11. Czujniki i przetworniki przepływu
Pomiary przepływu prowadzi się w celu określenia ilości cieczy bądz
gazów
płynących rurociągiem. Zadanie to realizowane jest przez pomiar prędkości przepływu
v(m/s), strumienia objętościowego Q(m3/s) lub strumienia masy M(kg/s). Pomiędzy nimi
występują związki:
Q = A " v M = � " Q
gdzie: A  powierzchnia rurociągu
v  prędkość przepływu
�  gęstość medium.
Do pomiaru przepływu najczęściej używa się następujących przyrządów:
" przepływomierze oparte na pomiarze ciśnienia różnicowego (kryzy, rurki spiętrzające)
" przepływomierze turbinkowe,
" przepływomierze pływakowe (rotametry),
" przepływomierze indukcyjne (elektromagnetyczne),
" przepływomierze ultradz
więkowe,
" przepływomierze wirowe (częstotliwościowe, oscylacyjne),
" przepływomierze Coriolisa.
W celu dobrania odpowiedniego przepływomierza należy dokładnie sprecyzować
warunki pomiaru; nie ma idealnego przepływomierza dla dowolnych warunków.
Przy pomiarach przepływu cieczy należy uwzględnić następujące właściwości cieczy:
1. Gęstość: określa stosunek masy do objętości (kg/m3); ta wielkość jest istotna, kiedy w
wyniku pomiaru chcemy określić wielkości masowe przepływającej cieczy (dozowanie,
rozliczanie, mieszanie w odpowiednich proporcjach masowych). Ponieważ gęstość
zmienia się pod wpływem temperatury, dlatego gdy nie można zapewnić stałej
temperatury należy stosować układy kompensujące zmieniającą się gęstość.
2. Temperatura: mierzona w oC lub K; jest bardzo ważnym parametrem, bowiem powoduje
zmianę gęstości i lepkości cieczy.
3. Ciśnienie: mierzone w kPa lub MPa; ciecze zazwyczaj są nieściśliwe, dlatego wpływ tej
wielkości na wynik pomiaru jest pomijalny. Jest istotny tylko ze względów
wytrzymałościowych.
4. Lepkość: charakteryzuje opór, tarcie występujące pomiędzy cząsteczkami cieczy w
wyniku ich międzycząsteczkowego oddziaływania bądz
opór występujący podczas ruchu
innych ciał wewnątrz cieczy. W cieczach lepkość zazwyczaj maleje ze wzrostem
temperatury. Lepkość ma bardzo duży wpływ na wyniki pomiaru, dlatego należy dla
określonej lepkości, w jakiej ma pracować przepływomierz przeprowadzić jego
kalibrację. W przypadku, kiedy mamy do czynienia ze zmienną temperaturą, a tym
samym zmienną lepkością wówczas przy zmiennych przepływach należy stosować
odpowiednie układy kompensujące wpływ zmiennej lepkości na wynik pomiaru (np.
czujnik temperatury). Przyjętym kryterium wpływu lepkości (a także kryterium
podobieństwa przepływów płynów lepkich) jest bezwymiarowa liczba Reynoldsa.
5. Liczba Reynoldsa: określa w sposób jednoznaczny charakter przepływu wiążąc ze
sobą wielkości gęstości, lepkości, prędkości przepływu i średnicę rurociągu. Liczbę
Reynoldsa opisuje stosunek sił bezwładności do sił tarcia przepływającego medium
Fbezwad . wD�
Re = =
Ftarcia �
gdzie: �  gęstość, w średnia prędkość przepływu.
�- lepkość dynamiczna D  średnica rurociągu
Dowolny stan przepływu czynnika jest zawsze jednoznacznie określony przez liczbę
Reynoldsa. Dla Re<2300 (mała liczba) mamy do czynienia z przepływem laminarnym tj. nie
ma wymiany elementów płynu pomiędzy sąsiednimi warstwami, dla Re>4000 (duża liczba)
przepływ jest turbulentny tj. z intensywną wymianą między warstwami płynu. Dla Liczby
Reynoldsa w zakresie 2300 < Re < 4000 (obszar krytyczny) przepływ może być laminarny
lub turbulentny, w zależności od szeregu czynników, jak chropowatość rury, drgania,
pulsacje strumienia.
Różne są profile przepływu dla laminarnego i turbulentnego, co pokazuje rys. 34.
Rys.34. Profile prędkości przy różnych wartościach liczby Reynoldsa
Przy pomiarach przepływu gazów ze względu na dużą rozprężliwość należy ustalić punkt
odniesienia. Przykładowo: 100 m3/h powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze
700C odpowiada ok. 100kg/h, a przy 200C i 0,8MPa odpowiada ok. 1000 kg/h, czyli
dziesięciokrotnie więcej.
Ogólnie przyjętym punktem odniesienia jest gaz w warunkach normalnych tj. temp.=273
K(0o C), ciśnienie atm. 1013,25 kPa (gaz rozprężony). W układach pomiarowych gazu
należy stosować oprócz pomiaru przepływu pomiar temperatury i ciśnienia oraz układ
przeliczający do warunków normalnych (Nm3/s, Nm3/godz). Rozliczenia ilości gazów można
dokonywać w Nm3 lub w przeliczeniu na kg. Wpływ zmian temperatury i ciśnienia na gęstość
gazu pokazują przedstawiają zależności:
pxTn px
�x = �n lub �x =
�nTxK RTxKx
x
Indeks x dotyczy rzeczywistych warunków pomiaru, indeks n normalnych warunków
pomiaru.
Względny współczynnik ściśliwości KX - obliczany jako stosunek współczynnika ściśliwości w
warunkach pomiarowych do współczynnika ściśliwości w warunkach normalnych -
uwzględnia odchylenia właściwości gazu rzeczywistego od właściwości gazu doskonałego.
Przy pomiarach przepływu pary często oprócz przepływu masy pary wymagane jest
precyzyjne wyliczanie ilości ciepła w przepływającej parze. Podstawowym parametrem
rozliczeniowym jest strumień energii obliczany jako strumień masy m i entalpii. Ponieważ
wraz ze zmianą ciśnienia i temperatury zmienia się gęstość pary, do wyznaczenia strumienia
masy konieczne jest stosowanie specjalnych układów przeliczających potrafiących na
podstawie informacji o ciśnieniu i temperaturze ustalić właściwy strumień masy i energii.
11.1. Wybrane wielkości charakteryzujące przepływomierze
Zakresowość
Stosunek największego, możliwego do zmierzenia przez układ pomiarowy przepływu,
do jego najmniejszego przepływu nazywamy zakresowością i oznaczamy symbolem TD.
Typowa zakresowość przepływomierzy wynosi 10-20: 1.
Przed określeniem zakresowości musi zostać zdeterminowana dokładność systemu
pomiarowego. Zwiększając zakresowość miernika zwiększa się również błąd pomiaru.
Jedna z metod zwiększenia zakresowości przy zachowaniu dokładności pomiaru polega na
indywidualnym wykalibrowaniu miernika i wprowadzenie jego charakterystyki do systemu
pomiarowego.
Zakresowość przetwornika różnicy ciśnień
Przetwornik różnicy ciśnień (DP) musi pokrywać zakres sygnałów z czujnika
przepływu. Zakresowość przetwornika różnicy ciśnień TDDP jest definiowana jako stosunek
pomiędzy maksymalną różnicą ciśnień, odpowiadającą przepływowi maksymalnemu, a jego
wartością minimalną. Z powodu pierwiastkowej zależności pomiędzy różnicą ciśnień (DP) a
przepływem zależność pomiędzy TDDP a TD jest następująca:
TDDP = [TD]2 lub TD = " TDDP
Dla przepływomierza, którego zakresowość TD wynosi 10:1 (pomiar od 10% do 100%)
zakresowość przetwornika TDDP, musi wynosić 100:1. Oznacza to, że przetwornik musi
mierzyć z tą samą dokładnością sygnał różnicy ciśnień (DP) równy np. 50 kPa (przepływ
maksymalny oraz 0.5 kPa (przepływ minimalny). Wymóg ten jest praktycznie trudny do
spełnienia.
Błąd pomiaru (niepewność pomiaru)
Są dwie metody przedstawiania dokładności pomiaru urządzenia, które różnią się od
siebie znacznie:
Błąd procentowy wartości mierzonej jest błędem wyrażonym w procentach aktualnie
mierzonej wartości. Dla dokładności 1% przy mierzonym w danej chwili przepływie równym
np. 10t/h błąd wynosi ą0.1t/h natomiast przy mierzeniu przepływu, którego wielkość wynosi
15t/h błąd jest równy 0.15t/h.
Błąd procentowy zakresu jest błędem wyrażonym w procentach zakresu pomiarowego,
jego wartość w jednostkach fizycznych jest stała i nie zależy od aktualnie mierzonej
wartości.
