4 Błędy instalacyjne MEP

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

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

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 zwęŜkowego.

2 WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Elementy armatury i kształtki, takie jak trójniki, kolanka, przewęŜenia, 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 takŜe silne zniekształcenie

osiowej symetrii strumienia.

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

nie profilu.

Nawet osiowosymetryczny element, jakim jest stoŜkowe rozszerzenie rurociągu moŜe

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

. Jest to spowodowane tzw. efektem Coandy czyli przyklejeniem się

strumienia do ścianki stoŜka.

Niektóre przepływomierze, m. in. zwęŜkowy, są szczególnie wraŜliwe na zawirowania

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

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

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 powaŜnych problemów w przypadku pomiaru stru-
mienia płynu. Dlatego zasadniczo zawory takie naleŜy 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 (zaleŜy to m. in. od rodzaju
elementu zaburzającego i liczby Reynoldsa). Taki przepływ, który juŜ dalej nie zmienia swo-
jego profilu, nazywamy w pełni rozwiniętym. PoniewaŜ 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 róŜnorodność elementów armatury i kształtek badania ich wpływu

na wskazania przepływomierzy zwęŜkowych ograniczają się głównie do określenia minimal-
nych długości prostych odcinków rurociągu między elementem zaburzającym a zwęŜką. 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-
nakŜe wówczas w trakcie analizy niepewności naleŜy 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, Ŝe m mniejsze przewęŜenie zwęŜki

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

= d/D). O ile więc nie ma

miejsca na zastosowanie odpowiednio długich odcinków pomiarowych, moŜna rozwaŜyć
zmniejszenie

. Konsekwencją tego będzie jednak zwiększenie strat ciśnienia.

Z tej samej normy wynika, Ŝe klasyczna zwęŜka Venturiego umoŜliwia zastosowanie kil-

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

Jest teŜ moŜliwość zastosowania prostownic strumienia, które w zaleŜności od konstrukcji

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

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

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

Ostatnio najczęściej stosuje się róŜnego 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 moŜe być róŜny,
zaleŜnie 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 zwęŜka, zabudowana w wystarczająco dłu-

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

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

0,3 % na długości 2D przed zwęŜką.

ZwęŜka powinna być współosiowa z rurociągiem. Dopuszczalną mimoosiowośc zwęŜki

określa warunek e

≤

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

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ci termodynamicznych

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

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

WaŜne jest prawidłowe wykonanie połączeń między zwęŜką a przetwornikiem róŜnicy ci-

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, Ŝe 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 róŜnicowe będzie sumą ciśnienia wytworzonego przez zwęŜkę i tego ciśnienia hy-
drostatycznego, moŜe to być źródłem powaŜnych błędów, zwłaszcza przy małych wartościach

∆

Dla zapobiegania tym zjawiskom ogólną zasadą jest montaŜ przetwornika ciśnienia róŜni-

cowego:

dla gazów – nad zwęŜką,

dla cieczy – pod zwęŜką.

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

ciągu.

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

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

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

sam w obu przewodach impulsowych, poziom kondensatu.

6 OPIS STANOWISKA

wiczenie będzie wykonywane na niskociśnieniowym stanowisku powietrznym. Badana

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

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

miar gazu, b – pomiar cieczy

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ci termodynamicznych

reg  kształtek  (redukcje,  kolana,  proste  odcinki  rurociągu),  które  umoŜliwiają  montaŜ  przed
zwęŜką  róŜnych  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

, w tak duŜej odległości od kryzy, Ŝe wszelkie zmiany konfi-

guracji rurociągów przed kryzą nie wprowadzają zauwaŜalnych zmian jego wskazań.

Do zwęŜki podłączony jest przetwornik róŜnicy ciśnień, którego wyjście stanowi standar-

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

Stanowisko wyposaŜone jest w zasuwę z napędem elektrycznym do ustawiania wartości

strumienia objętości.

7 WYKONANIE ĆWICZENIA

W pierwszej części ćwiczenia naleŜy wyznaczyć zaleŜność wyjściowego sygnału prądowe-

go z przetwornika

∆

p przepływomierza zwęŜkowego w funkcji wskazania strumienia objęto-

ci q

wskazanego przez przepływomierz kontrolny dla prawidłowych warunków od strony

dopływowej zwęŜki. W tej fazie naleŜy więc zamontować przed zwęŜką odpowiednio długi,
zgodny z normą [1] prosty odcinek pomiarowy DN 80. Dla kaŜdej wartości q

naleŜy dokonać

po 5 odczytów obu wielkości – strumienia q

i prądu wyjściowego i, po czym obliczyć średnią

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

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

) w zakresie od maksy-

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

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

a – prosty odcinek 3

DN80 + zwęŜka

DN80/50 + prosty odcinek 10

DN50,

b – prosty odcinek 3

DN80 + zwęŜka

DN80/50 + 2 kolana DN50 w jednej
płaszczyźnie

prosty

odcinek

DN50,

c – prosty odcinek 3

DN80 + zwęŜka

DN80/50 + 1 kolano DN50 + prosty
odcinek 10

DN50.

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

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ci termodynamicznych

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

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

konfiguracji złączek zaburzających przepływ, przy róŜnych odległościach od kryzy.

PoniewaŜ wykazano doświadczalnie, Ŝe w zakresie stosowania zwęŜek błędy związane ze

zniekształceniami profilu prędkości nie zaleŜą od wartości strumienia, w dalszej części ćwi-
czenia wystarczy wykonać po jednym pomiarze dla kaŜdej 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 naleŜy jednak, przynajmniej dla jednej konfiguracji rurociągów
zaburzających, wykonać pomiary dla dwóch róŜnych wartości strumienia.

Uzyskane punkty naleŜy 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 naleŜy odczytać i zapisać ciśnienie atmosferyczne. W
trakcie badań okresowo kontrolować temperaturę. W razie jej nadmiernych zmian (powyŜej 3
K) uruchomić klimatyzację pomieszczenia.

8 OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ, ZAWARTOŚĆ SPRAWOZDANIA

Błędy instalacyjne spowodowane kolejnymi zaburzającymi konfiguracjami rurociągu nale-

y obliczyć z wzoru

100

⋅

∆

inst

(1)

Wszystkie uzyskane wyniki naleŜy 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

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ci termodynamicznych

Dla ujednolicenia, naleŜy 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),

zwęŜki DN80/50,

2 kolan DN50 w jednej płaszczyźnie,

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

DN50)

naleŜy oznaczyć:

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

DN50

17,5

18,5

19,5

104

106

108

110

112

114

116

Flow rate, m3/h

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 naleŜy 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 najwaŜniejszej aparatury oraz wnioski.

wiczenie 4

„Bł

dy instalacyjne przepływomierzy zw

ęŜ

kowych”

Sensory i przetworniki pomiarowe

wielko

ci termodynamicznych

Bibliografia

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

dysze i zwęŜki 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.