3.5. Postupak merenja ugaone brzine i broja obrtaja

Transcript

1 3.5. Postupak merenja ugaone brzine i broja obrtaja Merenje ugaone brzine i broja obrtaja koristi se za proveru rada motora, turbogeneratora, vretena alatnih mašina itd. Pribore za merenje ugaone brzine obrtanja vratila mašine nazivamo tahometri. Po principu rada, tahometri mogu biti: 1. Mehanički (centrifugalni, frikcioni, vibracioni itd.), 2. Magnetnoindukcioni, 3. Električni, 4. Elektroimpulsni, 5. Fotoelektrični, 6. Stroboskopski. Slika Stacionarni tahometar optičko kontaktno merenje brzine trake Slika Načini ostvarivanja merenja prenosivim tahometrom Merenje ugaone brzine pomoću stroboskopa Stroboskop je uređaj za merenje ugaone brzine rotirajućih sistema i merenje vibracija. Sastoji se od: - Generatora impulsa, - Pojačavača snage, - Gasne cevi (koja se pali u taktu impulsa iz pojačavača). Slika Osnovni elementi stroboskopa 40

2 Slika Stroboskop Poželjno je da objekat ima na sebi neki markantni detalj, neka rupa, obeležena tačka, zubac ili reflektujući samolepljivi papir i sl. Ako se podesi da je broj obrtaja u sekundi jednak učestanosti paljenja izvora svetlosti (lampe), nastaje takozvani stroboskopski efekt, pri čemu pokretni objekt prividno izgleda kao da miruje. U tom trenutku se ugaona brzina očitava na skali generatora impulsa. Uobičajena tačnost merenja pomoću stroboskopa iznosi oko 1%, pri čemu je opseg merenja obrta u minuti. Pri merenju stroboskopom treba imati u vidu da posmatrani objekt izgleda prividno nepokretan i pri učestanostima paljenja koje su 2,3,4... puta niže od stvarnog broja obrtaja u sekundi. Ova pojava omogućuje da se mere ugaone brzine iznad maksimalne učestanosti paljenja sijalice. Postupak merenja visokih ugaonih učestanosti je sledeći: Stroboskop se podešava tako da pri nekoj učestanosti paljenja fs objekt prividno miruje. U tom slučaju stvaran broj obrtaja osovine iznosi f = n fs, gde je n neki ceo broj. Zatim se učestanost paljenja lagano smanjuje do vrednosti fs1 dok se prvi put ponovo ne ostvari mirna slika objekta. Tada je f = (n+1) fs1. iz gornja dva izraza za učestanost obrtanja se dobija: f = f f s s1 f f s s1 Ako se učestanost paljenja snizi do vrednosti fsn, do koje nastaje N mirnih slika, tada je f = (n+n) fsn, odakle sledi: f = f f s f s sn f N sn Ovim postupkom se opseg stroboskopa proširuje do brzine od oko obrta u minuti Postupak merenja pritiska U nekim slučajevima dolazi do otkaza delova tehničkih sistema zbog prekomernog, maksimalnog pritiska ili minimalnog pritiska kao i zbog oscilacija pritiska u delovima sistema. Za merenje pritiska obično se koristi manometar, koji može da ima opseg od merenja vakuuma pa do natpritiska. 41

3 Priključuju se pomoću cevnog zavoja na svako mesto radnog ciklusa tako da se registruje pritisak koji vlada na određenom mestu. Pritisak koji traje duže vremena može besprekorno da se meri na ovaj način. Manometri imaju određenu inerciju i ne mogu registrovati kratko trajanje pritiska. Slika Manometri Da bi se dobio željeni rezultat, mora da se postavi više zahteva na jednoj izvedbi koja treba da meri špic ili pik pritiska: Uređaji moraju da pokazuju postojeće odnose pritiska po mogućnosti bez greške i zakašnjenja; Pobudna osetljivost mora da bude iznad najveće frekvencije koja se očekuje u sistemu; Merni uređaji ne smeju da reaguju na mehaničke oscilacije (npr. fundament mašine); Opsluživanje mora da bude što jednostavnije; Potrebni električni priključci moraju da se odaberu tako da odgovaraju uobičajenim naponima i frekvencijama; Pošto moraju biti obuhvaćeni i kratkovremeni pritisci, treba da se predvidi mogućnost zapisivanja koja, naprimer, dopušta prikazivanje vremenskog dijagrama pritiska sa izračunatim vrednostima; Uređaji moraju da budu robusni i da dopuštaju lak transport (naprimer u vozilima) i po mogućnosti da se priključe na svako mesto u sistemu Postupak merenja protoka U industrijskim mernim uređajima, odnosno u industrijskoj instrumentaciji, merenje protoka zauzima prvo mesto: Merenje Protoka: 43% ; Merenje Temperature: 29% ; Merenje Nivoa: 15% ; Merenje Pritiska: 13% Protok Temperatura Nivo Pritisak Slika Dijagram iskorišćenja mernih uređaja 42