11.2. PRZEPA
YWOMIERZE OPARTE NA ZASADZIE POMIARU RÓŻNICY
CIŚNIEC

Do metod wykorzystujących do pomiaru przepływu różnicę ciśnień zaliczamy metodę
zwężkową oraz metodę uśredniających rurek piętrzących. W metodzie zwężkowej
wykorzystywany jest spadek ciśnienia  zwanego ciśnieniem czynnym  wywołany na kryzie
pomiarowej przez przepływające medium. W metodzie uśredniających rurek piętrzących do
pomiaru przepływu wykorzystuje się ciśnienie dynamiczne przepływającego medium,
będące różnicą ciśnień całkowitego i statycznego. Obie te metody pomiarowe oparte są na
prawie ciągłości przepływu oraz na prawie Bernoulli ego.
Prawo ciągłości przepływu i Bernoulli ego
v1 v2
v1 A1 = v2 A2
A1 A2
Prawo Bernoulli ego (dla stałej wysokości "H=0, m=1kg)
2 2
v1 p1 v2 p2
+ = + = c0nst
2 � 2 �
gdzie: �  gęstość, p  ciśnienie, v  prędkość strugi.
Najczęściej stosowaną zwężką jest kryza. Stanowi ona płaską tarczę z okrągłym otworem o
średnicy d, umieszczoną współosiowo w rurociągu o średnicy wewnętrznej D  rys. 35.
a)
b)
Rys. 35. a) przebieg linii prądu i ciśnienia przez kryzę, b) uproszczony model przepływu
medium przez kryzę
Zgodnie z zasadą ciągłości strugi możemy zapisać
Qm = A1�1w1 = A2�2w2
gdzie: � i w  średnie wartości gęstości i prędkości płynu przed kryzą (symbol 1) i w otworze
kryzy (symbol 2).
Dla płynów nieściśliwych � = const możemy zapisać:
QV = A1w1 = A2w2
Zgodnie z zasadą zachowania energii, wzrost energii kinetycznej (związanej z
prędkością strugi) może nastąpić tylko kosztem spadku energii potencjalnej (ciśnienia).
Zwiększeniu prędkości w okolicach kryzy towarzyszy, więc spadek ciśnienia w tej strefie, co
wyraża równanie Bernoulliego:
1
1
�w12+ p1 = �w22+ p2 = const
2
2
Po przekształceniach otrzymamy objętościowe natężenie przepływu:
2
1 Ąd 2"p
QV =
4
4 �
1- �
d
�  współczynnik przewężenia � =
D
Przy wyprowadzaniu tego wzoru przyjęto szereg uproszczeń. Rozkład prędkości w
otworze kryzy i rurociągu nie jest równomierny oraz to, że największe przewężenie
strumienia występuje poza nią, a przekrój strumienia w miejscu największego przewężenia
jest mniejszy niż w otworze kryzy. Wpływ wymienionych czynników i innych uwzględnia się
wprowadzając tzw. współczynnik przepływu C. Wzór będzie miał postać:
2
C Ąd 2"p
QV =
4
4 �
1- �
Współczynnik przepływu wyznacza się przez wzorcowanie szeregu podobnych
geometrycznie zwężek o różnych przewężeniach �.
Pominięto także wpływ tarcia, zmiany gęstości (nieściśliwość), zmiany lepkości itd. Dla
gazów takie uproszczenia mogą być z
ródłem znacznych niepewności pomiaru (błędów
pomiarowych). W skutek spadku ciśnienia w strefie zwężki wystąpi rozprężenie, a zatem
zmniejszenie gęstości i dodatkowe zwiększenie prędkości. W celu uwzględnienia tych
zjawisk stosowany jest mnożnik poprawkowy �, zwany liczbą ekspansji. Jest on funkcją
przewężenia, wykładnika izentropy oraz stosunku "p/p. Ostatecznie przy obliczaniu
strumienia płynu korzystamy z równania:
2
C� Ąd 2"p
QV =
4
4 �
1- �
lub dla masowego natężenia przepływu:
2
C� Ąd
Qm = 2�"p
4
4
1- �
Cechą charakterystyczną przepływomierza zwężkowego jest strata ciśnienia na zwężce.
"pSTR. Przyczyną tego są intensywne ruch wirowe w martwych strefach za kryzą.
Przetworzenie mierzonej różnicy ciśnień na sygnał elektryczny bądz
pneumatyczny
odbywa się w przetwornikach pomiarowych.
Kryzy pomiarowe
Kryzy są przyrządami służącymi do pomiaru natężenia przepływu za pomocą pomiaru
spadku ciśnienia na elemencie spiętrzającym. Jest to metoda dokładna, wygodna, tania, ma
bardzo duże zastosowanie i nadaje się do dowolnych cieczy, gazów i par przy dowolnym
ciśnieniu i temperaturze panujących w rurociągach o przekroju poprzecznym kołowym.
Kryzę można stosować, jeśli spełnione są następujące warunki:
" przepływające media powinny całkowicie wypełniać odcinek pomiarowy rurociągu,
" zwężka powinna być wbudowana między dwoma prostoliniowymi odcinkami rurociągu o
stałej powierzchni przekroju poprzecznego,
" zwężka powinna być wbudowana współosiowo i prostopadle do osi rurociągu,
" powierzchnia wewnętrzna odcinka pomiarowego musi być czysta wolna od wżerów,
osadów na długości co najmniej 10D przed i 4D za wbudowaną kryzą,
" zwężka pomiarowa powinna być wbudowana w rurociągu w takim położeniu w którym
warunki przepływu w obszarze bezpośrednio przed zwężką pomiarową w
wystarczającym stopniu będą zbliżone do warunków występujących w obszarze o profilu
w pełni ukształtowanego przepływu tj. przy całkowitym braku zaburzeń.
Kryzy wykonywane są zgodnie z normami pomiaru strumienia masy i objętości płynów,
gazów i ich par (krajowymi PN i zagranicznymi np. DIN). Wyróżniamy kryzy znormalizowane,
symetryczne, segmentowe, kwadratowe, blokowe, klinowe.
Pomiary przepływu przy wykorzystaniu spadku ciśnienia są najszerzej stosowanymi
technikami pomiarowymi. Urządzenia wykorzystujące tę technikę są sprzedawane
dwukrotnie częściej niż inne, wykorzystujące konkurencyjne techniki. Analitycy przewidują,
że ten trend będzie kontynuowany w ciągu najbliższych lat.
Powstające nowe technologie pomiarowe znajdują zastosowanie w konkretnych
instalacjach, natomiast przepływomierze związane ze spadkiem ciśnienia posiadają
niekwestionowaną przewagę w większości zastosowań z wielu powodów:
1. wyjątkowa powtarzalność,
2. sprawdzona wiarygodność i stabilność przy prawidłowej instalacji i aplikacji,
3. montaż bezpośrednio na instalacji procesowej,
4. łatwość kalibrowania i naprawy urządzeń,
5. przemysłowy standard światowy (dostępne dane teoretyczne i doświadczalne),
6. koszty instalowania w zasadniczej swej części niezależne od rozmiaru instalacji,
7. jedno urządzenie umożliwia pomiary dla wielu różnych zastosowań.
Przez lata rozwój technologii wpływał na jakość i rozwój przetworników przepływu
opartych o spadek ciśnienia. Pierwszą zmianą było przejście z oprzyrządowania
pneumatycznego na układy elektroniczne półprzewodnikowe, tam gdzie pozwalały warunki 
tankowce. Następnie rozwój poszedł w kierunku zmniejszenia wpływu zmian temperatury i
ciśnienia. Dalsze zwiększenie jakości działania nastąpiło w momencie wprowadzenia
urządzeń partych na technice mikroprocesorowej (typu smart) i rozwoju elementów
czujnikowych.
Eksperci przewidują, iż roczna sprzedaż przepływomierzy opartych o spadek ciśnienia
będzie na poziomie 0,5 miliarda dolarów, przez co najmniej 5 lat.
Rurki piętrzące
Czujnikiem przepływomierzy piętrzących jest odpowiednio ukształtowana rurka.
Zasadę działania opiszę w oparciu o rurkę Prandtla; rys. 36.
Rys. 36. Schemat rurki Prandtla; linie prądu i rozkład ciśnień przy jej opływie
Rurka w części czołowej posiada otwór, w którym następuje spiętrzenie i podwyższenie
ciśnienia do wartości po. Ciśnienie to maleje do wartości p, takiej jak w części niezaburzonej,
w odległości 6�8 średnic. Rurka służy do pomiaru prędkości v przepływu niezaburzonego.
Dla linii prądu w osi rurki można zapisać równanie Bernoulliego:
�v2
+ p = po
2
Po przekształceniu otrzymamy:
2( po - p)
v =
�
Ciśnienie po wyprowadzamy z rurki wewnętrznej, a ciśnienie p (przepływu niezaburzonego)
z otworów nawierconych na obwodzie rurki zewnętrznej w odległości 8 średnic gdzie
występuje już ciśnienie niezaburzonej.
Wzór ten jest słuszny dla cieczy i gazów przy niezbyt dużych prędkościach przepływu.
Przy większych prędkościach przepływu gazu należy uwzględnić zmianę gęstości gazu przy
opływie rurki. Należy, więc zastosować równanie uwzględniające ściśliwość.
