Identyfikacja strumienia przepływu płynu 1 Ćwiczenie 16 IDENTYFIKACJA STRUMIENIA PRZEPAYWU PAYNU 1. Wstęp Pomiary strumienia przepływającego płynu są jednymi z najczęściej wykonywanych w praktyce przemysłowej oraz laboratoryjnej. Wiele przyrządów różniących się dokładnością, wielkością oraz stopniem złożoności zostało opracowanych bądz przystosowanych w celu mierzenia strumienia przepływu. Generalnie przyrządy do pomiaru przepływów można podzielić na dwie grupy: do pomiarów bezpośrednich oraz pośrednich. Przyrządy z pierwszej grupy mierzą objętość bądz masę płynu w danej jednostce czasu. Urządzenia te są zwykle stosunkowo dużych rozmiarów i posiadają niewielką częstotliwość charakterystyk odpowiedzi. Jednakże charakteryzują się one dużą dokładnością i precyzyjnością, dzięki czemu często używane są do kalibracji urządzeń do pomiarów pośrednich. Przyrządy do pomiarów pośrednich składają się z dwóch komponentów części zasadniczej (sondy), która znajduje się w kontakcie z badanym płynem oraz elementu przetwarzającego reakcję sondy na wielkość mierzoną. Przyrządy te charakteryzują się stosunkowo niskimi kosztami oraz zajmują niewiele miejsca, dzięki czemu są często spotykane w przemyśle jak i laboratoriach badawczych. Najszerzej stosowanymi metodami pośredniego pomiaru przepływu są pomiary pola prędkości jak i spadku ciśnienia. 2. Pomiar prędkości płynu Najstarszą, historycznie rzecz biorąc, metodą pomiaru prędkości było użycie sond aerodynamicznych, które pozwalają określić lokalną prędkość przepływu na podstawie pomiaru różnicy między ciśnieniem statycznym a ciśnieniem całkowitym, większym od statycznego o wartość powstałą w wyniku wytracenia energii kinetycznej płynu. Zasada działania prędkościomierzy piętrzących opiera się na proporcjonalności miejscowej prędkości przepływu V do wspomnianej różnicy ciśnień (ciśnienia dynamicznego pd) wynikającej z równania Bernoulliego: 2 V = pd (2.1)
Najprostszym przyrządem służącym do pomiaru tego ciśnienia jest rurka Pitota (rys. 2.1). Jest to rurka zgięta pod kątem prostym, którą skierowuje się jednym końcem równolegle przeciw przepływowi, a drugi koniec łączy się z manometrem. W celu wyznaczenia ciśnienia dynamicznego konieczny jest równoczesny pomiar ciśnienia statycznego. Przyrządem o podobnej zasadzie działania jest rurka Prandtla. Różnica w stosunku do rurki Pitota polega na tym, że odbiór ciśnienia statycznego odbywa się na pobocznicy rurki za pomocą szczeliny piezometrycznej (rys. 2.2). download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 2 Identyfikacja strumienia przepływu płynu Rys. 2.1. Rurka Pitota Rys. 2.2. Rurka Prandtla wraz z rozkładem ciśnienia dynamicznego Istotną rzeczą przy pomiarze rurką Prandtla jest zachowanie odległości przyrządu od ściany przewodu. Gdy odległość między osią przyrządu a ścianą jest mniejsza od dwóch średnic rurki pomiar może być obarczony zbyt dużym błędem. W przepływach turbulentnych rzeczywiste ciśnienie jest mniejsze od wartości mierzonych. Generalnie wyniki pomiarów są wiarygodne, gdy intensywność turbulencji jest mniejsza niż 10%. Opisane powyżej rurki piętrzące służą do pomiaru lokalnej prędkości płynu. Chcąc mierzyć średnią prędkość ruchu burzliwego by na jej podstawie wyznaczyć wydatek przepływu należy przeprowadzić tak zwane sondowanie rurociągu. Przy dokładnych