Czujniki i przetworniki przepływu

11. Czujniki i przetworniki przepływu

Pomiary przepływu prowadzi si

w celu okre

lenia ilo

ci cieczy b

gazów

płyn

cych ruroci

giem. Zadanie to realizowane jest przez pomiar pr

dko

ci przepływu

v(m/s), strumienia obj

ciowego Q(m

/s) lub strumienia masy M(kg/s). Pomi

dzy nimi

wyst

puj

zwi

zki:

Q = A

•

M =

•

gdzie: A – powierzchnia ruroci

v – pr

dko

ść

przepływu

– g

sto

ść

medium.

Do pomiaru przepływu najcz

ęś

ciej u

ywa si

nast

puj

cych przyrz

dów:

•

przepływomierze oparte na pomiarze ci

nienia ró

nicowego (kryzy, rurki spi

trzaj

ce)

•

przepływomierze turbinkowe,

•

przepływomierze pływakowe (rotametry),

•

przepływomierze indukcyjne (elektromagnetyczne),

•

przepływomierze ultrad

kowe,

•

przepływomierze wirowe (cz

stotliwo

ciowe, oscylacyjne),

•

przepływomierze Coriolisa.

W celu dobrania odpowiedniego przepływomierza nale

y dokładnie sprecyzowa

warunki pomiaru; nie ma idealnego przepływomierza dla dowolnych warunków.

Przy pomiarach przepływu cieczy nale

y uwzgl

dni

nast

puj

ce wła

ciwo

ci cieczy:

1. G

sto

: okre

la stosunek masy do obj

ci (kg/m

); ta wielko

ść

jest istotna, kiedy w

wyniku pomiaru chcemy okre

wielko

ci masowe przepływaj

cej cieczy (dozowanie,

rozliczanie, mieszanie w odpowiednich proporcjach masowych). Poniewa

sto

ść

zmienia si

pod wpływem temperatury, dlatego gdy nie mo

na zapewni

stałej

temperatury nale

y stosowa

układy kompensuj

ce zmieniaj

sto

ść

2. Temperatura: mierzona w

C lub K; jest bardzo wa

nym parametrem, bowiem powoduje

zmian

sto

ci i lepko

ci cieczy.

3. Ci

nienie: mierzone w kPa lub MPa; ciecze zazwyczaj s

nie

liwe, dlatego wpływ tej

wielko

ci na wynik pomiaru jest pomijalny. Jest istotny tylko ze wzgl

dów

wytrzymało

ciowych.

4. Lepko

ść

: charakteryzuje opór, tarcie wyst

puj

ce pomi

dzy cz

steczkami cieczy w

wyniku ich mi

dzycz

steczkowego oddziaływania b

opór wyst

puj

cy podczas ruchu

innych ciał wewn

trz cieczy. W cieczach lepko

ść

zazwyczaj maleje ze wzrostem

temperatury. Lepko

ść

ma bardzo du

y wpływ na wyniki pomiaru, dlatego nale

y dla

okre

lonej lepko

ci, w jakiej ma pracowa

przepływomierz przeprowadzi

jego

kalibracj

. W przypadku, kiedy mamy do czynienia ze zmienn

temperatur

, a tym

samym zmienn

lepko

wówczas przy zmiennych przepływach nale

y stosowa

odpowiednie układy kompensuj

ce wpływ zmiennej lepko

ci na wynik pomiaru (np.

czujnik temperatury). Przyj

tym kryterium wpływu lepko

ci (a tak

e kryterium

podobie

stwa przepływów płynów lepkich) jest bezwymiarowa liczba Reynoldsa.

5. Liczba Reynoldsa: okre

la w sposób jednoznaczny charakter przepływu wi

ążą

c ze

sob

wielko

ci g

sto

ci, lepko

ci, pr

dko

ci przepływu i

rednic

ruroci

gu. Liczb

Reynoldsa opisuje stosunek sił bezwładno

ci do sił tarcia przepływaj

cego medium

tarcia

bezwad

gdzie:

– g

sto

ść

w–

rednia pr

dko

ść

przepływu.

- lepko

ść

dynamiczna

D –

rednica ruroci

Dowolny stan przepływu czynnika jest zawsze jednoznacznie okre

lony przez liczb

Reynoldsa. Dla R

<2300 (mała liczba) mamy do czynienia z przepływem laminarnym tj. nie

ma wymiany elementów płynu pomi

dzy s

siednimi warstwami, dla R

>4000 (du

a liczba)

przepływ jest turbulentny tj. z intensywn

wymian

dzy warstwami płynu. Dla Liczby

Reynoldsa w zakresie 2300 < Re < 4000 (obszar krytyczny) przepływ mo

e by

laminarny

lub turbulentny, w zale

ci od szeregu czynników, jak chropowato

ść

rury, drgania,

pulsacje strumienia.

Ró

ne s

profile przepływu dla laminarnego i turbulentnego, co pokazuje rys. 34.

Rys.34. Profile pr

dko

ci przy ró

nych warto

ciach liczby Reynoldsa

Przy pomiarach przepływu gazów ze wzgl

du na du

żą

rozpr

ęż

liwo

ść

nale

y ustali

punkt

odniesienia. Przykładowo: 100 m

/h powietrza przy ci

nieniu atmosferycznym i temperaturze

C odpowiada ok. 100kg/h, a przy 20

C i 0,8MPa odpowiada ok. 1000 kg/h, czyli

dziesi

ciokrotnie wi

cej.

Ogólnie przyj

tym punktem odniesienia jest gaz w warunkach normalnych tj. temp.=273

K(0

C), ci

nienie atm. 1013,25 kPa (gaz rozpr

ęż

ony). W układach pomiarowych gazu

nale

y stosowa

oprócz pomiaru przepływu pomiar temperatury i ci

nienia oraz układ

przeliczaj

cy do warunków normalnych (Nm

/s, Nm

/godz). Rozliczenia ilo

ci gazów mo

dokonywa

w Nm

lub w przeliczeniu na kg. Wpływ zmian temperatury i ci

nienia na g

sto

ść

gazu pokazuj

przedstawiaj

zale

ci:

lub

Indeks x dotyczy rzeczywistych warunków pomiaru, indeks n normalnych warunków
pomiaru.
Wzgl

dny współczynnik

liwo

ci K

- obliczany jako stosunek współczynnika

liwo

ci w

warunkach pomiarowych do współczynnika

liwo

ci w warunkach normalnych -

uwzgl

dnia odchylenia wła

ciwo

ci gazu rzeczywistego od wła

ciwo

ci gazu doskonałego.

Przy pomiarach przepływu pary cz

sto oprócz przepływu masy pary wymagane jest

precyzyjne wyliczanie ilo

ci ciepła w przepływaj

cej parze. Podstawowym parametrem

rozliczeniowym jest strumie

energii obliczany jako strumie

masy m i entalpii. Poniewa

wraz ze zmian

nienia i temperatury zmienia si

sto

ść

pary, do wyznaczenia strumienia

masy konieczne jest stosowanie specjalnych układów przeliczaj

cych potrafi

cych na

podstawie informacji o ci

nieniu i temperaturze ustali

wła

ciwy strumie

masy i energii.

11.1. Wybrane wielko

ci charakteryzuj

ce przepływomierze

Zakresowo

ść

Stosunek najwi

kszego, mo

liwego do zmierzenia przez układ pomiarowy przepływu,

do jego najmniejszego przepływu nazywamy zakresowo

i oznaczamy symbolem TD.

Typowa zakresowo

ść

przepływomierzy wynosi 10-20: 1.

Przed okre

leniem zakresowo

ci musi zosta

zdeterminowana dokładno

ść

systemu

pomiarowego. Zwi

kszaj

c zakresowo

ść

miernika zwi

ksza si

równie

bł

d pomiaru.

Jedna z metod zwi

kszenia zakresowo

ci przy zachowaniu dokładno

ci pomiaru polega na

indywidualnym wykalibrowaniu miernika i wprowadzenie jego charakterystyki do systemu
pomiarowego.

Zakresowo

ść

przetwornika ró

nicy ci

nie

Przetwornik ró

nicy ci

nie

(DP) musi pokrywa

zakres sygnałów z czujnika

przepływu. Zakresowo

ść

przetwornika ró

nicy ci

nie

jest definiowana jako stosunek

pomi

dzy maksymaln

ró

nic

nie

, odpowiadaj

przepływowi maksymalnemu, a jego

warto

minimaln

. Z powodu pierwiastkowej zale

ci pomi

dzy ró

nic

nie

(DP) a

przepływem zale

ść

pomi

dzy TD

a TD jest nast

puj

ca:

= [TD]

lub TD =

√

Dla przepływomierza, którego zakresowo

ść

TD wynosi 10:1 (pomiar od 10% do 100%)

zakresowo

ść

przetwornika TD

, musi wynosi

100:1. Oznacza to,

e przetwornik musi

mierzy

z t

sam

dokładno

sygnał ró

nicy ci

nie

(DP) równy np. 50 kPa (przepływ

maksymalny oraz 0.5 kPa (przepływ minimalny). Wymóg ten jest praktycznie trudny do
spełnienia.

Bł

d pomiaru (niepewno

ść

pomiaru)

dwie metody przedstawiania dokładno

ci pomiaru urz

dzenia, które ró

siebie znacznie:
Bł

d procentowy warto

ci mierzonej jest bł

dem wyra

onym w procentach aktualnie

mierzonej warto

ci. Dla dokładno

ci 1% przy mierzonym w danej chwili przepływie równym

np. 10t/h bł

d wynosi

0.1t/h natomiast przy mierzeniu przepływu, którego wielko

ść

wynosi

15t/h bł

d jest równy 0.15t/h.

Bł

d procentowy zakresu jest bł

dem wyra

onym w procentach zakresu pomiarowego,

jego warto

ść

w jednostkach fizycznych jest stała i nie zale

y od aktualnie mierzonej

warto

ci.