4 Protok se meri zbog: 1. Upravljanja sistemom, 2. Indikacije-detekcije parametara u sistemu, 3. Nadzora sistema, 4. Prodaje-naplate proizvoda. Da bi se tehnološki proces odvijao u optimalnom režimu, neophodno je da se u kritičnim tačkama pogona prate tokovi fluida i da se po potrebi interveniše. U zavisnosti od principa rada i konstrukcije samih uređaja, sve metode za ovu svrhu su svrstane u nekoliko grupa. 1. Direktna merenja Zasnivaju se na fundamentalnoj zakonitosti kojom je protok definisan: V / t, pri čemu se protekla zapremina ( V), odnosno interval vremena ( t) direktno mere kalibrisanom posudom (menzurom), odnosno hronometrom. 2. Dinamička merenja Kod ovih merenja se registruje promena pritiska koja se javlja kao posledica proticanja fluida kroz odgovarajući uređaj. Konkretni aparati kojima se merenje vrši obuhvataju: prigušna merila, Pitotovu i Pitot-Prandtlovu cev. 3. Površinska merenja Ostvaruju se u uređajima kod kojih se u zavisnosti od protoka menja površina poprečnog preseka strujanja. Najčešće korišćeni aparati iz ove grupe su: rotametri i prelivi. 4. Protočna merenja Uređaji pomoću kojih se ovakva merenja vrše poseduju rotor čija se brzina obrtanja menja u zavisnosti od protoka fluida. Predstavnici su: anemometar, vodomer i gasni sat. Direktna merenja se retko vrše u industrijskoj praksi, izuzev u slučajevima kada je potrebno izbaždariti neki drugi uređaj pomoću koga se protok meri posredno. Dinamička merenja. Zavisnost protoka od razlike pritisaka u presecima u cevi metoda se svodi na merenje razlike pritisaka između dva, po površini različita preseka sistema, nakon čega se dolazi do tražene vrednosti protoka. Teorijski najjednostavniji slučaj je primena manometara (mehaničkih, električnih i sl.), pomoću kojih se pritisak direktno očitava. U praksi je takvo rešenje često skupo, pa se pribegava merenju pritiska pomoću pijezometara (jednak protok će uvek izazvati istu razliku nivoa, bez obzira na fluid koji kroz sistem protiče). Drugo pogodno rešenje je primena diferencijalnog ili U-manometra, kojim se meri razlika pritisaka između dva preseka. Prigušna ploča (prigušnica, dijafragma) Ovo je najjednostavniji predstavnik prigušnih merila, koja svoj zajednički naziv duguju terminologiji iz prakse: kada pritisak fluida, pri strujanju kroz sužen presek, naglo opada, kaže se da se "pritisak prigušuje". Prigušna ploča se ugrađuje u cevovod normalno na pravac strujanja (slika 3.34), tako da je fluid prinuđen da struji kroz centralno postavljen otvor u njoj, pri čemu dolazi do naglog pada pritiska. 43

5 Slika Prigušnica Prigušnica je jednostavan i jeftin uređaj, može se po potrebi na licu mesta izraditi od lima i lako ugraditi u cevovod bez većih konstruktivnih zahvata. Pritisak u širem preseku (presek samog cevovoda) meri se na udaljenosti od oko jednog prečnika cevovoda ispred prigušnice na mestu gde strujnice fluida još uvek nisu poremećene njenim prisustvom, a pritisak u užem preseku, na udaljenosti od oko jedne polovine prečnika cevovoda iza prigušnice. Analogno isticanju iz rezervoara, i ovde se javlja fenomen kontrakcije mlaza: najuži presek strujanja nije u samom otvoru ploče, već iza njega, na mestu koje se naziva vena contracta. Venturi-merilo Glavna prednost prigušnice jednostavnost konstrukcije, predstavlja istovremeno i njen najveći nedostatak. Nagla promena pravca strujanja pri prolasku kroz suženje izaziva snažne turbulencije u fluidu, što dovodi do znatnih energetskih gubitaka. Oni se mogu umanjiti posebnim profilisanjem otvora u različite oblike mlaznica, no zaista efikasno rešenje predstavlja Venturi-merilo (slika 3.35), čiji profil prati prirodan tok strujnica, sprečavajući stvaranje vrtloga. Slika Venturi merilo Nagib izvodnice ulaznog konvergentnog dela prema osi cevovoda je , a divergentnog izlaza (difuzora) oko 70. Zbog takve konstrukcije ne dolazi do kontrakcije mlaza, pa su položaj i veličina najužeg preseka identični s presekom 2 energetski gubici iznose 2%). Pitotova i Pitot-Prandtlova cev Ako se donji kraj pijezometarske cevi okrene ususret strujećem fluidu, dobija se tzv. Pitotova (čitaj: pitoova) cev (slika 3.36). Neka su i pijezometarska i Pitotova cev uronjene u fluid do jednake visine, pri čemu A i B označavaju preseke njihovih otvora. Kada se fluid ne kreće, njegov nivo je u obe cevi isti i jednak visini statičkog pritiska. Pri uspostavljanju protoka nivo u Pitotovoj cevi raste, jer fluid, utičući u njen otvor, gubi brzinu, pri čemu se njegova kinetička energija transformiše u dodatnu energiju pritiska. 44

