26-29_ZRE.qxp 2005-09-06 11:41 Page 26
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
MożliwoS
ci zastosowania
układu walców jako podstawy
konstrukcyjnej uS
redniającej
sondy piętrzącej
1. Wprowadzenie
Pomiary strumieni masy i objętości są jednymi z najczę-
ściej stosowanych pomiarów w praktyce technicznej. Ak-
tualnie, alternatywnie stosowane są różne przepływomie-
rze o odmiennych zasadach działania, różnej klasie i zróż-
nicowanych możliwościach aplikacyjnych, biorąc pod
uwagę wartości parametrów fizycznych płynu.
Analiza metod pomiaru przepływu wskazuje, że w przy-
padku pomiarów strumieni w zróżnicowanych warunkach
technicznych i technologicznych trudno znalez
ć rozwiąza-
nie uwzględniające zarówno względy techniczno metrolo-
giczne oraz finansowe.
Pewną możliwość pomiaru strumienia w tych warun-
kach dają uśredniające sondy piętrzące. Metoda pomiaru Rys. 1. Przepływomierz z uS
redniającą rurką spiętrzającą:
1  uS
redniająca rurka spiętrzająca, 2  blok zaworów,
polega na umieszczeniu w strudze medium sondy, która
3  przetwornik różnicy ciS
nień, 4  otwory impulsowe,
piętrząc przepływ powoduje powstanie różnicy ciśnień
d  S
rednica zewnętrzna sondy spiętrzającej, D  S
rednica
na jej powierzchni. Ciśnienia odbierane w odpowiednich
wewnętrzna rurociągu, p+  nadciS
nienie, p  podciS
nienie.
punktach na powierzchniach napływowej i odpływowej
Spotykane profile stosowane w uS
redniających sondach piętrzących
sondy są uśredniane w jej wewnętrznych komorach. Róż-
nica tych uśrednianych ciśnień określa strumień, przy wanych w metrologii wymaganiach, co do dokładności
znanej gęstości płynu i charakterystyce sondy. Zaletą tej wykonania, a także konieczność separacji komór, stwa-
metody pomiaru jest prostota montażu czujnika (sondy) rzają problemy technologiczne, odzwierciedlające się rów-
w układzie przepływowym, niestwarzanie dodatkowych nież w ich cenie.
oporów przepływu oraz możliwość pracy, podobnie jak w Te ograniczenia i utrudnienia są przyczyną poszukiwań
przypadku zwężek, przy wysokich temperaturach i ci- innych kształtów czujników oraz prostszych i tańszych
śnieniach czynnika. Wadą są małe mierzone wartości róż- technologii ich wykonania. Stąd też zainteresowanie czuj-
nicy ciśnień, szczególnie przy pomiarach przepływu ga- nikiem zbudowanym z dwóch rurek okrągłych, wzajemnie
zów przy niskich prędkościach przepływu oraz niejedno- na siebie oddziaływujących po umieszczeniu ich w strudze
krotnie zależność współczynnika przepływu od liczby płynu. Stosowane są czujniki okrągłe jedno- lub dwukomo-
Reynoldsa. Spotkać można szereg rozwiązań technicz- rowe. Te pierwsze wymagają odbioru ciśnienia statyczne-
nych tego typu przepływomierzy, które mimo wyżej wy- go na ściance rurociągu, drugie  odpowiedniej konstruk-
mienionych ograniczeń stosuje się od lat w praktyce cji zapewniającej separację komór uśredniających nadci-
przemysłowej. śnienie i podciśnienie. Obie konstrukcje charakteryzują się
W przypadku omawianych sond związek między średnią zależnością współczynnika przepływu od wartości liczby
prędkością płynu w przekroju rurociągu a mierzonym ci- Reynoldsa w dolnym zakresie mierzonych strumieni.
śnieniem różnicowym jest następujący: Czujnik składający się z dwóch niezależnych rurek, z
których każda służy do odbioru i uśredniania jednego z ci-
śnień (nadciśnienia lub podciśnienia) rozwiązuje problem
separacji komór zapewniając prostotę budowy i wykona-
nia czujnika.