11.2. PRZEPŁYWOMIERZE OPARTE NA ZASADZIE POMIARU RÓ

NICY

NIE

Do metod wykorzystuj

cych do pomiaru przepływu ró

nic

nie

zaliczamy metod

ęż

kow

oraz metod

redniaj

cych rurek pi

trz

cych. W metodzie zw

ęż

kowej

wykorzystywany jest spadek ci

nienia – zwanego ci

nieniem czynnym – wywołany na kryzie

pomiarowej przez przepływaj

ce medium. W metodzie u

redniaj

cych rurek pi

trz

cych do

pomiaru przepływu wykorzystuje si

nienie dynamiczne przepływaj

cego medium,

ce ró

nic

nie

całkowitego i statycznego. Obie te metody pomiarowe oparte s

prawie ci

gło

ci przepływu oraz na prawie Bernoulli’ego.

Prawo ci

gło

ci przepływu i Bernoulli’ego

= v

Prawo Bernoulli’ego (dla stałej wysoko

∆

H=0, m=1kg)

nst

gdzie:

– g

sto

ść

, p – ci

nienie, v – pr

dko

ść

strugi.

Najcz

ęś

ciej stosowan

ęż

jest kryza. Stanowi ona płask

tarcz

z okr

głym otworem o

rednicy d, umieszczon

współosiowo w ruroci

gu o

rednicy wewn

trznej D – rys. 35.

Rys. 35. a) przebieg linii pr

du i ci

nienia przez kryz

, b) uproszczony model przepływu

medium przez kryz

Zgodnie z zasad

gło

ci strugi mo

emy zapisa

= A

gdzie:

i w –

rednie warto

ci g

sto

ci i pr

dko

ci płynu przed kryz

(symbol 1) i w otworze

kryzy (symbol 2).
Dla płynów nie

liwych

= const mo

emy zapisa

= A

Zgodnie z zasad

zachowania energii, wzrost energii kinetycznej (zwi

zanej z

dko

strugi) mo

e nast

tylko kosztem spadku energii potencjalnej (ci

nienia).

Zwi

kszeniu pr

dko

ci w okolicach kryzy towarzyszy, wi

c spadek ci

nienia w tej strefie, co

wyra

a równanie Bernoulliego:

+ p

= const

Po przekształceniach otrzymamy obj

ciowe nat

ęż

enie przepływu:

∆

−

– współczynnik przew

ęż

enia

Przy wyprowadzaniu tego wzoru przyj

to szereg uproszcze

. Rozkład pr

dko

ci w

otworze kryzy i ruroci

gu nie jest równomierny oraz to,

e najwi

ksze przew

ęż

enie

strumienia wyst

puje poza ni

, a przekrój strumienia w miejscu najwi

kszego przew

ęż

enia

jest mniejszy ni

w otworze kryzy. Wpływ wymienionych czynników i innych uwzgl

dnia si

wprowadzaj

c tzw. współczynnik przepływu C. Wzór b

dzie miał posta

∆

−

Współczynnik przepływu wyznacza si

przez wzorcowanie szeregu podobnych

geometrycznie zw

ęż

ek o ró

nych przew

ęż

eniach

Pomini

to tak

e wpływ tarcia, zmiany g

sto

ci (nie

liwo

ść

), zmiany lepko

ci itd. Dla

gazów takie uproszczenia mog

ródłem znacznych niepewno

ci pomiaru (bł

dów

pomiarowych). W skutek spadku ci

nienia w strefie zw

ęż

ki wyst

pi rozpr

ęż

enie, a zatem

zmniejszenie g

sto

ci i dodatkowe zwi

kszenie pr

dko

ci. W celu uwzgl

dnienia tych

zjawisk stosowany jest mno

nik poprawkowy

, zwany liczb

ekspansji. Jest on funkcj

przew

ęż

enia, wykładnika izentropy oraz stosunku

∆

p/p. Ostatecznie przy obliczaniu

strumienia płynu korzystamy z równania:

∆

−

lub dla masowego nat

ęż

enia przepływu:

∆

−

Cech

charakterystyczn

przepływomierza zw

ęż

kowego jest strata ci

nienia na zw

ęż

ce.

∆

STR

. Przyczyn

tego s

intensywne ruch wirowe w martwych strefach za kryz

Przetworzenie mierzonej ró

nicy ci

nie

na sygnał elektryczny b

pneumatyczny

odbywa si

w przetwornikach pomiarowych.

Kryzy pomiarowe

Kryzy s

przyrz

dami słu

żą

cymi do pomiaru nat

ęż

enia przepływu za pomoc

pomiaru

spadku ci

nienia na elemencie spi

trzaj

cym.

Jest to metoda dokładna, wygodna, tania, ma

bardzo du

e zastosowanie i nadaje si

do dowolnych cieczy, gazów i par przy dowolnym

nieniu i temperaturze panuj

cych w ruroci

gach o przekroju poprzecznym kołowym.

Kryz

na stosowa

, je

li spełnione s

nast

puj

ce warunki:

•

przepływaj

ce media powinny całkowicie wypełnia

odcinek pomiarowy ruroci

gu,

•

ęż

ka powinna by

wbudowana mi

dzy dwoma prostoliniowymi odcinkami ruroci

gu o

stałej powierzchni przekroju poprzecznego,

•

ęż

ka powinna by

wbudowana współosiowo i prostopadle do osi ruroci

gu,

•

powierzchnia wewn

trzna odcinka pomiarowego musi by

czysta wolna od w

erów,

osadów na długo

ci co najmniej 10D przed i 4D za wbudowan

kryz

•

ęż

ka pomiarowa powinna by

wbudowana w ruroci

gu w takim poło

eniu w którym

warunki przepływu w obszarze bezpo

rednio przed zw

ęż

pomiarow

wystarczaj

cym stopniu b

zbli

one do warunków wyst

puj

cych w obszarze o profilu

w pełni ukształtowanego przepływu tj. przy całkowitym braku zaburze

Kryzy wykonywane s

zgodnie z normami pomiaru strumienia masy i obj

ci płynów,

gazów i ich par (krajowymi PN i zagranicznymi np. DIN). Wyró

niamy kryzy znormalizowane,

symetryczne, segmentowe, kwadratowe, blokowe, klinowe.

Pomiary przepływu przy wykorzystaniu spadku ci

nienia s

najszerzej stosowanymi

technikami pomiarowymi. Urz

dzenia wykorzystuj

ce t

technik

sprzedawane

dwukrotnie cz

ęś

ciej ni

inne, wykorzystuj

ce konkurencyjne techniki. Analitycy przewiduj

e ten trend b

dzie kontynuowany w ci

gu najbli

szych lat.

Powstaj

ce nowe technologie pomiarowe znajduj

zastosowanie w konkretnych

instalacjach, natomiast przepływomierze zwi

zane ze spadkiem ci

nienia posiadaj

niekwestionowan

przewag

w wi

kszo

ci zastosowa

z wielu powodów:

1. wyj

tkowa powtarzalno

ść

2. sprawdzona wiarygodno

ść

i stabilno

ść

przy prawidłowej instalacji i aplikacji,

3. monta

bezpo

rednio na instalacji procesowej,

4. łatwo

ść

kalibrowania i naprawy urz

dze

5. przemysłowy standard

wiatowy (dost

pne dane teoretyczne i do

wiadczalne),

6. koszty instalowania w zasadniczej swej cz

ęś

ci niezale

ne od rozmiaru instalacji,

7. jedno urz

dzenie umo

liwia pomiary dla wielu ró

nych zastosowa

Przez lata rozwój technologii wpływał na jako

ść

i rozwój przetworników przepływu

opartych o spadek ci

nienia. Pierwsz

zmian

było przej

cie z oprzyrz

dowania

pneumatycznego na układy elektroniczne półprzewodnikowe, tam gdzie pozwalały warunki –
tankowce. Nast

pnie rozwój poszedł w kierunku zmniejszenia wpływu zmian temperatury i

nienia. Dalsze zwi

kszenie jako

ci działania nast

piło w momencie wprowadzenia

urz

dze

partych na technice mikroprocesorowej (typu smart) i rozwoju elementów

czujnikowych.

Eksperci przewiduj

, i

roczna sprzeda

przepływomierzy opartych o spadek ci

nienia

dzie na poziomie 0,5 miliarda dolarów, przez co najmniej 5 lat.

Rurki pi

trz

Czujnikiem przepływomierzy pi

trz

cych jest odpowiednio ukształtowana rurka.

Zasad

działania opisz

w oparciu o rurk

Prandtla; rys. 36.

Rys. 36. Schemat rurki Prandtla; linie pr

du i rozkład ci

nie

przy jej opływie

Rurka w cz

ęś

ci czołowej posiada otwór, w którym nast

puje spi

trzenie i podwy

szenie

nienia do warto

ci p

. Ci

nienie to maleje do warto

ci p, takiej jak w cz

ęś

ci niezaburzonej,

w odległo

ci 6÷8

rednic. Rurka słu

y do pomiaru pr

dko

ci v przepływu niezaburzonego.

Dla linii pr

du w osi rurki mo

na zapisa

równanie Bernoulliego:

Po przekształceniu otrzymamy:

)

(

−

nienie p

wyprowadzamy z rurki wewn

trznej, a ci

nienie p (przepływu niezaburzonego)

z otworów nawierconych na obwodzie rurki zewn

trznej w odległo

ci 8

rednic gdzie

wyst

puje ju

nienie niezaburzonej.

Wzór ten jest słuszny dla cieczy i gazów przy niezbyt du

ych pr

dko

ciach przepływu.

Przy wi

kszych pr

dko

ciach przepływu gazu nale

y uwzgl

dni

zmian

sto

ci gazu przy

opływie rurki. Nale

y, wi

c zastosowa

równanie uwzgl

dniaj

liwo

ść

Ze wzgl

du na zmienny rozkład pr

dko

ci strugi wewn

trz ruroci

gu, opracowano

konstrukcje rurek pi

trz

cych umieszczonych wzdłu

rednicy ruroci

gu, prostopadle do

strumienia (rys. 37) celem u

rednienia rozkładu pr

dko

ci.

