Meranie a systémy merania

Transcript

1 Meranie a systémy merania Metódy merania prietoku prof. Ing. Ján Terpák, CSc. Technická univerzita v Košiciach Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológíı Ústav riadenia a informatizácie výrobných procesov October 12, 2017

2 Obsah Úvod Objemové prietokomery Rýchlostné prietokomery Príklady

3 Meranie prietoku veľmi dôležité meranie, hľadiska výberu fyzikálneho princípu snímača: druh meranej tekutiny (kvapalina, para, plyn), vlastností meranej tekutiny (napr. tlak, teplota, hustota, viskozita, znečistenie pevnými látkami, elektrická vodivosť, výbušnosť, chemické vlastnosti atď.), chyby a neistoty merania, druh prúdenia (laminárne alebo turbulentné), tvar rýchlostného profilu v potrubí (kanále), časové zmeny meraného prietoku apod.

4 Základné pojmy a definície Meracie metódy prietoku a pretečeného množstva tekutiny: objemová, rychlostná.

5 Základné pojmy a definície Meracie metódy prietoku a pretečeného množstva tekutiny: objemová, rychlostná. Objemová metóda - objemové prietokomery: Q V = V /t, Q m = m/t, Q m = Q V ρ.

6 Základné pojmy a definície Meracie metódy prietoku a pretečeného množstva tekutiny: objemová, rychlostná. Objemová metóda - objemové prietokomery: Q V = V /t, Q m = m/t, Q m = Q V ρ. Rychlostná metóda - rýchlostné prietokomery: Q V = S w, Q m = S w ρ. delia sa na prietokomery: s konštantným prietočným prierezom, s konštantnou strednou rýchlosťou prúdenia.

7 Základné pojmy a definície Meracie metódy prietoku a pretečeného množstva tekutiny: objemová, rychlostná. Objemová metóda - objemové prietokomery: Q V = V /t, Q m = m/t, Q m = Q V ρ. Rychlostná metóda - rýchlostné prietokomery: Q V = S w, Q m = S w ρ. delia sa na prietokomery: s konštantným prietočným prierezom, s konštantnou strednou rýchlosťou prúdenia. Pretečené množstvo tekutiny - objem V alebo hmotnosť m priamo meraním, integráciou prietoku v časovom intervale t, V = Q V dt resp. m = Q m dt

8 Základné pojmy a definície Správna funkcia prietokomerov - druh prúdenia: laminárne prúdenie (LP) rychlostný profil - rotačný paraboloid w(y) = 0, prechodné prúdenie (PP) rychlostný profil - rotačný paraboloid w(y) 0, turbulentné prúdenie (TP) rychlostný profil - veľmi plochý, tekutina prúdi vo väčšine prietočného prierezu takmer rovnakou rýchlosťou w(y) 0, posúdenie druhu prúdenia - Reynoldsovo číslo: Re = d w/ν resp. Re = d w r/µ kritické Reynoldsovo číslo Rekrit - hranica medzi LP a PP, kruhové potrubie - Rekrit = 2300.

9 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery druh merania jednorazové, alebo kontinuálne, laboratórne, alebo prevádzkové;

10 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery druh merania jednorazové, alebo kontinuálne, laboratórne, alebo prevádzkové; pracovná činnosť spojitá, nespojitá;

11 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery druh merania jednorazové, alebo kontinuálne, laboratórne, alebo prevádzkové; pracovná činnosť spojitá, nespojitá; druh, vlastnosti a hodnoty parametrov meranej tekutiny kvapalina, para, plyn; agresivita; hodnoty teploty, tlaku, viskozity, hustoty, apod.;

12 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery druh merania jednorazové, alebo kontinuálne, laboratórne, alebo prevádzkové; pracovná činnosť spojitá, nespojitá; druh, vlastnosti a hodnoty parametrov meranej tekutiny kvapalina, para, plyn; agresivita; hodnoty teploty, tlaku, viskozity, hustoty, apod.; meracie miesto a jeho parametre potrubie, otvorený kanál a jeho rozmery a iné parametre (prístupnosť, nábehová dĺžka atď.);

