Politechnika Opolska

Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki

Instytut Automatyki i Informatyki

Przetworniki i Układu Pomiarowe

Laboratorium

Pomiary przepływu

Opole, 2007

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 2 -

Strona pusta

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 3 -

Badanie przepływu

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, sposobów sprawdzania i zasad prawidłowej eksploatacji

czujników i przetworników ciśnienia, poziomu i przepływu. Instalację technologiczną stanowi
zamknięty obieg wody pompowanej za pomocą pompy ze zbiornika dolnego do zbiornika
pomiarowego. Układ sterowania umożliwia płynną regulację przepływu poprzez dławienie po stronie
tłoczącej pompy obiegowej.

Stanowisko pomiarowe umożliwia zmierzenie charakterystyk statycznych zabudowanych

przetworników, a współpracujący ze stanowiskiem pomiarowym komputer umożliwia zebranie danych
z obiektu, dokonania koniecznych obliczeń oraz graficzne przedstawienie otrzymanych zależności. Cały
cykl pomiarowy może być wykonany przy sterowaniu ręcznym lub w sposób automatyczny poprzez
sterownik programowalny.

2. Wprowadzenie teoretyczne

2.1 Definicje oraz podstawowe określenia

Przepływem nazywamy postępujące przemieszczanie się cieczy, par lub gazów w rurociągach,

kanałach, dyszach, przewężeniach oraz innych elementach przewodu. Przepływ nazywany jest
ustalonym, jeśli kierunek i prędkość płynących cząstek w tym samym miejscu strugi nie zmienia się w
czasie. W przewodzie o przekroju kołowym, wypełnionym całkowicie przepływającym czynnikiem,
rozróżnia się dwa rodzaje przepływów:

-

rozwarstwiony (laminarny);

-

burzliwy (turbulentny).

Ruch laminarny jest to ruch występujący przy małych prędkościach i charakteryzuje się

regularnością i równoległością torów cząstek. W przekroju wzdłużnym przewodu rozkład prędkości ma
w przybliżeniu kształt paraboli, a największa prędkość występuje w osi przewodu.

Ruch burzliwy, jest ruchem powstającym przy większych prędkościach, towarzyszą mu: pulsacja

prędkości i poprzeczne, chaotyczne ruchy cząsteczek. Pulsacje prędkości mają dużą częstotliwość,
można więc dla krótkich przedziałów czasu określić wartość średnią prędkości w poszczególnych
punktach. Wielkość tę nazywamy prędkością przeciętną w danym punkcie i w danej chwili. W
rozważaniach trwałości czy jednostajności ruchu burzliwego bierze się pod uwagę te właśnie prędkości
przeciętne.

2.2 Liczba Reynolds’a

Liczba Reynolds’a (

Re

) – jest odniesiona do warunków dopływowych płynu (przed zwężką) i

do średnicy wewnętrznej odcinka pomiarowego:

ν

z

D

W

1

Re

=

(2.1)

gdzie:

-

1

W

- średnia prędkość płynu w odcinku pomiarowym przed zwężką;

-

z

D

- średnica wewnętrzna rurociągu;

-

ν

- kinematyczny współczynnik lepkości płynu.

2.3 Metody pomiarowe

2.3.1 Metoda objętościowa

Metoda objętościowa to najłatwiejsza metoda pomiaru przepływu. Polega na pomiarze przyrostu

słupa wody dla stałego przedziału czasu. Znając pole powierzchni dolnej zbiornika, w którym
następuje pomiar przyrostu słupa wody oraz czas tego przyrostu, możemy obliczyć strumień
objętościowy wody według wzoru:

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 4 -













∆

=

=

s

m

t

h

S

w

S

V

D

D

3

&

(2.2)

gdzie:

D

S

- pole powierzchni dolnej zbiornika;

h

∆

- przyrost wysokości cieczy w zbiorniku;

t

- czas obserwacji przyrostu wysokości.