pomiarach należy podzielić rozpatrywane przekroje na części o jednakowych polach powierzchni. Na rysunku 2.3 przedstawiono podział pola przekroju poprzecznego rurociągu kołowego na 8 części. download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 3 Rys. 2.3. Podział pola przekroju poprzecznego rurociągu kołowego Średnia prędkość przepływu płynu w przypadku wspomnianego podziału przekroju jest równa średniej arytmetycznej zmierzonych prędkości lokalnych. Rys. 2.4. Anemometry skrzydełkowe Drugą grupą anemometrów są anemometry skrzydełkowe (rys. 2.4). Są one stosunkowo duże, wynikiem czego pomiar jest uśredniony na stosunkowo dużym obszarze. Anemometry te stosowane są w przypadkach, gdy nie potrzebujemy dużej dokładności pomiaru. Przyrządy te mierzą w zasadzie długość drogi gazu, który przepłynął prostopadle do płaszczyzny obrotu. Do wyznaczenia prędkości potrzebny jest jednoczesny pomiar czasu. Rys. 2.5. Anemometr czaszowy download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 4 Identyfikacja strumienia przepływu płynu Kolejną grupą przyrządów służących do pomiarów prędkości przepływów są anemometry czaszowe (rys. 2.5). Ich oś obrotu, na której umocowane są ramiona z umieszczonymi na końcach czaszami ustawiona jest prostopadle do kierunku prędkości płynu. Zasada pracy tych anemometrów polega na wykorzystaniu różnicy oporu czołowego, który wywołują czasze kuliste w różnych położeniach. W latach czterdziestych minionego stulecia do techniki pomiarowej wprowadzono termoanemometr (rys. 2.6). Podstawowym elementem sondy termoanemometrycznej jest zwykle cienki drucik (włókno) o średnicy d = (1 5)źm i długości l = (0,3 2,0)mm, wykonany np. z platyny lub wolframu i rozpięty między dwoma stalowymi wspornikami. Rys. 2.6. Schemat termoanemometru stałotemperaturowego Materiał włókna dobierany jest w ten sposób, aby charakteryzował się stosunkowo dużą wartością cieplnego współczynnika rezystywności. Dzięki temu, już przy niewielkim schłodzeniu czujnika wskutek np. wzrostu prędkości przepływu lub spadku temperatury płynącego medium, uzyskuje się stosunkowo znaczną zmianę oporności włókna, która transponowana jest na elektryczny sygnał wejściowy układu pomiarowego. Podczas pomiaru umieszczone w przepływie włókno sondy, włączone do układu mostkowego typu Wheatstone a (rys. 2.6) podgrzewane jest prądem elektrycznym do temperatury w = (150 200)C, a jednocześnie chłodzone omywającym go medium. Strumień ciepła przekazywany do przepływającego medium głównego na drodze konwekcji wymuszonej skompensowany zostaje dopływem energii elektrycznej. Znane z literatury termoanemometry mogą pracować w dwóch podstawowych układach: stałoprądowym (I = const) lub stałotemperaturowym (w = const). W układzie I = const włókno sondy włączone w obwód elektroniczny przyrządu podgrzewane jest prądem elektrycznym o stałym natężeniu, nie zależnym od prędkości przepływu. Spadek napięcia na rezystancji czujnika określa strumień doprowadzonej doń energii elektrycznej, stanowiąc miarę prędkości przepływającego medium. W układzie w = const oporność włókna, a stąd i jego temperatura utrzymywane są na stałym poziomie, praktycznie niezależnym od prędkości płynu, co uzyskuje się w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego przez dostarczenie do czujnika energii elektrycznej