  są  anemometry  skrzydełkowe  (rys.  2.4).  Są  one 

stosunkowo duże, wynikiem czego pomiar jest uśredniony na stosunkowo dużym obszarze. 
Anemometry  te  stosowane  są  w  przypadkach,  gdy  nie  potrzebujemy  dużej  dokładności 
pomiaru. Przyrządy te mierzą w zasadzie długość drogi gazu, który przepłynął prostopadle 
do  płaszczyzny  obrotu.  Do  wyznaczenia  prędkości  potrzebny  jest  jednoczesny  pomiar 
czasu.  

 
 

 

Rys. 2.5. Anemometr czaszowy 

 
 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

Kolejną  grupą  przyrządów  służących  do  pomiarów  prędkości  przepływów  są 

anemometry  czaszowe  (rys.  2.5).  Ich  oś  obrotu,  na  której  umocowane  są  ramiona 
z umieszczonymi na końcach czaszami ustawiona jest prostopadle do kierunku prędkości 
płynu.  Zasada  pracy  tych  anemometrów  polega  na  wykorzystaniu  różnicy  oporu 
czołowego, który wywołują czasze kuliste w różnych położeniach.  

W latach czterdziestych minionego stulecia do techniki pomiarowej wprowadzono 

termoanemometr  (rys.  2.6).  Podstawowym  elementem  sondy  termoanemometrycznej  jest 
zwykle  cienki  drucik  (włókno)  o  średnicy  d  =  (1  ÷  5)μm  i  długości  l  =  (0,3  ÷  2,0)mm, 
wykonany np. z platyny lub wolframu i rozpięty między dwoma stalowymi wspornikami.  
 

 

Rys. 2.6. Schemat termoanemometru stałotemperaturowego 

 

Materiał  włókna  dobierany  jest  w  ten  sposób,  aby  charakteryzował  się  stosunkowo  dużą 
wartością  cieplnego  współczynnika  rezystywności.  Dzięki  temu,  już  przy  niewielkim 
schłodzeniu  czujnika  wskutek  np.  wzrostu  prędkości  przepływu  lub  spadku  temperatury 
płynącego  medium,  uzyskuje  się  stosunkowo  znaczną  zmianę  oporności  włókna,  która 
transponowana jest na elektryczny sygnał wejściowy układu pomiarowego. Podczas pomiaru 
umieszczone  w  przepływie  włókno  sondy,  włączone  do  układu  mostkowego  typu 
Wheatstone’a (rys. 2.6) podgrzewane jest prądem elektrycznym do temperatury θ

w

 = (150 ÷ 

200)ºC, a jednocześnie chłodzone omywającym go medium. Strumień ciepła przekazywany 
do przepływającego medium głównego na drodze konwekcji wymuszonej skompensowany 
zostaje dopływem energii elektrycznej. Znane z literatury termoanemometry mogą pracować 
w dwóch podstawowych układach: stałoprądowym (I = const) lub stałotemperaturowym (

q

w

 

= const). W układzie I = const włókno sondy włączone w obwód elektroniczny przyrządu 
podgrzewane  jest  prądem  elektrycznym  o  stałym  natężeniu,  nie  zależnym  od  prędkości 
przepływu.  Spadek  napięcia  na  rezystancji  czujnika  określa  strumień  doprowadzonej  doń 
energii elektrycznej, stanowiąc miarę prędkości przepływającego medium. W układzie 

q

w

 = 

const  oporność  włókna,  a  stąd  i  jego  temperatura  utrzymywane  są  na  stałym  poziomie, 
praktycznie  niezależnym  od  prędkości  płynu,  co  uzyskuje  się  w  obwodzie  ujemnego 
sprzężenia  zwrotnego  przez  dostarczenie  do  czujnika  energii  elektrycznej  równoważącej 
straty cieplne  na rzecz otoczenia. Porównanie zalet i wad obu układów wskazuje, że choć 
układ I = const ma na ogół przy tej samej wartości prądu nieco większą czułość, to układ 

q

w

 

=const  wskutek  wielokrotnego  zmniejszenia  wpływu  bezwładności  cieplnej  włókna 
umożliwia  badanie  fluktuacji  prędkości  przepływu  o  wyższych  częstotliwościach.  W 
cieczach  oraz  gazach  zawierających  cząsteczki  stałe  drucik  zastąpiony  jest  poprzez 
wytrzymalszy czujnik cylindryczny lub naniesioną folię. 