Mając obliczony strumień objętości można obliczyć strumień masy:













×

=

≈

=

s

kg

V

V

V

M

&

&

&

&

1000

001

.

0

1

ϑ

(2.3)

gdzie:

1

ϑ

- objętość właściwa wody

kg

m

3

1

0010949

.

0

=

ϑ

.

2.3.2 Metoda zwężkowa

Jest to najbardziej rozpowszechniona metoda pomiaru strumienia masy gazów, par i cieczy.

Wykorzystuje ona zależność spadku ciśnienia na organie spiętrzającym, od prędkości czynnika
przepływającego przez ten organ. W technice pomiarowej jako organ spiętrzający stosuje się kryzy,
dysze i zwężki. Strumień masy można wyznaczyć pośrednio przez pomiar ciśnienia różnicowego

p

∆

powstałego przed i za zwężką. Wymagana jest przy tym znajomość parametrów określających stan
fizyczny płynu oraz wielkości wchodzących do równania określającego strumień masy.

Dla strumienia masy:

1

2

ϑ

εα

p

A

M

D

∆

=

&

(2.4)

oraz dla strumienia objętości:

1

ϑ

M

V

&

&

=

(2.5)

gdzie:

α

- liczba przepływu, dla wody

813

.

0

=

α

;

ε

- liczba ekspansji, dla wody

1

=

ε

;

D

A

- pole powierzchni otworu przepływowego zwężki;

1

ϑ

- objętość właściwa płynu, dla wody

kg

m

3

1

0010949

.

0

=

ϑ

.

Pozostałe dane potrzebne do obliczeń:

m

&

- moduł zwężki,

215

.

0

=

m

&

;

d

- średnica prześwitu zwężki pomiarowej,

mm

d

49

.

13

=

;

Z

D

- średnica wewnętrzna rurociągu,

mm

D

Z

1

.

29

=

.

2.3.3 Pomiar strumienia masy przepływomierzem indukcyjnym

Przepływomierz indukcyjny służy do pomiaru strumienia cieczy przewodzących. Idea pracy

przetwornika opiera się o zasadę pomiaru siły elektromotorycznej indukowanej w przewodniku
poruszającym się w polu magnetycznym. Wartość napięcia jest wprost proporcjonalna do prędkości
cieczy, indukcji magnetycznej i do odstępu pomiędzy elektrodami równego średnicy rur. Pomiar
wielkości strumienia masy odczytujemy na wyświetlaczu przetwornika elektronicznego MPP-02.

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 5 -

3. Układ pomiarowy

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego

1 – elektrozawory (Z1O, Z2O, Z1G, Z2G);
2 – siłownik;
3 – pompa główna;
4 – zbiornik dolny;
5 – zbiornik górny;
6 – sonda pojemnościowa;
7 – zwężka;
8 – czujnik tensometryczny różnicy ciśnień EPA;
9 – przetwornik elektromagnetyczny;
10 – czujnik membranowy ciśnienia WT-15;
11 – wodomierz;
12 – elektrozawór wody spustowej;
13 – pompka wody spustowej.

Rys. 2. Widok badanej instalacji

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 6 -

Rys. 3. Widok stanowiska pomiarowego

Rys. 4. Zbiorniki wody: górny i dolny

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 7 -

4. Przebieg ćwiczenia

4.1 Przygotowanie stanowiska do pomiaru

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z budową i rozmieszczeniem

elementów na pulpicie sterowniczym i planszy pomiarowej. Pulpit sterowniczy wyposażony jest w
przyciski sterownicze, przyrządy pomiarowe, komputer, sterownik, przełącznik zmiany trybu pracy oraz
zasilacz 24V DC.