6 Slika Pitotova cev U stanju dostignute ravnoteže, brzina fluida u tački B je nula, a visina fluida u Pitotovoj cevi jednaka je visini dinamičkog pritiska, tj. zbiru visine statičkog pritiska i visine brzine. Pitot-Prandtlova cev, koja, kao jedinstvenu konstrukcionu celinu, sadrži i Pitotovu i pijezometarsku cev (slika 3.37). Slika Pitot-Prandtlova cev Pomoću nje se meri, na primer, brzina vazduha u ventilacionoj mreži ili na različitim mestima u komori za hlađenje, a između ostalog, ona služi i za merenje brzine aviona u odnosu na okolni vazduh. Prednost Pitot-Prandtlove cevi su male dimenzije (čak do veličine injekcione igle), i shodno tome zanemarljiv otpor strujanju, a nedostatak: potreba za finom, znači skupom obradom i problemi vezani za tačnost postavljanja u pravac strujanja fluida. Sa slika je očito da se brzina, izmerena Pitotovom i Pitot-Prandtlovom cevi, odnosi samo na onu strujnicu fluida koja neposredno nailazi na usta cevi. Za razliku od situacije kod prigušnica, gde celokupna količina fluida, prolazeći kroz centralni otvor, izaziva skupni efekt koji odgovara prosečnoj (srednjoj) brzini po preseku cevovoda, Pitotova, odnosno Pitot-Prandtlova cev mere lokalnu brzinu u jednoj tački preseka, iz koje se ne može neposredno dobiti podatak o protoku. Ne zalazeći na ovom mestu u detaljnija objašnjenja, pomenimo samo da se lokalna brzina, izmerena u različitim tačkama preseka cevovoda kroz koji struji fluid, menja tako, da je uz sam zid praktično jednaka nuli, dok u osi cevovoda ima maksimalnu vrednost. Odnos srednje brzine i pomenute maksimalne brzine zavisi od tzv. režima strujanja fluida, i kreće se u granicama od 0,5 do 0,81, što 45

7 znači da je principijelno moguće, da se iz podatka o maksimalnoj brzini, dobijenoj pomoću Pitot- Prandtlove cevi, postavljene u osu cevovoda, izračuna srednja brzina, a potom i protok. Diferencijalni ili U-manometar Za merenje razlike pritiska kod dinamičkih metoda vrlo često se koristi diferencijalni manometar Slika Diferencijalni ili U-manometar Na slici je prikazan diferencijalni manometar, ispunjen manometarskom tečnošću, specifične težine γ m, s kracima vezanim za preseke 1 i 2 cevovoda, gde vladaju pritisci P 1 i P 2 u fluidu, specifične težine γ f. Pri uspostavljenoj ravnoteži, krake manometra možemo posmatrati kao uravnotežene terazije: ukupan pritisak na referentnu ravan iz levog kraka, mora biti jednak ukupnom pritisku iz desnog kraka: Kada se radi o merenju razlike pritiska u vodenim sistemima (ρ 1000 kg/m 3 ), tada se za manometarski fluid obično bira neka organska tečnost, nemešljiva s vodom (hloroform, ρ = 1490 kg/m 3 ; ugljentetrahlorid, ρ = 1590 kg/m 3 ). Ako postoji potreba za povećanom osetljivošću, tada se koristi neko parafinsko ulje, gustine što bliskije gustini vode (ρ = kg/m 3 ). Paradoksalno zvuči, ali postoje situacije u kojima je poželjno da se osetljivost diferencijalnog manometra smanji. To je slučaj kada su merene razlike pritiska visoke, pa bi uređaj morao imati veoma duge krake. Ovo se prevazilazi tako što se kao manometarska tečnost iskoristi živa tečnost, najviše poznate gustine (ρ = kg/m 3 ). Kod merenja razlike pritisaka u gasovima, osetljivost U-manometra opada za približno tri reda veličine, jer su manometarske tečnosti uvek oko 1000 puta gušće od gasova. Ovo je neugodna okolnost, jer se, kako je već istaknuto, Pitot-Prandtlova cev, u kombinaciji sa U- manometrom, široko koristi baš za merenje brzine gasova. Zbog toga se pribegava posebnoj konstrukciji U-manometra kojom se osetljivost veštački povećava. Na slici 3.39 je prikazan jednokraki, kosi diferencijalni manometar, čiji je levi krak predstavljen posudom širokog preseka, a desni je u obliku kose, izdužene kapilarne cevi. Zbog velike razlike u površini poprečnih preseka krakova, pomeranje manometarske tečnosti se praktično u potpunosti odvija u desnom kraku, pri čemu se razlika visina u krakovima očitava kao dužina. 46