Ze względu na zmienny rozkład prędkości strugi wewnątrz rurociągu, opracowano
konstrukcje rurek piętrzących umieszczonych wzdłuż średnicy rurociągu, prostopadle do
strumienia (rys. 37) celem uśrednienia rozkładu prędkości.
Rys. 37. Budowa czterootworowej rurki piętrzącej
Najczęściej stosowane są sondy czterootworowe. Zapewniają dobre uśrednienie nawet
mocno zniekształconych profili prędkości. Sonda ma przekrój ostrokrawędziowy, aby
zapewnić jednoznaczne oderwanie strumienia. Przy sondzie okrągłej oderwanie strumienia
może wędrować zmieniając charakterystykę rurki w sposób przypadkowy. Najważniejsze
zalety sond piętrzących to:
" bardzo mała strata ciśnienia,
" niski koszt zakupu i instalacji,
" możliwość instalacji w rurociągach pod ciśnieniem za pomocą specjalnego
oprzyrządowania.
Czujnik przepływu INTROBAR
 Wzrastające wymagania odnośnie dokładności pomiaru przepływu oraz minimalizacji
strat energetycznych na czujnikach pomiarowych, spowodowały gwałtowny wzrost
zainteresowania rurkami uśredniającymi. Metoda ta wypiera kryzy pomiarowe dzięki
znacznie lepszym parametrom metrologicznym, niższym kosztom eksploatacji i montażu
oraz szerszym zakresom zastosowań. Specjalny kształt czujnika daje podwyższoną
stabilność i powtarzalność pomiaru, wyższe użyteczne sygnały ciśnieniowe. Sonda ma
przekrój ostrokrawędziowy tak, aby zapewnić, jednoznaczne oderwanie strumienia (przy
sondzie okrągłej punkt oderwania strumienia może wędrować, co zmienia charakterystykę
rurki w sposób przypadkowy)
Podstawowym elementem przepływomierza jest kształtka umieszczona w rurociągu z
odpowiedni rozmieszczonymi otworami służącymi do odbioru ciśnienia. Przepływ w
rurociągu powoduje nadciśnienie w części czołowej i podciśnienie na powierzchni tylnej i
bocznej czujnika. Odpowiednio umieszczone wzdłuż czujnika otwory umożliwiają odbiór
różnicy ciśnień takiej by była ona proporcjonalna do kwadratu prędkości średniej (strumienia
objętości) w rurociągu, nawet w mocno zniekształconych profilach prędkości.
Związek między średnią prędkością w rurociągu v, a zmierzoną różnicą ciśnień "p jest
następujący:
2"p
v = K
�
gdzie: K  stały współczynnik przepływu, �  gęstość płynu.
Wartości K dla przedstawionego kształtu mieszczą się w granicach 0,7  0,8 co
oznacza, że uzyskiwane spiętrzenia są prawie dwukrotnie większe od ciśnienia
dynamicznego odpowiadającego prędkości średniej.
Czujnik o przekroju kołowym
Zmienne położenie punktu oderwania warstwy
przyściennej powoduje zmiany wartości współczynnika
K dla dużych prędkości przepływu.
Czujnik ze względu na generację wirów o dużej energii
daje sygnał zmienny w czasie, pulsujący. Czujnik
narażony jest na wibracje.
Czujnik INTROBAR
Stałe położenie punktu oderwania warstwy przyściennej
zapewnia stałość współczynnika K dla dużych prędkości
przepływu.
Wymagane odcinki proste: 8-24D przed i 3-4D za czujnikiem.
Dokładność ą1% w całym zakresie pomiarowym, powtarzalność ą0.25%, koszt montażu
ponad 60% mniejszy w stosunku do montażu kryzy, tzw. wykonanie WET-TAP umożliwi
wyjęcie i założenie czujnika w czasie pracy.
Przepływomierze z rurką spiętrzającą ACCUTUBE
Accutube jest okrągłą uśredniającą rurką Pitota wyposażoną w otworki umieszczone
od strony napływu i odpływu płynu. Zamontowana w strumieniu przepływającego medium
mierzy różnicę ciśnienia pomiędzy nadciśnieniem wywołanym dynamicznym naporem
medium od strony napływowej (dodatniej), a podciśnieniem powstającym od strony
odpływowej (ujemnej). Mierzone ciśnienie różnicowe jest proporcjonalne do natężenia
przepływu.
Q = 2gh
gdzie: Q  natężenie przepływu, h  ciśnienie różnicowe w mm H2O
Czujnik współpracuje z przetwornikiem różnicy ciśnień. Dokładność pomiaru 1% w
szerszym zakresie niż zwężki pomiarowe. Długości wymaganych odcinków prostych to 10-
12 średnic rurociągu od strony napływu i 4-5 od strony odpływu.
11.3. Przepływomierze wirowe VORTEX
W przepływomierzach wirowych (oscylacyjnych) wykorzystano oscylacje (drgania)
strumienia przepływającego medium lub umieszczonego w nim oscylatora mechanicznego,
których częstotliwość jest proporcjonalna do wartości przepływającego strumienia objętości.
Spływające z krawędzi medium tworzy pewną powierzchnię, dokładniej warstwę
rozdziału (rys. 38) pomiędzy częścią o względnie wysokiej prędkości (niezaburzonej), a
częścią znajdującą się we względnym zastoju (za krawędzią przeszkody).
Rys. 38. Zjawiska zachodzące na powierzchni rozdziału
Lokalne zmiany prędkości powodują powstawanie stref podciśnienia (lokalne
zwiększenie prędkości strugi) i nadciśnienia, co prowadzi do powstawania szeregu wirów
nazywanych wirami Karmana. Przykładowo wiry te powodują łopotanie flag na wietrze.
Powstające na przemian zawirowania (rys.39), wywołane umieszczoną w strudze belką
spiętrzającą, powodują zmienne naprężenia działające na belkę, które są rejestrowane
przez czujniki tensometryczne lub piezoelektryczne. Częstotliwość ta jest wprost
proporcjonalna do średniej prędkości strumienia.
Rys. 39. Czujnik przepływomierza wirowego
Przykład przepływomierza VORTEX VTX
Przepływomierze VTX wykorzystują zjawisko powstawania wirów za przeszkodą
umieszczoną w strudze przepływającego medium, które płynąc z prądem tworzą Aleję
Wirów Karmana. Zawirowania powstają z częstotliwością wprost proporcjonalna do
prędkości przepływu oraz stałej Strouhala:
f
S =
vh
gdzie: f  częstotliwość,
h- szerokość belki zakłócającej,
v- średnia prędkość strugi.
Liczba Strouhala jest stała w szerokim zakresie liczb Reynoldsa, a zatem w tym
zakresie nie zależy od gęstości mierzonego medium. Graniczną dolną wartością liczby
Reynoldsa, poniżej, której nie stosuje się przepływomierzy wirowych jest wartość 5000; dla
Re<5000 wartość liczby Strouhala szybko się zwiększa.
1. rurociąg pomiarowy
2. belka spiętrzająca
3. płytka sprężynująca z czujnikiem
4. kierunek strugi
5. powstające wiry
Belka spiętrzająca przepływomierzy VTX ma kształt trapezoidalny z wbudowanym
czujnikiem piezoelektrycznym, który reaguje na zmienne ciśnienie wirów, przetwarzając je
na standardowy sygnał elektryczny.
Przepływomierze wirowe mierzą przepływ objętościowy, masowy lub prędkości przepływu.
Służą do pomiaru cieczy i gazów czystych bądz
lekko zanieczyszczonych. Na generatorze
wirów (belce spiętrzającej) nie powinny odkładać się zanieczyszczenia. Osady mogą
zmienić ostrokrawędziowy kształt generatora na opływowy, co może powodować zanikanie
generacji wirów. Zaletą tych przepływomierzy jest duża dokładność niezależnie od gęstości
medium, czy też chwilowej wartości natężenia przepływu.
Zakresowość przepływomierzy wirowych 50:1 i 65:1, błąd pomiaru aktualnej wartości
strumienia w granicach 0,5�1%, zakres pomiarowy od 0,09 m/s do 4,5 m/s; ciecz 0,6 � 1000
m3/h zależnie od średnicy rurociągu. Wymagane odcinki proste 10�35 DN przed oraz 5DN
za miernikiem.
11.4. Przepływomierze z wyjściem impulsowym; tachometryczne
wirnikowe i komorowe
W przepływomierzach tachometrycznych przepływające medium napędza wstawiony
do rurociągu element pomiarowy poruszający się ruchem obrotowym. Wykorzystuje się
proporcjonalność prędkości obrotowej wirnika do objętościowego natężenia przepływu.
Możemy wyróżnić w tej grupie dwie odmiany przepływomierzy  turbinkowe i komorowe
(objętościowe).
Przepływomierze turbinkowe należą do najdokładniejszych. Błąd pomiaru do ą0.25%
aktualnej wartości strumienia. Średnice nominalne rurociągów DN 4 � 750; zakresowość do
50:1. Wymagają prostych odcinków pomiarowych (10�20)D - przed przepływomierzem, do
5D  za przepływomierzem.