Na rys. 1. przedstawiono przykładowe rozwiązanie kon-
strukcyjne sondy, schematyczny sposób rozmieszczenia 2. Analiza profili walcowych czujników
otworów oraz przykładowe  spotykane w praktyce  po- W pierwszym etapie poddano analizie numerycznej przy-
przeczne przekroje (profile) sond. Profile te  przy stoso- jęte układy przepływowe, aby do dalszych badań w tune-
l l
w
w
w
.
c
o
n
t
r
o
l
e
n
g
p
o
l
s
k
a
.
c
o
m
26 MAJ 2005 CONTROL ENGINEERING POLSKA www.controlengpolska.com
26-29_ZRE.qxp 2005-09-06 11:41 Page 27
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
lu aerodynamicznym wytypować te o najkorzystniejszych bioru ciśnienia p . W przypadku układu 2b boczny sposób
cechach metrologicznych. odbioru ciśnienia p daje większe pomiarowe spadki ci-
Rozpatruje się układy przepływowe zamieszczone na śnień. Płaskie charakterystyki sond 2a i 2b zachęciły do
rys. 2. wykonania ich prototypów i przeprowadzenia badań w
a) b) tunelu aerodynamicznym. Warunki wykonania badań od-
powiadały opływowi sondy strugą o płaskim profilu pręd-
kości. Wyniki pomiarów zamieszczono na rys. 4.
Rys. 2. Rozpatrywane układy przepływowe
Układy a) i b) różnią się średnicą rurki po stronie od-
pływowej. Rozpatruje się odpowiednio warianty z odbio-
rem ciśnienia z boku i z tyłu rurki po stronie odpływowej.
Wyznaczając współczynniki K różnych układów najpierw
rozpatrywano analizowane sondy jako czujniki zanurzone
w strudze powietrza o płaskim profilu prędkości.
Analizie numerycznej poddano izotermiczny turbulent-
ny przepływ płynu lepkiego, nieściśliwego o stałej gęsto-
ści. Rozpatrywano zagadnienie jako dwuwymiarowe dla
przyjętego zakresu prędkości w przedziale 4�30 m/s.
Równania modelu matematycznego rozwiązano metodą
objętości skończonych z wykorzystaniem oprogramowa-
nia FLUENT. Dyskretyzacji obszaru obliczeniowego doko-
nano przy użyciu programu GAMBIT.
Rys. 4. Obliczone (linie pogrubione) i wyznaczone eksperymentalnie
(cienkie linie) wartoS
ci współczynnika czułoS
ci badanych sond
umieszczonych w strudze powietrza o płaskim profilu prędkoS
ci
Rys. 3. Rozkłady pól prędkoS
ci [m/s] (a) i ciS
nień [Pa] (b) w wybranej
chwili czasu dla dwóch odmiennych układów przepływowych
Dla przedstawionych na rys. 2. układów przepływo-
wych wykonano serie obliczeń. Ich wyniki przedstawiono
graficznie na rys. 3. w postaci rozkładów pól prędkości i
ciśnień, natomiast wartości współczynnika przepływu w
Rys. 5. WartoS
ci współczynnika czułoS
ci eksperymentalnie
funkcji prędkości czynnika przedstawiono na rys. 4. badanych sond umieszczonych w rurociągu o S
rednicy D=152 mm
Na rys. 4. dodatkowo umieszczono  w celach porów-
nawczych  wyniki obliczeń dla sondy kołowej dwukomo- Zdjęto również charakterystyki badanych sond po zain-
rowej oraz sondy o przekroju opływowym. Płaskie cha- stalowaniu ich w rurociągu o średnicy D=152 mm, któ-
rakterystyki układów zamieszczonych na rys. 3b wynika- re zamieszczono na rys. 5. Przepływającym czynnikiem
ją z faktu, że punkt odbioru ciśnienia p zawsze znajduje było powietrze. Również i tutaj widać, że badane sondy
się w wyrównanym polu ciśnień ujemnych wygenerowa- mają płaskie charakterystyki już od prędkości czynnika
nych przez pierwszą rurkę. W układzie ze zróżnicowany- rzędu kilku m/s. Na rys. 5. umieszczono również charak-
mi rurkami 2a praktycznie nie ma znaczenia miejsce od- terystyki sondy opływowej i okrągłej. Stwierdzić można,
l l
www.controlengpolska.com CONTROL ENGINEERING POLSKA MAJ 2005 27
w
w
w
.
