1
PRZEMYSA
OWY POMIAR PRZEPA
YWU CIECZY
1. Wprowadzenie.
Pomiar przepływu płynów ( cieczy, zawiesin, par i gazów ) ma istotne znaczenie w wielu
procesach przemysłowych i innych gałęziach życia. Polega on na określeniu średniej prędkości
przepływu � [m/s] albo ilości przepływającego medium jako masowego QM [kg/s] lub
objętościowego QV [m3/s] natężenia przepływu. Najczęściej w praktyce dokonuje się pomiarów
przepływu cieczy (wody, paliw płynnych, pary wodnej ) w rurociągach o przekroju kołowym.
Znając pole przekroju wewnętrznego A ( średnicę wewnętrzną DN ) rurociągu i prędkość
przepływu � można jednoznacznie określić przepływ objętościowy QV ( objętościowe natężenie
przepływu ), a jeśli znana jest także gęstość � mierzonego medium to można łatwo określić
przepływ masowy QM. ( masowe natężenie przepływu ). Wynika to z relacji:
V Ą �" DN 2 Ą# ń#
m3
QV = = A �"� = �"�ó# Ą# ( 1 ),
t 4 s
Ł# Ś#
m � �"V kg
Ą# ń#
QM = = = � �" QV ó# Ą# ( 2 ).
t t s
Ł# Ś#
Z relacji ( 1 ) i ( 2 ) wynika natężenie przepływu zależy zawsze od prędkości przepływu �.
Jednak rozkład wartości tej prędkości w przekroju rurociągu nie jest jednostajny co
spowodowane jest niejednakowym oddziaływaniem na cząsteczki płynu sił bezwładności,
lepkości i napięcia powierzchniowego. Ponadto siły te w różnym stopniu zależą od prędkości
przepływu oraz od temperatury płynu. Powoduje to tory ruchu cząstek płynu (strugi ) oraz ich
prędkości nie są jednakowe przy różnych średnich prędkościach płynu. W praktyce przyjmuje
się zwykle dwa rodzaje charakteru ruchu płynu w rurociągu: spokojny ( laminarny )  rozkład
prędkości w przekroju rurociągu jest w przybliżeniu paraboliczny jak na rys.1b oraz przepływ
burzliwy ( turbulentny )  rozkład prędkości jest zbliżony do prostokątnego , strugi płynu są
zawirowane jak na rys.1a.
b)
a)
y
�
�
x
lstab
Rys.1. Rozkład prędkości cieczy w przekroju poprzecznym rurociągu ;
a) dla przepływu burzliwego,
b) dla przepływu laminarnego lub ustabilizowanego w odległości lstab e" ( 3 � 5 )�"DN od z
ródła
zaburzającego przepływ.
Rozkład prędkości strugi płynu w przekroju rurociągu dla przepływu laminarnego można
opisać zależnością:
2
Ą# ń#
�# ś#
2 �" y
ó#
�y = �0 �" 1 - ś# ź# Ą# ( 3 )
DN Ą#
�# #
ó#
Ł# Ś#
N
D
 2
gdzie �0- prędkość strugi w środku przekroju ,
�y - prędkość strugi w odległości y od środka przekroju .
Prędkość średnia przepływu laminarnego jest równa:
1
( 4 ).
� = �"�0
2
Charakter przepływu płynu w rurociągu zależy od prędkości przepływu � , średnicy rurociągu
DN , gęstości i lepkości płynu. Może on być określony liczbą kryterialną ( liczbą podobieństwa )
Reynolds a Re:
� �" DN �" �
Re = ( 5 )
�
przy czym �[P] - lepkość dynamiczna płynu, 1 [P.].(pauz) = 1�"10-1 [kg/m�"s] ,
1[cP] = 10-3 [kg/m�"s] = 1�"10-3[Pa�"s].
Za równo gęstość � jak i lepkość dynamiczna płynu � zależy od jego temperatury Ń.