Dla przepływomierzy tego typu bardzo ważnym parametrem jest stała K. Jest ona
określona jako ilość impulsów na objętość mierzonego medium (zwykle impuls/litr lub
impuls/m3). Na charakterystykę przepływomierzy wpływa szereg czynników: parametry
geometryczne turbinki, gęstość oraz lepkość przepływającego medium, moment tarcia w
łożyskach. Dla cieczy stosuje się łożyska ślizgowe ze względu na właściwości smarujące,
dla gazów stosowane są łożyska toczne zakryte, samosmarujące.
Rys. 40. Schemat przepływomierza turbinowego oraz charakterystyczne kształty i wymiary
turbinki a) dla małych przepływów, b) dla gazów
Dla przepływomierzy turbinkowych producent zwykle podaje stałą K oraz
charakterystykę zmian stałej K w funkcji częstotliwości. Dzięki temu istnieje możliwość
usunięcia nieliniowości przepływomierza, a tym samym poprawienie jego dokładności do
poziomu powtarzalności pomiarów poprzez wpisanie tej charakterystyki do inteligentnego
przetwornika.
Podobnie przepływomierze komorowe; stosowane są tam gdzie wymagana jest
wysoka dokładność (np. paliwo na stacjach benzynowych). Cechuje je bardzo duża
zakresowość do 300:1. Praktycznie nie wymagają prostych odcinków pomiarowych, chociaż
przepisy wymagają zastosowania odcinków rzędu 3D. Przepływomierze komorowe można
stosować do gazów i cieczy nawet do bardzo gęstych o konsystencji smaru. Wymagają
cieczy bardzo czystych, ponieważ składają się z elementów precyzyjnie obrobionych
mechanicznie i dokładnie spasowanych. Zanieczyszczenia mechaniczne mogą uszkodzić
przepływomierz i zblokować przepływ medium.
Przepływomierze objętościowe z elementami owalno-kołowymi
Układ pomiarowy przepływomierzy objętościowych firmy Bopp&Reuther składa się z
dwóch ściśle zazębiających się elementów owalno-kołowych, poruszanych przez
przepływające medium.
Rys. 41. Zasada działania objętościowego przepływomierza a) z elementami owalno-
kołowymi, b) gazomierza rotorowego
Każdy obrót pary elementów owalno-kołowych odpowiada przemieszczeniu przez
miernik dokładnie znanej objętości cieczy V1 i V2. Liczba obrotów jest proporcjonalna do
prędkości przepływającego medium. Układ specjalnych przekładni przekazuje informację o
liczbie obrotów do licznika mechanicznego, który zlicza przepływ w jednostkach objętości
(litry, m3).
Dla gazów stosowane są gazomierze rotorowe. Mają inny kształt obracających się
elementów  zarys ewolwentowy. Przykładowe rozwiązania przepływomierzy komorowych
przedstawiono na rys. 42
Rys. 42. Różne konstrukcje przepływomierzy komorowych a) puszkowy, b) śrubowy, c)
zębaty, d) z obrotowymi skrzydełkami
Mechanizm pomiarowy każdego z przepływomierzy owalno-kołowych składa się z
następujących części:
" korpusu,
" pary elementów owalno kołowych,
" nakładki komory pomiarowej,
" przyłączy kołnierzowych lub śrubowych.
Głowica pomiarowa jest hermetycznie oddzielona od mechanizmu pomiarowego, czyli
elementów owalno-kołowych. Ruch obrotowy obu elementów jest przekazywany poprzez
układ sprzęgła magnetycznego do licznika mechanicznego lub za pomocą czujnika
indukcyjnego do układu zdalnego zliczania przepływu.
Dużą zaletą przepływomierzy owalno-kołowych jest fakt, że nie wymagają one
odcinków prostych do montażu. Umożliwiają pomiar cieczy o dużych lepkościach, przy
jednoczesnym niewielkim spadku ciśnienia na przepływomierzu. Dokładność sięgająca 0.1%
powoduje, że omawiane przepływomierze są niezastąpione tam gdzie wymagana jest duża
precyzja pomiaru. Można je stosować w warunkach laboratoryjnych (średnice od 6 do 25
mm), jak i dużych obiektach przemysłowych (średnice od 25 do 100 mm).
Przepływomierze objętościowe system CONTOIL i DOMINO
Przepływomierze objętościowe systemu DOMINO ARD i CONYOIL VZO działają na
zasadzie pompki z wirującym tłokiem przepompowując określone porcje mierzonego
medium i zliczając ich ilość. Tym samym mierzą one rzeczywistą objętość płynu
przepływającego w rurociągu w danym czasie.
Urządzenie składa się z tłoka usytuowanego mimośrodowo wewnątrz większego
cylindra posiadającego dwa otwory (wlotowy i wylotowy) rozdzielone od siebie przegrodą,
wzdłuż której przesuwa się cylindryczny tłok. W pierwszej fazie (1, 2) pracy ciecz wpływając
poprzez otwór wlotowy wypełnia przestrzeń pomiędzy przegrodą i wnętrzem cylindrycznego
tłoka powodując jego ruch. W następnej fazie (3, 4) ta ciecz wydostaje się poprzez otwór
wylotowy. Za każdym takim cyklem określona ilość cieczy jest przepompowana z otworu
wlotowego do otworu wylotowego.
Wirujący tłok i rolka prowadząca są jedynymi ruchomymi częściami będącymi w
kontakcie z cieczą. Przemieszczanie się wirującego tłoka jest przekazywane do układów
zliczania i odczytu za pomocą sprzęgła magnetycznego.
Przepływomierze takiej konstrukcji umożliwiają osiągnięcie dużej dokładności.
Szczególnie tam gdzie mała ilość miejsca uniemożliwia zastosowanie odcinków prostych
rurociągu wymaganych dla przepływomierzy mierzących prędkość przepływu.
Przetwarzanie ruchu obrotowego wirnika, turbinki, elementu owalno-kołowego na
sygnał określający ilość przepływającego medium może być zrealizowany na kilka
sposobów:
1. w obracającym się elemencie umieszcza się trwały magnes, a na zewnątrz cewkę, w
której będzie się indukować przemienne napięcie o częstotliwości równej
częstotliwości obrotów turbinki, wirnika, rotora irp.
2. zastosować zbliżeniowy czujnik elektromagnetyczny wykorzystujący prądy wirowe,
3. fotoelektryczne czujniki prędkości (gdy dysponujemy małym momentem
napędowym).
Przepisy metrologiczne i legalizacyjne wymagają do rozliczeń 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  oś turbinki, 4 
łożyska turbinki, 5  przekładnia ślimakowa, 6  sprzęgło magnetyczne, J1, J2  koła zębate
justujące, 7  przekładnia stożkowa, 8  liczydło mechaniczne, 9  magnes, 10  kontaktron, 11-
czujnik indukcyjny łopatek turbinki
11.5. Przepływomierze elektromagnetyczne
Przepływomierz elektromagnetyczny nadaje się do pomiarów cieczy również
zabrudzonych. Podstawowym warunkiem jest, aby przewodność elektryczna (inaczej
konduktywność mierzona w simensach na metr) cieczy była większa od > 10 �S/cm. Z tego
względu przepływomierze elektromagnetyczne nie mogą być stosowane do pomiaru
natężenia przepływu paliw i olejów ze względu na ich dielektryczny charakter. Pomiar
odbywa się bez strat ciśnienia i przy niskim zużyciu energii. Własności medium, zmiany
ciśnienia, temperatury i gęstości nie wpływają na dokładność pomiaru. Przepływomierz
elektromagnetyczny mierzy objętościowy strumień przepływającej cieczy łącznie ze
znajdującymi się w niej ciałami stałymi oraz pęcherzami powietrza.
Zasada pomiaru oparta jest na znanym prawie dotyczącym indukcji
elektromagnetycznej mówiącym, że jeśli w polu magnetycznym o indukcji B porusza się
przewodniku o długości L z prędkością średnią w, to w nim indukuje się siła
elektromotoryczna o wartości E. Wartość siły elektromotorycznej można wyznaczyć ze
wzoru:
E = B L w
Schemat przepływomierza wykorzystującego tę zasadę przedstawia rys. 44.
Rys. 44. a) schemat przepływomierza elektromagnetycznego 1  cewki, 2  elektrody
pomiarowe, b) przebieg napięcia zasilającego cewki i przebieg indukowanej siły
elektromotorycznej na elektrodach pomiarowych
Rolę przewodnika pełni przepływający strumień ze średnią prędkości w. Siła
elektromotoryczna zbierana jest poprzez elektrody 2, pole magnetyczne wytwarzają cewki 1
nałożone na rurociąg. Pole magnetyczne powinno być jednorodne, wówczas wartość siły
elektromotorycznej dla tak skonstruowanego przepływomierza można określić
E = k B D w
k  stała wyznaczana podczas wzorcowania przepływomierza.
Ponieważ średnia prędkość jest proporcjonalna do strumienia objętości można zapisać, że
E = k1B D qV
Z rys. 44 widać, że mimo dokładnie prostokątnego napięcia zasilania wyidukowana siła
elektromotoryczna nie ma podobnego charakteru i jej średnia wartość jest przesunięta o �E.