13 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery druh merania jednorazové, alebo kontinuálne, laboratórne, alebo prevádzkové; pracovná činnosť spojitá, nespojitá; druh, vlastnosti a hodnoty parametrov meranej tekutiny kvapalina, para, plyn; agresivita; hodnoty teploty, tlaku, viskozity, hustoty, apod.; meracie miesto a jeho parametre potrubie, otvorený kanál a jeho rozmery a iné parametre (prístupnosť, nábehová dĺžka atď.); rušivé vplyvy snímača trvalá tlaková strata, časové oneskorenie údajov;

14 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery spôsob indikácie zobrazenie alebo zápis, miestny alebo dia ľkový, analógový alebo digitálny, tlač, ukladanie do pamäte;

15 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery spôsob indikácie zobrazenie alebo zápis, miestny alebo dia ľkový, analógový alebo digitálny, tlač, ukladanie do pamäte; vyhodnotenie prietoku alebo pretečeného množstva objemového alebo hmotnostného, parametre tekutiny, predvoľba, signalizácia;

16 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery spôsob indikácie zobrazenie alebo zápis, miestny alebo dia ľkový, analógový alebo digitálny, tlač, ukladanie do pamäte; vyhodnotenie prietoku alebo pretečeného množstva objemového alebo hmotnostného, parametre tekutiny, predvoľba, signalizácia; presnosť (chyby) merania bez korekcie alebo s korekciou;

17 Požiadavky na snímače prietoku a prietokomery spôsob indikácie zobrazenie alebo zápis, miestny alebo dia ľkový, analógový alebo digitálny, tlač, ukladanie do pamäte; vyhodnotenie prietoku alebo pretečeného množstva objemového alebo hmotnostného, parametre tekutiny, predvoľba, signalizácia; presnosť (chyby) merania bez korekcie alebo s korekciou; možné opotrebenie a zmeny v čase mechanických dielov, resp. vlastností, hodnôt parametra.

18 Rozdelenie snímačov prietoku Základné delenie: objemové prietokomery rýchlostné prietokomery

19 Rozdelenie snímačov prietoku Základné delenie: objemové prietokomery rýchlostné prietokomery Objemové prietokomery sa delia podľa konštrukcie na: zvonové nespojité (s prerušovanou činnosťou), bubnové spojité (s neprerušovanou činnosťou), piestové nespojité i spojité, s priamočiarym pohybom piestu, piestové spojité, s kruhovým pohybom piestu, piestové spojité, s dvoma rotujúcimi piestami v tvare ozubených oválov navzájom v ozubení spojených (odtiaľ tiež názov oválne meradlo).

20 Rozdelenie snímačov prietoku Rýchlostné prietokomery podľa spôsobu merania strednej rýchlosti: plavákové; turbínové; lopatkové a skrutkové; vírivé, vírové a fluidikové (oscilačné); indukčné; ultrazvukové; prierezové (škrtiace orgány); rychlostné sondy; hmotnostné (Coriolisové); tepelné; anemometrické.

21 Obsah Úvod Objemové prietokomery Rýchlostné prietokomery Príklady

22 Objemové prietokomery Zvonové prietokomery nespojité s prerušovanou činnosťou, meranie objemu plynov pre laboratórne presné merania.

23 Objemové prietokomery Zvonové prietokomery nespojité s prerušovanou činnosťou, meranie objemu plynov pre laboratórne presné merania. Bubnové prietokomery spojité meranie objemu plynov a kvapaĺın, meracie rozsahy plyny 0,25 až 25 m 3 h 1 pri presnostiach ±0,2 až ±1 %, kvapaliny 0,1 až 7 m 3 h 1 pri presnosti ±1 %.