Na rys.2 i rys.3 przedstawiono odpowiednio te zależności dla wody w zakresie temperatur
( 0 � 100 ) �C
[kg/dm3]
�
WODA
1,0050
1,0000
0,9950
0,9900
0,9850
0,9800
0,9750
0,9700
0,9650
0,9600
Ń
0,9550
[0C]
100
020 4060 80
Rys.2. Zależność gęstości wody od temperatury.
Gęstość wody dla temperatur Ń = ( 0 � 100 )�C można opisać przybliżoną zależnością:
 3
kg
2 3
( )
� H" {1,00001+ 1,80088�"10-5 �"Ń - 5,87271�"10-6 �"Ń + 1,54127 �"10-8 �"Ń }�"10-3 6
m3
[cP] �
WODA
2,0000
1,8000
1,6000
1,4000
1,2000
1,0000
0,8000
0,6000
0,4000
0,2000
Ń
0,0000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100[0C]
Rys.3. Zależność lepkości dynamicznej wody od temperatury.
Lepkości dynamiczną � [cP] wody dla temperatur Ń = (0 �100)�C można opisać przybliżoną
zależnością:
kg
2 3
� H" {1,76201- 4,7604 �"10-2 �"Ń + 5,9156�"10-4 �"Ń - 2,6624 �"10-6 �"Ń }�"10-3(7)
m�" s
W temperaturze 20,2�C dla wody jest � = 1,0000 [kg/m�"s], a w temperaturze 4�C gęstość
wody osiąga wartość maksymalną � = 1,0000�"10-3 [kg/m3].
Z zależności ( 5 ) można dla danej średnicy DN rurociągu wyznaczyć maksymalną wartość
średniej prędkości przepływu � przy, której jest on jeszcze laminarny ( brak zawirowań
i turbulencji  Re .d" 2100 ). Przy wartościach liczby Reynolds a Re > 3000 przepływ cieczy
w rurociągu jest zawsze burzliwy. Zakres liczb Reynolds a 2100< Re< 3000 należy traktować
jako przejściowy ( niestabilny charakter przepływu ). Ma to istotne znaczenie przy doborze
konstrukcji przyrządów do pomiaru przepływu. Jeśli przepływ ma być mierzony przyrządami
reagującymi na prędkość przepływu to należy tak dobierać parametry rurociągu i miejsca
pomiaru , aby przepływ był laminarny (rys.1b), zaś przyrządy reagujące na turbulencje ( ich siłę
lub częstotliwość ) należy dobrać warunki pomiaru tak, aby czujnik przyrządu pomiarowego
znajdował się w strefie przepływu burzliwego. Zwykle dobór warunków przepływu sprowadza
się do doboru średnicy rurociągu DN na podstawie zależności ( 5 ).
Na podstawie zależności ( 5 ) po uwzględnieniu w niej zależności gęstości i lepkości
dynamicznej od temperatury można określić zależność liczby Reynoldsa od temperatury:
 4
Re(Ń ) = k(Ń) �"� �" D ( 8 ).
Na rys.5 pokazano zależność współczynnika k(Ń) dla wody w zakresie temperatur
( 0 �100 )�C oraz opisano przybliżoną zależnością ( 9 ).
[s/m2]
k(Ń)
4.00
3.90
3.80
WODA
3.70
3.60
3.50
3.40
3.30
3.20
3.10
3.00
2.90
2.80
2.70
2.60
2.50
2.40
2.30
2.20
2.10
2.00
1.90
1.80
1.70
1.60
1.50
1.40
1.30
1.20
1.10
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10 Ń
0.00
[oC]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rys.5. Zależność współczynnika k( Ń ) od temperatury dla wody.
Współczynnik k(Ń) dla wody w zakresie temperatur ( 0 �100�C) opisuje przybliżona
zależność:
2
( )
k Ń H" 0,549304 + 0,021008�"Ń + 8,91345�"10-5 �"Ń ( 9 ).
Podane przybliżone zależności dla przebiegów pokazanych na rysunkach (rys.3, rys.4 i rys.5)
mogą być wykorzystane przy wyznaczaniu błędów temperaturowych przepływomierzy.