Przyczyn tego jest wiele: potencjały elektrochemiczne pojawiające się na elektrodach, wpływ
różnego rodzaju zewnętrznych pól elektromagnetycznych (np. zakłócenia przemysłowe) i
magnetycznych (np. pole ziemskie).
Przykłady rozwiązań technicznych przepływomierzy elektromagnetycznych.
PIT
1  przetwornik
2  obudowa przetwornika
3 cewka magnesująca
4  rurociąg
E1, E2  elektrody pomiarowe
B1, B2  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 przepływającym medium oraz modułu przetwarzającego sygnał z czujnika na
sygnał prądowy lub impulsowy (impuls / jedn. objętości).
1. przetwornik
2. obudowa przetwornika
3. uszczelka
4. moduł przejściowy
5. czujnik z przyłączem kołnierzowym
6. króciec montażowy wspawany w
kołnierz
7. cewka magnesująca
8. elektroda
11.6. Przepływomierz ultradz
więkowy
Zasada działania bezinwazyjnych przepływomierzy ultradz
więkowych oparta jest na
dwóch metodach: pomiar czasu przejścia fali ultradz
więkowej i efekcie Dopplera.
Rys.46. Schemat jednodrogowego przepływomierza ultradz
więkowego: a) wykorzystującego
pomiar czasu przejścia impulsu, b) dopplerowskiego
Literami A i B oznaczono piezoelektryczne nadajniki, które są jednocześnie odbiornikami fali
ultradz
więkowej dzięki odwracalności efektu piezoelektrycznego.
Pierwszy sposób pozwala wyznaczyć wartość średniej prędkości przepływu strumienia z
poniższej zależności w oparciu o różnicę czasu przejścia fali na drodze AB:
L 1 1
w = ( - )
2cos� t1 t2
gdzie t1 i t2 oznaczają czasy przejścia fali na drodze AB i BA.
Cecha charakterystyczną jest tutaj brak zależności prędkości strumienia od prędkości
rozchodzenia się dz
więku w przepływającym medium (mierzonym ośrodku).
Drugi sposób (rys. b) wykorzystuje efekt Dopplera polegający na różnicy
częstotliwości pomiędzy falą wysłaną, a odbitą od poruszających się cząsteczek. Mogą nimi
być pęcherzyki powietrza, cząstki stałe np. w gazach, wiry zawarte w płynącym strumieniu.
Wartość prędkości przepływu można wyznaczyć z zależności:
c"f
w =
2 f cos�
gdzie: f - częstotliwość fali wysłanej, "f - dopplerowska różnica częstotliwości, c  prędkość
dz
więku w mierzonym ośrodku.
Umożliwiają pomiar przepływu objętościowego, zliczanie objętości, pomiar przepływu
masowego, zliczanie masy, pomiar prędkości przepływu fali ultradz
więkowej w ośrodku.
Pomiar jest niezależny od zmian temperatury cieczy, jej gęstości, ciśnienia i przewodności
elektrycznej. Przepływomierze ultradz
więkowe są dokładne, nie powodują strat ciśnienia,
dokładność lepsza niż 0,5% aktualnej wielkości przepływu, duża stabilność pomiaru.
Przeznaczone są do pomiaru cieczy czystych. Brak części ruchomych zapewnia wysoką
niezawodność.
Przepływomierz ultradz
więkowy firmy Dynasonics
Przepływomierze wykorzystujące efekt Dopplera stosuje się do pomiaru przepływu
cieczy zanieczyszczonych. Ilość stałych zanieczyszczeń powinna być większa od 50 ppm,
jednak nie może przekraczać 3% mierzonego medium. W przypadku cieczy czystych rolę
zanieczyszczeń spełniają zawirowania pojawiające się w strumieniu przepływającego
medium. Z tego powodu zaleca się, aby sondy były montowane nie dalej niż 5 średnic
rurociągu za kolankiem lub innym elementem zakłócającym.
Pomiar czasu przejścia stosuje się do cieczy czystych. Zasada działania oparta jest
na fakcie, że prędkość, z jaką rozchodzi się fala ultradz
więkowa w kierunku zgodnym z
kierunkiem przepływu jest większa, niż gdy fala propaguje w kierunku przeciwnym do
kierunku przepływu medium. Wynikająca z tego różnica czasów przejścia fali od sondy
będącej nadajnikiem fali do odbiornika jest proporcjonalna do przepływu objętościowego. W
zależności od sposobu montażu rozróżniamy metodę przejścia i metodę odbicia, co
pokazuje rys. 47.
a) b)
Rys. 47. Sposoby montażu sond w przypadku a) metody przejścia, b) metody odbicia
Rys. 48. Widok przepływomierza i sposoby montażu sond w metodzie Dopplera dla cieczy
czystych.
Przepływomierz SONOFLO
Wielkość przepływu jest wyznaczana poprzez pomiar różnicy czasu "t przejścia fali
dz
więkowej między sondami w kierunku zgodnym i przeciwnym do kierunku przepływu
cieczy. Średnia wielkość czasu przejścia T reprezentuje wielkość prędkości dz
więku w
ośrodku.
Q = K"t / T2
gdzie: Q  wielkość przepływu, "t  różnica czasu przejścia,
K  współczynnik kalibracji, T  średni czas przejścia fali.
Przetwornik może współpracować z jedna do czterech ścieżek pomiarowych. Zazwyczaj są
dwie ścieżki dz
więkowe równoległe do siebie i w pewnej odległości od osi rurociągu.
11.7. Przepływomierze masowe oparte na powstawaniu sił Coriolisa
Znaczenie pomiarów strumienia masy jest coraz znaczniejsze. Wpływa na to fakt, że
masa określa jednoznacznie ilość materii niezależnie od warunków pomiaru i miejsca, w
którym się go dokonuje. Znając temperaturę i masę przesyłanego medium możemy np.
określić ilość przesyłanej energii. Dzięki swym właściwościom przepływomierze Coriolisa
nadają się do pomiaru przepływu mediów, których nie da się mierzyć metodami
tradycyjnymi, jak: aceton, amoniak, farby, lakiery, szlam węglowy, tworzywa sztuczne,
mydło, żywice, a także czekolada, melasa, majonezy, koncentraty, itp.
Z uwagi na małą gęstość gazów, przepływomierze Coriolisa nie znajdują na razie,
szerokiego zastosowania dla tego rodzaju medium.
Zasada działania
Jeśli ciało o masie m przemieszcza się z prędkością liniową v w układzie, który obraca się w
prędkością kątową �, to działa na nie siła Coriolisa
FC = 2 m � v siną
gdzie ą jest kątem pomiędzy wektorami � i v.
Rys. 49. Siła Coriolisa FC jako wynik superpozycji ruchu postępowego i obrotowego
elementu płynu
Biorąc pod uwagę przekrój poprzeczny rurociągu A możemy określić strumień masy
Qm = v � A
Ponieważ gęstość � można określić wzorem � = "m/A"x, to otrzymamy zależność
"FC
= 2�qm
"x
z której wynika, że siła Coriolisa przypadająca na jednostkę długości przewodnika jest
proporcjonalna do strumienia masy.
W praktyce przy wzorcowaniu przepływomierzy Coriolisa stosuje się równanie
A 1
qm = K
a f
gdzie: A  amplituda drgań wzbudzonych w przepływomierzu, a  amplituda drgań wtórnych,
wywołanych oddziaływaniem sił Coriolisa, f  częstotliwość wzbudzonych drgań, K  stała
wzorcowania.
Stała K jest stała w danej temperaturze. Ze zmiana temperatury następuje zmiana
geometrii przewodu, a zwłaszcza modułu sprężystości materiału rurociągu. Należy, więc
uwzględniać poprawki stałej K ze względu na zmiany temperatury.
Firmą, która pierwsza podjęła seryjną produkcję przepływomierzy opartych o efekt
Coriolisa jest firma Micro-Motion.
Przepływomierze Micro Motion
Układ pomiarowy przepływu tworzy czujnik z przetwornikiem sygnału. Każdy czujnik
składa się z jednej lub dwóch rurek pomiarowych umieszczonych w specjalnej obudowie.
Wewnątrz obudowy czujnika rurki pomiarowe drgają z
częstością własną (rys. A). Drgania te są wymuszane przez
pole elektromagnetyczne wytwarzane przez cewkę
umieszczoną w geometrycznym środku krzywizny zgięcia
rurek. Drgania, podobne do drgań kamertonu, mają
amplitudę mniejszą od 1 mm i częstotliwość około 80 Hz.
Ciecz wpływając do rurki pomiarowej jest zmuszana do
zmiany kierunku przepływu oraz poddawana jest sile w
kierunku pionowym  wynikającej z momentu
pochodzącego od siły drgającej rurki. W czasie ruchu rurki
do góry, w pierwszej połowie cyklu drgań (rys. B), ciecz
wpływająca do czujnika stawia opór i powoduje powstanie
siły skierowanej do dołu. W trakcie tej pierwszej połowy
cyklu drgań ciecz przepływa przez zgięcie rurek i po
przeciwnej stronie wywołuje reakcję tym razem działając na
rurkę w kierunku do góry. Tak powstała para sił pochodząca
od cieczy powoduje skręcenie rurki. W czasie drugiego
półokresu drgań, gdy rurka porusza się do dołu, następuje
jej skręcenie w przeciwnym kierunku. Zjawisko to nosi
nazwę efektu Coriolisa.