Rys. 37. Budowa czterootworowej rurki pi

trz

cej

Najcz

ęś

ciej stosowane s

sondy czterootworowe. Zapewniaj

dobre u

rednienie nawet

mocno zniekształconych profili pr

dko

ci. Sonda ma przekrój ostrokraw

dziowy, aby

zapewni

jednoznaczne oderwanie strumienia. Przy sondzie okr

głej oderwanie strumienia

e w

drowa

zmieniaj

c charakterystyk

rurki w sposób przypadkowy. Najwa

niejsze

zalety sond pi

trz

cych to:

•

bardzo mała strata ci

nienia,

•

niski koszt zakupu i instalacji,

•

liwo

ść

instalacji w ruroci

gach pod ci

nieniem za pomoc

specjalnego

oprzyrz

dowania.

Czujnik przepływu INTROBAR

Wzrastaj

ce wymagania odno

nie dokładno

ci pomiaru przepływu oraz minimalizacji

strat energetycznych na czujnikach pomiarowych, spowodowały gwałtowny wzrost
zainteresowania rurkami u

redniaj

cymi. Metoda ta wypiera kryzy pomiarowe dzi

znacznie lepszym parametrom metrologicznym, ni

szym kosztom eksploatacji i monta

oraz szerszym zakresom zastosowa

. Specjalny kształt czujnika daje podwy

szon

stabilno

ść

i powtarzalno

ść

pomiaru, wy

sze u

yteczne sygnały ci

nieniowe. Sonda ma

przekrój ostrokraw

dziowy tak, aby zapewni

, jednoznaczne oderwanie strumienia (przy

sondzie okr

głej punkt oderwania strumienia mo

e w

drowa

, co zmienia charakterystyk

rurki w sposób przypadkowy)

Podstawowym elementem przepływomierza jest kształtka umieszczona w ruroci

gu z

odpowiedni rozmieszczonymi otworami słu

żą

cymi do odbioru ci

nienia. Przepływ w

ruroci

gu powoduje nadci

nienie w cz

ęś

ci czołowej i podci

nienie na powierzchni tylnej i

bocznej czujnika. Odpowiednio umieszczone wzdłu

czujnika otwory umo

liwiaj

odbiór

ró

nicy ci

nie

takiej by była ona proporcjonalna do kwadratu pr

dko

redniej (strumienia

obj

ci) w ruroci

gu, nawet w mocno zniekształconych profilach pr

dko

ci.

Zwi

zek mi

dzy

redni

dko

w ruroci

gu v, a zmierzon

ró

nic

nie

∆

p jest

nast

puj

cy:

∆

gdzie:

K – stały współczynnik przepływu

– g

sto

ść

płynu.

Warto

ci K dla przedstawionego kształtu mieszcz

w granicach 0,7 – 0,8 co

oznacza,

e uzyskiwane spi

trzenia s

prawie dwukrotnie wi

ksze od ci

nienia

dynamicznego odpowiadaj

cego pr

dko

redniej.

Czujnik o przekroju kołowym

Zmienne poło

enie punktu oderwania warstwy

przy

ciennej powoduje zmiany warto

ci współczynnika

K dla du

ych pr

dko

ci przepływu.

Czujnik INTROBAR

Czujnik ze wzgl

du na generacj

wirów o du

ej energii

daje sygnał zmienny w czasie, pulsuj

cy. Czujnik

nara

ony jest na wibracje.

Stałe poło

enie punktu oderwania warstwy przy

ciennej

zapewnia stało

ść

współczynnika K dla du

ych pr

dko

przepływu.

Wymagane odcinki proste: 8-24D przed i 3-4D za czujnikiem.

Dokładno

ść

1% w całym zakresie pomiarowym, powtarzalno

ść

0.25%, koszt monta

ponad 60% mniejszy w stosunku do monta

u kryzy, tzw. wykonanie WET-TAP umo

liwi

wyj

cie i zało

enie czujnika w czasie pracy.

Przepływomierze z rurk

spi

trzaj

ACCUTUBE

Accutube jest okr

gł

redniaj

rurk

Pitota wyposa

w otworki umieszczone

od strony napływu i odpływu płynu. Zamontowana w strumieniu przepływaj

cego medium

mierzy ró

nic

nienia pomi

dzy nadci

nieniem wywołanym dynamicznym naporem

medium od strony napływowej (dodatniej), a podci

nieniem powstaj

cym od strony

odpływowej (ujemnej). Mierzone ci

nienie ró

nicowe jest proporcjonalne do nat

ęż

enia

przepływu.

gdzie: Q – nat

ęż

enie przepływu, h – ci

nienie ró

nicowe w mm H

Czujnik współpracuje z przetwornikiem ró

nicy ci

nie

. Dokładno

ść

pomiaru 1% w

szerszym zakresie ni

ęż

ki pomiarowe. Długo

ci wymaganych odcinków prostych to 10-

rednic ruroci

gu od strony napływu i 4-5 od strony odpływu.

11.3. Przepływomierze wirowe VORTEX

przepływomierzach wirowych (oscylacyjnych) wykorzystano oscylacje (drgania)

strumienia przepływaj

cego medium lub umieszczonego w nim oscylatora mechanicznego,

których cz

stotliwo

ść

jest proporcjonalna do warto

ci przepływaj

cego strumienia obj

ci.

Spływaj

ce z kraw

dzi medium tworzy pewn

powierzchni

, dokładniej warstw

rozdziału (rys. 38) pomi

dzy cz

ęś

o wzgl

dnie wysokiej pr

dko

ci (niezaburzonej), a

ęś

znajduj

we wzgl

dnym zastoju (za kraw

dzi

przeszkody).

Rys. 38. Zjawiska zachodz

ce na powierzchni rozdziału

Lokalne zmiany pr

dko

ci powoduj

powstawanie stref podci

nienia (lokalne

zwi

kszenie pr

dko

ci strugi) i nadci

nienia, co prowadzi do powstawania szeregu wirów

nazywanych wirami Karmana. Przykładowo wiry te powoduj

łopotanie flag na wietrze.

Powstaj

ce na przemian zawirowania (rys.39), wywołane umieszczon

w strudze belk

spi

trzaj

, powoduj

zmienne napr

ęż

enia działaj

ce na belk

, które s

rejestrowane

przez czujniki tensometryczne lub piezoelektryczne. Cz

stotliwo

ść

ta jest wprost

proporcjonalna do

redniej pr

dko

ci strumienia.

Rys. 39. Czujnik przepływomierza wirowego

Przykład przepływomierza VORTEX VTX

Przepływomierze VTX wykorzystuj

zjawisko powstawania wirów za przeszkod

umieszczon

w strudze przepływaj

cego medium, które płyn

c z pr

dem tworz

Alej

Wirów Karmana. Zawirowania powstaj

z cz

stotliwo

wprost proporcjonalna do

dko

ci przepływu oraz stałej Strouhala:

gdzie: f – cz

stotliwo

ść

h- szeroko

ść

belki zakłócaj

cej,

rednia pr

dko

ść

strugi.

Liczba Strouhala jest stała w szerokim zakresie liczb Reynoldsa, a zatem w tym

zakresie nie zale

y od g

sto

ci mierzonego medium. Graniczn

doln

warto

liczby

Reynoldsa, poni

ej, której nie stosuje si

przepływomierzy wirowych jest warto

ść

5000; dla

Re<5000 warto

ść

liczby Strouhala szybko si

zwi

ksza.

1. ruroci

g pomiarowy

2. belka spi

trzaj

3. płytka spr

ęż

ynuj

ca z czujnikiem

4. kierunek strugi

5. powstaj

ce wiry

Belka spi

trzaj

ca przepływomierzy VTX ma kształt trapezoidalny z wbudowanym

czujnikiem piezoelektrycznym, który reaguje na zmienne ci

nienie wirów, przetwarzaj

c je

na standardowy sygnał elektryczny.

Przepływomierze wirowe mierz

przepływ obj

ciowy, masowy lub pr

dko

ci przepływu.

Słu

żą

do pomiaru cieczy i gazów czystych b

lekko zanieczyszczonych. Na generatorze

wirów (belce spi

trzaj

cej) nie powinny odkłada

zanieczyszczenia. Osady mog

zmieni

ostrokraw

dziowy kształt generatora na opływowy, co mo

e powodowa

zanikanie

generacji wirów. Zalet

tych przepływomierzy jest du

a dokładno

ść

niezale

nie od g

sto

medium, czy te

chwilowej warto

ci nat

ęż

enia przepływu.

Zakresowo

ść

przepływomierzy wirowych 50:1 i 65:1, bł

d pomiaru aktualnej warto

strumienia w granicach 0,5÷1%, zakres pomiarowy od 0,09 m/s do 4,5 m/s; ciecz 0,6

1000

/h zale

nie od

rednicy ruroci

gu. Wymagane odcinki proste 10

35 DN przed oraz

5DN

za miernikiem.

11.4. Przepływomierze z wyj

ciem impulsowym; tachometryczne

wirnikowe i komorowe

W przepływomierzach tachometrycznych przepływaj

ce medium nap

dza wstawiony

do ruroci

gu element pomiarowy poruszaj

cy si

ruchem obrotowym. Wykorzystuje si

proporcjonalno

ść

dko

ci obrotowej wirnika do obj

ciowego nat

ęż

enia przepływu.

emy wyró

w tej grupie dwie odmiany przepływomierzy – turbinkowe i komorowe

(obj

ciowe).

Przepływomierze turbinkowe nale

żą

do najdokładniejszych. Bł

d pomiaru do ±0.25%

aktualnej warto

ci strumienia.

rednice nominalne ruroci

gów DN 4 ÷ 750; zakresowo

ść

50:1. Wymagaj

prostych odcinków pomiarowych (10÷20)D - przed przepływomierzem, do

5D – za przepływomierzem.

Dla przepływomierzy tego typu bardzo wa

nym parametrem jest stała K. Jest ona

okre

lona jako ilo

ść

impulsów na obj

ść

mierzonego medium (zwykle impuls/litr lub

impuls/m

). Na charakterystyk

przepływomierzy wpływa szereg czynników: parametry

geometryczne turbinki, g

sto

ść

oraz lepko

ść

przepływaj

cego medium, moment tarcia w

ło

yskach. Dla cieczy stosuje si

ło

yska

lizgowe ze wzgl

du na wła

ciwo

ci smaruj

ce,

dla gazów stosowane s

ło

yska toczne zakryte, samosmaruj

ce.