Do pomiaru przepływu mogą być wykorzystywane różnego rodzaju przepływomierze np.:
" przepływomierze cieplne ( przepływomierze kalorymetryczne i termoanemometry ),
w których wykorzystuje się efekty wymiany ciepła pomiędzy badanym płynem
i grzejnikiem pomiarowym przy stałej mocy grzejnika lub stałym przyroście temperatury
badanego płynu.
 5
" rotametry ( pomiary małych przepływów w rurociągach pionowych) pracujące przy stałej
różnicy ciśnień na zasadzie ciała unoszonego ciała obrotowego (pływaka ),
" przepływomierze mechaniczne, w których badany płyn przepływając napędza turbinkę
mechanicznego urządzenia liczącego,
" kryzy pomiarowe - specjalnie dobrane przewężenia w rurociągu np. przesłona
z centralnym otworem ( kryza normalna ) ,
" rurki spiętrzające np. rurka Pitot a, rurka Prandtla stanowiące przeszkodę w rurociągu ,
w których wykorzystuje się różnicę ciśnień płynu przed i za przeszkodą , którą jest
specjalna rurka z przegrodą i otworkami,
" przepływomierze elektromagnetycznei dla płynów o dostatecznej przewodności
elektrycznej, w których wykorzystuje się efekt Faraday a polegający na indukowaniu
w płynie siły elektromotorycznej w płaszczyz
nie prostopadłej do kierunku przepływu
i pola magnetycznego,
" przepływomierze wirowe ( czujnikami wirów  wiroczułe ) , które reagują na
częstotliwość powstających wirów i turbulencji w badanym płynie w pobliżu specjalnie
ukształtowanego elementu czujnika stanowiącego przeszkodę w przepływie,
" przepływomierze wibracyjne działające na zasadzie zmiany częstotliwości rezonansowej
drgającego elementu czujnika wywoływane siłą bezwładności przepływającego płynu,
" przepływomierze ultradz
więkowe działające najczęściej na zasadzie pomiaru czasu
przebiegu fali dz
więkowej w badanym płynie,
" przepływomierze odśrodkowe ( masowe ) wykorzystujące efekty odkształceniowe
powodowane siłami Coriolisa w wyniku przepływu badanej cieczy przez zakrzywione
odcinek rurociągu, których sygnałem pomiarowym jest odkształcenie tego odcinka rurociągu
lub siła odśrodkowa działająca na czujnik umieszczony na jego ścianie.
Pomiary przepływu w przemyśle często odbywają się w niekorzystnych warunkach ( szeroki
zakres mierzonych przepływów przy jednocześnie dużej ich zmienności w czasie ,
zanieczyszczenia ciałami stałymi stanowiącymi zawiesiny, zmiany temperatury badanego płynu,
agresywność chemiczna itp.) przy czym wymagana jest stosunkowo wysoka dokładność
pomiaru, niezawodnośći pracy przepływomierza oraz prostota jego montażu i obsługi. Z tego
względu w przemysłowych pomiarach przepływu popularne są przepływomierze turbinkowe,
kryzy pomiarowe, rurki spiętrzające, przepływomierze elektromagnetyczne oraz
przepływomierze wirowe.
W dalszym ciągu ogólnie opisano przemysłowe przepływomierze do pomiaru przepływu
wody wchodzące w skład stanowiska laboratoryjnego.
2. Przepływomierz zwężkowy  kryza normalna.
Zmiana przekroju przewodu w zwężkach pomiarowych może być ciągła ( zwężka
Venturiego ) lub skokowa ( kryza normalna ). Przepływający przez przewężenie płyn zmienia
swoją prędkość i ciśnienie zgodnie z prawem Bernoulli ego:
�12 p1 �2 p2
+ = + = const ( 10 )
2 � 2 �
przy czym spełniona jest zależność
�1 �" A1 = �2 �" A2 = const ( 11 ).
Dla rurociągu o przekroju krągłym - �1 �" D12 = �2 �" D2 2 = const.
 6
Kryza pomiarowa charakteryzuje się skokową zmianą przekroju dla przepływu , którą określa
2
d
stopień otwarcia kryzy m = ( oznaczenia jak na rys.6 ).