8 Slika Kosi diferencijalni manometar Praktična granica nagiba je oko 750 jer tada u kapilari počinju značajno da utiču površinski napon, čistoća tečnosti i čistoća zida cevi. Površinska merenja. Kod uređaja iz ove klase, promena protoka izaziva proporcionalnu promenu površine poprečnog preseka strujanja koja se meri posredno. Rotametar Ovo je jedan od najpopularnijih uređaja za merenje proto-ka jer je rad s njim veoma komforan. Rotametar (slika 3.40.a) se u principu sastoji od vertikalne cevi, oblika izvrnutog, izduženog konusa, u kojoj je smešten cilindrični plovak. Rotametar se u cevovod postavlja vertikalno, s protokom fluida usmerenim naviše. Kada se fluid ne kreće, plovak miruje u svom najnižem položaju, zatvarajući potpuno presek cevi. Na njega tada deluju: sila teže G i potisak fluida F pot (Arhimedov zakon!). U trenutku uspostavljanja protoka plovak se neznatno pomera i fluid počinje da struji kroz stvoreni uski, prstenasti presek. Slika Rotametar Visoka brzina fluida koja se u njemu javlja izaziva i veliku silu trenja Ftr koja zajedno s potiskom prevazilazi težinu plovka (G), pa se ovaj zbog toga počinje da kreće naviše. Pošto je cev konična, pri ovome presek oko plovka postaje sve širi, što smanjuje brzinu fluida u njemu i silu trenja, sve dok se ne postigne stanje ravnoteže sila (slika 3.40.b). Tada će se plovak zaustaviti i nastaviti da lebdi na nekoj visini. Zbog postojanja kosih žlebova po gornjem obodu plovka, on pri tome rotira, odakle i naziv celom uređaju. Menjanje protoka uvek izaziva poremećaj ravnoteže sila, pa će se plovak pomerati do uspostavljanja novog ravnotežnog stanja. Plovak, na taj način, predstavlja kazaljku rotametra; stoga je cev snabdevena skalom na kojoj se može očitati njegov položaj, odnosno direktno odgovarajući protok fluida. Glavna prednost rotametra je velika fleksibilnost primene: kombinovanjem cevi različitih preseka i plovaka različite veličine i težine, može se ostvariti veoma širok dijapazon merenja protoka, zbog čega ih proizvođači najčešće isporučuju u kompletima. Rotametri imaju gotovo linearnu skalu i 47

9 omogućuju direktno očitavanje protoka. Izazivaju neznatne energetske gubitke fluida. Rotametri su nepogodni za merenje protoka mutnih ili intenzivno obojenih rastvora, a određene probleme predstavlja i njihova ugradnja u postojeće cevovode. Prelivi Ovi uređaji se sastoje od sanduka, otvorenog s gornje strane, čija jedna stranica ima urez odgovarajućeg oblika. Tompsonov preliv (slika) ima trouglast urez. U sanduk fluid utiče kroz njegovu gornju stranicu, a ističe kroz bočni urez, pri čemu se položaj nivoa čita mernom letvom koja je vertikalno pomična u jarmu, učvršćenom nad sandukom. Promena dotoka izaziva promenu nivoa, što dovodi istovremeno i do promene površine poprečnog preseka isticanja tako da se ubrzo uspostavlja novo stacionarno stanje. Merna letva za odgovarajući preliv može biti direktno kalibrisana u jedinicama za protok. Uređaj je očito jednostavan i jeftin. U zavisnosti od veličine i oblika ureza, njime se može pokriti veoma širok dijapazon protoka. Njime se ne mogu meriti protoci gasovitih fluida. Slika Preliv Protočna merenja. Većina uređaja ovoga tipa se sastoji od kućišta s rotorom koji prima deo kinetičke energije fluida pri njegovom prolasku kroz kućište. Brzina rotora se registruje posredstvom spregnutog brojača. Izuzetak je anemometar, kod kojeg se rotor direktno postavlja u struju vazduha. Protočna merila registruju ukupno proteklu količinu fluida. Da bi se dobio podatak o trenutnom protoku, potrebno je postupiti kao u slučaju direktnih merenja. To su kompaktni uređaji, skupe izrade. Povremeno se moraju baždariti. Slika Anemometar 48

10 Turbinsko merilo protoka U cevni element postavljena je merna turbina. Učestanost obrtanja turbine zavisna je od brzine, odnosno protoka fluida. Sa strane se postavlja senzor koji registruje učestanost obrtanja turbine. Kod preciznijih merila, na uzstrujnom delu, ugrađuje se laminator, koji ima zadatak homogenizacije strujnog polja brzine fluida. Turbinska merila su, inače, veoma precizna. Upotrebljavaju se, pored ostalog, za merenje protoka nafte i prirodnog gasa u merno-regulacionim stanicama u komercijalne svrhe. Osnovni pojmovi i veličine Slika Turbinsko merilo protoka Protok je količina fluida (tečni i gasoviti) koji protekne kroz posmatrani poprečni presek u jedinici vremena. Razlikujemo: Zapreminski protok: Q Maseni protok: Q m = v dm dt dv m = dt s kg s 3 Za merenje količine protoka koristi se nekoliko fizičkih fenomena: 1. Meri se dužina vremena potrebna da se u posudi sakupi potrebna (određena) količina tečnosti; 2. Meri se srednja brzina fluida i dobijeni rezultat se množi sa površinom poprečnog preseka kroz koji protiče fluid; 3. Usled delimičnog zagrađivanja površine protoka i merenje nastalog pada pritiska; 4. Merenje sile otpora nastala od protoka; 5. Može se koristiti deo energije koja je sadržana u fluidu za pokretanje turbine ili motora. Konstrukcija i eksploatacija senzora protoka i količine zavise od metroloških osobina senzora i osobina fluida. Savremeni merači protoka i količine treba da zadovolje sledeće karakteristike: Visoka tačnost merenja. U inženjerskim aplikacijama tipična tačnost senzora protoka je ±1-2%, ali često je potrebna tačnost od ± %. Visoka tačnost zavisi od metoda merenja i konstrukcione izvedbe senzora. 49