24 Objemové prietokomery Zvonové prietokomery nespojité s prerušovanou činnosťou, meranie objemu plynov pre laboratórne presné merania. Bubnové prietokomery spojité meranie objemu plynov a kvapaĺın, meracie rozsahy plyny 0,25 až 25 m 3 h 1 pri presnostiach ±0,2 až ±1 %, kvapaliny 0,1 až 7 m 3 h 1 pri presnosti ±1 %. Piestové prietokomery spojité meranie objemu plynov a kvapaĺın, chyba merania ±0,5 %

25 Objemové prietokomery Zvonové prietokomery nespojité s prerušovanou činnosťou, meranie objemu plynov pre laboratórne presné merania. Bubnové prietokomery spojité meranie objemu plynov a kvapaĺın, meracie rozsahy plyny 0,25 až 25 m 3 h 1 pri presnostiach ±0,2 až ±1 %, kvapaliny 0,1 až 7 m 3 h 1 pri presnosti ±1 %. Piestové prietokomery spojité meranie objemu plynov a kvapaĺın, chyba merania ±0,5 % Piestové prietokomery s rotujúcim piestom spojité meranie objemu kvapaĺın, merací rozsah 1 dm 3 h 1 až 1 m 3 h 1, resp. 3,5 až 7 m 3 h 1, prevádzkový tlak až 2 MPa a teplota 120 C.

26 Objemové prietokomery Charakteristické parametre objemových prietokomerov Merané tekutiny čisté kapaliny a plyny Tlak tekutiny do 10 MPa Teplota tekutiny kvapaliny do 300 C, plyny do 120 C Meraný prietok kvapaliny 0,4 dm 3 h 1 a 160 m 3 h 1, plyny 0 až m 3 h 1 Výstup zo snímača elektrický, impulzný alebo analógový Presnosť merania kvapaliny ±0,5 % okamžité hodnoty, plyny ±1 % meracieho rozsahu Rozmer potrubia do DN 300 Výhody vhodné aj pre viskózne kvapaliny a pre dávkovanie a zmiešavanie, krátke nábehové dĺžky potrubia Nevýhody mechanické opotrebenie (nutné periodické kontroly), citlivosť na nečistoty (filter!)

27 Obsah Úvod Objemové prietokomery Rýchlostné prietokomery Príklady

28 Rýchlostné prietokomery Plavákové pre plavákový prietokomer platí Q V = (S 1 S 2 )k p/ρ kde S 1 S 2 je prietokový prierez medzi trubicou a plavákom, p - rozdiel tlaku vstupu a výstupu trubice, k - konštanta, ρ - hustota tekutiny. prietokový prierez je premenlivý, tlakový spád sa nemení trubica je sklenená alebo kovová, s kužeľovosťou 0,01 až 0,1, stabilná poloha plaváku sa zaisťuje jeho vedením alebo vhodným tvarom a rotáciou, snímanie polohy plaváku sa robí väčšinou bezdotykovo pomocou indukčných, kapacitných alebo fotoelektrických snímačov, meracie rozsahy plyny do m 3 h 1, kvapaliny do 70 m 3 h 1.

29 Rýchlostné prietokomery Lopatkové a turbínové princíp - snímanie otáčok rotora, na ktorý pôsobí prúdiaca tekutina lopatkové - os rotácie je kolmo na smer prúdenia turbínové - os rotácie je v smere prúdenia presnosť pre kvapaliny - ±0,5 % tlak až 250 MPa dĺžka priameho potrubia pred snímačom je 15D a za snímačom 5D.