DN 2
Na rys.6 pokazano szkic konstrukcji kryzy normalnej oraz symbolicznie przedstawiono
kierunki strug płynu w obszarze kryzy. Oznaczenia z indeksem dolnym  m. dotyczą wartości
ekstremalnych ( są one różne od obliczonych dla średnicy przekroju d i zależą od prędkości
przepływu , stąd w praktyce konieczne jest wzorcowanie kryzy ).
a)
�
�
DN d
�m dm
p1 p2
strata ciśnienia "p'
"p
b)
p1
p
p'
p2m
przebieg ciśnienia przy ścianie rurociągu
przebieg ciśnienia w osi rurociągu
Rys.6. Szkic konstrukcji kryzy normalnej a) i rozkład ciśnień strugi w obszarze kryzy b).
Dla konstrukcji jak na rys.6 na podstawie prawa Bernoulli ego można napisać dla ciśnień
�2 �" �
na wylotach pomiarowych: "p = p1 - p2 = pdyn = ( 12 )
2
przy czym p1, p2 ciśnienia całkowite ( ciśnienie całkowite jest sumą ciśnienia statycznego
i dynamicznego). Z zależności ( 12 ) można wyznaczyć średnią prędkość przepływu � :
"p
� = Kk �" ( 13 )
�
gdzie Kk  współczynnik zależny od konstrukcji kryzy pomiarowej.
Zależność ( 13 ) określa charakterystykę kryzy pomiarowej, korzystając z zależności
wcześniej podanych można wyznaczyć przepływ masowy lub objętościowy. Jest ona spełniona
dla określonej temperatury płynu i określonego przedziału jego prędkości , a więc przy
niezmiennym charakterze przepływu. Przy dużych zmianach temperatury płynu należy
 7
wprowadzić do zależności wprowadzić współczynniki korekcyjne, które można wyznaczyć
metodą wzorcowania w różnych temperaturach. W praktyce podawane są one w formie
wykresów lub tabel. Współczesne manometry różnicowe przeznaczone do współpracy z kryzami
są wyposażone w układy mikroprocesorowe, do których doprowadza się także sygnał
z termometru mierzącego temperaturę badanego płynu dokonują korekcji wskazań
automatycznie.
Na stanowisku laboratoryjnym dalej opisanym manometry nie posiadają tej funkcji. Korekcja
taka możliwa jest za pomocą komputera współpracującego z manometrem i termometrem.
3. Rurka spiętrzająca ( rurka Pitot a ).
Rurka spiętrzająca jest pewnego rodzaju przeszkodą dla przepływającego w rurociągu
mierzonego medium powodującą powstawanie wirów w pobliżu jej ścian bocznych. Skutkiem
tego jest różnica ciśnień medium działających na ściankach napływowych i odpływowych.
Różnica ciśnień działających na te ścianki poprzez małe specjalnie rozłożone w nich otworki jest
dalej doprowadzana do manometru różnicowego. Przekroje poprzeczne rurki mogą mieć różne
kształty przez co uzyskiwany jest dla różnych płynów wymagany zakres pomiarowy i czułość
dla określonej wymaganej części tego zakresu. Różny kształt obrysu przekroju rurki powoduje
różny rozkład ciśnień w pobliżu ścian rurki. Najczęściej obrysy rurek spiętrzających mają
kształt okręgu, rombu lub odcinka paraboli. Rurki parabolicznego kształtu mają najlepsze
właściwości metrologiczne zwłaszcza dla dużych prędkości przepływu ze względu na stałość
miejsca odrywania się przyściennej warstwy płynu. Przekroje kołowe generują wiry o zmiennym
położeniu miejsca ich odrywania się zależnie od prędkości przepływu, a rombowe generują wiry
o dużej energii przy czym mierzone ciśnienia są pulsujące. Różnica ciśnień na wylotach
pomiarowych rurki jest zależna od prędkości przepływu � oraz kształtu rurki (współczynnik Kr )
i rodzaju płynu ( gęstość właściwa � ):
2"p
� = Kr �" ( 14 ).