Rys. 40. Schemat przepływomierza turbinowego oraz charakterystyczne kształty i wymiary
turbinki a) dla małych przepływów, b) dla gazów

Dla przepływomierzy turbinkowych producent zwykle podaje stał

K oraz

charakterystyk

zmian stałej K w funkcji cz

stotliwo

ci. Dzi

ki temu istnieje mo

liwo

ść

usuni

cia nieliniowo

ci przepływomierza, a tym samym poprawienie jego dokładno

ci do

poziomu powtarzalno

ci pomiarów poprzez wpisanie tej charakterystyki do inteligentnego

przetwornika.

Podobnie przepływomierze komorowe; stosowane s

tam gdzie wymagana jest

wysoka dokładno

ść

(np. paliwo na stacjach benzynowych). Cechuje je bardzo du

zakresowo

ść

do 300:1. Praktycznie nie wymagaj

prostych odcinków pomiarowych, chocia

przepisy wymagaj

zastosowania odcinków rz

du 3D. Przepływomierze komorowe mo

stosowa

do gazów i cieczy nawet do bardzo g

stych o konsystencji smaru. Wymagaj

cieczy bardzo czystych, poniewa

składaj

z elementów precyzyjnie obrobionych

mechanicznie i dokładnie spasowanych. Zanieczyszczenia mechaniczne mog

uszkodzi

przepływomierz i zblokowa

przepływ medium.

Przepływomierze obj

ciowe z elementami owalno-kołowymi

Układ pomiarowy przepływomierzy obj

ciowych firmy Bopp&Reuther składa si

dwóch

le zaz

biaj

cych si

elementów owalno-kołowych, poruszanych przez

przepływaj

ce medium.

Rys. 41. Zasada działania obj

ciowego przepływomierza a) z elementami owalno-

kołowymi, b) gazomierza rotorowego

dy obrót pary elementów owalno-kołowych odpowiada przemieszczeniu przez

miernik dokładnie znanej obj

ci cieczy V

i V

. Liczba obrotów jest proporcjonalna do

dko

ci przepływaj

cego medium. Układ specjalnych przekładni przekazuje informacj

liczbie obrotów do licznika mechanicznego, który zlicza przepływ w jednostkach obj

(litry, m

Dla gazów stosowane s

gazomierze rotorowe. Maj

inny kształt obracaj

cych si

elementów – zarys ewolwentowy. Przykładowe rozwi

zania przepływomierzy komorowych

przedstawiono na rys. 42

Rys. 42. Ró

ne konstrukcje przepływomierzy komorowych a) puszkowy, b)

rubowy, c)

baty, d) z obrotowymi skrzydełkami

Mechanizm pomiarowy ka

dego z przepływomierzy owalno-kołowych składa si

nast

puj

cych cz

ęś

ci:

•

korpusu,

•

pary elementów owalno kołowych,

•

nakładki komory pomiarowej,

•

przył

czy kołnierzowych lub

rubowych.

Głowica pomiarowa jest hermetycznie oddzielona od mechanizmu pomiarowego, czyli
elementów owalno-kołowych.

Ruch obrotowy obu elementów jest przekazywany poprzez

układ sprz

gła magnetycznego do licznika mechanicznego lub za pomoc

czujnika

indukcyjnego do układu zdalnego zliczania przepływu

żą

zalet

przepływomierzy owalno-kołowych jest fakt,

e nie wymagaj

one

odcinków prostych do monta

u. Umo

liwiaj

pomiar cieczy o du

ych lepko

ciach, przy

jednoczesnym niewielkim spadku ci

nienia na przepływomierzu. Dokładno

ść

gaj

ca 0.1%

powoduje,

e omawiane przepływomierze s

niezast

pione tam gdzie wymagana jest du

precyzja pomiaru. Mo

na je stosowa

w warunkach laboratoryjnych (

rednice od 6 do 25

mm), jak i du

ych obiektach przemysłowych (

rednice od 25 do 100 mm).

Przepływomierze obj

ciowe system CONTOIL i DOMINO

Przepływomierze obj

ciowe systemu DOMINO ARD i CONYOIL VZO działaj

zasadzie pompki z wiruj

cym tłokiem przepompowuj

c okre

lone porcje mierzonego

medium i zliczaj

c ich ilo

ść

. Tym samym mierz

one rzeczywist

obj

ść

płynu

przepływaj

cego w ruroci

gu w danym czasie.

Urz

dzenie składa si

z tłoka usytuowanego mimo

rodowo wewn

trz wi

kszego

cylindra posiadaj

cego dwa otwory (wlotowy i wylotowy) rozdzielone od siebie przegrod

wzdłu

której przesuwa si

cylindryczny tłok. W pierwszej fazie (1, 2) pracy ciecz wpływaj

poprzez otwór wlotowy wypełnia przestrze

pomi

dzy przegrod

i wn

trzem cylindrycznego

tłoka powoduj

c jego ruch. W nast

pnej fazie (3, 4) ta ciecz wydostaje si

poprzez otwór

wylotowy. Za ka

dym takim cyklem okre

lona ilo

ść

cieczy jest przepompowana z otworu

wlotowego do otworu wylotowego.

Wiruj

cy tłok i rolka prowadz

ca s

jedynymi ruchomymi cz

ęś

ciami b

cymi w

kontakcie z ciecz

. Przemieszczanie si

wiruj

cego tłoka jest przekazywane do układów

zliczania i odczytu za pomoc

sprz

gła magnetycznego.

Przepływomierze takiej konstrukcji umo

liwiaj

osi

gni

cie du

ej dokładno

ci.

Szczególnie tam gdzie mała ilo

ść

miejsca uniemo

liwia zastosowanie odcinków prostych

ruroci

gu wymaganych dla przepływomierzy mierz

cych pr

dko

ść

przepływu.

Przetwarzanie ruchu obrotowego wirnika, turbinki, elementu owalno-kołowego na

sygnał okre

laj

cy ilo

ść

przepływaj

cego medium mo

e by

zrealizowany na kilka

sposobów:

1. w obracaj

cym si

elemencie umieszcza si

trwały magnes, a na zewn

trz cewk

, w

której b

dzie si

indukowa

przemienne napi

cie o cz

stotliwo

ci równej

stotliwo

ci obrotów turbinki, wirnika, rotora irp.

2. zastosowa

zbli

eniowy czujnik elektromagnetyczny wykorzystuj

cy pr

dy wirowe,

3. fotoelektryczne

czujniki

dko

(gdy

dysponujemy

małym

momentem

nap

dowym).

Przepisy metrologiczne i legalizacyjne wymagaj

do rozlicze

liczników mechanicznych.

Przykład gazomierza turbinowego z takim licznikiem przedstawia rys. 43.

Rys. 43. Schemat wyprowadzenia ruchu obrotowego turbinki do liczydła mechanicznego na
przykładzie gazomierza turbinowego.

1 – prostownica strumienia, 2 – turbinka, 3 – o

turbinki, 4 –

ło

yska turbinki, 5 – przekładnia

limakowa, 6 – sprz

gło magnetyczne, J1, J2 – koła z

bate

justuj

ce, 7 – przekładnia sto

kowa, 8 – liczydło mechaniczne, 9 – magnes, 10 – kontaktron, 11-

czujnik indukcyjny łopatek turbinki

11.5. Przepływomierze elektromagnetyczne

Przepływomierz elektromagnetyczny nadaje si

do pomiarów cieczy równie

zabrudzonych. Podstawowym warunkiem jest, aby przewodno

ść

elektryczna (inaczej

konduktywno

ść

mierzona w simensach na metr) cieczy była wi

ksza od > 10

S/cm. Z tego

wzgl

du przepływomierze elektromagnetyczne nie mog

stosowane do pomiaru

nat

ęż

enia przepływu paliw i olejów ze wzgl

du na ich dielektryczny charakter. Pomiar

odbywa si

bez strat ci

nienia i przy niskim zu

yciu energii. Własno

ci medium, zmiany

nienia, temperatury i g

sto

ci nie wpływaj

na dokładno

ść

pomiaru. Przepływomierz

elektromagnetyczny mierzy obj

ciowy strumie

przepływaj

cej cieczy ł

cznie ze

znajduj

cymi si

w niej ciałami stałymi oraz p

cherzami powietrza.

Zasada

pomiaru

oparta

jest

znanym

prawie

dotycz

cym

indukcji

elektromagnetycznej mówi

cym,

e je

li w polu magnetycznym o indukcji B porusza si

przewodniku o długo

ci L z pr

dko

redni

w, to w nim indukuje si

siła

elektromotoryczna o warto

ci E. Warto

ść

siły elektromotorycznej mo

na wyznaczy

wzoru:

E = B L w

Schemat przepływomierza wykorzystuj

cego t

zasad

przedstawia rys. 44.

Rys. 44. a) schemat przepływomierza elektromagnetycznego 1 – cewki, 2 – elektrody
pomiarowe, b) przebieg napi

cia zasilaj

cego cewki i przebieg indukowanej siły

elektromotorycznej na elektrodach pomiarowych

Rol

przewodnika pełni przepływaj

cy strumie

redni

dko

ci w. Siła

elektromotoryczna zbierana jest poprzez elektrody 2, pole magnetyczne wytwarzaj

cewki 1

nało

one na ruroci

g. Pole magnetyczne powinno by

jednorodne, wówczas warto

ść

siły

elektromotorycznej dla tak skonstruowanego przepływomierza mo

na okre

E = k B D w

k – stała wyznaczana podczas wzorcowania przepływomierza.

Poniewa

rednia pr

dko

ść

jest proporcjonalna do strumienia obj

ci mo

na zapisa

E = k

B D q

Z rys. 44 wida

e mimo dokładnie prostok

tnego napi

cia zasilania wyidukowana siła

elektromotoryczna nie ma podobnego charakteru i jej

rednia warto

ść

jest przesuni

ta o

Przyczyn tego jest wiele: potencjały elektrochemiczne pojawiaj

ce si

na elektrodach, wpływ

ró

nego rodzaju zewn

trznych pól elektromagnetycznych (np. zakłócenia przemysłowe) i

magnetycznych (np. pole ziemskie).