Zgodnie z drugą zasadą dynamiki Newtona, kąt skręcenia rurki jest wprost
proporcjonalny do wielkości natężenia masy przez rurkę.
FCoriolisa = 2 m v � �
Elektromagnetyczne detektory prędkości, umieszczone z każdej strony rurki czujnika, mierzą
prędkość drgającej rurki. Przepływ masy jest określany na podstawie pomiaru przesunięcia
czasowego między sygnałami z detektorów prędkości. Przy braku przepływu, nie następuje
skręcenie rurki, a w rezultacie nie ma przesunięcia czasowego sygnałów z detektorów
prędkości. Podczas przepływu pojawia się skręcenie rurki i przesunięcie czasowe sygnałów
z detektorów prędkości, które jest wprost proporcjonalne do natężenia przepływu masy.
Pomiar gęstości
Rurka pomiarowa (lub rurki) jest umocowana na stałe w obudowie czujnika,
natomiast jako całość ma możliwość wykonywania drgań swobodnych. Układ ten można
przedstawić schematycznie, jako masę umocowaną na sprężynie.
Masa wyprowadzona z położenia równowagi będzie
wykonywać drgania harmoniczne o częstotliwości własnej tzw.
rezonansowej. Częstotliwość własna jest funkcją masy układu.
Rurka pomiarowa czujnika typu Coriolis Micro Motion zostaje
wprowadzona w drgania o częstotliwości rezonansowej za pomocą
cewki i układu sprzężenia zwrotnego. Częstotliwość rezonansowa
jest funkcja geometrii układu, sprężystości materiału i masy rurki.
Na masę zespołu rurki składają się: masa rurki i masa cieczy w
rurce. Masa rurki jest stała dla danego typu czujnika. Ponieważ
masa cieczy w rurce jest iloczynem gęstości cieczy i objętości
rurki, a objętość jest stała dla danego typu czujnika, to
częstotliwość drgań zależy od gęstości cieczy. Tak, więc, dla
danego typu czujnika o określonej geometrii, wykonanego z
danego materiału, gęstość cieczy można określić z pomiarów
częstotliwości rezonansowej.
Używając tej samej cewki i dekodera indukcyjnego, można uzyskać sygnał
elektryczny odpowiadający częstotliwości rezonansowej drgań. Dodatkowo zastosowany
czujnik temperatury pozwala wyeliminować zmiany modułu sprężystości związane ze
zmianą temperatury.
Pomiary częstotliwości rezonansowej czujnika i temperatury są wykonywane
okresowo. Gęstość cieczy wyznacza się korzystając z liniowej zależności między gęstością,
a częstotliwością rezonansową i stałymi kalibracyjnymi. Przy użyciu tych informacji, na
wyjściu otrzymywany jest sygnał reprezentujący gęstość płynu.
Przepływomierz masowy TM
Zasada działania przepływomierzy masowych TME oparta jest na powstawaniu sił
Coriolisa podczas przepływu medium przez element pomiarowy, którym jest rurka (bądz

dwie) wygięta w kształcie litery &! omega.
1, 2  rurki pomiarowe 1  przyłącza 7  cewka generująca sygnał
RS1, RS2  czujniki indukcyjne 2  elementy wejścia 8  cewka indukcyjna RS2
Q  przepływ 3  obudowa 9  obudowa przetwornika
4  rurki pomiarowe 10  wewnętrzna obudowa
�  prędkość kątowa
modułu przetwarzającego
5  czujnik temperatury
F  siła Coriolisa
C
11  moduł przetwarzający
6  cewka indukcyjna RS1
12- przykrywka miernika
Na środku elementu pomiarowego umieszczona jest cewka generująca sygnał
sinusoidalny, a dwie cewki indukcyjne umieszczone są po bokach.
Przy braku przepływu cewki indukcyjne RS1, RS2
odbierają generowany sygnał zgodny w fazie i o
jednakowej częstotliwości. Pojawienie się przepływu
powoduje, że powstające na zakrzywionych fragmentach
elementu pomiarowego siły Coriolisa powodują
przesunięcie w fazie sygnału pochodzącego od cewek
RS1 i RS2. Przesunięcie fazowe A jest proporcjonalne
do masy przepływającego medium.
Wskazywany przepływ masowy nie zależy od
przewodności, gęstości, temperatury, ciśnienia i lepkości
mediów.
Zestawienie przepływomierzy wg wielkości sprzedaży
Metoda pomiaru 2003 2001 Zmiana
2001-2003
Indukcyjne 1. 1 0
Przepływu masowego 2. 4 +2
Turbinki 3. 3 0
Kryzy pomiarowe 4. 2 -2
Coriolsa 5. 5 0
Komorowe 6. 10 +4
Vortex 7. 7 0
Ultradz
więkowe 8. 11 +3
Annubar 9. 8 -1
Rurka Pilota 10. 13 +3
Zwężka Venturiego 11. 6 -5
Dysze pomiarowe 12. 12 0
Termiczne 13. 9 -4
Kryzy pierścieniowe 14. 15 +1
Zasadnicze właściwości i czynniki wpływające na decyzję o zakupie
2001 2002
Niezawodność 94% 88%
Dokładność 79 75
A
atwość kalibracji 86 73
Wykrywanie usterek OnLine 70 69
Niskie koszty posiadania 65 64
Komunikacja cyfrowa 39 48
A
atwość instalacji 41 48
Nieinwazyjność pomiaru 36 38
Porównanie aplikacji dla nowoczesnych metod pomiaru natężenia przepływu
Metod pomiaru Sprawdzone aplikacje Wady
Czyste ciecze i gazy o odpowiednio Przy zastosowaniu do pomiarów
Coriolis
dużej prędkości przepływu, przepływu w rurach o średnicy 4
umożliwiającej działanie miernika w cale i większych staje się drogi i
rurach o średnicy 2 cale i mniejszych. niewygodny w obsłudze. Wysoki
Stosowane gdy wymagane są wysokie koszt zakupu. Dostępne są tańsze
parametry metrologiczne innego rodzaju.
Ciecze przewodzące, których działanie Nie można mierzyć przepływu
Indukcyjne
korozyjne nie uszkodzi wyłożenia lub węglowodorów i innych płynów
powłoki elektrod. Przepływająca ciecz nieprzewodzacych, gazów i par
całkowicie wypełnia rurę.
Czyste, płynące bez zawirowań ciecze W celu uzyskania wyższej
Ultradz
więkowe
lub gazy o znanym profilu prędkości w dokładności może być potrzebne
przekroju poprzecznym użycie miernika wielokanałowego.
Większość mocowanych zaciskowo
na rurociągu ma mniejszą
dokładność niż mierniki stanowiące
segment rurociągu.
Czyste, o niskiej lepkości ciecze, gazy Trudność pomiaru przepływu
Vortex
lub pary płynące bez zawirowań ze płynów przy małych prędkościach.
średnia lub dużą prędkością. Zwykle pewien problem stanowią
wibracje mechaniczne i inne
zakłócenia (hałas).
Porównanie aplikacji dla tradycyjnych metod pomiaru natężenia przepływu
Metod pomiaru Sprawdzone aplikacje Wady
Czyste ciecze, pary i gazy, przy niskich i Powoduje straty ciśnienia. Zwężki
Różnicy ciśnień
średnich wymaganiach dokładności pomiarowe są narażone na
pomiaru. uszkodzenia i zużycie.
Czyste nie agresywne ciecze, ciecze Części ruchome narażone są na
Komorowe
lepkie i gazy o małym natężeniu zużycie.
przepływu.
Czyste, o ustalonym stanie ciecze i gazy, Narażone na zużycie są łożyska.
Turbinkowe
o średniej i dużej prędkości przepływu. Możliwości pomiaru są ograniczone
przy występowaniu zanieczyszczeń.
Czyste gazy o znanym współczynniku Mała lub średnia dokładność
Termiczne
przejmowania ciepła. pomiaru. Ograniczona możliwość
pomiaru przepływu cieczy.
Cena jednego przepływomierza wynosi średnio 1700 dolarów.
Pomiary momentu obrotowego
Pomiar momentu obrotowego (skręcającego) na wale okrętowym odgrywa niezwykle
istotną rolę zarówno z punktu widzenia eksploatacji silnika okrętowego jak również z punktu
widzenia prowadzenia jego automatycznego sterowania. W chwili obecnej istnieje bardzo
wiele metod pomiaru momentu obrotowego (skręcającego) na wale. Każda z tych metod
posiada określone zalety i wady.