11 Visoka pouzdanost. Hemijska agresivnost i nečistoće fluida su glavni uzroci nedovoljne pouzdanosti. Korišćenjem indirektnih metoda merenja I konstrukciono dobro rešenih senzora ispunjavaju se zahtevi za visokom pouzdanošću. Nezavisnost rezultata merenja od gustine fluida. Ovaj zahtev se posebno postavlja kod merenja protoka gasova, jer njihova gustina zavisi od temperature i pritiska. Brzina odziva. Veća brzina odziva se zahteva kod merenja promenjivog protoka i u sistemima automatske regulacije. Metoda merenja i konstrukcione izvedbe senzora najviše utiču na brzinu odziva. Korisni merni opseg. Obično se izražava kao odnos Qmax/Qmin i kod savremenih koriolis senzora poprima vrednost 100. Vrsta mernog medija. Konstrukicone osobine senzora protoka i količine zavise od toga da li su namenjeni za merenje gasa, tečnosti ili smeše. Opseg merenja. Protok se meri u širokom opsegu i treba voditi računa da je tačnost merenja često u funkciji mernog opsega. Odnosno, tačnost kod nekih protokomera nije ista pri različitim vrednostima protoka. Različite vrste tečenja i tipova kanala. Tok fluida je laminaran, turbulentan ili kombinovan, a ostvaruje se u otvorenim ili zatvorenim kanalima. Različita delovanje okoline. Merenje protoka se vrši u širokom opsegu temperature od 2500C do +6000C. Imajući u vidu sve pobrojane zahteve, kako senzora tako i pretvarača, u svakodnevnoj inženjerskoj praksi sve više se nameću tri grupe protokomera: Slika MASENI Koriolis protokomeri Slika ELEKTROMAGNETNI Indukcioni protokomeri 50

12 Maseni koriolis protokomeri Slika ULTRAZVUČNI protokomeri Merenja protoka, koja su zasnovana na merenju brzine ili zapremine nisu najpouzdanija ako se hemijski sastav tečnosti, temepratura i pritisak menjaju tokom merenja. Takođe, viskoznost merenog medijuma, korozija ili oštećenja na cevima mogu da utiču na preciznost merenja. Korišćenjem masenih merača protoka, koju su zasnovani na dobro poznatom koriolis principu mnogi od ovih neželjenih efekata se mogu izbeći ili zanačajno umanjiti. Osnovne prednosti ovakvog načina merenja protoka i fizičko-tehničkih karakteristika koriolis senzora su da: - Obezbeđuju najtačnije merenje protoka danas poznato. - Imaju tačnost do 0.1% merene mase i nabolju ponovljivost. - Imaju korisni merni opseg do 100:1. - Obezbeđuju visoku pouzdanost u dugotrajnoj ekspolataciji. - Masa je jedno od tri nepromenjiva svojstva materije. - Merenjem mase izbegava se problem osteljivost zapremine na promene: temperature, viskoznosti, gustine, provodljivosti i pritiska. Koriolis senzor masenog protoka meri moment koji se javlja usled delovanja koriolisove sile, koja zavisi od protoka. Koriolisova sila (Fc) je inercijalna sila, koja nastaje pri složenom kretanju. Da bi objasnili efekat koriolisove sile, posmatramo česticu (slika 3.47), u sistemu koji rotira, a u okviru tog sistema čestica se relativno kreće u smeru od ili ka centru rotacije. Slika Koriolisova sila 51

13 Preciznije, prikazana je čestica mase m, koja se kreće od centra brzinom v, na disku, koji rotira ugaonom brzinom ω oko tačke 0. Na masu deluje cenripetalno ubrzanje ar intezitetom ω2r, u smeru suprotnom od smera kretanja čestice i ubrzanje normalno na pravac kretanja (Koriolisovo ubrzanje) at inteziteta 2ωv. Intezitet koriolisove sile, koja se dobija kao proizvod mase i ubrzanja je: Isti efekat koriolisove sile se dobija i pri složenom kretanju dela tečnosti dužine x mase m, koja se kreće relativnom brzinom v u cevi koja se rotira oko centra 0 ugaonom brzinom ω, (slika 3.48). Slika Koriolisova sila Na osnovu koriolisove sile može se odrediti masa proteklog fluida i to u delu cevi (odnosno u protokomeru) gde je kretanje fluida složeno. U praktičnoj realizaciji se ugaono kretanje ne obezbeđuje rotacijom cevi već vibracijama koje rezultuju ugaonom brzinom ω, promenjivog inteziteta i smera. Važno je napomenuti, da se minimum sile, kojom se obezbeđuju vibracije, postiže kada cev(i) osciluju rezonantnom frekvencijom. Praktična realizacija koriolis masenih protokomera Koriolis maseni protokomeri, mogu biti sa jednom ili dve cevi savijeni ili pravi. Sa stanovišta kvaliteta merenja (tačnost, ponovljivost i sl.) najbolje su se pokazali merači sa jednom savijenom cevi i dve merne petlje (slika 3.49). Slika Kroz koriolis merač protoka protiče fluid u naznačenom smeru masenog protoka Q m, brzinom v, prilikom kretanja izložen je vibracijama F d (ω), što zajedno ima za posledicu indukovanje koriolisove sile F c, koja je najizraženija na magnetnim senzorima S 1 i S 2. Analizom prikupljenih signala na senzorima, moguće je direktno izračunati maseni protok i gustinu fluida, a indirektno ukupnu masu, frakcioni sastav... Merenje masenog protoka. Pri proticanju fluida na senzorima S 1 i S 2 se dobijaju signali koji su međusobno fazno pomereni (slika 3.50). 52