równoważącej straty cieplne na rzecz otoczenia. Porównanie zalet i wad obu układów wskazuje, że choć układ I = const ma na ogół przy tej samej wartości prądu nieco większą czułość, to układ w =const wskutek wielokrotnego zmniejszenia wpływu bezwładności cieplnej włókna umożliwia badanie fluktuacji prędkości przepływu o wyższych częstotliwościach. W cieczach oraz gazach zawierających cząsteczki stałe drucik zastąpiony jest poprzez wytrzymalszy czujnik cylindryczny lub naniesioną folię. Wszystkie wspomniane dotychczas metody posiadają wspólną wadę - wymagają one wprowadzenia urządzenia pomiarowego (sondy) w obręb przepływającego płynu, co powoduje zakłócenia mierzonego pola prędkości. W niektórych przypadkach sonda może być narażona na oddziaływanie ekstremalnie niekorzystnych warunków, na przykład w pomiarach przepływu cieczy żrących bądz w komorach spalania. Tych trudności możemy uniknąć stosując metody optyczne, które wymagają wprowadzenia jedynie wiązki światła w obszar przepływu. download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 5 Jedną z najnowszych technik pomiaru prędkości jest metoda PIV (Particle Image Velocimetry). W metodzie tej wykorzystuje się pulsujące zródło światła (laser) oświetlające cząstki płynu w czasie krótkich ekspozycji oraz kamerę zsynchronizowaną z tymże zródłem, rejestrującą położenie cząstek. Prędkość cząstki wyrażona jest przez iloczyn "s/"t, gdzie "s jest jej przemieszczeniem, a "t czasem pomiędzy ekspozycjami. Czas pomiędzy pulsacjami lasera dobierany jest w zależności od prędkości ruch cząstek. a) b) c) Rys. 2.7. Metoda PIV Rysunek 2.7a przedstawia przykładowy obraz zarejestrowany przez kamerę, natomiast rysunki 2.7b i 2.7c pole prędkości oraz linie prądu wyznaczone za pomocą metody PIV Rozwinięciem PIV jest metoda MTV (Molecular Tagging Velocimetry) polegająca na dodaniu do płynu molekularnego posiewu. Rysunek 2.8 przedstawia wyniki przykładowego pomiaru, w którym do wody dodano związek fosforyzujący. Lewe górne zdjęcie prezentuje przepływ początkowo oświetlony siatką linii lasera, podczas gdy prawe górne zdjęcie przedstawia te same molekuły zarejestrowane 8ms pózniej. W oparciu o techniki przestrzennej korelacji możliwe jest wyznaczenie pola prędkości przepływu. Rys. 2.8. Metoda MTV download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 6 Identyfikacja strumienia przepływu płynu 2.1. Przepływomierze oparte o pomiar spadku ciśnienia Pomiary przepływu przy zastosowaniu spadku ciśnienia są najszerzej stosowanymi technikami dzięki swojej prostocie, niezawodności, powtarzalności oraz niskim kosztom. Trzema najpopularniejszymi urządzeniami opartymi o tą metodę są kryzy, zwężki Venturiego oraz dysze. Ich zasada działania oparta jest na występowaniu przeszkody (zwężki pomiarowej) wbudowanej w kanał (rurociąg) całkowicie wypełniony przez przepływający płyn. Po wbudowaniu zwężki pomiarowej powstaje różnica ciśnień statycznych między stroną dopływową i stroną odpływową tejże zwężki, czyli w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu płynu. Strumień masy przepływającego płynu można wyznaczyć na podstawie zmierzonej wartości różnicy ciśnień, wykorzystując informacje dotyczące przepływającego płynu i warunków, w jakich zwężka została zamontowana. Na rysunku 2.9 przedstawiony jest fragment rurociągu z