�
Na rys.7 pokazano szkic przekroju , sposób umiejscowienia rurki w rurociągu a) oraz rozkład
ciśnień w pobliżu rurki o przekroju okrągłym i parabolicznym b).
a ) " p b)
-
p1 p2
+
�
strefa niskiego
-
strefa wysokiego
-
+
ciśnienia
ciśnienia
� �
-
+
�
 8
Rys.7. Sposób umiejscowienia rurki spiętrzającej w rurociągu - a) oraz rozkład ciśnień
w obszarze rurki ( o przekroju okrągłym i parabolicznym ) - b).
4. Przepływomierz wirowy.
Działanie przepływomierza wirowego podobnie jak wcześniej opisanych opiera się na
wytwarzaniu wirów i turbulencji przepływającego płynu ( cieczy, gazu., pary , zawiesiny ) przy
czym oprócz nieruchomej przeszkody w postaci pręta ( najczęściej o przekroju parabolicznym )
ma on czujnik wirów w postaci płytki umieszczonej za przeszkodą w płaszczyz
nie równoległej
do kierunku przepływu. W skutek sił dynamicznych powstających wirów płytka ta odchyla się
w takt powstawania i odrywania się od przeszkody wirów w kierunku prostopadłym do kierunku
przepływu. Wraz z płytką przemieszcza się umocowana do niej wewnętrzna elektroda
kondensatora różnicowego włączonego w układ mostka zmiennoprądowego ( zwykle
transformatorowego ). Częstotliwość napięcia wyjściowego mostka zależy praktycznie wprost
proporcjonalnie od prędkości przepływu badanego medium.
Na rys.8 przedstawiono poglądowo zasadę działania przepływomierza wirowego
z pojemnościowym przetwornikiem częstotliwości wirów.
Y
UE
Kondensator
różnicowy
Y = I( � )
y
( 4 - 20 ) mA
lub
Y = fw( � )
DN
�
�
b
Fy
fw
przeszkoda y
struga zawirowana
( wzbudnik wirów )
z
x
Rys.8. Zasada działania przepływomierza z pojemnościowym przetwornikiem
częstotliwości wirów fw .
W przepływomierzach jak na rys.8 przeszkoda wzbudzająca wiry może mieć inny niż
trapezoidalny kształt np. okrągły.
W tego typu przepływomierzach ( Rys.8 ) w szerokim zakresie prędkości przepływu �
niezależnie od liczby Reynolds a Re spełniona jest zależność:
fw �"b
� = ( 15 )
S
gdzie S  liczba Strouhala.
W przypadku przeszkody o przekroju kołowym w miejsce szerokości b należy wpisać
średnicę d przeszkody. Z zależności ( 15 ) wynika, że częstotliwość wirów, a tym samym
elektrycznego sygnału wyjściowego Y jest wprost proporcjonalna do prędkości � mierzonego
 9
przepływu. Szeroki zakres pomiarowy, mały wpływ charakteru przepływu na wynik pomiaru
jego prędkości, szeroki zakres ciśnień i temperatur mierzonego medium, niewielkie wymiary
gabarytowe oraz prostota montażu powodują, że przepływomierze wirowe upowszechniają się
wypierając powszechnie stosowane kryzy pomiarowe i rurki spiętrzające. Nie wymagają one
stosowania manometrów co ułatwia i zmniejsza koszt ich instalacji w badanym rurociągu
ponadto integrowane z nimi przetworniki częstotliwości wirów na sygnał elektryczny cechują
się one dobrą liniowością charakterystyki przetwarzania.
4. Przepływomierz elektromagnetyczny.
Przepływomierze magnetyczne ( w praktyce elektromagnetyczne ) służą do pomiaru
przepływu cieczy przewodzących o przewodności większej od 5�"10-5S/m. Popularne w praktyce
przemysłowej przepływomierze elektromagnetyczne wymagają ok. 10-krotnej jej wartości . Są
one montowane w rurociągu w podobny sposób jak kryzy pomiarowe i przepływomierze wirowe
z tą różnicą, że zwykle nie zaburzają one przepływu badanej cieczy.