14 Slika Znači merenjem faznog poremećaja možemo odrediti maseni protok fluida. Dobro je poznato da dužine cevi i modul elastičnosti zavise od temperature, te se u merenjima masenog protoka vrši i merenje temprature, senzorom za temperaturu, koji je sastavni deo masenog protokomera, da bi se mogao obračunati i ovaj temperaturni uticaj. Merenje gustine (specifične mase). Slično izloženom postupku, može se pokazati da gustina (specifična masa) ρ fluida zavisi od rezonantne učestanosti. Znači, pomoću koriolis merača protoka direktno se mere maseni protok, gustina (specifična masa) i temperatura. Na osnovu merenih veličina (maseni protok, gustina (specifična masa) i temperatura) lako je na osnovu ranije navedenih formula izračunati: ukupnu masu proteklog fluida, zapreminski protok i ukupnu zapreminu. Ova opcija je uobičajena za većinu masenih merača protoka. Ako se tečnost sastoji od dve homogeno izmešane supstance (frakcije, A+B), tada je moguće izračunati: Protok pojedine frakcije [u kg/s ili m3/s]. Sastav tečnosti po frakcijama [u %]. Totalni protok pojedine frakcije [u kg ili m3]. Na tačnost merenja, odnosno obezbeđivanje pune tačnosti merenja prema specifikaciji proizvođača (podsećamo da su ovo danas poznati protokomeri sa najvećom tačnošću do 0.1%) utiču razni faktori: - Način ugradnje. - Tip pumpe, odnosno promene protoka. - Izbor senzora i njegovo konfigurisanje. - Temperatura i pritisak kod zapreminskog protoka. - Promene viskoznosti. - Odsecanje protoka malog inteziteta. - Dinamika ventila vezanih za protokomer (posebno pri doziranju) Elektro-magnetni ili indukcioni protokomeri Indukcioni protokomeri su prema podacima časopisa Control Journal, najprodavaniji merači protoka u godini. Njihove prednosti su mnogostruke, pre svega bezinertnost, neremećenje toka, linearna zavisnost izlazne veličine (indukovanog napona) od protoka, nezavisnot izlaza od pritiska, temperature i gustine. 53

15 Na njihov rad praktično ne utiču čvrsti sastojci pa se njima može meriti i protok otpadnih voda. Inače, najčešće se koriste za vodovodna merenja i u prehrambenoj industriji zbog lakog higijenskog održavanja. Indukcioni senzori svoj rad zasnivaju na dobro poznatom Faradejevom zakonu indukcije i u eksploataciji su od pedestih godina ovog veka. Osnovne prednosti ovakvog načina merenja protoka i fizičko-tehničkih karakteristika indukcionih senzora su da: - Imaju tačnost do 0.25% merenog protoka. - Imaju merni opseg od m 3 /h. - Prave se u veličinama od DN 6 do DN Rade do maksimalnog pritiska od 700 bar. - Mogući temeperaturni opseg merenog medija (provodne tečnosti) je od 40 0 C do C. - Praktično neosetljivi na promene temperature, viskoznosti, gustine i pritiska. - Odličan odnos cene i kvaliteta. Indukcioni senzor protoka je elektromagnetni senzor, koji radi na principu Faradejevog zakona. Kao što je poznato, ovaj zakon kaže da se relativnim kretanjem provodnika i magnetnog polja (u našem slučaju pod pravim uglom) u provodniku indukuje napon-elektromotorna sila (EMS). Slika Indukovanje EMS, provodnik u magnetnom polju. Princip rada je primenjiv samo na provodne tečnosti. Takva tečnost je ekvivalentna provodniku dužine jednake unutrašnjem prečniku cevi D. Provodnik se kreće srednjom brzinom toka v u magnetnom polju indukcije B, zbog čega se na krajevima provodnika tj. na elektrodama indukuje napon (e - EMS). Slika Znači, pomoću indukcionih merača protoka diretktno se mere brzina strujanja tečnosti, tj. zapreminski protok. 54

16 Indukciono merenje protoka može se primenti za sve tečnosti koje se ponašaju kao provodnici, kao što su na primer, voda, razni vodeni rastvori, kiseline, živa itd. S druge strane indukciono mernje protoka ne može se primeniti u slučaju nafte, benzina, ulja i drugih tečnosti koje predstavljaju dobre dielektrike. Uticaj provodljivosti tečnosti na indukciona merenja je očekivano veliki. Na tačnost merenja, odnosno obezbeđivanje pune tačnosti merenja prema specifikacije proizvođača (podsećamo da je tačnost ovog merenja do 0.25%) utiču razni faktori: - Način ugradnje. - Tip pumpe, odnosno promene protoka. - Dinamika ventila vezanih za protokomer (posebno pri doziranju). - Izbor senzora i njegovo konfigurisanje. - Temperatura i pritisak. - Provodljivost medija. - Odsecanje protoka malog inteziteta Ultrazvučni protokomeri Ultrazvučni merači mere protok na osnovu interakcije toka fluida i ultrazvučnog talasa koji prolazi kroz fluid. Kod ove vrste merača na rezultate merenja ne utiče temperatura, gustina, pritisak ili provodljivost fluida. Koriste se za merenje protoka čistih tečnosti, ali se toleriše i prisustvo male količine gasa ili čvrstih čestica. Osnovne prednosti ovakvog načina merenja protoka i fizičko-tehničkih karakteristika ultrazvučnih senzora su da: - Imaju tačnost do 0.5% merenog protoka. - Imaju merni opseg od m 3 /h u senzorskoj izvedbi. - Prave se u veličinama od DN 50 do DN Mogući temeperaturni opseg merenog medija je od 40 0 C do C. - Praktično neosetljivi na promene teperature, gustine, pritiska provodljivosti fluida. - Ne remete tok fluida, moguća je instalacija pod pritiskom, bez zaustavljanja procesa. Od više poznatih metoda ultrazvučnog merenja protoka u upotrebi su najčešće tri, i to metodi koji su zasnovani na merenju: - vremena prolaza talasa kroz fluid, - promene faze talasa, - promene frekvencije talasa. Ovde ćemo razmotriti princip rada ultrazvučnih merača protoka koji primenjuju metod zasnovan na merenju vremena prolaza ultrazvučnog talasa kroz fluid, jer se ovaj metod najčešće primenjuje u praksi. Brzina prostiranja ultrazvuka c u fluidu koji miruje je poznata za dati fluid. Međutim, ako se fluid kreće kroz cevovod brzinom v, ukupna brzina prostiranja ultrazvuka biće određena vektorskim zbirom ove dve brzine,c+v. Krećući se od tačke A do tačke B, to jest nizvodno, ultrazvučni talas ima brzinu c + v cosθ, dok u suprotnom smeru brzina iznosi c v cosθ (slika 3.53). Slika