zamontowaną kryzą pomiarową o polu powierzchni A0. Rozważany jest przepływ ustalony przez przewód o przekroju kołowym. Po stronie odpływowej przewężenia linie przepływu zbiegają się i formują przepływ o najmniejszej powierzchni przekroju AC. Otwory impulsowe umie- szczone są po obydwu stronach kryzy. Po stronie dopływowej w miejscu gdzie przepływ jest niezakłócony oraz po stronie odpływowej w sąsiedztwie największego przewężenia strumienia. Zakładając, że mamy do czynienia z nieściśliwym płynem doskonałym bez sił tarcia równanie Bernoulliego oraz równanie ciągłości miały by postać: Rys. 2.9. Schemat przepływu przez kryzę 2 V12 p1 VC pC + + z1 = + + zC (2.2) 2g ł 2g ł V1A1 = VC AC (2.3) Aącząc powyższe obydwa równania wyznaczamy VC: 2g(h - h ) 1 C VC = (2.4) 2 1 - (A / A ) C 1 p1 pC gdzie h1 = + z1 hC = + zC (2.5) ł ł Wydatek Qi równy jest iloczynowi powierzchni i prędkości średniej w miejscu największego przewężenia strumienia: AC Qi = ACVC = 2g(h1 - hC ) (2.6) 1- (AC / A1)2 download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 7 W rzeczywistym przepływie siły tarcia sprawiają, że prędkość lokalna w środku przekroju jest większa niż prędkość średnia w tym przekroju.. Ze względu na to, że pole powierzchni jak i ciśnienie statyczne w miejscu największego przewężenia strumienia jest nieznane wartość AC zostanie zastąpiona iloczynem CCA0, gdzie CC jest współczynnikiem przewężenia, a wartość hC wartością h2, odczytywaną na otworze impulsowym po stronie odpływowej kryzy Dodatkowo wprowadzony zostanie współczynnik przepływu Cd będący iloczynem współczynnika przewężenia oraz współczynnika prędkości. CdA0 Q = 2g(h1 - h2) (2.7) 1-(CCA0 / A)2 1 Wygodnym będzie wprowadzenie wartości przewężenia A0 D0 = = (2.8) A1 D gdzie D jest średnicą rury. W praktyce stosuje się kryzy o wartości przewężenia z przedziału 0,2 d" d" 0,8. Równanie (2.7) przyjmie postać: Q = KA0 2g(h1 - h2 ) (2.9) Cd gdzie K = (2.10) 4 1- CC 2 Współczynniki Cd oraz K są zależne od liczby Reynoldsa (rys. 2.10). K Rys. 2.10. Wartości współczynnika K dla kryz, dysz oraz zwężek Venturiego download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 8 Identyfikacja strumienia przepływu płynu Na rysunku 2.11 zaprezentowano dwa rozwiązania umiejscowienia otworów impulsowych dla kryz: " odbiór ciśnienia kołnierzowy otwory impulsowe w odległości 25mm od kryzy zarówno po stronie dopływowej jak i odpływowej, " odbiór ciśnienia trzytarczowy- punktowy lub szczelinowy, " odbiór ciśnienia typy D i D/2 otwory umieszczone w odległości jednej średnicy przewodu po stronie dopływowej i połowy średnicy po stronie odpływowej. Rys. 2.11. Rozmieszczenie otworów impulsowych dla kryz Równanie (2.9) prócz kryz obowiązuje również w przypadku zwężek Venturiego. Współczynnik przepływu dla zwężek Venturiego jest bliski jedności. Na rysunku 2.12 przedstawiono przykładową zwężkę tego typu składającą się ze standartowej dyszy na wlocie oraz stożkowego wylotu o kącie rozwarcia nie większym niż 30. Rekomendowany zakres liczby Reynoldsa dla tego przyrządu to przedział od 1,5*105 do 2*106. Rys. 2.12. Zwężka Venturiego Zwężki Venturiego są obecnie dość rzadko stosowane ze względu na stosunkowo duże rozmiary, kłopotliwą instalację oraz wysokie koszty produkcji. Rysunek 2.13 przedstawia dyszę pomiarową. Podobnie jak miało to miejsce w