Działanie przepływomierzy elektromagnetycznych (magnetycznych ) opiera się na efekcie
Faraday a . Badana poruszająca się ciecz przewodząca stanowi sobą zbiór jonów poruszających
się w polu magnetycznym w kierunku przepływającej cieczy. Wskutek tego na ładunki
elektryczne działa siła o kierunku prostopadłym do kierunku przepływu i pola magnetycznego,
które jest prostopadłe do kierunku przepływu cieczy. Jeśli w kierunku działania tej siły
w obszarze pola magnetycznego umieszczone są w badanej cieczy w pewnej odległości od siebie
elektrody to powstanie na nich różnica potencjałów E ( siła elektromotoryczna ) proporcjonalna
do indukcji pola magnetycznego B, szybkości ruchu cieczy � i odległości wzajemnej elektrod l
( jest to odpowiednik długości przewodnika poruszającego się w polu magnetycznym ). Jeśli
odległość elektrod równa jest średnicy DN rurociągu to wynika stąd, że siła elektromotoryczna
oraz rezystancja wewnętrzna RW są proporcjonalne do średnicy rurociągu.
Na rys.9 przedstawiono poglądowo zasadę działania przepływomierza elektromagnetycznego.
I
E
1e
�
�
B
DN
2e
I
Rys.9. Zasada działania przepływomierza elektromagnetycznego.
Jeśli przyjąć jak na rys.9 odległość elektrod |1e � 2e | = DN to SEM indukowana panująca na
elektrodach jest równa:
 10
4 �" B
E = B �" DN �"� = �" QV ( 16 ).
Ą �" DN
Zwykle indukcja magnetyczna wytwarzana przez cewki przez, które przepływa prąd I
zmienia się sinusoidalnie: B = Bmax �" sin� �" t .
W rzeczywistych przepływomierzach zwłaszcza o wyższych dokładnościach występuje
konieczność kompensacji efektu polaryzacji elektrod oraz pasożytniczej SEM indukowanej
przez cewki w obwodzie elektrod pomiarowych. Wpływ efektu polaryzacji elektrod zmniejsza
poprzez zasilanie cewek elektromagnesu prądem zmiennym i stosowanie układu wzmacniaczy
napięcia na elektrodach o bardzo dużej impedancji wejściowej, a wpływ pasożytniczej SEM
stosując dodatkową parę elektrod i odpowiednie zasilanie ich napięciem o częstotliwości pola
magnetycznego. Ze względu na duże impedancje w obwodzie pomiaru napięcia na elektrodach
pomiarowych przepływomierze elektromagnetyczne są praktycznie inercyjne co jest zaletą
w przypadku pomiarów wykorzystywania ich w układach automatyki jeśli występują
przepływów szybkozmiennych. Jak i wykorzystywania ich w układach regulacji automatycznej.
Ponadto są one praktycznie niewrażliwe na zanieczyszczenia, zmiany jej przewodności,
charakter przepływu jak i gęstość i lepkość badanej cieczy.
5. Stanowisko laboratoryjne.
Zbiornik
pomiarowy
Rurociąg
Z1
R
K1
W M
h
ZR3
M
K2
2
Z3
TT
I =(4-20)mA
ZR1 ZR2
Z2
M
Czujnik
1
tensometryczny
Pompa
AK
AW AR AM
Procesor wagowy
Zasilacz
Przełącznik
RS 232 Commubox
elektroniczny
Komputer
Ry
Rys.10. Schemat funkcjonalny stanowiska laboratoryjnego do pomiaru przepływu wody.
Na rys.10 oznaczono linią pogrubioną obieg wody, linią cienką oznaczono połączenia
układów elektrycznych i drogi sygnałów pomiarowych, symbole literowe oznaczają:
M
 11
AK, AM., AR, AW  miliamperomierze prądu stałego ( cyfrowe ) mierzące prądy wyjściowe
odpowiednich czujników przepływu; K1, K2. M., R i W.