Przyciski sterownicze znajdują się na zielonej części pulpitu. Wszystkie przyciski koloru

czerwonego są przyciskami załączającymi, natomiast przyciski w kolorze czarnym są wyłączające. Ze
względu na to, że przyciski wyłączające są bardzo czułe na dotyk, co podczas wykonywania ćwiczenia
może spowodować przypadkowe wyłączenie któregoś z zaworów, prowadząc tym samym do
niedrożności układu podczas pracy pompy, a w konsekwencji do uszkodzenia układu hydraulicznego,
nie wolno kłaść na przyciski żadnych przedmiotów. Gdyby jednak doszło do wyłączenia (zamknięcia)
elektrozaworów, należy natychmiast wyłączyć pompę.

Pierwsze dwa rzędy przycisków licząc od góry, są przeznaczone do sterowania zaworami,

natomiast przyciski w dwóch niższych rzędach, są przeznaczone do sterowania pompą, siłownikiem
oraz układem automatyki.

Włączenie danego zaworu (jego otwarcie) jest potwierdzone zaświeceniem się lampki

sygnalizacyjnej przy tym zaworze oraz charakterystycznym dźwiękiem (buczeniem) elektromagnesu
danego zaworu.

Opis zaworów:

Z1O

- zawór obejściowy czujnika elektromagnetycznego;

Z1G

- zawór przed i za czujnikiem elektromagnetycznym (obwód główny);

Z2O

- zawór obejściowy zwężki spiętrzającej;

Z2G

- zawory przed i za zwężką spiętrzającą;

ZS

- zawór spustowy.

Przed przystąpieniem do każdorazowego uruchomienia pompy należy sprawdzić, czy odpowiednie
zawory zostały załączone i czy został odpowiednio otwarty zawór z siłownikiem. Zawór ten może być
sterowany przy pomocy przycisków (Zamknij / Otwórz) lub ręcznie poprzez naciśnięcie i przytrzymanie
przycisku znajdującego się na zaworze i przekręceniu dźwigni.


4.2 Pomiar charakterystyk statycznych przetworników przepływu przy ręcznym

sterowaniu układem pomiarowym

Pomiar strumienia masy obejmuje jedną serię pomiarów, w której zostaje wyznaczony

strumień masy trzema metodami:

-

metodą zwężkową;

-

metodą objętościową;

-

przy pomocy przetwornika elektromagnetycznego.

Przed przystąpieniem do pomiaru należy włączyć zasilacz i komputer. Po uruchomieniu

komputera należy uruchomić program LABORKA. Z menu należy wybrać opcję POMIAR RĘCZNY. Na
ekranie monitora ukaże się tabela pomiarowa z opisem poszczególnych kolumn oraz zegarem. Wyniki
pomiarów należy wpisywać w odpowiednie rubryki przeznaczone dla odpowiednich przyrządów.
Pozostałe kolumny zostaną wypełnione automatycznie po obliczeniu odpowiednich wielkości przez
algorytm zawarty w programie.

Następną czynnością jest ustawienie przełącznika rodzaju pracy w pozycji „A” co odpowiada

sterowaniu ręcznemu. Należy również przygotować mierniki do odczytu sygnałów pomiarowych z
sondy pojemnościowej, czujnika EPA i wagi prądowej (WT-15). Zakresy wszystkich przyrządów należy
ustawić na 30 mA. Wartość wskazywana przez miliamperomierz odczytujący sygnał z sondy
pojemnościowej powinien wynosić około 9 mA przy pustym zbiorniku. Każdy większy poziom sygnału
świadczy o obecności wody w zbiorniku, co można sprawdzić na skali znajdującej się na zbiorniku.
Należy wówczas otworzyć zawór spustowy ZS obserwując jednocześnie wartość wskazywaną przez
miliamperomierz sondy. zaleca się, aby pomiar wykonywać od wartości prądu ok. 11 mA, co

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 8 -

odpowiada wartości 0 na skali zbiornika. Zakresy wartości sygnałów prądowych dla poszczególnych
czujników są następujące:

EPA

4

÷

20 mA;

WT-15

0

÷

20 mA;

Sonda pojemnościowa 9

÷

20 mA.