przypadku kryzy, otwory impulsowe umieszczone są w odległości jednej średnicy D po stronie dopływowej oraz połowy średnicy D/2 po stronie odpływowej. Wartość współczynnik przepływu jest bliska jedności, a wartość współczynnika K zmienia się wraz z liczbą Reynoldsa w sposób bardzo zbliżony do zwężki Venturiego (rys. 2.10). download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 9 Rys. 2.13. Dysza pomiarowa Zaletą dysz w stosunku do kryz jest ich mniejsza podatność na erozję i zużycie, a w sto- sunku do zwężek Venturiego mniejszy koszt i prostota instalacji. Kolejnym przyrządem należącym do tej grupy jest przepływomierz kolanowy. Zasada działania tego przepływomierza polega na wykorzystaniu zależności objętościowego natężenia przepływu płynu od różnicy ciśnienia zmierzonego w punktach po obu stronach kolana. W praktyce otwory impulsowe umieszcza się na siecznej kąta kolana (45). Stosuje się też rozwiązanie z pomiarem ciśnienia na 22,5 od wlotu kolana, jednak przy użyciu tego rozwiązania możliwy jest pomiar przepływu tylko w jednym kierunku. Sposób pomiaru sprowadza się do wyznaczenia wspomnianej różnicy ciśnienia, następnie do przyporządkowania odpowiedniego natężenia przepływu opierając się na wcześniej wykonanej charakterystyce przyrządu. Niekiedy zamiast charakterystyk przyrządu wykorzystuje się proste zależności algebraiczne otrzymane z opracowania wyników badań doświadczalnych. Zależności te określone są dla konkretnych parametrów przepływu i obarczone mogą być znacznymi błędami. Rys. 2.14. Schemat przepływomierza kolanowego W celu wyznaczenia zależności wygodne będzie przyjęcie następujących upraszczających założeń: przekrój poprzeczny kolana jest prostokątny, kolano leży w płaszczyznie poziomej, na przekroju kolana występuje jednolity rozkład prędkości, nie ma strat ciśnienia ani prędkości pomiędzy wlotem a wylotem kolana, nie ma efektu lepkości płynu, na wewnętrznej i zewnętrznej ścianie kolana występuje jednolity rozkład ciśnienia, w kolanie występuje przepływ ustalony względem czasu. Z równania pędu dla kolana: " F + " " z)d&! = " V " dA) + " " d&! (2.11) +"(-g +"V( +"V "t gdzie: F siła wynikająca z zasady pędu download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 10 Identyfikacja strumienia przepływu płynu &! - przestrzenny obszar wypełniony płynem (obszar całkowania) Uwzględniając powyższe założenia otrzymujemy F = " V "dA) (2.12) +"V( Składowe prędkości w kierunkach x i y przyjmują postać: Fx = ( " V " dA) x +"V (2.13) Fy = ( " V " dA) y +"V Siła F złożona jest z dwóch części: siły od ciśnienia na powierzchni przepływu oraz siły S na ścianach kolana: 2 Fx = Sx - pLA = ( " VL "dA) = " A " VL Lx +"V 2 Fy = -Sy + pLA = ( " VL " dA) = " A " VL Ly +"V (2.14) 2 Sx = " A " VL + pLA 2 Sy = - " A " VL - pLA 2 2 S = S2 + S2 = 2 ( " A " VL + pLA) (2.15) x y Siłę S można wyznaczyć poprzez całkowanie ciśnienia po powierzchni ścian kolana: S = " dA (2.16) +"p gdzie dA jest skierowanym elementem powierzchni dAi = (R - D / 2) " " d , dAo = (R + D / 2) " "d (2.17) W powyższym wzorze użyto wskazników oznaczających: i wewnętrzny, o zewnętrzny, a przez oznaczono wysokość przekroju kanału. Rys. 2.15. Przepływ płynu przez przepływomierz kolanowy Jednolite ciśnienie po na ścianie zewnętrznej oraz pi na wewnętrznej pomnożone przez element skierowany