Przykłady rozwi

technicznych przepływomierzy elektromagnetycznych.

PIT

1 – przetwornik

2 – obudowa przetwornika

3 cewka magnesująca

4 – rurociąg

, E

– elektrody pomiarowe

, B

– pole magnetyczne

MF1 i MF2 – pola pomiaru

UM – sygnał napięciowy

Q – przepływ

V – prędkość przepływu

Przepływomierz elektromagnetyczny zbudowany jest z czujnika, który odbiera sygnał

indukowany w przepływaj

cym medium oraz modułu przetwarzaj

cego sygnał z czujnika na

sygnał pr

dowy lub impulsowy (impuls / jedn. obj

ci).

1. przetwornik

2. obudowa przetwornika

3. uszczelka

4. moduł przej

ciowy

5. czujnik z przył

czem kołnierzowym

6. króciec

monta

owy

wspawany

kołnierz

7. cewka magnesuj

8. elektroda

11.6. Przepływomierz ultrad

kowy

Zasada działania bezinwazyjnych przepływomierzy ultrad

kowych oparta jest na

dwóch metodach: pomiar czasu przej

cia fali ultrad

kowej i efekcie Dopplera.

Rys.46. Schemat jednodrogowego przepływomierza ultrad

kowego: a) wykorzystuj

cego

pomiar czasu przej

cia impulsu, b) dopplerowskiego

Literami A i B oznaczono piezoelektryczne nadajniki, które s

jednocze

nie odbiornikami fali

ultrad

kowej dzi

ki odwracalno

ci efektu piezoelektrycznego.

Pierwszy sposób pozwala wyznaczy

warto

ść

redniej pr

dko

ci przepływu strumienia

poni

szej zale

ci w oparciu o ró

nic

czasu przej

cia fali na drodze AB:

)

(

cos

−

gdzie t

i t

oznaczaj

czasy przej

cia fali na drodze AB i BA.

Cecha charakterystyczn

jest tutaj brak zale

ci pr

dko

ci strumienia od pr

dko

rozchodzenia si

ku w przepływaj

cym medium (mierzonym o

rodku).

Drugi sposób (rys. b) wykorzystuje efekt Dopplera polegaj

cy na ró

nicy

stotliwo

ci pomi

dzy fal

wysłan

, a odbit

od poruszaj

cych si

steczek

. Mog

nimi

cherzyki powietrza, cz

stki stałe np. w gazach, wiry zawarte w płyn

cym strumieniu.

Warto

ść

dko

ci przepływu mo

na wyznaczy

z zale

ci:

cos

2 f

∆

gdzie: f - cz

stotliwo

ść

fali wysłanej,

∆

f - dopplerowska ró

nica cz

stotliwo

ci, c – pr

dko

ść

ku w mierzonym o

rodku.

Umo

liwiaj

pomiar przepływu obj

ciowego, zliczanie obj

ci, pomiar przepływu

masowego, zliczanie masy, pomiar pr

dko

ci przepływu fali ultrad

kowej w o

rodku.

Pomiar jest niezale

ny od zmian temperatury cieczy, jej g

sto

ci, ci

nienia i przewodno

elektrycznej. Przepływomierze ultrad

kowe s

dokładne, nie powoduj

strat ci

nienia,

dokładno

ść

lepsza ni

0,5% aktualnej wielko

ci przepływu, du

a stabilno

ść

pomiaru.

Przeznaczone s

do pomiaru cieczy czystych. Brak cz

ęś

ci ruchomych zapewnia wysok

niezawodno

ść

Przepływomierz ultrad

kowy firmy Dynasonics

Przepływomierze wykorzystuj

ce efekt Dopplera stosuje si

do pomiaru przepływu

cieczy zanieczyszczonych

. Ilo

ść

stałych zanieczyszcze

powinna by

ksza od 50 ppm,

jednak nie mo

e przekracza

3% mierzonego medium. W przypadku cieczy czystych rol

zanieczyszcze

spełniaj

zawirowania pojawiaj

ce si

w strumieniu przepływaj

cego

medium. Z tego powodu zaleca si

, aby sondy były montowane nie dalej ni

rednic

ruroci

gu za kolankiem lub innym elementem zakłócaj

cym.

Pomiar czasu przej

cia stosuje si

do cieczy czystych

. Zasada działania oparta jest

na fakcie,

e pr

dko

ść

, z jak

rozchodzi si

fala ultrad

kowa w kierunku zgodnym z

kierunkiem przepływu jest wi

ksza, ni

gdy fala propaguje w kierunku przeciwnym do

kierunku przepływu medium. Wynikaj

ca z tego ró

nica czasów przej

cia fali od sondy

cej nadajnikiem fali do odbiornika jest proporcjonalna do przepływu obj

ciowego. W

zale

ci od sposobu monta

u rozró

niamy metod

przej

cia i metod

odbicia, co

pokazuje rys. 47.

Rys. 47. Sposoby monta

u sond w przypadku a) metody przej

cia, b) metody odbicia

Rys. 48. Widok przepływomierza i sposoby monta

u sond w metodzie Dopplera dla cieczy

czystych.

Przepływomierz SONOFLO

Wielko

ść

przepływu jest wyznaczana poprzez pomiar ró

nicy czasu

∆

t przej

cia fali

kowej mi

dzy sondami w kierunku zgodnym i przeciwnym do kierunku przepływu

cieczy.

rednia wielko

ść

czasu przej

cia T reprezentuje wielko

ść

dko

ci d

ku w

rodku.

Q = K

∆

t / T

gdzie: Q – wielko

ść

przepływu,

∆

t – ró

nica czasu przej

cia,

K – współczynnik kalibracji,

T –

redni czas przej

cia fali.

Przetwornik mo

e współpracowa

z jedna do czterech

cie

ek pomiarowych. Zazwyczaj s

dwie

cie

ki d

kowe równoległe do siebie i w pewnej odległo

ci od osi ruroci

gu.

11.7. Przepływomierze masowe oparte na powstawaniu sił Coriolisa

Znaczenie pomiarów strumienia masy jest coraz znaczniejsze. Wpływa na to fakt,

masa okre

la jednoznacznie ilo

ść

materii niezale

nie od warunków pomiaru i miejsca, w

którym si

go dokonuje. Znaj

c temperatur

i mas

przesyłanego medium mo

emy np.

okre

ilo

ść

przesyłanej energii. Dzi

ki swym wła

ciwo

ciom przepływomierze Coriolisa

nadaj

do pomiaru przepływu mediów, których nie da si

mierzy

metodami

tradycyjnymi, jak: aceton, amoniak, farby, lakiery, szlam w

glowy, tworzywa sztuczne,

mydło,

ywice, a tak

e czekolada, melasa, majonezy, koncentraty, itp.

Z uwagi na mał

sto

ść

gazów, przepływomierze Coriolisa nie znajduj

na razie,

szerokiego zastosowania dla tego rodzaju medium.

Zasada działania

li ciało o masie m przemieszcza si

z pr

dko

liniow

v w układzie, który obraca si

dko

tow

, to działa na nie siła Coriolisa

= 2 m

v sin

gdzie

jest k

tem pomi

dzy wektorami

i v.

Rys. 49. Siła Coriolisa F

jako wynik superpozycji ruchu post

powego i obrotowego

elementu płynu

Bior

c pod uwag

przekrój poprzeczny ruroci

gu A mo

emy okre

strumie

masy

= v

Poniewa

sto

ść

na okre

wzorem

∆

m/A

∆

x, to otrzymamy zale

ść

∆

z której wynika,

e siła Coriolisa przypadaj

ca na jednostk

długo

ci przewodnika jest

proporcjonalna do strumienia masy.

W praktyce przy wzorcowaniu przepływomierzy Coriolisa stosuje si

równanie

gdzie: A – amplituda drga

wzbudzonych w przepływomierzu, a – amplituda drga

wtórnych,

wywołanych oddziaływaniem sił Coriolisa, f – cz

stotliwo

ść

wzbudzonych drga

, K – stała

wzorcowania.

Stała K jest stała w danej temperaturze. Ze zmiana temperatury nast

puje zmiana

geometrii przewodu, a zwłaszcza modułu spr

ęż

ysto

ci materiału ruroci

gu. Nale

y, wi

uwzgl

dnia

poprawki stałej K ze wzgl

du na zmiany temperatury.

Firm

, która pierwsza podj

ła seryjn

produkcj

przepływomierzy opartych o efekt

Coriolisa jest firma Micro-Motion.

Przepływomierze Micro Motion

Układ pomiarowy przepływu tworzy czujnik z przetwornikiem sygnału. Ka

dy czujnik

składa si

z jednej lub dwóch rurek pomiarowych umieszczonych w specjalnej obudowie.

Wewn

trz obudowy czujnika rurki pomiarowe drgaj

sto

własn

(rys. A). Drgania te s

wymuszane przez

pole

elektromagnetyczne

wytwarzane

przez

cewk

umieszczon

w geometrycznym

rodku krzywizny zgi

cia

rurek. Drgania, podobne do drga

kamertonu, maj

amplitud

mniejsz

od 1 mm i cz

stotliwo

ść

około 80 Hz.

Ciecz wpływaj

c do rurki pomiarowej jest zmuszana do

zmiany kierunku przepływu oraz poddawana jest sile w
kierunku

pionowym

–

wynikaj

cej

momentu

pochodz

cego od siły drgaj

cej rurki. W czasie ruchu rurki

do góry, w pierwszej połowie cyklu drga

(rys. B), ciecz

wpływaj

ca do czujnika stawia opór i powoduje powstanie

siły skierowanej do dołu. W trakcie tej pierwszej połowy
cyklu drga

ciecz przepływa przez zgi

cie rurek i po

przeciwnej stronie wywołuje reakcj

tym razem działaj

c na

rurk

w kierunku do góry. Tak powstała para sił pochodz

od cieczy powoduje skr

cenie rurki. W czasie drugiego

półokresu drga

, gdy rurka porusza si

do dołu, nast

puje

jej skr

cenie w przeciwnym kierunku. Zjawisko to nosi

nazw

efektu Coriolisa.