M1, M2  cyfrowe manometry różnicowe z wyjściem prądowym (4 �20) mA,
Czujniki przepływu: K1, K2  kryzy pomiarowe,
M.  przepływomierz elektromagnetyczny z przetwornikiem cyfrowym i wyjściem
prądowym (4 � 20) mA,
R  czujnik przepływu  rurka spiętrzająca Pitot a,
W  przepływomierz wirowy ( wiroczuły) z przetwornikiem cyfrowym i wyjściem prądowym
(4 � 20) mA,
T  czujniki tensometryczne wagi do ważenia zbiornika pomiarowego współpracujące
z procesorem wagowym,
Z1, Z2  zawory regulacji przepływu,
ZR1, ZR2, ZR3  zespół zaworów rozdzielających i odpowietrzających instalację pomiaru
różnicy ciśnień.
Pozostałe elementy jak opisano na schemacie.
Wskazania opisanych tu przepływomierzy wchodzące w skład stanowiska laboratoryjnego
mogą być odczytywane bezpośrednio z ich cyfrowych pól odczytowych, z zewnętrznych
miliamperomierzy prądu stałego w zakresie ( 4 � 20 ) mA lub po przyłączeniu ich za pomocą
odpowiednich interfejsów np. COMBOX z układem szeregowej transmisji danych np. RS-232
mogą w protokóle HART współpracować z komputerem PC co umożliwia łatwo korzystać
z wielu funkcji wymienionych przepływomierzy w tym także sterowanie ich sygnałami
wyjściowymi co ma istotne znaczenie w układach automatyki procesów przemysłowych.
W tej części opisu stanowiska laboratoryjnego do pomiaru przepływu nie uwzględniono
części informatycznej, która jest przedmiotem dodatkowego opracowania. W tej części
przewiduje się uzyskiwanie wskazań poszczególnych czujników w postaci tabelarycznej
w plikach EXCEL co ułatwia póz
niejsze opracowanie tych wyników przy pomocy komputera
PC.
Wszystkie opisane tu przepływomierze oraz manometry różnicowe współpracujące
z przepływomierzami, na których wyjściach występują sygnały w postaci ciśnienia mają wyjścia
prądowe oraz impulsowe przeznaczone do współpracy z zewnętrznym komputerem i mogą one
być włączone we wspólną sieć transmisji danych. Jedynie przepływomierz elektromagnetyczny
M. Ze względu na autonomiczne zasilanie wymaga nieco innego włączenia w sieć. Opisane
przyrządy pomiarowe na stanowisku laboratoryjnym przeznaczone są do komunikacji
z zewnętrznym komputerem w protokóle HART ( wymagane jest wtedy, aby napięcie zasilania
miało wymaganą wartość w tym przypadku od 18,5 V do 30 V.
Sposób przyłączania do opisywanych przepływomierzy zewnętrznych przyrządów
( miliamperomierzy, układów sygnalizacji i sieci komputerowej) pokazano na rys.11.
 12
Rmin = 250 &!
Ekranowanie
-
mA
Zasilacz
I = 4...20 mA
18,5...30V
+
1 2 3
+ -
Moduł
RS 232C
Commubox
FXA 191
Komputer PC
z oprogramowaniem
Commuwin
Rys.11. Sposób przyłączania zewnętrznych przyrządów do przepływomierzy i manometrów
firmy Endress+Hauser.
Charakterystykę wyjścia prądowego i impulsowego przepływomierzy pokazano na rys.12 dla
obu kierunków przepływu ( linią przerywaną wykreślono możliwą opcję w przypadku
przepływomierza elektromagnetycznego M. Charakterystyka wyjścia impulsowego
częstotliwościowego dotyczy zarówno wyjścia aktywnego jak i biernego.
W przypadku przyłączenia więcej niż jednego czujnika do komputera za pomocą modułu
komunikacyjnego Commubox wyjścia prądowe tych czujników przełączane są w tryb pracy
impulsowej przy czym z wyjść tych płynie wtedy stale prąd równy 4 mA niezależnie od wartości
mierzonej. Wyjścia czujników łączy się wtedy równolegle, ich cykle pracy sterowane są
z komputera za pomocą specjalnego programu ( Commuwin w protokóle HART ).