powierzchni dA tworzy siłę złożoną z dwóch składowych: download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 11 równoległej do S oraz normalnej do niej. Składowe normalne w miejscu osi symetrii Ą/4 (rys. 2.16) są sobie symetrycznie przeciwne. Dodatkowo założyć można, że rozkład ciśnienia na górze oraz dole kanału jest symetrycznie przeciwny. Tak więc całkowita wartość siły S na ścianach kanału wynosi Ą / 2 Ą / 2 S = "(R + D/ 2)cos(Ą / 4 - )d - "(R - D / 2)cos(Ą / 4 -)d (2.18) o i +"p +"p 0 0 ponieważ cos(Ą / 4 - ) = cos(Ą / 4)cos + sin(Ą / 4)sin cos(Ą / 4) = sin(Ą / 4) = 1/ 2 (2.19) Ą / 2 Ą / 2 +"cos " d = +"sin " d =1 0 0 2 2 S = po "(R + D / 2) " - pi "(R - D / 2) " 2 2 (2.20) (po + pi ) " D 2 S = (po - pi ) " R 2 + 2 Aącząc równania (2.15) oraz (2.20) otrzymujemy (po + pi ) " D 2 = 2 " " D" VL + pLD)2 2 (po - pi ) " R 2 + ( (2.21) 2 z którego wynika 2 " " D " VL pL " " D (po +pi )" " D (po - pi )= + - (2.22) " R " R 2 " R Z równania (2.22) wynika, że wysokość prostokątnego kanału nie wpływa na wartość różnicy ciśnienia. W oparciu o założenie o braku strat ciśnienia pomiędzy wlotem i wylotem kolana, przybliżona relacja (po - pi )/ 2 E" pL może być uwzględniona w równaniu (2.22), dzięki czemu otrzymamy D 2 po - pi = "p = " " VL (2.23) R Równanie (2.23) jest teoretycznym równaniem przybliżonym dla pomiaru strumienia przepływu płynu przez kolano i może być stosowane dla kanałów o dowolnym przekroju symetrycznym względem płaszczyzny środkowej. Teoretyczny wydatek przepływu wynosi R "p qT = A " VL = A " (2.24) D Wprowadzając współczynnik przepływu K wyznaczany poprzez kalibrację otrzymujemy równanie na wydatek przepływu R "p q = A " K " (2.25) D W przypadku kolan 90 z otworami impulsowymi umieszczonymi na siecznej kąta =45 wartość K wyrażona jest wzorem download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 12 Identyfikacja strumienia przepływu płynu 6,5 K = 1- (2.26) Re 104 d" Re d" 106 przy założeniach R / D e" 1,25 2.2. Inne typy przepływomierzy Innym urządzeniem służącym do pomiaru przepływu jest rotametr (rys. 2.16). Przyrząd ten zbudowany jest ze zwężanej rury, w której przepływ skierowany jest pionowo ku górze. Rys. 2.16. Schemat rotametru Pływak znajdujący się w tej rurze unosi się do momentu, w którym siły nań działające równoważą się. Po osiągnięciu równowagi sił pływak ustawia się na pewnej wysokości zależnej od natężenia przepływu. Dokładność rotamentrów jest niższa od dokładności przepływomierzy opartych o pomiar różnicy ciśnień mieści się ona zwykle w zakresie 5% pełnej skali. Przepływomierz elektromagnetyczny (rys. 2.17) jest przyrządem zbudowanym z cewki oraz elektrod otaczających rurę. Cewka, która wytwarza pole magnetyczne, jest odizolowana od przepływającego płynu, natomiast elektrody znajdują się w bezpośrednim kontakcie z badaną cieczą. Odpowiednia ilość elektrolitów jest rozpuszczana w płynie by Rys. 2.17. Schemat przepływomierza elektromagnetycznego download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 13 ten stał się zdolny do przewodzenia prądu elektrycznego. Kiedy przepływa przez pole magnetyczne wytworzone przez cewkę w cieczy indukuje się napięcie elektryczne proporcjonalne do przepływu. Wadą tych urządzeń jest stosunkowo wysoki koszt oraz możliwość stosowania tylko w cieczach. Przepływomierze ultradzwiękowe