Przegląd metod pomiarowych
O wielkości momentu obrotowego można wnioskować na podstawie pomiaru
parametrów pośrednich charakteryzujących obciążenie silnika takich jak przemieszczenie
listwy paliwowej, temperatura gazów wylotowych lub w sposób bezpośredni przez
wykorzystanie czujników momentu (torsjometrów). W zależności od zasady działania
rozróżnia się czujniki elektryczne, mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne i optyczne. W
warunkach eksploatacji statku znalazły zastosowanie przede wszystkim czujniki elektryczne
tzn. pracujące w oparciu o zasadę przekształcania momentu obrotowego w sygnał
elektryczny. Można je podzielić na pracujące w oparciu o:
" metody wykorzystujące pomiar kątowego skręcenia wału ( np torsjometry
fazometryczne firmy Jungner, Mitsui Shipbulding and Enginering Co. Ltd, Furuno,
torsjometry strunowe firmy Maihak)
" metody oparte na pomiarze deformacji skręcanego wału (torsjometryczne i
magnetosprężyste)
Informacja z wału o wielkości momentu obrotowego może być przekazywana z
wykorzystaniem pierścieni ślizgowych lub bezstykowo. Z uwagi na bardzo trudne warunki
eksploatacji torsjometrów na statkach dalszej analizie będą podlegały tylko metody
bezstykowe, które są w stanie zabezpieczyć bezawaryjną i dokładną pracę; można je
podzielić na dwie podgrupy tzn. z indukcyjnym i radiotelemetrycznym sposobem
przekazywania informacji z wirującego wału do przyrządu pomiarowego. W chwili obecnej
szerokie zastosowanie na statkach znalazły metody indukcyjne.
Moment obrotowy należy do najważniejszych wskaz
ników pracy silnika. Wraz z
prędkością obrotową służy do wyznaczania mocy silnika.
Większość pomiarów momentu obrotowego bądz
skręcającego (z punktu widzenia
pomiaru między oboma przypadkami nie ma większych różnic) opiera się na określeniu
skręcenia wału na odcinku pomiarowym l o kąt � powstałego na skutek działania pary sił F
�
�
�
na pewnym ramieniu (rys. 30.).
Rys.30. Schemat czystego skręcania wału; d  średnica wału, l  długość pomiarowa, F  siła
wytwarzająca moment Ms, � - kąt skręcenia. Szczegół b został przedstawiony na rysunku 32.
Skręcenie wału jest skutkiem właściwości materiału, z którego jest on wykonany. Praktycznie
wszystkie znane materiały posiadają, przy pewnym poziomie obciążenia, zdolność do tzw.
odkształceń sprężystych, które ustają wraz z ustaniem działania obciążenia (sił
wywołujących to obciążenie). Zaobserwowano również, że odkształcenie materiału, a w
rozpatrywanym przypadku skręcenie wału o kat Ć, jest proporcjonalne do sił obciążających.
M �"l
s
� =
G �" Io
gdzie:
G (N/m2)  moduł odkształcenia postaciowego (Kirchhoffa), będący odpowiednikiem modułu
Younga dla skręcania (dla stali wynosi 8,14�"1010 Pa),
Io (m4)  biegunowy moment bezwładności przekroju poprzecznego wału, dla wału pełnego
wynosi:
4
Ą �" d
Io =
32
d (m)  średnica wału,
Ms (Nm)  moment skręcający,
l (m)  odległość pomiarowa.
Określenie kąta skręcenia wału opiera się o pewne konieczne uproszczenia, które już na
wstępie ograniczają dokładność pomiarów.
Kąt � jest kątem środkowym powstałym po skręceniu wału, a ze względu na bardzo małe
przemieszczenie kątowe, odległość "l jest zwykle aproksymowana z długości łuku do
długości odcinka  rys.31.
�
"l = 2R �"tg
2
27
Rys.31. Graficzne zobrazowanie uproszczeń geometrycznych stosowanych przy pomiarze
momentu skręcającego metodą skręcenia wału. � - kąt środkowy odkształcenia wału, "l 
obwodowe przesunięcie cząsteczki wału przybliżone do przesunięcia liniowego
Jednocześnie, dla małych kątów, przyjęto uproszczenie przybliżające wartość tangensa
połowy kąta � do wartości połowy kąta �.
� �
tg E"
2 2
gdzie:
R  promień wału,
"l  obwodowe przemieszczenie elementu powierzchni wału w wyniku skręcenia,
przybliżone do przemieszczenia liniowego,
Biorąc pod uwagę obie zależności otrzymamy równanie:
"l E" R �"�
Powstała w ten sposób zależność umożliwia praktyczne zastosowanie poniżej opisanych
metod pomiarowych.
Podstawowym problemem podczas pomiaru momentu jest przesyłanie sygnału
pomiarowego z wirującego wału do przetwornika znajdującego się w spoczynku. Do lat
osiemdziesiątych powszechnie była stosowana metoda przesyłania informacji w postaci
sygnału elektrycznego za pomocą pierścieni ślizgowych. Powodowało to powstawanie wielu
szumów i niedokładności. W warunkach okrętowych pierścienie szybko się zanieczyszczały i
zużywały. Obecnie stosuje się tzw. bezstykowe metody przesyłania sygnału, za pomocą
modulacji pola magnetycznego lub drogą radiową.
Pomiaru momentu obrotowego na statkach jest najczęściej stosowany podczas prób
morskich przez specjalnie wyszkolonych specjalistów za pomocą przyrządów przenośnych.
Pomiary tensometryczne
W tym pomiarze wykorzystuje się dwie właściwości materiałów przewodzących prąd
elektryczny, wykorzystywanych przy wytwarzaniu czujników tensometrycznych:
1. zależność oporu przewodnika od jego przekroju wyrażoną wzorem:
lo
R = � �"
so
gdzie:
R  opór elektryczny,
lo  długość przewodnika,
so  pole przekroju przewodnika,
� - opór właściwy (zależy od materiału, z którego wykonano przewodnik)
28
2. jednoczesnego wydłużenia ("l) i przewężenia ("d) materiału przy obciążeniu go siłą
rozciągającą F określają wzory:
F �"lo
"l =
E �" so
do �" "l �"�
"d =
lo
gdzie:
lo i do  wymiary początkowe przewodnika,
E  moduł Younga,
� - współczynnik Poissona
Zatem zmiana oporu czujnika tensometrycznego zależy bezpośrednio od zmiany jego
"R = f ("l, "d)
wymiarów:
Podczas skręcania pojedynczy element powierzchni wału ulega deformacji (rys.32).
Występują wówczas, w obrębie tego elementu zarówno naprężenia ściskające jak i
rozciągające (będące w rzeczywistości przyczyną powyższej deformacji).
Uwzględniając powyższe zależności została opracowana metoda, w której na powierzchnię
wału nakleja się element tensometryczny. Taki element wykonywany jest w postaci kilku, do
kilkunastu równoległych odcinków przewodnika. Dodatkowo w celu zniwelowania wpływu
innych obciążeń niż styczne, pochodzące od momentu obrotowego, czujniki wykonuje się w
postaci mostka elektrycznego z czterech elementów położonych pod kątem 45o do osi
czujnika i tworzącej wału, zatem równolegle do występujących naprężeń stycznych.
Rys.32. Mechanizm deformacji powierzchni wału podczas skręcania
Mocowanie czujnika dokonuje się za pomocą specjalnych klejów ceramicznych. Klej
musi charakteryzować się zdolnością do wiernego przenoszenia naprężeń z wału na
tensometr (nie może być zbyt elastyczny). Dodatkowo stosowane kleje powinny być
izolatorami elektrycznymi, a jednocześnie wskazana jest ich dobra przewodność cieplna, nie
powinny być higroskopijne. Spoina powinna być możliwie cienka, równomierna i pewna.
Dużym problemem w pomiarach tensometrycznych momentu jest zjawisko nagrzewania
się czujnika w wyniku wydzielania się tzw. ciepła Joule a. Dochodzi wówczas do znacznego
nieraz zafałszowania wyniku pomiaru (na skutek zmiany oporności czujnika ze zmianą jego
temperatury). Przeciwdziała się temu stosując obniżone napięcia zasilania rzędu kilku wolt,
lub zasilanie napięciem zmiennym bądz
impulsowym. Zmniejszony jest wtedy znacznie czas
nagrzewania czujnika przy jednoczesnym wydłużeniu okresu studzenia (w tym celu
pożądana jest dobra przewodność cieplna podłoża klejowego).
29
Rys.33. Przykład pojedynczego czujnika tensometrycznego i zamontowanego mostka
tensometrycznego na wale
W praktyce okrętowej, o ile zastosowany jest na statku pomiar momentu, zwykle
przyrząd jest już odpowiednio zamocowany i wyskalowany, zatem jego regulacja jest
zbędna. Należy jednak pamiętać o zjawisku płynięcia czujników tensometrycznych. Objawia
się ono samoistną zmianą w czasie punktu zerowego dla zerowego obciążenia, co sprawia
konieczność okresowego ich skalowania.
Transmisja sygnału pomiarowego i napięcia może się odbywać za pomocą pierścieni
ślizgowych i szczotek grafitowych, jednak powoduje to problemy opisane we wstępie do tego
tematu.