c
o
n
t
r
o
l
e
n
g
p
o
l
s
k
a
.
c
o
m
26-29_ZRE.qxp 2005-09-06 11:41 Page 28
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
że w przypadku obu
tych sond, wartość
współczynnika czułości
zmienia się znacznie w
zakresie liczb Reynold-
sa ReD<105. Różnice
w wartościach współ-
czynnika przepływu K
na rys. 4. i 5. dla odpo-
wiednich analizowa-
nych sond (mniejsze dla
sond umieszczonych w
rurociągu) wynikają
głównie z deprymoge-
nicznego oddziaływania
czujnika umieszczonego
w rurociągu na strugę.
Analiza wyników
przeprowadzonych ob-
liczeń oraz badań labo-
ratoryjnych potwierdzi-
ły wyjątkowe zalety no-
Rys. 6. Schemat stanowiska pomiarowego z oprzyrządowaniem do wzorcowania rurek spiętrzających
wego rozwiązania tech-
nicznego i konstrukcyjnego czujnika przepływu. Zwłasz-
cza istotne jest to, że wartość współczynnika K dla sto-
sunkowo szerokiego zakresu prędkości przepływu jest sta-
bilna i ma charakter zbliżony do liniowego (dla czujnika z
mniejszą średnicą komory odbioru ciśnienia p z boku).
Wyniki te dają również rękojmię bardzo dobrych parame-
trów metrologicznych dotyczących dokładności oraz po-
wtarzalności pomiarów (a zwłaszcza gdy będzie istniała
konieczność indywidualnego wzorcowania). Badania prze-
prowadzono na stanowisku kontrolno pomiarowym, któ-
rego schemat przedstawia rys. 6.
Rys. 7. Pomiar przepływu powietrza w kanale o przekroju
3. Przykłady układów pomiarowych
okrągłym: 1  przetwornik różnicy ciS
nień, 2  blok zaworów,
Do pomiarów przepływu medium o niesymetrycznym pro-
3  przewody impulsowe
filu prędkości można wykorzystać  po wywzorcowaniu
układu pomiarowego  dwa czujniki umieszczone prosto-
padle, przedstawione na rys. 7. Układ ten może służyć do
pomiaru przepływu powietrza bądz
spalin w kanale o
przekroju okrągłym lub prostokątnym. Na rys. 8. przed-
stawiono układ umożliwiający okresowe przedmuchiwa-
nie czujnika sprężonym powietrzem. Konstrukcja czujnika
umożliwia również bezpośrednie dotarcie do komór
uśredniających ciśnienie w celu usunięcia z nich zanie-
czyszczeń stałych. Układ taki stosowany jest w przypad-
ku pomiaru przepływu zapylonych spalin czy też powie-
trza. Możliwe jest również wykorzystanie jednego czujni-
ka do pomiarów doraz
nych w kilku rurociągach o jedna-
kowej średnicy, wprowadzając go przez zawór kulowy,
np. podczas kontroli rozpływu powietrza chłodzącego czy
uszczelniającego.
Rys. 8. Układ pomiarowy z możliwoS
cią okresowego czyszczenia
Przepływomierz z czujnikiem uśredniającym ciśnienie
sprężonym powietrzem: 1  elektrozawory, 2  doprowadzenie
dynamiczne może być stosowany w różnych układach
sprężonego powietrza, 3  układ sterujący, 4  przetwornik różnicy
ciS
nień, 5  przewody impulsowe pomiarowych. Rurka spiętrzająca wraz z przetwornikiem
l l
w
w
w
.
c
o
n
t
r
o
l
e
n
g
p
o
l
s
k
a
.