oraz akustyczne pracują w oparciu o jedną z dwóch zasad. Pierwsza wykorzystuje nadajniki/odbiorniki ultradzwiękowe przesyłające sygnał w poprzek przewodu (rys. 2.18). Zmierzone różnice w czasach przepływu sygnału są bezpośrednio proporcjonalne do średniej prędkości płynu a co za tym idzie wartości strumienia. Drugi typ oparty jest na efekcie Dopplera, w którym fale akustyczne wysyłane w kierunku pola prędkości są rozpraszane przez cząsteczki lub zanieczyszczenia dodane do płynu. Rys. 2.18. Schemat przepływomierza akustycznego Przepływomierze wirowe (Vortex) są stosowane do pomiaru strumienia objętości cieczy, pary i gazów. W szczególności mogą znalezć zastosowanie do pomiaru przepływu takich mediów jak: para nasycona, para przegrzana, powietrze, spaliny, skroplone gazy, woda, rozpuszczalniki, oleje opałowe itp. Rys. 2.19. Schemat przepływomierza wirowego Zasada działania przepływomierzy wirowych oparta jest na teorii powstawania regularnego układu wirów za opływanym ciałem (rys. 2.19). Ten regularny układ wirów powstający za opływanym ciałem nosi nazwę ścieżki wirów Karmana. Opływane ciało umieszczone jako przegroda w strumieniu przepływającego płynu generuje zawirowania, które naprzemiennie odrywają się od jego boków i unoszone są wraz ze strumieniem w dół przepływu. Częstotliwość odrywania wirów jest wprost proporcjonalna do średniej prędkości przepływu, a więc i do strumienia objętości. Podczas odrywania wirów po obu stronach ciała opływanego powstają również naprzemiennie chwilowe pola obniżonego ciśnienia. Wspomniane pola obniżonego ciśnienia identyfikuje i zlicza czujnik pojemnościowy, którego sygnał wyjściowy jest wyskalowany w jednostkach strumienia objętości przepływającego płynu. Czujnik pojemnościowy może być dodatkowo wyposażony w czujnik temperatury i wówczas umożliwia pomiar strumienia masy. download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 14 Identyfikacja strumienia przepływu płynu Najważniejsze zalety przepływomierzy wirowych to: niezależność pomiaru strumienia przepływu od zmian ciśnienia i lepkości płynu, brak części ruchomych, niewielki spadek ciśnienia w instalacji, łatwa obsługa. W ostatnim czasie do pomiaru strumienia masy przepływającego płynu stosowane są często przepływomierze typu Coriolisa. W nowszych rozwiązaniach technicznych przepływomierze te umożliwiają jednoczesny pomiar czterech następujących wielkości: strumień masy, gęstość, temperaturę i lepkość przepływającego płynu. Podstawowym elementem przepływomierza Coriolisa jest najczęściej zakrzywiona rurka zwana pomiarową, przez którą przepływa płyn. W omawianych przepływomierzach wywołuje się drgania rury pomiarowej tak aby na przepływające cząstki płynu działało przyśpieszenie Coriolisa. Jeżeli cząstka przepływającego płynu o określonej masie doznaje przyśpieszenia to działa na nią siła masowa zwana tutaj siłą Coriolisa. Występujące w układzie pomiarowym siły Coriolisa powodują oscylacyjne, sprężyste skręcanie ramion rury pomiarowej. Kąt skręcenia wspomnianych ramion rury jest proporcjonalny do modułu sprężystości jej materiału i do wartości strumienia masy przepływającego płynu. (a) (b) Rys. 2.20. Konfiguracje ułożenia rury pomiarowej przepływomierza Coriolisa a- konfiguracja z jedną rurką; b- konfiguracja z dwiema rurkami Ze względu na zależność