Wszystkie  wspomniane  dotychczas  metody  posiadają  wspólną  wadę  -  wymagają 

one wprowadzenia urządzenia pomiarowego (sondy) w obręb przepływającego płynu, co 
powoduje zakłócenia mierzonego pola prędkości. W niektórych przypadkach sonda może 
być  narażona  na  oddziaływanie  ekstremalnie  niekorzystnych  warunków,  na  przykład  w 
pomiarach przepływu cieczy żrących bądź w komorach spalania. Tych trudności możemy 
uniknąć stosując metody optyczne, które wymagają wprowadzenia jedynie wiązki światła 
w obszar przepływu.  

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

 

Jedną  z  najnowszych  technik  pomiaru  prędkości  jest  metoda  PIV  (Particle  Image 

Velocimetry).  W  metodzie  tej  wykorzystuje  się  pulsujące  źródło  światła  (laser) 
oświetlające cząstki płynu w czasie krótkich ekspozycji oraz kamerę zsynchronizowaną z 
tymże  źródłem,  rejestrującą  położenie  cząstek.  Prędkość  cząstki  wyrażona  jest  przez 
iloczyn Δs/Δt, gdzie  Δs  jest jej przemieszczeniem,  a Δt czasem pomiędzy ekspozycjami. 
Czas pomiędzy pulsacjami lasera dobierany jest w zależności od prędkości ruch cząstek.  
 
 
 
 

 

a) 

 

 

  b) 

 

 

       c)   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 2.7. Metoda PIV 

 

Rysunek  2.7a  przedstawia  przykładowy  obraz  zarejestrowany  przez  kamerę,  natomiast 
rysunki 2.7b i 2.7c pole prędkości oraz linie prądu wyznaczone za pomocą metody PIV 
Rozwinięciem  PIV  jest  metoda  MTV  (Molecular  Tagging  Velocimetry)  polegająca  na 
dodaniu  do  płynu  molekularnego  posiewu.  Rysunek  2.8  przedstawia  wyniki 
przykładowego pomiaru, w którym do wody dodano związek  fosforyzujący. Lewe górne 
zdjęcie prezentuje przepływ początkowo oświetlony siatką linii lasera, podczas gdy prawe 
górne  zdjęcie  przedstawia  te  same  molekuły  zarejestrowane  8ms  później.  W  oparciu  o 
techniki przestrzennej korelacji możliwe jest wyznaczenie pola prędkości przepływu. 
 

 

 

Rys. 2.8. Metoda MTV 

 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

2.1.  Przepływomierze oparte o pomiar spadku ciśnienia 

 

Pomiary przepływu przy zastosowaniu spadku ciśnienia są najszerzej stosowanymi 

technikami dzięki  swojej prostocie, niezawodności, powtarzalności oraz niskim kosztom. 
Trzema  najpopularniejszymi  urządzeniami  opartymi  o  tą  metodę  są  kryzy,  zwężki 
Venturiego  oraz  dysze.  Ich  zasada  działania  oparta  jest  na  występowaniu  przeszkody 
(zwężki  pomiarowej)  wbudowanej  w  kanał  (rurociąg)  całkowicie  wypełniony  przez 
przepływający  płyn.  Po  wbudowaniu  zwężki  pomiarowej  powstaje  różnica  ciśnień 
statycznych między stroną dopływową i stroną odpływową tejże zwężki, czyli w kierunku 
zgodnym  z  kierunkiem  przepływu  płynu.  Strumień  masy  przepływającego  płynu  można 
wyznaczyć  na  podstawie  zmierzonej  wartości  różnicy  ciśnień,  wykorzystując  informacje 
dotyczące przepływającego płynu i warunków, w jakich zwężka została zamontowana. 