Ponieważ przy całkowicie otwartym siłowniku wartość uzyskiwanych sygnałów jest znacznie

większa i osiąga około 30 mA, dlatego pomiar należy wykonać do wartości około 20 mA, co
odpowiada połowie otwarcia zaworu siłownika.

Pomiar można przeprowadzać od największej wartości przepływu (zawór z siłownikiem

otwarty na ok. 50 %) do wartości najmniejszej, jak i odwrotnie. Zawór z siłownikiem może być
maksymalnie zamknięty do wartości 5 mA, którą wskazuje EPA podczas pomiaru właściwego.

Nad

zielonym

polem

pulpitu

znajduje

się

elektroniczny

przetwornik

czujnika

elektromagnetycznego z ciekłokrystalicznym wyświetlaczem, który wyświetla wartość strumienia masy
w kg/s i ilość przepompowanego medium. Wartości te są traktowane jako wartości wzorcowe dla
pozostałych pomiarów. Litery R lub F wyświetlane przed wartością strumienia oznaczają odpowiednio:
R – przepływ rewersyjny;
F – przepływ w przód.

Po wykonaniu opisanych czynności można przystąpić do właściwego pomiaru. Pomiar

rozpoczynamy od ustawienia zaworu z siłownikiem (w zakresie od 5 mA do 20 mA wskazywanego
przez miliamperomierz EPA podczas właściwego pomiaru). Włączamy zawory obejściowe Z1O oraz
Z2O i włączamy pompę. Włączenie zaworów obejściowych sygnalizowane jest zapaleniem się lampki
kontrolnej nad danym zaworem. Następnie po odczekaniu ok. 5

÷

10 sekund należy otworzyć zawory

główne Z1G oraz Z2G (potwierdzenie otwarcia zaworów sygnalizowane jest odpowiednią lampką nad
danym zaworem). Po upływie ok. 5

÷

10 sekund należy wyłączyć zawory obejściowe Z1O i Z2O. Po

zamknięciu zaworów obejściowych należy jak najszybciej odczytać w tym samym momencie stan
poziomu wody w zbiorniku poprzez odczyt wartości prądu wskazywaną przez miliamperomierz sondy
pojemnościowej oraz czas rozpoczęcia pomiaru z zegara na monitorze komputera. Pomiar należy
wykonywać przez okres 60 sekund. W tym czasie należy odczytać wartość prądów wskazywanych
przez miliamperomierze: przetwornika EPA oraz wagi prądowej WT-15, oraz wartość przepływającej
masy przez czujnik elektromagnetyczny, wskazywaną na wyświetlaczu elektronicznym. Po upływie 60
sekund należy wyłączyć pompę i odczytać wartość końcową poziomu wody w zbiorniku wskazywaną
miliamperomierzem sondy pojemnościowej. Wszystkie zanotowane wartości należy wpisać w
poszczególne pola tabeli pomiarowej. Następnie należy wypuścić wodę ze zbiornika górnego do
dolnego przez otwarcie zaworu spustowego ZS. Następnie należy ustawić nową wartość przepływu
przez zmianę położenia zaworu z siłownikiem i powtórzyć całą procedurę pomiarową. Pomiary
powtórzyć dla 5 różnych wartości przepływu.

Uwaga!.

1. Należy zwrócić szczególną uwagę podczas przełączania zaworów, aby nie zamknąć drogi przepływu

wody, przez przypadkowe zamknięcie nieodpowiednich zaworów.

2. Przełączenie zaworów po czasie ok. 5

÷

10 sekund, związane jest z koniecznością wyrównania

ciśnienia wody i zapobiega uszkodzeniu przetworników przed nagłym jednostronnym wzrostem
ciśnienia.