17 Merač se sastoji od dva para prijemnika/predajnika zvučnog talasa (tzv. transdjuseri) postavljenih paralelno jedan pored drugoga, pod uglom θ u odnosu na osu cevi kroz koju protiče fluid. Istovremeno oba para emituju ultrazvučni talas, jedan par nizvodno a drugi uzvodno. Ovi talasi stižu do naspramnih transdjusera u različitim vremenskim trenucima. V montaža W montaža Z montaža Slika Načini montaže Na tačnost merenja, odnosno obezbeđivanje pune tačnosti merenja prema specifikaciji proizvođača (podsećamo da proizvođač propisuje tačnost do 0.5%) utiču razni faktori, kao na primer: - Način ugradnje. - Tip pumpe, odnosno promene protoka. - Dinamika ventila vezanih za protokomer (posebno pri doziranju). - Izbor senzora i njegovo konfigurisanje. - Temperatura i pritisak kod zapreminskog protoka. - Promene viskoznosti. - Odsecanje protoka malog inteziteta. Šta se može meriti: - Tečnost sa <2% gasa ili vazduha - Tečnost sa <2% čvrstih sastojaka - Tečnost viskoznosti <350 Cst 3.8. Ekstenzometrijska metoda elektrootporne merne trake Elektrootpornim mernim trakama se mere dilatacije (pomeranja) u nekoj tački za neki odabrani pravac. Metoda se zasniva na korišćenju analogije sa električnim otporom pokazuje se da je dilatacija proprocionalna specifičnoj promeni električnog otpora. Merne trake su žice ili folije koje se lepe na površini konstrukcije tako da direktno prate deformaciju konstrukcije na tom mestu. Zbog promene u dužini žice menja se i električni otpor u traci, a to se registruje na posebnom mernom mostu gde je skala podešena za očitavanje veličina dilatacije. Zašto merne trake? 1. Veoma efikasna metoda, 2. Široko područje primene, 3. Visok stepen tačnosti, 4. Relativno niski troškovi, 5. Univerzalno korišćenje kod statičkih i dinamičkih problema, 6. Mogućnost mehanizovanosti i automatizacije postupka. 56

18 Dobre strane metode: Velika preciznost merenja deformacijskih veličina, Mogućnost istovremenog merenja deformacija u više tačaka sa odgovarajućim brojem traka, Merenja u širokom dijapazonu temperatura, Merenja pri najrazličitijim spoljašnjim uslovima (vlažnost, pritisak, jonizujuće zračenje, itd.) Merenja višekomponentnih deformacija u tački, Mala masa, pouzdanost u radu, niski prag reagovanja, mogućnost statičkih i dinamičkih ispitivanja, niska cena, Mogu se lepiti na prave i krive površine zahvaljujući svojoj vitkosti. Nedostaci: - Jednokratna upotreba (ne računajući pretvarače mehaničkih veličina sa mernim trakama), - Merenja deformacija samo u jednoj tački korišćenjem jedne trake, bez poznavanja slike naponskog polja, - Nemogućnost individualnog bažadrenja, - Merenje samo površinskih deformacija, - Relativno nizak apsolutni nivo izlaznog signala. K faktor ili faktor proporcionalnosti predstavlja jednu od najvažnijih karakteristika svake merne trake, odnosno on je linearan odnos između specifične promene otpora u provodniku i njegovog specifičnog izduženja. Vrednost K varira između 2 6 za metale, a za poluprovodnike K 180. µ m m 6 U tehnici korišćenja mernih traka kao jedinica dilatacije ε daje se [ µ D] = 1 = 10 i naziva se mikrodilatacija. R / R K = L / L L R / R ε = = L K R - početna otpornost, L - početna dužina žice merne trake, R - promena otpornosti trake i L - promena dužine trake pri njenom opterećenju. Faktor osetljivosti merne trake je mera promene otpornosti za datu deformaciju i pokazatelj osetljivosti na deformacije. Što je veći faktor, to je osetljivija merna traka i veći je električni izlaz koji omogučava tačnije očitavanje otpornosti, odnosno deformacije. Idealna žica za merne trake mora imati sledeće osobine: veliku otpornost, znatnu promenu otpornosti sa deformacijama, visoku granicu elastičnosti, mora biti neosetljiva na temperaturne promene kako u pogledu fizičkih tako i električnih osobina i konstantan odnos između promene otpornosti i deformacije. Vrste mernih traka Prve merne trake su bile napravljene od tanke Cu-Ni žice prečnika mm. Da bi se ostvarila znatnija promena otpora potrebno je uzeti što veću dužinu žice. 57