Na  rysunku  2.9

 

przedstawiony  jest

 

fragment  rurociągu  z  zamontowaną  kryzą 

pomiarową  o  polu  powierzchni  A

0

.  Rozważany  jest  przepływ  ustalony  przez  przewód 

o przekroju  kołowym.  Po  stronie  odpływowej  przewężenia  linie  przepływu  zbiegają  się 
i formują  przepływ  o  najmniejszej  powierzchni  przekroju  A

C

.  Otwory  impulsowe  umie-

szczone są po obydwu stronach kryzy. Po stronie dopływowej w miejscu gdzie przepływ 
jest  niezakłócony  oraz  po  stronie    odpływowej  w  sąsiedztwie  największego  przewężenia 
strumienia. Zakładając, że mamy do czynienia z nieściśliwym płynem doskonałym bez sił 
tarcia równanie Bernoulliego oraz równanie ciągłości miały by postać: 

 

 

Rys. 2.9. Schemat  przepływu przez kryzę 

 

C

C

C

z

p

g

V

z

p

g

V

+

+

=

+

+

g

g

2

2

2

1

1

2

1

  

   

    (2.2)  

             

 

 

 

C

C

A

V

A

V

=

1

1

      

 

 

 

       (2.3) 

Łącząc powyższe obydwa równania wyznaczamy V

C

2

1

C

C

1

C

)

A

/

A

(

1

)

h

h

(

g

2

V

-

-

=

   

 

 

(2.4) 

gdzie   

 

       

1

1

1

z

p

h

+

=

g

 

 

C

C

C

z

p

h

+

=

g

  

 

(2.5) 

 
Wydatek  Q

i

  równy  jest  iloczynowi  powierzchni  i  prędkości  średniej  w  miejscu 

największego przewężenia strumienia: 
 

)

h

h

(

g

2

)

A

/

A

(

1

A

V

A

Q

C

1

2

1

C

C

C

C

i

-

-

=

=

 

 

(2.6) 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

 
W rzeczywistym przepływie siły tarcia sprawiają, że prędkość lokalna w środku przekroju 
jest większa niż prędkość średnia w tym przekroju.. Ze względu na to, że pole powierzchni 
jak  i  ciśnienie  statyczne  w  miejscu  największego  przewężenia  strumienia  jest  nieznane 
wartość  A

C

  zostanie  zastąpiona  iloczynem  C

C

A

0

,  gdzie  C

C

  jest  współczynnikiem 

przewężenia, a wartość h

C

 wartością h

2, 

odczytywaną na otworze impulsowym po stronie 

odpływowej kryzy Dodatkowo wprowadzony zostanie współczynnik przepływu C

d

 będący 

iloczynem współczynnika przewężenia oraz współczynnika prędkości. 
 

     

d

0

1

2

2

C

0

1

C A

Q

2g(h

h )

1- (C A / A )

=

-

 

 

 

(2.7) 

 
Wygodnym będzie wprowadzenie wartości przewężenia β 

 

 

 

 

 

D

D

A

A

0

1

0

=

=

b

 

 

 

 

(2.8) 

gdzie  D  jest  średnicą  rury.  W  praktyce  stosuje  się  kryzy  o  wartości  przewężenia 
z przedziału 0,2 ≤ β ≤ 0,8. Równanie (2.7) przyjmie postać: 

             

 

 

      

)

h

h

(

g

2

KA

Q

2

1

0

-

=

   

 

 

(2.9) 

gdzie    

 

 

 

4

2

C

d

C

1

C

K

b

-

=

 

 

 

 

(2.10) 

 
Współczynniki C

d

 oraz K są zależne od liczby Reynoldsa (rys. 2.10). 

 

 

 

Rys. 2.10. Wartości współczynnika K dla kryz, dysz oraz zwężek Venturiego 

 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

Na rysunku 2.11 zaprezentowano dwa rozwiązania umiejscowienia otworów impulsowych 
dla kryz: 

·  odbiór  ciśnienia  kołnierzowy  –  otwory  impulsowe  w  odległości  25mm  od  kryzy 

zarówno po stronie dopływowej jak i odpływowej,  

·  odbiór ciśnienia trzytarczowy- punktowy lub szczelinowy, 

·  odbiór ciśnienia typy D i D/2 – otwory umieszczone w odległości jednej średnicy 

przewodu po stronie dopływowej i połowy średnicy po stronie odpływowej. 