Po wprowadzeniu wszystkich wyników dla danej wartości przepływu zostaje wyliczony

strumień przepływającej masy wg zależności:

-

dla metody zwężkowej:

1

2

ϑ

εα

p

A

M

D

∆

=

&

(4.1)

-

dla metody objętościowej:













∆

=

=

s

m

t

h

S

w

S

V

D

D

3

&

(4.2)













×

=

≈

=

s

kg

V

V

V

M

&

&

&

&

1000

001

.

0

1

ϑ

(4.3)

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 9 -

Program automatycznie przelicza wprowadzone wartości prądu na wartość ciśnienia oraz

przyrost słupa wody wyrażony w centymetrach. Po wpisaniu wszystkich danych i przepisaniu
obliczonych przez komputer wartości, należy nacisnąć przycisk KONIEC, co powoduje zamknięcie
aktualnego okna i powrót do okna głównego programu. Następnie należy otworzyć menu WYKRES i
wybrać opcję STEROWANIE RĘCZNE. To spowoduje otwarcie okna pozwalającego na wybór typu
wyświetlanego wykresu. Sposób wyświetlania danych może być zmieniony poprzez wybranie
odpowiedniej opcji z menu RODZAJ WYKRESU. Po zakończeniu pracy, wyjście z programu jest
realizowane po wybraniu opcji KONIEC z menu głównego.

4.3 Automatyczne sterowanie procesu pomiarowego

Pomiar automatyczny wykonywany jest przy pomocy sterownika SAIA PCD2. Jest on

umieszczony w półce pulpitu sterowniczego, a przebieg procesu oraz wyniki pomiarów przedstawione
są w programie WIZCON 7 uruchamianym na komputerze typu PC. Ta część ćwiczenia jest całkowicie
automatyczna. Obsługa sprowadza się jedynie do rozpoczęcia procesu pomiarowego naciskając
przycisk START na pulpicie sterowniczym lub zielonego przycisku w programie WIZCON. Przycisk
STOP na pulpicie lub czerwony przycisk w programie WIZCON jest przeznaczony do zatrzymania
całego procesu pomiarowego w razie wystąpienia nieprawidłowości podczas przebiegu ćwiczenia.
Każdorazowe naciśnięcie przycisku STOP powoduje zatrzymanie procesu pomiarowego i ponowne
rozpoczęcie całego ćwiczenia. Zakres ćwiczenia obejmuje wykonanie pomiarów strumienia masy
różnymi metodami dla pięciu różnych wartości przepływu i wykreśleniu odpowiednich charakterystyk.

Pomiar rozpoczyna się od włączenia zasilacza i komputera. Ważnym elementem jest kolejność

wykonywanych czynności. Dlatego należy przed uruchomieniem programu WIZCON włączyć zasilacz
sterownika.

Program WIZCON należy uruchomić klikając dwukrotnie ikonę WIZCON znajdującą się na

pulpicie Windows. W lewym górnym rogu pojawi się ikona logowania, po kliknięciu której pojawi się
okienko dialogowe, w które należy wpisać nazwę użytkownika oraz hasło:
Użytkownik:

STUDENT

Hasło:

STUDENT

Po zalogowaniu pojawi się pasek szybkiego wyboru, z którego należy wybrać ikonę W

7

pojawi

się okienko „Studio aplikacji WIZCON’a”, w którym należy wybrać z górnego menu Plik

→

Otwórz i

zaznaczyć plik pracas.vim, a następnie nacisnąć OK. Uruchomiony obraz synoptyczny urządzenia
pomiarowego może być źle wyśrodkowany i dlatego należy użyć polecenia w menu Opcje

→

Idź do

strefy , wybrać strefa i nacisnąć OK. Jeśli wskaźnikiem myszki nie jest „łapka” tylko „strzałka”, to
wybieramy polecenie Tryby

→

Włącz Aktywatory.