19 Slika Izgled mernog mesta: 1. Ispitivani objekat, 2. Lepak, 3. Nosač trake, 4. Merna traka, 5. Priključak, 6. Zaštitna masa. Prema načinu proizvodnje, merne trake se dele na: 1. Trake sa žicom, 2. Trake sa folijom, 3. Trake sa poluprovodnikom. Trake sa žicom. Za ove trake se obično koristi žica od constantana prečnika µm. Izrađuju se u dva oblika: Traka sa kružnim namotajima. Traka sa ravnim namotajima. Slika Trake sa žicom Trake sa folijom. Proizvode se od constantan folije debljine 2 10 µm. Ima prednost u odnosu na žičane trake jer omogućava široki asortiman za različite slučajeve opterećenja. Ima široki opseg dimenzija i oblika. Slika Traka sa folijom Proširenja na svakom mestu gde provodnik menja smer čine traku znatno neosetljivijom na poprečne deformacije. Drugo važno svojstvo je da njihova velika površina obezbeđuje linearnost duž celog aktivnog dela trake na ovaj način se na minimum smanjuje uticaj završetaka, a takođe i uticaj puzanja. 58

20 Slika Trake sa folijom Poluprovodničke merne trake. K faktor je i do sto puta veći od faktora koji imaju trake sa žicom i folijom. Sadrže upresovani poluprovodnik od kristala silicijuma ili germanijuma čija je čistoča podešena, tako da daje željene karakteristike. Osetljivije su na promenu temperature. Pogodnije su za dinamička merenja ali se mogu koristiti i za kratkotrajna statička merenja. Koriste se za specijalna merenja gde je potreban veliki faktor merne trake pri merenju vrlo malih deformacija. Najmanja dilatacija koje se može meriti ovom trakom je reda µd, dok trake sa provodnikom mogu meriti dilatacije reda 0.1 µd. Rozete. Specijalne merne trake. Ukoliko su poznati pravci glavnih napona u nekoj tački potrebno je u svakom pravcu postaviti po jednu mernu traku (veliki gubitak vremena, a i tačnost dobijenih rezultata je diskutabilna). Da bi se izbegli ovi probeli koriste se tzv. rozete koje predstavljaju dve, tri ili četiri sastavne trake na jednoj podlozi, tako da se mogu zalepiti jednom jedinom operacijom. Rozete imaju tačno određen standardni ugao izmeću pojedinih sastavnih traka: 450, 600, 900. Slika Rozete Membranske trake. Specijalne merne trake. Služe za merenje radijalnih (A) i radijalnih ili tangencijalnih deformacija (B). 59

21 Slika Membranske trake Naponske trake. Specijalne merne trake. Tako su kalibrisane da daju očitavanje direktno u naponskim jedinicama. Princip se zasniva na činjenici da napon u jednom pravcu zavisi od dilatacije u tom pravcu, a takođe i od dilatacije u poprečnom pravcu u odnosu na taj pravac. Slika Naponske trake Trake za merenje širenja prslina. Specijalne merne trake. Trake menjaju otpor progresivno sa širenjem prsline pri čemu progresivno dolazi do kidanja provodnika. Slika Trake za merenje širenja prslina Merni lanci. Specijalne merne trake. Merna traka uvek meri ustvari aritmetičku sredinu dilatacija duž aktivne dužine trake. U slučaju brzih promena gradijenta deformacije (u okolini izvora koncentracije napona) ne može se doći do stvarnih podataka o deformaciji u nekoj tački korišćenjem standardnih mernih traka (slika 3.63). Slika

22 Za utvrđivanje promene gradijenta napona koriste se merni lanci koji predstavljaju niz pojedinačnih traka (obično 10) veoma male aktivne dužine (0.6 mm), gusto poređanih jedna do druge na jednom istom nosaču. Izbor mernih traka se vrši na osnovu procene očekivanog naponskog stanja na ispitivanim delovima konstrukcije, i to: 1. Ako je promena gradijenta deformacije oštra, koristiti kratke trake ( mm, 2. Ako se promena gradijenta deformacije menja linearno ili uniformno treba koristiti duže merne trake, 3. Ako vreme očitavanja sa nekog mernog mesta traje duži period vremena treba koristiti duže merne trake, a takođe radi suzbijanja uticaja puzanja, 4. Trake sa folijom su pogodnije za dinamička ispitivanja. Merni most Vrednost R treba da je poznata sa tačnošću ±1%, dok R mora biti poznat sa tačnošću hiljaditog dela od 1%. To znači da moramo imati instrument koji može izmeriti tu promenu. Konvencionalni ommometri nisu sposobni da mere otpornost sa dovoljnom preciznošću. Postoji oblik električnog kola, poznat kao mostni tip koji može adekvatno obaviti takav zadatak Witston-ov most. Slika Witston-ov most 61