 

 

Rys. 2.11. Rozmieszczenie otworów impulsowych dla kryz 

 

Równanie  (2.9)  prócz  kryz  obowiązuje  również  w  przypadku  zwężek  Venturiego. 
Współczynnik  przepływu  dla  zwężek  Venturiego  jest  bliski  jedności.  Na  rysunku  2.12 
przedstawiono  przykładową  zwężkę  tego  typu  składającą  się  ze  standartowej  dyszy  na 
wlocie oraz stożkowego wylotu o kącie rozwarcia nie  większym niż 30º. Rekomendowany 
zakres liczby Reynoldsa dla tego przyrządu to przedział od 1,5*10

do 2*10

6

 

 

Rys. 2.12. Zwężka Venturiego 

 

Zwężki  Venturiego  są  obecnie  dość  rzadko  stosowane  ze  względu  na  stosunkowo  duże 
rozmiary, kłopotliwą instalację oraz wysokie koszty produkcji.  
 

Rysunek  2.13  przedstawia  dyszę  pomiarową.  Podobnie  jak  miało  to  miejsce  w 

przypadku  kryzy,  otwory  impulsowe  umieszczone  są  w  odległości  jednej  średnicy  D  po 
stronie  dopływowej  oraz  połowy  średnicy  D/2  po  stronie  odpływowej.  Wartość 
współczynnik przepływu jest bliska jedności, a wartość współczynnika K zmienia się wraz 
z liczbą Reynoldsa w sposób bardzo zbliżony do zwężki Venturiego (rys. 2.10). 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

 

Rys. 2.13. Dysza pomiarowa 

 

Zaletą dysz w stosunku do kryz jest ich mniejsza podatność na erozję i zużycie, a w sto- 
sunku do zwężek Venturiego mniejszy koszt i prostota instalacji. 

Kolejnym  przyrządem  należącym  do  tej  grupy  jest  przepływomierz  kolanowy. 

Zasada  działania  tego  przepływomierza  polega  na  wykorzystaniu  zależności 
objętościowego natężenia przepływu płynu od różnicy ciśnienia zmierzonego w punktach 
po  obu  stronach  kolana.  W  praktyce  otwory  impulsowe  umieszcza  się  na  siecznej  kąta 
kolana (45º). Stosuje się też rozwiązanie z pomiarem ciśnienia na 22,5º od wlotu kolana, 
jednak  przy  użyciu  tego  rozwiązania  możliwy  jest  pomiar  przepływu  tylko  w  jednym 
kierunku. Sposób pomiaru sprowadza się do wyznaczenia wspomnianej różnicy ciśnienia, 
następnie  do  przyporządkowania  odpowiedniego  natężenia  przepływu  opierając  się  na 
wcześniej  wykonanej  charakterystyce  przyrządu.  Niekiedy  zamiast  charakterystyk 
przyrządu  wykorzystuje  się  proste  zależności  algebraiczne  otrzymane  z  opracowania 
wyników badań doświadczalnych. Zależności te określone są dla konkretnych parametrów 
przepływu i obarczone mogą być znacznymi błędami. 

 

Rys. 2.14. Schemat przepływomierza kolanowego 

 

W celu wyznaczenia zależności wygodne będzie przyjęcie następujących upraszczających 
założeń: 
– przekrój poprzeczny kolana jest prostokątny, 
– kolano leży w płaszczyźnie poziomej, 
– na przekroju kolana występuje jednolity rozkład prędkości, 
– nie ma strat ciśnienia ani prędkości pomiędzy wlotem a wylotem kolana, 
– nie ma efektu lepkości płynu, 
– na wewnętrznej i zewnętrznej ścianie kolana występuje jednolity rozkład ciśnienia, 
– w kolanie występuje przepływ ustalony względem czasu. 
 