c
o
m
28 MAJ 2005 CONTROL ENGINEERING POLSKA www.controlengpolska.com
26-29_ZRE.qxp 2005-09-06 11:41 Page 29
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
różnicy ciśnień może pracować jako przepływomierz bę- Obejmuje on podstawo-
dący elementem układu pomiaru strumienia energii ciepl- wo czujniki wykonane z
nej w parze wodnej. Sygnał pomiarowy z przetwornika rurek o odpowiednich
różnicy ciśnień, podobnie jak sygnały pomiarowe z prze- średnicach podziałowych
twornika ciśnienia i czujnika temperatury, doprowadzo- 12/6 mm i 25/12 mm.
ne są do licznika energii cieplnej. Tę metodę wykorzystać Właściwy dobór grubości
można w układach pomiarowych przepływu i strumienia ścianek oraz technologii
energii cieplnej w systemach ciepłowniczych, zwłaszcza w łączenia pozwala na wy-
przypadku rurociągów o większych średnicach. Jest to konanie sond pomiaro-
rozwiązanie zdecydowanie tańsze od kryzy czy przepływo- wych dla rurociągów o
mierza ultradz
więkowego, nie wprowadza również dodat- średnicach od DN 50 do
kowych oporów przepływu. Należy zaznaczyć, że tego ty- DN 1500. Wykonanie
pu układ można zastosować  z odpowiednio skonfiguro- czujników dla większych
wanym licznikiem  do pomiaru strumienia masy gazów i średnic oraz wersji do
ich mieszanin. wprowadzania do rurocią-
gu na ruchu (tzw. System
4. Wytwarzanie WET-TAP oraz HOT-TAP)
Zaprezentowany spiętrzający czujnik przepływu o zróżni- wymaga indywidualnych uzgodnień z producentem.
cowanych średnicach komór pomiarowych wprowadzono Wersje podstawowe obejmują: wykonanie z wpustem
do produkcji w ZAKA
ADACH REMONTOWYCH ENERGE- uszczelnianym pierścieniem zaciskowym lub przyłączem
TYKI KATOWICE S.A. pod nazwą handlową TWIN-BAR�. kołnierzowym (PN kołnierzy jest zależne od ciśnienia panu-
Zakres produkowanych czujników przepływu przedsta- jącego w rurociągu). Sondy mogą być wykonane z dodatko-
wiono na rys. 9. wym podparciem dolnym usztywniającym, które zabezpie-
cza przed wibracjami dla większych prędkości przepływu.
Sposób wyprowadzenia impulsów ciśnieniowych pozwala
na zabudowę przetwornika różnicy ciśnień jako wersja roz-
łączna oraz kompakt wraz z zaworem blokowym. Dla wer-
sji kompakt konstrukcja głowicy pozwala na bezpośrednie
podłączenie (poprzez złączki samozaciskowe) rurek impul-
sowych, którymi można doprowadzić gaz lub ciecz do
czyszczenia komór pomiarowych. Jest to rozwiązanie nowa-
torskie dotychczas niestosowane. W warunkach technolo-
gicznych dodatkowe wpusty mogą również służyć do szyb-
kiego odpowietrzania instalacji pomiarowej (nie przez ko-
Typ czujnika 12/6; 25/12 mm. mory przetwornika różnicy ciśnień). Rozwiązanie technicz-
Zakres S
rednic DN50  1500 mm.
ne profilu czujnika TWIN-BAR� chronione jest prawem au-
Media gazy lotne, ciecze, para wodna
torskim.
DokładnoS
ć <
_ ą0,75%
Mirosław Kabaciński, Janusz Pospolita
PowtarzalnoS
ć ą0,1%
Politechnika Opolska
ZakresowoS
ć 15 : 1
CiS
nienie PN40 Janusz Polak
Temperatura <
_ 600OC
Zakłady Remontowe Energetyki Katowice S.A.
Zakłady Remontowe
Energetyki Katowice S.A.
Zakład Automatyki
ul. gen. Zygmunta Waltera
Jankego 13,
40-615 Katowice
tel. [phone],
fax [phone]
e-mail [e-mail]
Rys. 9. Sposób montażu rurek spiętrzających TWIN BAR�
l l
www.controlengpolska.com CONTROL ENGINEERING POLSKA MAJ 2005 29
w
w
w
.
c
o
n
t
r
o
l
e
n
g
p
o
l
s
k
a
.
c
o
m