Zgodnie z drug

zasad

dynamiki Newtona, k

t skr

cenia rurki jest wprost

proporcjonalny do wielko

ci nat

ęż

enia masy przez rurk

Coriolisa

= 2 m v

Elektromagnetyczne detektory pr

dko

ci, umieszczone z ka

dej strony rurki czujnika, mierz

dko

ść

drgaj

cej rurki. Przepływ masy jest okre

lany na podstawie pomiaru przesuni

cia

czasowego mi

dzy sygnałami z detektorów pr

dko

ci. Przy braku przepływu, nie nast

puje

skr

cenie rurki, a w rezultacie nie ma przesuni

cia czasowego sygnałów z detektorów

dko

ci. Podczas przepływu pojawia si

skr

cenie rurki i przesuni

cie czasowe sygnałów

z detektorów pr

dko

ci, które jest wprost proporcjonalne do nat

ęż

enia przepływu masy.

Pomiar g

sto

Rurka pomiarowa (lub rurki) jest umocowana na stałe w obudowie czujnika,

natomiast jako cało

ść

ma mo

liwo

ść

wykonywania drga

swobodnych. Układ ten mo

przedstawi

schematycznie, jako mas

umocowan

na spr

ęż

ynie.

Masa wyprowadzona z poło

enia równowagi b

dzie

wykonywa

drgania harmoniczne o cz

stotliwo

ci własnej tzw.

rezonansowej. Cz

stotliwo

ść

własna jest funkcj

masy układu.

Rurka pomiarowa czujnika typu Coriolis Micro Motion zostaje
wprowadzona w drgania o cz

stotliwo

ci rezonansowej za pomoc

cewki i układu sprz

ęż

enia zwrotnego. Cz

stotliwo

ść

rezonansowa

jest funkcja geometrii układu, spr

ęż

ysto

ci materiału i masy rurki.

Na mas

zespołu rurki składaj

: masa rurki i masa cieczy w

rurce. Masa rurki jest stała dla danego typu czujnika. Poniewa

masa cieczy w rurce jest iloczynem g

sto

ci cieczy i obj

rurki, a obj

ść

jest stała dla danego typu czujnika, to

stotliwo

ść

drga

zale

y od g

sto

ci cieczy. Tak, wi

c, dla

danego typu czujnika o okre

lonej geometrii, wykonanego z

danego materiału, g

sto

ść

cieczy mo

na okre

z pomiarów

stotliwo

ci rezonansowej.

ywaj

c tej samej cewki i dekodera indukcyjnego, mo

na uzyska

sygnał

elektryczny odpowiadaj

cy cz

stotliwo

ci rezonansowej drga

. Dodatkowo zastosowany

czujnik temperatury pozwala wyeliminowa

zmiany modułu spr

ęż

ysto

ci zwi

zane ze

zmian

temperatury.

Pomiary cz

stotliwo

ci rezonansowej czujnika i temperatury s

wykonywane

okresowo. G

sto

ść

cieczy wyznacza si

korzystaj

c z liniowej zale

ci mi

dzy g

sto

a cz

stotliwo

rezonansow

i stałymi kalibracyjnymi. Przy u

yciu tych informacji, na

wyj

ciu otrzymywany jest sygnał reprezentuj

cy g

sto

ść

płynu.

Przepływomierz masowy TM

Zasada działania przepływomierzy masowych TME oparta jest na powstawaniu sił

Coriolisa podczas przepływu medium przez element pomiarowy, którym jest rurka (b

dwie) wygi

ta w kształcie litery

Ω

omega.

1, 2 – rurki pomiarowe

RS1, RS2 – czujniki indukcyjne

Q – przepływ

– pr

dko

ść

towa

– siła Coriolisa

1 – przył

cza

2 – elementy wej

cia

3 – obudowa

4 – rurki pomiarowe

5 – czujnik temperatury

6 – cewka indukcyjna RS1

7 – cewka generuj

ca sygnał

8 – cewka indukcyjna RS2

9 – obudowa przetwornika

10 – wewn

trzna obudowa

modułu przetwarzaj

cego

11 – moduł przetwarzaj

12- przykrywka miernika

rodku elementu pomiarowego umieszczona jest cewka generuj

ca sygnał

sinusoidalny, a dwie cewki indukcyjne umieszczone s

po bokach.

Przy braku przepływu cewki indukcyjne RS1, RS2
odbieraj

generowany sygnał zgodny w fazie i o

jednakowej cz

stotliwo

ci. Pojawienie si

przepływu

powoduje,

e powstaj

ce na zakrzywionych fragmentach

elementu

pomiarowego

siły

Coriolisa

powoduj

przesuni

cie w fazie sygnału pochodz

cego od cewek

RS1 i RS2. Przesuni

cie fazowe A jest proporcjonalne

do masy przepływaj

cego medium.

Wskazywany

przepływ

masowy

nie

zale

przewodno

ci, g

sto

ci, temperatury, ci

nienia i lepko

mediów.

Zestawienie przepływomierzy wg wielko

ci sprzeda

Metoda pomiaru

2003

2001

Zmiana

2001-2003

Indukcyjne

Przepływu masowego

Turbinki

Kryzy pomiarowe

-2

Coriolsa

Komorowe

Vortex

Ultrad

kowe

Annubar

-1

Rurka Pilota

10.

ęż

ka Venturiego

11.

-5

Dysze pomiarowe

12.

Termiczne

13.

-4

Kryzy pier

cieniowe

14.

Zasadnicze wła

ciwo

ci i czynniki wpływaj

ce na decyzj

o zakupie

2001

2002

Niezawodno

ść

94%

88%

Dokładno

ść

Łatwo

ść

kalibracji

Wykrywanie usterek OnLine

Niskie koszty posiadania

Komunikacja cyfrowa

Łatwo

ść

instalacji

Nieinwazyjno

ść

pomiaru

Porównanie aplikacji dla nowoczesnych metod pomiaru nat

ęż

enia przepływu

Metod pomiaru

Sprawdzone aplikacje

Wady

Coriolis

Czyste ciecze i gazy o odpowiednio
dużej prędkości przepływu,
umożliwiającej działanie miernika w
rurach o średnicy 2 cale i mniejszych.
Stosowane gdy wymagane są wysokie
parametry metrologiczne

Przy zastosowaniu do pomiarów
przepływu w rurach o średnicy 4
cale i większych staje się drogi i
niewygodny w obsłudze. Wysoki
koszt zakupu. Dostępne są tańsze
innego rodzaju.

Indukcyjne

Ciecze przewodzące, których działanie
korozyjne nie uszkodzi wyłożenia lub
powłoki elektrod. Przepływająca ciecz
całkowicie wypełnia rurę.

Nie można mierzyć przepływu
węglowodorów i innych płynów
nieprzewodzacych, gazów i par

Ultradźwiękowe

Czyste, płynące bez zawirowań ciecze
lub gazy o znanym profilu prędkości w
przekroju poprzecznym

W celu uzyskania wyższej
dokładności może być potrzebne
użycie miernika wielokanałowego.
Większość mocowanych zaciskowo
na rurociągu ma mniejszą
dokładność niż mierniki stanowiące
segment rurociągu.

Vortex

Czyste, o niskiej lepkości ciecze, gazy
lub pary płynące bez zawirowań ze
ś

rednia lub dużą prędkością.

Trudność pomiaru przepływu
płynów przy małych prędkościach.
Zwykle pewien problem stanowią
wibracje mechaniczne i inne
zakłócenia (hałas).

Porównanie aplikacji dla tradycyjnych metod pomiaru nat

ęż

enia przepływu

Metod pomiaru

Sprawdzone aplikacje

Wady

Różnicy ciśnień

Czyste ciecze, pary i gazy, przy niskich i
ś

rednich wymaganiach dokładności

pomiaru.

Powoduje straty ciśnienia. Zwężki
pomiarowe są narażone na
uszkodzenia i zużycie.

Komorowe

Czyste nie agresywne ciecze, ciecze
lepkie i gazy o małym natężeniu
przepływu.

Części ruchome narażone są na
zużycie.

Turbinkowe

Czyste, o ustalonym stanie ciecze i gazy,
o średniej i dużej prędkości przepływu.

Narażone na zużycie są łożyska.
Możliwości pomiaru są ograniczone
przy występowaniu zanieczyszczeń.

Termiczne

Czyste gazy o znanym współczynniku
przejmowania ciepła.

Mała lub średnia dokładność
pomiaru. Ograniczona możliwość
pomiaru przepływu cieczy.

Cena jednego przepływomierza wynosi

rednio 1700 dolarów.

Pomiary momentu obrotowego

Pomiar momentu obrotowego (skr

caj

cego) na wale okr

towym odgrywa niezwykle

istotn

rol

zarówno z punktu widzenia eksploatacji silnika okr

towego jak równie

z punktu

widzenia prowadzenia jego automatycznego sterowania. W chwili obecnej istnieje bardzo

wiele metod pomiaru momentu obrotowego (skr

caj

cego) na wale. Ka

da z tych metod

posiada okre

lone zalety i wady.