Z równania pędu dla kolana: 

W

×

×

+

×

×

=

W

×

×

-

+

ò

ò

ò

d

V

t

)

dA

V

(

V

d

)

z

g

(

F

r

r

r

  

(2.11)  

gdzie: F – siła wynikająca z zasady pędu 

background image

10 

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

          

W - przestrzenny obszar wypełniony płynem (obszar całkowania) 

 
Uwzględniając powyższe założenia otrzymujemy 

ò

×

×

=

)

dA

V

(

V

F

r

 

 

 

 

 

(2.12) 

 

Składowe prędkości w kierunkach x i y przyjmują postać: 

ò

ò

×

×

=

×

×

=

)

dA

V

(

V

F

)

dA

V

(

V

F

y

y

x

x

r

r

   

 

 

 

(2.13) 

 

Siła F złożona jest z dwóch części: siły od ciśnienia na powierzchni przepływu oraz siły S 
na ścianach kolana: 

 

A

p

V

A

S

A

p

V

A

S

V

A

)

dA

V

(

V

A

p

S

F

V

A

)

dA

V

(

V

A

p

S

F

L

2

L

y

L

2

L

x

2

L

L

Ly

L

y

y

2

L

L

Lx

L

x

x

-

×

×

-

=

+

×

×

=

×

×

=

×

×

=

+

-

=

×

×

=

×

×

=

-

=

ò

ò

r

r

r

r

r

r

 

 

(2.14) 

 

(

)

2

L

2

L

2
y

2
x

A

p

V

A

2

S

S

S

+

×

×

=

+

=

r

 

 

 

(2.15) 

Siłę S można wyznaczyć poprzez całkowanie ciśnienia po powierzchni ścian kolana: 
 

ò

×

=

dA

p

S

   

 

 

 

(2.16) 

  

 

 

 

gdzie dA jest skierowanym elementem powierzchni 

 

q

h

q

h

d

)

2

/

D

R

(

dA

,

d

)

2

/

D

R

(

dA

o

i

×

×

+

=

×

×

-

=

 

(2.17) 

 
W powyższym wzorze użyto wskaźników oznaczających: i – wewnętrzny, o – zewnętrzny, 
a przez η oznaczono wysokość przekroju kanału. 
 

 

Rys. 2.15. Przepływ płynu przez przepływomierz kolanowy 

 

Jednolite  ciśnienie  p

o

  na  ścianie  zewnętrznej  oraz  p

i

  na  wewnętrznej  pomnożone  przez 

element  skierowany  powierzchni  dA  tworzy  siłę  złożoną  z  dwóch  składowych: 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

11 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

równoległej do S oraz normalnej do niej. Składowe normalne w miejscu osi symetrii π/4 
(rys.  2.16)  są  sobie  symetrycznie  przeciwne.  Dodatkowo  założyć  można,  że  rozkład 
ciśnienia  na  górze  oraz  dole  kanału  jest  symetrycznie  przeciwny.  Tak  więc  całkowita 
wartość siły S na ścianach kanału wynosi 

ò

ò

-

-

×

-

-

+

×

=

2

/

0

i

2

/

0

o

d

)

4

/

cos(

)

2

/

D

R

(

p

d

)

4

/

cos(

)

2

/

D

R

(

p

S

p

p

q

q

p

h

q

q

p

h

  

(2.18) 

 
ponieważ  

ò

ò

=

×

=

×

=

=

+

=

-

2

/

0

2

/

0

1

d

sin

d

cos

2

/

1

)

4

/

sin(

)

4

/

cos(

sin

)

4

/

sin(

cos

)

4

/

cos(

)

4

/

cos(

p

p

q

q

q

q

p

p

q

p

q

p

q

p

 

 

 

(2.19) 

 

(

)

(

)

2

D

2

p

p

2

R

p

p

S

2

2

)

2

/

D

R

(

p

2

2

)

2

/

D

R

(

p

S

i

o

i

o

i

o

×

+

+

×

-

=

×

-

×

-

×

+

×

=

h

h

h

h

 

 

 

(2.20) 

 

Łącząc równania (2.15) oraz (2.20) otrzymujemy 
 

 

(

)

(

)

(

)

2

L

2

L

i

o

i

o

D

p

V

D

2

2

D

2

p

p

2

R

p

p

+

×

×

×

=

×

+

+

×

-

h

r

h

h

  (2.21) 

z którego wynika 

 

 

(

)

(

)

R

2

D

p

p

R

D

p

R

V

D

p

p

i

o

L

2

L

i

o

×

×

×

+

-

×

×

×

+

×

×

×

×

=

-

h

h

h

h

h

h

r

  

 