 13
I [mA]
a)
25
20,5
wg
NAMUR
20
Przepływ do Przepływ do
tyłu przodu
4
QV Wartość QV
Wartość
0
końcowa końcowa
fi Hz
b)
167% częstotliwości końcowej
Częstotliwość końcowa
2...10000 Hz
Przepływ do Przepływ do
tyłu przodu
QV Wartość QV
Wartość
0
końcowa końcowa
Rys.12. Charakterystyka wyjścia prądowego przepływomierzy ( dotyczy także manometrów
różnicowych na stanowisku laboratoryjnym ).
6. Pytania kontrolne.
1. Podać jednostki miar przepływu oraz wzajemne ich związki.
2. Co charakteryzuje liczba Reynolds a i jakie ma znaczenie przy doborze przepływomierza ?
3. Jak zależałyby sygnały wyjściowe czujników opisanych przepływomierzy od temperatury
cieczy jeśli nie zastosowano by w nich kompensacji wpływu temperatury ?
4. Porównać wrażliwość temperaturową , na wibracje, na zanieczyszczenia oraz pulsacje
mierzonego przepływu cieczy poszczególnych przepływomierzy.
5. Porównać właściwości metrologiczne opisanych przepływomierzy.
6. W jaki sposób można zwiększyć rozdzielczość i dokładność wskazań poszczególnych
opisanych przepływomierzy w przypadku małych natężeń przepływów w badanych
rurociągach ?
7. Dlaczego należy umieszczać przepływomierze w rurociągu w odległości l > (3...5 )DN od
elementów zaburzających przepływ? Co powoduje zaburzenia przeplywu?
8. Które z opisanych przepływomierzy są najmniej wrażliwe na zakłócenia badanego
przepływu?
 14
6. PROGRAM ĆWICZENIA.
1. Przeprowadzić identyfikację przepływomierzy i współpracujących z nimi przyrządów
pomiarowych.
2. Przygotować przyrządy pomiarowe ( komputer jeśli ma być wykorzystywany ) do pracy.
3. Uruchomić pompę wodną i w razie stwierdzenia zapowietrzenia przewodów pomiaru
różnicy ciśnień przeprowadzić ich odpowietrzenie w sposób opisany w instrukcji na
stanowisku laboratoryjnym.
4. Włączyć procesor wagowy i dokonać ważenia zbiornika pomiarowego bez wody ( Tara )
w razie potrzeby dokonać operacji tarowania.
5. Zaworem Z1 ustawiać kolejno natężenia przepływu i dokonywać odczytów odpowiednich
przyrządów w określonych chwilach czasowych.
6. Zmierzyć temperaturę badanej wody i uwzględnić jej wpływ na dokładność przeliczeń
jednostek przepływu ( m/s , kg/s, dm3/s ) na podstawie ważenia zbiornika z wodą i pomiaru
jej poziomu za pomocą wodowskazu ( pomiar h [ mm ] ).
7. Porównać wskazania poszczególnych przepływomierzy i wyznaczyć ich błędy przyjmując
jeden z nich jako przyrząd odniesienia
8. W zakresie mierzonych przepływów wyznaczyć błędy nieliniowości wskazań
poszczególnych czujników ( określić błędy przetworników przepływomierzy, w których ma
miejsce linearyzacja wskazań ).
9. Sporządzić odpowiednie wykresy  wskazanie Y, czułość S[ masowego przepływu Sm ,
prędkości przepływu S, objętościowego przepływu SV ( błąd nieliniowości ) jako funkcja
natężenia przepływu ( odpowiednio � , Qm., QV ).
10. Ocenić granice błędów wzorcowania przepływu za pomocą wodowskazu. Zwrócić uwagę
na menisk w rurce wodowskazu.
Do obliczeń przyjąć średnicę rurociągu DN = 65 mm ( 2 �   ), wymiary podstawy zbiornika
620x620 mm = 0,3844 m2, przyjąć błąd rozdzielczości pomiaru wielkości gabarytowych
zbiornika pomiarowego równy ą1 mm.
11. Wnioski .