Po naciśnięciu zielonego przycisku nastąpi rozpoczęcie procesu pomiarowego, który odbywa

się w pełni automatycznie. Przebieg procesu można obserwować na obrazie synoptycznym –
załączenie zaworów głównych i obejściowych, zaworu spustowego (podczas spuszczania wody z
górnego zbiornika), wskazania wartości prądów przetworników EPA i WT-15, różnicy poziomów
początkowego oraz końcowego, a także kolejny numer pomiaru.
Po pięciu pomiarach proces zatrzyma się automatycznie i ukaże się tabela pomiarowa z odczytanymi
wartościami (plik wyniki.txt), a także dwa wykresy:

( )

wt

p

I

f

M

=

( )

wt

h

I

f

M

=

( )

Re

f

C

=

Między aktywnymi oknami: obrazy synoptycznego, tabeli pomiarowej i wykresami można poruszać się
za pomocą klawiszy Alt-Tab lub wybierając odpowiednie okno z paska zadań.

Wszystkie zależności są obliczone analogicznie jak dla sterowania ręcznego. Różnice stałych

przeliczeniowych występujące między sterowaniem ręcznym, a sterowaniem automatycznym wynikają
z zastosowanych dzielników rezystancyjnych w sterowniku, w celu uzyskania odpowiedniego sygnału.

Uwaga!
W razie wystąpienia jakichkolwiek nieprawidłowości podczas pracy sterownika i nie zadziałaniu
przycisku STOP, należy wyłączyć zasilacz!

Pomiary przepływu

Politechnika Opolska

Przetworniki i Układy Pomiarowe

- 10 -

5. Zakres sprawozdania

Wykreślić charakterystyki statyczne przepływomierzy:

( )

wt

e

I

f

M

=

,

( )

wt

p

I

f

M

=

,

( )

wt

h

I

f

M

=

,

( )

Re

f

C

=

gdzie:

wt

I

- prąd przetwornika WT-15

e

M

- masa przepływu mierzona przetwornikiem elektromagnetycznym;

p

M

- masa przepływu obliczona metodą zwężkową;

h

M

- masa przepływu obliczona metodą objętościową;

Re

- liczba Reynolds’a;

C

- współczynnik przepływu.

Obliczenie liczby Reynolds’a

η

×

×

=

z

D

M

min

1

354

.

0

Re

η

×

×

=

z

D

M

max

2

354

.

0

Re

gdzie:

η

- dynamiczny współczynnik lepkości płynu (wody)

3

10

−

=

η

[kg/ms];

z

D

- średnica wewnętrzna rurociągu.

β

- przewężenie zwężki pomiarowej

D

d

=

β

gdzie:

d

- średnica otworu przepływowego zwężki;

D

- średnica wewnętrzna rurociągu.

C

- współczynnik przepływu

3

2

4

4

1

75

.

0

6

5

.

2

3

1

.

2

0337

.

0

1

1

0900

.

0

Re

10

0029

.

0

1840

.

0

0312

.

0

5959

.

0

β

β

β

β

β

β

L

L

C

D

−

−

+













×

+

−

+

=

gdzie:

D

d

=

β

- przewężenie kryzy;

D

Re

- liczba Reynolds’a odniesiona do średnicy rurociągu;

D

l

L

1

1

=

- iloraz odległości pomiędzy otworem impulsowym, a powierzchnią dopływową kryzy i średnicy

rurociągu;

D

l

L

2

2

=

- iloraz odległości pomiędzy otworem impulsowym, a powierzchnią odpływową kryzy i

średnicy rurociągu.

Podać wzory na podstawie których program komputerowy dokonał obliczeń strumienia masy i
sprawdzić poprawność obliczeń w dwóch dowolnie wybranych punktach dla każdej charakterystyki.

Literatura

[1] Edmund Romer:

Miernictwo przemysłowe

, PWN, Warszawa 1978, str. 223-248,

[2] Miłek Marian:

Pomiary wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi

, Zielona Góra 1998,

str. 243-249, 251-258.