(2.22) 

 
Z  równania  (2.22)  wynika,  że  wysokość  prostokątnego  kanału  η  nie  wpływa  na  wartość 
różnicy  ciśnienia.  W  oparciu  o  założenie  o  braku  strat  ciśnienia  pomiędzy  wlotem  i 
wylotem kolana, przybliżona relacja 

(

)

L

i

o

p

2

/

p

p

@

-

 może być uwzględniona w równaniu 

(2.22), dzięki czemu otrzymamy 

2

L

i

o

V

R

D

p

p

p

×

×

=

D

=

-

r

 

 

 

 

(2.23) 

 
Równanie  (2.23)  jest  teoretycznym  równaniem  przybliżonym  dla  pomiaru  strumienia 
przepływu płynu przez kolano i może być stosowane dla kanałów o dowolnym przekroju 
symetrycznym względem płaszczyzny środkowej. Teoretyczny wydatek przepływu wynosi 
 

 

 

 

 

r

p

D

R

A

V

A

q

L

T

D

×

=

×

=

 

 

 

 

(2.24) 

Wprowadzając  współczynnik  przepływu  K  wyznaczany  poprzez  kalibrację  otrzymujemy 
równanie na wydatek przepływu 

 

 

 

 

r

p

D

R

K

A

q

D

×

×

=

 

 

 

 

 

(2.25) 

W przypadku kolan 90º z otworami impulsowymi umieszczonymi na siecznej kąta 

j=45º 

wartość K wyrażona jest wzorem 

background image

12 

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

 

 

 

 

Re

5

,

6

1

K

-

=

   

 

 

 

 

(2.26) 

przy założeniach  

 

25

,

1

D

/

R

10

Re

10

6

4

³

£

£

 

2.2.  Inne typy przepływomierzy 

 

Innym  urządzeniem  służącym  do  pomiaru  przepływu  jest  rotametr  (rys.  2.16). 

Przyrząd ten zbudowany jest ze zwężanej rury, w której przepływ skierowany jest pionowo 
ku górze.  

 

Rys. 2.16. Schemat rotametru 

 

Pływak  znajdujący  się  w  tej  rurze  unosi  się  do  momentu,  w  którym  siły  nań  działające 
równoważą  się.  Po  osiągnięciu  równowagi  sił  pływak  ustawia  się  na  pewnej  wysokości 
zależnej  od  natężenia  przepływu.  Dokładność  rotamentrów  jest  niższa  od  dokładności 
przepływomierzy opartych o pomiar różnicy ciśnień –  mieści  się ona zwykle w zakresie 
5% pełnej skali. 

Przepływomierz  elektromagnetyczny  (rys.  2.17)  jest  przyrządem  zbudowanym  z 

cewki  oraz  elektrod  otaczających  rurę.  Cewka,  która  wytwarza  pole  magnetyczne,  jest 
odizolowana od przepływającego płynu, natomiast elektrody znajdują się w bezpośrednim 
kontakcie z badaną cieczą. Odpowiednia ilość elektrolitów jest rozpuszczana w płynie by  

 

Rys. 2.17. Schemat przepływomierza elektromagnetycznego 

 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

13 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

ten  stał  się  zdolny  do  przewodzenia  prądu  elektrycznego.  Kiedy  przepływa  przez  pole 
magnetyczne  wytworzone  przez  cewkę  w  cieczy  indukuje  się  napięcie  elektryczne 
proporcjonalne  do  przepływu.  Wadą  tych  urządzeń  jest  stosunkowo  wysoki  koszt  oraz 
możliwość stosowania tylko w cieczach. 

Przepływomierze  ultradźwiękowe  oraz  akustyczne  pracują  w  oparciu  o  jedną  z 

dwóch  zasad.  Pierwsza  wykorzystuje  nadajniki/odbiorniki  ultradźwiękowe  przesyłające 
sygnał w poprzek przewodu (rys. 2.18). Zmierzone różnice w czasach przepływu sygnału 
są  bezpośrednio  proporcjonalne  do  średniej  prędkości  płynu  a  co  za  tym  idzie  wartości 
strumienia. Drugi typ oparty jest na efekcie Dopplera, w którym fale akustyczne wysyłane 
w kierunku pola prędkości są rozpraszane przez cząsteczki lub zanieczyszczenia dodane do 
płynu. 