Przegląd metod pomiarowych

O wielko

ci momentu obrotowego mo

na wnioskowa

na podstawie pomiaru

parametrów po

rednich charakteryzuj

cych obci

ąż

enie silnika takich jak przemieszczenie

listwy paliwowej, temperatura gazów wylotowych lub w sposób bezpo

redni przez

wykorzystanie czujników momentu (torsjometrów). W zale

ci od zasady działania

rozró

nia si

czujniki elektryczne, mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne i optyczne. W

warunkach eksploatacji statku znalazły zastosowanie przede wszystkim czujniki elektryczne

tzn. pracuj

ce w oparciu o zasad

przekształcania momentu obrotowego w sygnał

elektryczny. Mo

na je podzieli

na pracuj

ce w oparciu o:

•

metody wykorzystuj

ce pomiar k

towego skr

cenia wału ( np torsjometry

fazometryczne firmy Jungner, Mitsui Shipbulding and Enginering Co. Ltd, Furuno,

torsjometry strunowe firmy Maihak)

•

metody oparte na pomiarze deformacji skr

canego wału (torsjometryczne i

magnetospr

ęż

yste)

Informacja z wału o wielko

ci momentu obrotowego mo

e by

przekazywana z

wykorzystaniem pier

cieni

lizgowych lub bezstykowo. Z uwagi na bardzo trudne warunki

eksploatacji torsjometrów na statkach dalszej analizie b

podlegały tylko metody

bezstykowe, które s

w stanie zabezpieczy

bezawaryjn

i dokładn

prac

; mo

na je

podzieli

na dwie podgrupy tzn. z indukcyjnym i radiotelemetrycznym sposobem

przekazywania informacji z wiruj

cego wału do przyrz

du pomiarowego. W chwili obecnej

szerokie zastosowanie na statkach znalazły metody indukcyjne.

Moment obrotowy nale

y do najwa

niejszych wska

ników pracy silnika. Wraz z

dko

obrotow

słu

y do wyznaczania mocy silnika.

kszo

ść

pomiarów momentu obrotowego b

skr

caj

cego (z punktu widzenia

pomiaru mi

dzy oboma przypadkami nie ma wi

kszych ró

nic) opiera si

na okre

leniu

skr

cenia wału na odcinku pomiarowym l o k

ϕϕϕϕ

powstałego na skutek działania pary sił F

na pewnym

ramieniu

(rys. 30.).

Rys.30. Schemat czystego skr

cania wału

; d –

rednica wału, l – długo

ść

pomiarowa, F – siła

wytwarzaj

ca moment M

- k

t skr

cenia. Szczegół b został przedstawiony na rysunku 32.

Skr

cenie wału jest skutkiem wła

ciwo

ci materiału, z którego jest on wykonany. Praktycznie

wszystkie znane materiały posiadaj

, przy pewnym poziomie obci

ąż

enia, zdolno

ść

do tzw.

odkształce

spr

ęż

ystych, które ustaj

wraz z ustaniem działania obci

ąż

enia (sił

wywołuj

cych to obci

ąż

enie). Zaobserwowano równie

e odkształcenie materiału, a w

rozpatrywanym przypadku skr

cenie wału o kat

, jest proporcjonalne do sił obci

ąż

cych.

gdzie:
G (N/m

) – moduł odkształcenia postaciowego (Kirchhoffa), b

cy odpowiednikiem modułu

Younga dla skr

cania (dla stali wynosi 8,14

⋅

Pa),

) – biegunowy moment bezwładno

ci przekroju poprzecznego wału, dla wału pełnego

wynosi:

d (m) –

rednica wału,

(Nm) – moment skr

caj

cy,

l (m) – odległo

ść

pomiarowa.

Okre

lenie k

ta skr

cenia wału opiera si

o pewne konieczne uproszczenia, które ju

wst

pie ograniczaj

dokładno

ść

pomiarów.

jest k

tem

rodkowym powstałym po skr

ceniu wału, a ze wzgl

du na bardzo małe

przemieszczenie k

towe, odległo

ść

∆

l jest zwykle aproksymowana z długo

ci łuku do

długo

ci odcinka – rys.31.

⋅

∆

Rys.31. Graficzne zobrazowanie uproszcze

geometrycznych stosowanych przy pomiarze

momentu skr

caj

cego metod

skr

cenia wału.

- k

rodkowy odkształcenia wału,

∆

l –

obwodowe przesuni

cie cz

steczki wału przybli

one do przesuni

cia liniowego

Jednocze

nie, dla małych k

tów, przyj

to uproszczenie przybli

ce warto

ść

tangensa

połowy k

do warto

ci połowy k

gdzie:
R – promie

wału,

∆

l – obwodowe przemieszczenie elementu powierzchni wału w wyniku skr

cenia,

przybli

one do przemieszczenia liniowego,

Bior

c pod uwag

obie zale

ci otrzymamy równanie:

Powstała w ten sposób zale

ść

umo

liwia praktyczne zastosowanie poni

ej opisanych

metod pomiarowych.

Podstawowym problemem podczas pomiaru momentu jest przesyłanie sygnału

pomiarowego z wiruj

cego wału do przetwornika znajduj

cego si

w spoczynku. Do lat

osiemdziesi

tych powszechnie była stosowana metoda przesyłania informacji w postaci

sygnału elektrycznego za pomoc

pier

cieni

lizgowych. Powodowało to powstawanie wielu

szumów i niedokładno

ci. W warunkach okr

towych pier

cienie szybko si

zanieczyszczały i

ywały. Obecnie stosuje si

tzw. bezstykowe metody przesyłania sygnału, za pomoc

modulacji pola magnetycznego lub drog

radiow

Pomiaru momentu obrotowego na statkach jest najcz

ęś

ciej stosowany podczas prób

morskich przez specjalnie wyszkolonych specjalistów za pomoc

przyrz

dów przeno

nych.

Pomiary tensometryczne

W tym pomiarze wykorzystuje si

dwie wła

ciwo

ci materiałów przewodz

cych pr

elektryczny, wykorzystywanych przy wytwarzaniu czujników tensometrycznych:

1. zale

ść

oporu przewodnika od jego przekroju wyra

wzorem:

gdzie:

R – opór elektryczny,
l

– długo

ść

przewodnika,

– pole przekroju przewodnika,

- opór wła

ciwy (zale

y od materiału, z którego wykonano przewodnik)

⋅

≅

⋅

≅

∆

2. jednoczesnego wydłu

enia (

∆

l) i przew

ęż

enia (

∆

d) materiału przy obci

ąż

eniu go sił

rozci

gaj

F okre

laj

wzory:

gdzie:

i d

– wymiary pocz

tkowe przewodnika,

E – moduł Younga,

- współczynnik Poissona

Zatem zmiana oporu czujnika tensometrycznego zale

y bezpo

rednio od zmiany jego

wymiarów:

Podczas skr

cania pojedynczy element powierzchni wału ulega deformacji (rys.32).

Wyst

puj

wówczas, w obr

bie tego elementu zarówno napr

ęż

enia

ciskaj

ce jak i

rozci

gaj

ce (b

ce w rzeczywisto

ci przyczyn

powy

szej deformacji).

Uwzgl

dniaj

c powy

sze zale

ci została opracowana metoda, w której na powierzchni

wału nakleja si

element tensometryczny. Taki element wykonywany jest w postaci kilku, do

kilkunastu równoległych odcinków przewodnika. Dodatkowo w celu zniwelowania wpływu
innych obci

ąż

styczne, pochodz

ce od momentu obrotowego, czujniki wykonuje si

postaci mostka elektrycznego z czterech elementów poło

onych pod k

tem 45

do osi

czujnika i tworz

cej wału, zatem równolegle do wyst

puj

cych napr

ęż

stycznych.

Rys.32. Mechanizm deformacji powierzchni wału podczas skr

cania

Mocowanie czujnika dokonuje si

za pomoc

specjalnych klejów ceramicznych. Klej

musi charakteryzowa

zdolno

do wiernego przenoszenia napr

ęż

z wału na

tensometr (nie mo

e by

zbyt elastyczny). Dodatkowo stosowane kleje powinny by

izolatorami elektrycznymi, a jednocze

nie wskazana jest ich dobra przewodno

ść

cieplna, nie

powinny by

higroskopijne. Spoina powinna by

liwie cienka, równomierna i pewna.

ym problemem w pomiarach tensometrycznych momentu jest zjawisko nagrzewania

czujnika w wyniku wydzielania si

tzw. ciepła Joule’a. Dochodzi wówczas do znacznego

nieraz zafałszowania wyniku pomiaru (na skutek zmiany oporno

ci czujnika ze zmian

jego

temperatury). Przeciwdziała si

temu stosuj

c obni

one napi

cia zasilania rz

du kilku wolt,

lub zasilanie napi

ciem zmiennym b

impulsowym. Zmniejszony jest wtedy znacznie czas

nagrzewania czujnika przy jednoczesnym wydłu

eniu okresu studzenia (w tym celu

żą

dana jest dobra przewodno

ść

cieplna podło

a klejowego).

⋅

∆

⋅

∆

⋅

∆

)

(

∆

Rys.33. Przykład pojedynczego czujnika tensometrycznego i zamontowanego mostka
tensometrycznego na wale

W praktyce okr

towej, o ile zastosowany jest na statku pomiar momentu, zwykle

przyrz

d jest ju

odpowiednio zamocowany i wyskalowany, zatem jego regulacja jest

dna. Nale

y jednak pami

o zjawisku płyni

cia czujników tensometrycznych. Objawia

ono samoistn

zmian

w czasie punktu zerowego dla zerowego obci

ąż

enia, co sprawia

konieczno

ść

okresowego ich skalowania.

Transmisja sygnału pomiarowego i napi

cia mo

e si

odbywa

za pomoc

pier

cieni

lizgowych i szczotek grafitowych, jednak powoduje to problemy opisane we wst

pie do tego

tematu.

Przykład pomiaru momentu obrotowego na statku m/s WINETA

Warto

ść

momentu obrotowego wyznaczana była przez pomiar napr

ęż

pojawiaj

cych

przy skr

caniu wału

rubowego. Zrealizowano to przy pomocy tensometrów

elektrooporowych typu ES 1763 o rezystancji 600 Ohm.

Układ pomiarowy przedstawiony jest na rys.3

W skład układu wchodz

1. tensometry naklejone na wale

rubowym

2. przetwornik zmian rezystancji mostka na cz

stotliwo

ść

3. zasilacz prostownika
4. uzwojenia transformatora wiruj

cego na wale (zasilaj

ce i sygnału mierzonego)

5. uzwojenia stałe transformatora (przekazuj

ce zasilanie i odbieraj

ce sygnał

mierzony)

6. panel przetwornika zamieniaj

cy cz

stotliwo

ść

na napi

cie

Rys. Schemat blokowy i zdj

cia układu pomiarowego momentu obrotowego

Zmiany rezystancji mostka tensometrycznego steruj

stotliwo

generatora (4 – 8)

kHz, nast

pnie sygnał cz

stotliwo

ciowy przekazywany jest do uzwojenia transformatora

wiruj

cego na wale

rubowym i dalej na drodze indukcji przekazywany jest do uzwojenia

wtórnego umieszczonego pomi

dzy odpowiednio ukształtowanymi nabiegunnikami w pobli

obracaj

cego si

wału. Sygnał zmiany cz

stotliwo

ci proporcjonalny do warto

ci momentu

obrotowego zostaje przetworzony na napi

cie stałe z zakresu (0 – 10)V i podany poprzez

przetwornik A/C do komputera wyznaczaj

cego nastawy optymalne.