Przykład pomiaru momentu obrotowego na statku m/s WINETA
Wartość momentu obrotowego wyznaczana była przez pomiar naprężeń pojawiających
się przy skręcaniu wału śrubowego. Zrealizowano to przy pomocy tensometrów
elektrooporowych typu ES 1763 o rezystancji 600 Ohm.
Układ pomiarowy przedstawiony jest na rys.3
W skład układu wchodzą:
1. tensometry naklejone na wale śrubowym
2. przetwornik zmian rezystancji mostka na częstotliwość
3. zasilacz prostownika
4. uzwojenia transformatora wirującego na wale (zasilające i sygnału mierzonego)
5. uzwojenia stałe transformatora (przekazujące zasilanie i odbierające sygnał
mierzony)
6. panel przetwornika zamieniający częstotliwość na napięcie
30
Rys. Schemat blokowy i zdjęcia układu pomiarowego momentu obrotowego
Zmiany rezystancji mostka tensometrycznego sterują częstotliwością generatora (4  8)
kHz, następnie sygnał częstotliwościowy przekazywany jest do uzwojenia transformatora
wirującego na wale śrubowym i dalej na drodze indukcji przekazywany jest do uzwojenia
wtórnego umieszczonego pomiędzy odpowiednio ukształtowanymi nabiegunnikami w pobliżu
obracającego się wału. Sygnał zmiany częstotliwości proporcjonalny do wartości momentu
obrotowego zostaje przetworzony na napięcie stałe z zakresu (0  10)V i podany poprzez
przetwornik A/C do komputera wyznaczającego 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
Skręcenie wału na odcinku pomiarowym L jest przenoszone na dwie tarcze na nim
zamocowane, w których na obwodzie są umieszczone wycięcia bądz
rysy na
przez
roczystym tle. Rozkład rys na obu tarczach jest równomierny i są one tak ustawione
względem siebie, aby patrząc wzdłuż osi wału były widoczne na przemian rysy z jednej
tarczy i z drugiej tarczy  rys. 34.
31
Rys. 34. Optoelektroniczna metoda pomiaru momentu obrotowego; a) rozmieszczenie
tarcz zębatych na wale, b) położenie zębów tarczy przy zerowym momencie obrotowym i
różnym od zera, c) przebieg prądu wyjściowego detektora dla zerowego momentu
obrotowego i różnego od zera
Poza wirującym wałem zamocowany jest układ optyczny składający się z diody
nadawczej (przeważnie pracującej w podczerwieni) i detektora emitowanego przez diodę
światła.
Dla nieobciążonego wału pomiędzy okresami przechodzenia przez wiązkę światła
poszczególnych rys występują równomierne odstępy czasu, gdy detektor jest wzbudzony.
Powstanie obciążenia wału powoduje jego skręcenie i w efekcie przemieszczenie się
wzajemne rys w taki sposób, że w obrębie jednej rysy szczelina znajdująca się z przodu w
stosunku do kierunku obrotu wału zmniejsza się, zaś będąca z tyłu zwiększa się. W efekcie
pojawia się różnica w czasie wzbudzenia detektora będąca odpowiednikiem kąta skręcenia
wału. Wartość momentu obrotowego można wyznaczyć z zależności:
k(T1 - T2 )
M =
n
gdzie: k  współczynnik będący funkcją parametrów konstrukcyjnych wału oraz tarcz, n 
prędkość obrotowa wału, T1,T2  czasy trwania impulsów prądu ID
Jest to dość nowoczesny sposób pomiaru stosunkowo prosty i tani. Dokładność pomiaru
zależy od dokładności wykonania i osadzenia tarczy pomiarowych oraz rozdzielczości układu
optycznego; niedokładność pomiaru wynosi 2...3%. Dużą zaletą jest wyeliminowanie
wirujących elementów elektronicznego układu pomiarowego, a zastosowanie optycznego
odczytu obniża znacznie poziom szumów.
Metoda akustyczna
Metodę akustyczną (drganiową) pomiaru momentu zastosowano przy konstrukcji
torsjometru Maihaka.
Układ pomiarowy składa się z dwóch podzespołów: część pomiarowa zamocowana na
wale wraz z zespołem pierścieni ślizgowych, oraz część porównywania i odczytu sygnału.
Na wale zamocowane są dwie obręcze w odległości pomiarowej L. Między nimi są rozpięte
dwie struny wstępnie napięte. Są one zamocowane w taki sposób, aby podczas skręcania
wału napięcie jednej ze strun wzrastało, zaś drugiej malało (używa się określenia  struna
ściskana , co nie jest prawdą, ale obrazuje proces skracania struny). Stosowanie dwóch
32
strun ma na celu eliminację innych odkształceń wału niż pochodzące od momentu
skręcającego.
Nad strunami są umieszczone po dwa elektromagnesy, z których jeden generuje pole
magnetyczne. Struna pełni rolę zwory, która zamyka obieg magnetowodu przekazując
strumień magnetyczny do drugiego elektromagnesu. Ponieważ struna jest wprowadzona w
ruch drgający, zatem do cewki odbiorczej dociera pole magnetyczne zmodulowane do
częstości drgań struny  generuje, zatem w niej siłę elektromotoryczną o tej samej
częstotliwości. W miarę jak w wyniku działających naprężeń długość struny ulega zmianie, to
zmienia się też jej częstotliwość drgań własnych, która zależy wyłącznie od długości struny:
1 F
f =
2 �" l s �" �
gdzie:
l  długość struny,
F  siła rozciągająca strunę,
s  pole przekroju struny,
� - gęstość materiału struny.
Sygnał elektryczny z cewki odbiorczej jest przesyłany poprzez pierścienie ślizgowe do
układu porównawczego i po wzmocnieniu jest obrazowany na lampie oscyloskopowej.
Jednocześnie z pomiarem momentu na wale obsługa stanowiska pomiarowego dokonuje
strojenia analogicznego zespołu pomiarowego za pomocą śruby mikrometrycznej
znajdującej się w zestawie. Sygnał porównawczy jest również podawany na wejście lampy
oscyloskopowej, co skutkuje pojawieniem się na ekranie zwielokrotnionych pętli eliptycznych.
Zrównanie częstotliwości wzorcowej z sygnałem pochodzącym z wału powoduje
znieruchomienie obrazu na lampie i powstanie pojedynczej elipsy (może to być również
okrąg lub odcinek). Należy wówczas odczytać wartość na skali śruby mikrometrycznej, która
jest proporcjonalna do długości struny po wydłużeniu.
Pomiar momentu na wale polega na wycechowaniu wstępnego napięcia struny, gdy wał
jest jeszcze w spoczynku, następnie należy dokonać pomiaru dla obciążenia wału
momentem obrotowym. Różnice we wskazaniach przyrządu obrazują wydłużenie względne
struny (proporcjonalne do działającego momentu). Wynik uzyskuje się poprzez obliczenie
momentu z zależności:
G �" Io
M = C �" "S �"
R �"l
gdzie:
C  stała cechowania czujnika,
"S  różnica odczytów: zerowego i dla wału obciążonego.
W celu określenia mocy układu wystarczy określić prędkość obrotową, przy której został
zmierzony moment obrotowy i skorzystać z odpowiedniej zależności.
N = 2Ą M n
Torsjometr Maihaka, w wykonaniu wyżej opisanym, jest przyrządem dostatecznie
dokładnym (błąd poniżej 2%), by jednorazowo określić parametry układu napędowego w
pewnym przedziale czasu (np. 1 minuty) uśredniając uzyskany wynik. Nie nadaje się
natomiast do ciągłych pomiarów wielkości chwilowych. Dodatkowo wymaga dużej wprawy
przy odczytywaniu wyników z lampy, co może powodować znaczny błąd pomiaru.
Współcześnie stosowane zestawy pomiarowe (wykorzystywane m. in. przez Stocznię
Szczecińską S.A.) wyposażone są w cyfrowe układy obliczeniowe, które znacznie
upraszczają procedurę przygotowania wyników pomiaru. Układ porównawczy działa
33
wówczas automatycznie z pominięciem lampy oscyloskopowej i zawodnego odczytu wyniku
przez człowieka. Możliwe jest wówczas zastosowanie ciągłego odczytu wartości mierzonej i
tworzenie tzw. histogramów znacznie zwiększających możliwości diagnostyczne.
Przyrządy do pomiaru momentu obrotowego (zwane torsjometrami) nie są powszechnie
stosowane na statkach, co utrudnia określenie mocy użytecznej napędów głównych. Taka
sytuacja powoduje, że obciążenie silnika określa się za pomocą parametrów pośrednich, jak:
dawka paliwa podawana do silnika (przemieszczenie listwy paliwowej regulatora
prędkości obrotowej), temperatura spalin, prędkość obrotowa turbosprężarek, prędkość
statku, co jest mało dokładne i może prowadzić do przeciążenia silnika momentem
obrotowym zwłaszcza przy małych prędkościach obrotowych.
Mała powszechność torsjometrów jest spowodowana nie tylko stosunkowo wysokim
kosztem zakupu, ale przede wszystkim skomplikowaną obsługą i trudnościami w eksploatacji
(potrzeba częstego skalowania ze względu na przesunięcia charakterystyki głównie punktu
zerowego).
34