 

Rys. 2.18. Schemat  przepływomierza akustycznego  

 
 

Przepływomierze  wirowe  (Vortex)  są  stosowane  do  pomiaru  strumienia  objętości 

cieczy, pary i gazów. W szczególności mogą znaleźć zastosowanie do pomiaru przepływu 
takich  mediów  jak:  para  nasycona,  para  przegrzana,  powietrze,  spaliny,  skroplone  gazy, 
woda, rozpuszczalniki, oleje opałowe itp. 

 

 

 

Rys. 2.19. Schemat przepływomierza wirowego 

 
Zasada  działania  przepływomierzy  wirowych  oparta  jest  na  teorii  powstawania 

regularnego układu wirów za opływanym  ciałem (rys. 2.19). Ten regularny układ wirów 
powstający  za  opływanym  ciałem  nosi  nazwę  ścieżki  wirów  Karmana.  Opływane  ciało 
umieszczone  jako przegroda w strumieniu przepływającego płynu generuje zawirowania, 
które naprzemiennie odrywają się od jego boków i unoszone są wraz ze strumieniem w dół 
przepływu.  Częstotliwość  odrywania  wirów  jest  wprost  proporcjonalna  do  średniej 
prędkości przepływu,  a więc i do strumienia objętości. Podczas odrywania wirów po obu 
stronach  ciała  opływanego  powstają  również  naprzemiennie  chwilowe  pola  obniżonego 
ciśnienia.  Wspomniane  pola  obniżonego  ciśnienia  identyfikuje  i  zlicza  czujnik 
pojemnościowy,  którego  sygnał  wyjściowy  jest  wyskalowany  w  jednostkach  strumienia 
objętości  przepływającego  płynu.  Czujnik  pojemnościowy  może  być  dodatkowo 
wyposażony w czujnik temperatury i wówczas umożliwia pomiar strumienia masy. 

background image

14 

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

Najważniejsze  zalety  przepływomierzy  wirowych  to:  niezależność  pomiaru  strumienia 
przepływu od zmian ciśnienia i lepkości płynu, brak części ruchomych, niewielki spadek 
ciśnienia w instalacji, łatwa obsługa.    

W ostatnim czasie do pomiaru strumienia masy przepływającego płynu stosowane 

są  często  przepływomierze  typu  Coriolisa.  W  nowszych  rozwiązaniach  technicznych 
przepływomierze  te  umożliwiają  jednoczesny  pomiar  czterech  następujących  wielkości: 
strumień  masy,  gęstość,  temperaturę  i  lepkość  przepływającego  płynu.  Podstawowym 
elementem  przepływomierza  Coriolisa  jest  najczęściej  zakrzywiona  rurka  zwana 
pomiarową, przez którą przepływa płyn. W omawianych przepływomierzach wywołuje się 
drgania rury pomiarowej tak aby  na przepływające cząstki płynu działało przyśpieszenie 
Coriolisa. Jeżeli cząstka przepływającego płynu o określonej masie doznaje przyśpieszenia 
to  działa  na  nią  siła  masowa  zwana  tutaj  siłą  Coriolisa.  Występujące  w  układzie 
pomiarowym  siły  Coriolisa  powodują  oscylacyjne,  sprężyste  skręcanie  ramion  rury 
pomiarowej.  Kąt  skręcenia  wspomnianych  ramion  rury  jest  proporcjonalny  do  modułu 
sprężystości jej materiału i do wartości strumienia masy przepływającego płynu. 

(a)

 

 
 

(b)

 

 

Rys. 2.20. Konfiguracje ułożenia rury pomiarowej przepływomierza Coriolisa 
a- konfiguracja z jedną rurką; b- konfiguracja z dwiema rurkami

 

 
 Ze  względu  na  zależność  wymienionych  wielkości  od  zmian  temperatury, 

dokonuje  się  również  jej  pomiaru.  Oscylacyjne  skręcanie  ramion  rury  pomiarowej 
związane  jest z opóźnieniem  fazy drgań w  jej  części dolotowej oraz przyśpieszeniem  na 
odcinku  wylotowym.  Czas  przesunięcia  fazowego  jest  miarą  wspomnianego  kąta 
skręcenia.  Mierząc  czas  opóźnienia  fazowego  możemy  określić  poszukiwany  strumień 
masy  przepływającego  płynu.  Aby  uniknąć  przenoszenia  drgań  rury  pomiarowej  na 
rurociąg  stosowane  są  dwie  konfiguracje  jej  ułożenia.  Konfiguracje  ułożenia  rury 
pomiarowej przedstawiono na rys. 2.20. a, b [4].       