wymienionych wielkości od zmian temperatury, dokonuje się również jej pomiaru. Oscylacyjne skręcanie ramion rury pomiarowej związane jest z opóznieniem fazy drgań w jej części dolotowej oraz przyśpieszeniem na odcinku wylotowym. Czas przesunięcia fazowego jest miarą wspomnianego kąta skręcenia. Mierząc czas opóznienia fazowego możemy określić poszukiwany strumień masy przepływającego płynu. Aby uniknąć przenoszenia drgań rury pomiarowej na rurociąg stosowane są dwie konfiguracje jej ułożenia. Konfiguracje ułożenia rury pomiarowej przedstawiono na rys. 2.20. a, b [4]. download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf Identyfikacja strumienia przepływu płynu 15 2.3. Stanowisko badawcze Przedmiotem ćwiczenia laboratoryjnego jest identyfikacja strumienia przepływu powietrza na stanowisku doświadczalnym za pomocą trzech różnych przyrządów pomiarowych. Są nimi kryza, przepływomierz kolanowy i rurka Prandtla za pomocą której dokonuje się sondowania. Schemat zbudowanego stanowiska przedstawiono na rysunku 3.1. Podstawową częścią stanowiska jest rurociąg 1 o średnicy wewnętrznej Dw=102 [mm] wykonany z PVC, złożony z trzech części: odcinka pionowego o długości L1=6[m]H"57D, Rys. 3.1. Schemat stanowiska badawczego 1- badany rurociąg, 2- kryza, 3- manometr wodny, 4- przetwornik ciśnienia ALMEMO FD8612, 5- miernik cyfrowy ALMEMO 2290-3, 6- cyfrowy mikromanometr różnicowy CMR-10, 7- rurka Prandtla, 8- sonda do pomiaru temperatury ALMEMO PT010-P444, 9- stożek z blachy, 10- wentylator promieniowy, 11- przetwornica częstotliwości HITACHI L100, 12- regu- lator częstotliwości, 13- termoanemometr AIRFLOW TA 35 kolana 90 o średnim promieniu R=394[mm] oraz odcinka poziomego za kolanem o długo- ści L2=3[m]H"28,5D. W połowie pionowego odcinka rury umieszczono kryzę pomiarową 2 o średnicy wewnętrznej d=78 [mm]. Pomiaru spadku ciśnienia na kryzie dokonuje się za pomocą manometru wodnego 3. Na siecznej kolana wykonano dwa otwory impulsowe do pomiaru ciśnienia za pomocą zestawu przetwornika ciśnienia ALMEMEO FD8612 4, wraz z miernikiem cyfrowym ALMEMO 2290-3 5. Do miernika tego podłączona została również sonda do pomiaru temperatury ALMEMO PT010-P444 8. download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf 16 Identyfikacja strumienia przepływu płynu Na prostym odcinku rury w odległości L3 = 2,7 [m] za kolanem umieszczono rurkę Prandtla 7 o średnicy Ć = 3[mm] połączoną z cyfrowym manometrem różnicowym CMR-10 6. Koniec rurociągu połączono za pomocą stożka z blachy 9 z króćcem ssącym wentylatora 10. Żądany wydatek objętościowy przepływu regulowany był za pomocą tyrystorowej przetwornicy częstotliwości 11, która umożliwiała płynną regulację obrotów wentylatora. LITERATURA 1. H. S. Bean: Fluid Meters; Their Theory and Application, ASME, New York, 1971, 2. J. Elsner, S. Drobniak: Metrologia turbulencji przepływów, Ossolineum, Wrocław, 1995, 3. PN-EN ISO 5167-1,2,3,4: Pomiary strumienia płynu za pomocą zwężek pomiarowych wbudowanych w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym, PKN, Warszawa 2004 , 4. D. W. Spitzer: Flow Measurement, Practical Guides for Measurement and Control, ISA The Instrumentation, Systems and Automation Society, Alexander Drive, Research Triangle Park, USA, 2001. download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[16_opis].pdf