Tensometryczny pomiar momentu obrotowego firmy Philips został zastosowany na

stanowisku hamownianym silnika firmy Sulzer Al 20/24 w laboratorium siłowni okrętowych
AM w Szczecinie.

Metoda optoelektroniczna

Skr

cenie wału na odcinku pomiarowym L jest przenoszone na dwie tarcze na nim

zamocowane, w których na obwodzie s

umieszczone wyci

cia b

rysy na

prze

roczystym tle. Rozkład rys na obu tarczach jest równomierny i s

one tak ustawione

wzgl

dem siebie, aby patrz

c wzdłu

osi wału były widoczne na przemian rysy z jednej

tarczy i z drugiej tarczy – rys. 34.

Rys. 34. Optoelektroniczna metoda pomiaru momentu obrotowego; a) rozmieszczenie

tarcz z

batych na wale, b) poło

enie z

bów tarczy przy zerowym momencie obrotowym i

ró

nym od zera, c) przebieg pr

du wyj

ciowego detektora dla zerowego momentu

obrotowego i ró

nego od zera

Poza wiruj

cym wałem zamocowany jest układ optyczny składaj

cy si

z diody

nadawczej (przewa

nie pracuj

cej w podczerwieni) i detektora emitowanego przez diod

wiatła.

Dla nieobci

ąż

onego wału pomi

dzy okresami przechodzenia przez wi

wiatła

poszczególnych rys wyst

puj

równomierne odst

py czasu, gdy detektor jest wzbudzony.

Powstanie obci

ąż

enia wału powoduje jego skr

cenie i w efekcie przemieszczenie si

wzajemne rys w taki sposób,

e w obr

bie jednej rysy szczelina znajduj

ca si

z przodu w

stosunku do kierunku obrotu wału zmniejsza si

, za

ca z tyłu zwi

ksza si

. W efekcie

pojawia si

ró

nica w czasie wzbudzenia detektora b

ca odpowiednikiem k

ta skr

cenia

wału. Warto

ść

momentu obrotowego mo

na wyznaczy

z zale

ci:

)

(

−

gdzie: k – współczynnik b

cy funkcj

parametrów konstrukcyjnych wału oraz tarcz, n –

dko

ść

obrotowa wału, T

– czasy trwania impulsów pr

du I

Jest to do

ść

nowoczesny sposób pomiaru stosunkowo prosty i tani. Dokładno

ść

pomiaru

zale

y od dokładno

ci wykonania i osadzenia tarczy pomiarowych oraz rozdzielczo

ci układu

optycznego; niedokładno

ść

pomiaru wynosi 2...3%. Du

żą

zalet

jest wyeliminowanie

wiruj

cych elementów elektronicznego układu pomiarowego, a zastosowanie optycznego

odczytu obni

a znacznie poziom szumów.

Metoda akustyczna

Metod

akustyczn

(drganiow

) pomiaru momentu zastosowano przy konstrukcji

torsjometru Maihaka.

Układ pomiarowy składa si

z dwóch podzespołów: cz

ęść

pomiarowa zamocowana na

wale wraz z zespołem pier

cieni

lizgowych, oraz cz

ęść

porównywania i odczytu sygnału.

Na wale zamocowane s

dwie obr

cze w odległo

ci pomiarowej L. Mi

dzy nimi s

rozpi

dwie struny wst

pnie napi

te. S

one zamocowane w taki sposób, aby podczas skr

cania

wału napi

cie jednej ze strun wzrastało, za

drugiej malało (u

ywa si

okre

lenia „struna

ciskana”, co nie jest prawd

, ale obrazuje proces skracania struny). Stosowanie dwóch

strun ma na celu eliminacj

innych odkształce

wału ni

pochodz

ce od momentu

skr

caj

cego.

Nad strunami s

umieszczone po dwa elektromagnesy, z których jeden generuje pole

magnetyczne. Struna pełni rol

zwory, która zamyka obieg magnetowodu przekazuj

strumie

magnetyczny do drugiego elektromagnesu. Poniewa

struna jest wprowadzona w

ruch drgaj

cy, zatem do cewki odbiorczej dociera pole magnetyczne zmodulowane do

sto

ci drga

struny – generuje, zatem w niej sił

elektromotoryczn

o tej samej

stotliwo

ci. W miar

jak w wyniku działaj

cych napr

ęż

długo

ść

struny ulega zmianie, to

zmienia si

jej cz

stotliwo

ść

drga

własnych, która zale

y wył

cznie od długo

ci struny:

gdzie:
l – długo

ść

struny,

F – siła rozci

gaj

ca strun

s – pole przekroju struny,

- g

sto

ść

materiału struny.

Sygnał elektryczny z cewki odbiorczej jest przesyłany poprzez pier

cienie

lizgowe do

układu porównawczego i po wzmocnieniu jest obrazowany na lampie oscyloskopowej.

Jednocze

nie z pomiarem momentu na wale obsługa stanowiska pomiarowego dokonuje

strojenia analogicznego zespołu pomiarowego za pomoc

ruby mikrometrycznej

znajduj

cej si

w zestawie. Sygnał porównawczy jest równie

podawany na wej

cie lampy

oscyloskopowej, co skutkuje pojawieniem si

na ekranie zwielokrotnionych p

tli eliptycznych.

Zrównanie cz

stotliwo

ci wzorcowej z sygnałem pochodz

cym z wału powoduje

znieruchomienie obrazu na lampie i powstanie pojedynczej elipsy (mo

e to by

równie

okr

g lub odcinek). Nale

y wówczas odczyta

warto

ść

na skali

ruby mikrometrycznej, która

jest proporcjonalna do długo

ci struny po wydłu

eniu.

Pomiar momentu na wale polega na wycechowaniu wst

pnego napi

cia struny, gdy wał

jest jeszcze w spoczynku, nast

pnie nale

y dokona

pomiaru dla obci

ąż

enia wału

momentem obrotowym. Ró

nice we wskazaniach przyrz

du obrazuj

wydłu

enie wzgl

dne

struny (proporcjonalne do działaj

cego momentu). Wynik uzyskuje si

poprzez obliczenie

momentu z zale

ci:

gdzie:
C – stała cechowania czujnika,

∆

S – ró

nica odczytów: zerowego i dla wału obci

ąż

onego.

W celu okre

lenia mocy układu wystarczy okre

dko

ść

obrotow

, przy której został

zmierzony moment obrotowy i skorzysta

z odpowiedniej zale

ci.

N = 2

M n

Torsjometr Maihaka, w wykonaniu wy

ej opisanym, jest przyrz

dem dostatecznie

dokładnym (bł

d poni

ej 2%), by jednorazowo okre

parametry układu nap

dowego w

pewnym przedziale czasu (np. 1 minuty) u

redniaj

c uzyskany wynik. Nie nadaje si

natomiast do ci

głych pomiarów wielko

ci chwilowych. Dodatkowo wymaga du

ej wprawy

przy odczytywaniu wyników z lampy, co mo

e powodowa

znaczny bł

d pomiaru.

Współcze

nie stosowane zestawy pomiarowe (wykorzystywane m. in. przez Stoczni

Szczeci

S.A.) wyposa

one s

w cyfrowe układy obliczeniowe, które znacznie

upraszczaj

procedur

przygotowania wyników pomiaru. Układ porównawczy działa

⋅

∆

⋅

wówczas automatycznie z pomini

ciem lampy oscyloskopowej i zawodnego odczytu wyniku

przez człowieka. Mo

liwe jest wówczas zastosowanie ci

głego odczytu warto

ci mierzonej i

tworzenie tzw. histogramów znacznie zwi

kszaj

cych mo

liwo

ci diagnostyczne.

Przyrz

dy do pomiaru momentu obrotowego (zwane torsjometrami) nie s

powszechnie

stosowane na statkach, co utrudnia okre

lenie mocy u

ytecznej nap

dów głównych. Taka

sytuacja powoduje,

e obci

ąż

enie silnika okre

la si

za pomoc

parametrów po

rednich, jak:

dawka paliwa podawana do silnika (

przemieszczenie listwy paliwowej regulatora

dko

ci obrotowej

), temperatura spalin, pr

dko

ść

obrotowa turbospr

ęż

arek, pr

dko

ść

statku, co jest mało dokładne i mo

e prowadzi

do przeci

ąż

enia silnika momentem

obrotowym zwłaszcza przy małych pr

dko

ciach obrotowych.

Mała powszechno

ść

torsjometrów jest spowodowana nie tylko stosunkowo wysokim

kosztem zakupu, ale przede wszystkim skomplikowan

obsług

i trudno

ciami w eksploatacji

(potrzeba cz

stego skalowania ze wzgl

du na przesuni

cia charakterystyki głównie punktu

zerowego).

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Czujniki i przetworniki lepkości
Badanie czujnikow i przetwornik Nieznany
Ściąga czujniki, PWR, 7 semestr, Czujniki Przetworniki
czujniki i przetworniki new1
Wyznaczanie charakterystyk statycznych czujników światła, sprawozdania PWR, czujniki i przetworniki
Badanie czujników i przetworników przemysłowych
16 Badanie czujników i przetworników przemysłowych
Czujnik przetwornika magnetycznego na wale korbowym
Wykł ME Czujniki przetw 2
sprawozdanie badanie czujników i przetworników ciśnienia
4 Podstawy Metrologii przetworniki i czujniki
7 Przetworniki i czujniki pomiarowe

więcej podobnych podstron