 
 

 
 

background image

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

15 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

2.3.  Stanowisko badawcze 

 
Przedmiotem  ćwiczenia  laboratoryjnego  jest  identyfikacja  strumienia  przepływu 

powietrza  na  stanowisku  doświadczalnym  za  pomocą  trzech  różnych  przyrządów 
pomiarowych. Są nimi kryza, przepływomierz kolanowy i rurka Prandtla za pomocą której 
dokonuje  się  sondowania.  Schemat  zbudowanego  stanowiska  przedstawiono  na  rysunku 
3.1. Podstawową częścią stanowiska jest rurociąg o średnicy wewnętrznej D

w

=102 [mm] 

wykonany z PVC, złożony z trzech części: odcinka pionowego o długości L

1

=6[m]≈57D,  

 

 

Rys. 3.1. Schemat stanowiska badawczego 

 

1- badany rurociąg, 2- kryza, 3- manometr wodny, 4- przetwornik ciśnienia 
ALMEMO  FD8612,  5-  miernik  cyfrowy  ALMEMO  2290-3,  6-  cyfrowy 
mikromanometr różnicowy CMR-10, 7- rurka Prandtla, 8- sonda do pomiaru 
temperatury  ALMEMO  PT010-P444,  9-  stożek  z  blachy,  10-  wentylator 
promieniowy,  11-  przetwornica  częstotliwości  HITACHI  L100,  12-  regu-
lator częstotliwości, 13- termoanemometr AIRFLOW TA 35 

 
kolana 90º o średnim promieniu R=394[mm] oraz odcinka poziomego za kolanem o długo-
ści L

2

=3[m]≈28,5D. W połowie pionowego odcinka rury umieszczono kryzę pomiarową 

o średnicy wewnętrznej d=78 [mm]. Pomiaru spadku ciśnienia na kryzie dokonuje się za 
pomocą manometru wodnego 3. Na siecznej kolana wykonano dwa otwory impulsowe do 
pomiaru ciśnienia za pomocą zestawu przetwornika ciśnienia ALMEMEO FD8612 4, wraz 
z  miernikiem  cyfrowym  ALMEMO  2290-3  5.  Do  miernika  tego  podłączona  została 
również sonda do pomiaru temperatury ALMEMO PT010-P444 8

background image

16 

Identyfikacja strumienia przepływu płynu 

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 

Na prostym odcinku rury w odległości L

=

 

2,7 [m] za kolanem umieszczono rurkę Prandtla 

7  o  średnicy  φ

 

= 3[mm]  połączoną  z  cyfrowym  manometrem  różnicowym  CMR-10  

6. Koniec rurociągu połączono za pomocą stożka z blachy z króćcem ssącym wentylatora 
10.  Żądany  wydatek  objętościowy  przepływu  regulowany  był  za  pomocą  tyrystorowej 
przetwornicy częstotliwości 11, która umożliwiała płynną regulację obrotów wentylatora.  
 
 
LITERATURA 
 

1.  H. S. Bean: Fluid Meters; Their Theory and Application, ASME, New York, 1971, 
2.  J. Elsner, S. Drobniak: Metrologia turbulencji przepływów, Ossolineum, Wrocław, 1995, 
3.  PN-EN  ISO  5167-1,2,3,4:  Pomiary  strumienia  płynu  za  pomocą  zwężek  pomiarowych 

wbudowanych w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym, PKN,  Warszawa 
2004 , 

4.  D. W. Spitzer: Flow Measurement, Practical Guides for Measurement and Control, ISA – 

The  Instrumentation,  Systems  and  Automation  Society,  Alexander  Drive,  Research 
Triangle Park, USA, 2001.