30 Rýchlostné prietokomery Lopatkové a turbínové princíp - snímanie otáčok rotora, na ktorý pôsobí prúdiaca tekutina lopatkové - os rotácie je kolmo na smer prúdenia turbínové - os rotácie je v smere prúdenia presnosť pre kvapaliny - ±0,5 % tlak až 250 MPa dĺžka priameho potrubia pred snímačom je 15D a za snímačom 5D. Oscilačné vírivé, vírové a fluidikové prietokomery jednoduché, s veľkou presnosťou veľké meracie rozpätie dlhodobá stabilita výstupom je signál zo snímača tlaku alebo z termistoru

31 B Rýchlostné prietokomery Indukčné prietoku elektricky vodivých kvapaĺın a tekutých kovov princíp - pohyb fiktívneho vodiča kvapaliny v mag. poli, pričom vo vodiči sa indukuje napätie úmerne rýchlosti vodiča pre napätie, ktoré sa indukuje platí: U = B l w kde B je stredná hodnota magnetickej indukcie v meracej rovine, w - stredná rýchlosť kvapaliny v meracej rovine, l - vzdialenosť medzi elektródami, U - napätie indukované v kvapaline medzi elektródami. U w l

32 Rýchlostné prietokomery Ultrazvukové veľmi často používané princíp - meraní doby priechodu signálu meranou kvapalinou stredná rýchlosť prúdenia v m - známe hodnoty t AB, t BA, L, uhol ϕ a rýchlosť šírenia ultrazvuku c 0 B C 0 t BA ϕ w m t AB L w m A

33 Rýchlostné prietokomery Prierezové veľmi často používané s malým meracím rozsahom princíp - vytváranie tlakového rozdielu na škrtiacom člene najpoužívanejší škrtiaci člen - clona w A D v B d p

34 Rýchlostné prietokomery Prierezové Pre prierez A-A a B-B platí rovnica kontinuity a Bernoulliho rovnica S A v A = S B v B p A ρv A = p B ρv B

35 Rýchlostné prietokomery Prierezové Pre prierez A-A a B-B platí rovnica kontinuity a Bernoulliho rovnica S A v A = S B v B p A ρv A = p B ρv B Z uvedených rovníc dostávame 2(p A p B ) v B = [ ( ) ] 2 ρ 1 SB S A Ak µ = S B /S C a m = S C /S A, potom S B /S A = µm. Zavedením súčiniteľa prietoku daného výrobcom α = ξ µ 1 µ 2 m 2,

36 Rýchlostné prietokomery Prierezové je objemový prietok pri p 0 a T 0 V 2 p = αs C ρ kde α je súčiniteľ prietoku, S C - prierez clony πd2 4, p - tlaková diferencia medzi vstupom a výstupom, ρ - hustota tekutiny.

37 Rýchlostné prietokomery Prierezové je objemový prietok pri p 0 a T 0 V 2 p = αs C ρ kde α je súčiniteľ prietoku, S C - prierez clony πd2 4, p - tlaková diferencia medzi vstupom a výstupom, ρ - hustota tekutiny. Objemový prietok pre dané teplotné a tlakové podmienky V 2 p = αs C εk ρ

38 Rýchlostné prietokomery Prierezové je objemový prietok pri p 0 a T 0 V 2 p = αs C ρ kde α je súčiniteľ prietoku, S C - prierez clony πd2 4, p - tlaková diferencia medzi vstupom a výstupom, ρ - hustota tekutiny. Objemový prietok pre dané teplotné a tlakové podmienky V 2 p = αs C εk ρ V prepočte na normálne podmienky je potrebné dosadiť za hustotu do vzťahu 20 a ten do vzťahu ρ = ρ 0 T 0 (p + p 0 ) p 0 (t + T 0 ) V 0 = T 0 p 0 p T V

39 Rýchlostné prietokomery Prierezové Potom prietok je daný V 0 = αs C εk 2 p T 0 (p + p 0 ) ρ 0 p 0 (t + T 0 ) kde T 0 = 273,15K, p 0 = Pa je teplota a tlak pre normálne podmienky, p - pretlak v potrubí (Pa), t - teplota plynu v potrubí ( C).

40 Rýchlostné prietokomery Rýchlostné sondy Pitotova a Prandtlova trubica sú vhodné pre potrubia veľkých prierezov, vyvolávajú nepatrnú trvalú tlakovú stratu a deformácia rýchlostného profilu nemá vplyv na presnosť.

41 Rýchlostné prietokomery Hmotnostné resp. Coriolisové pritokomery využívajú značne zúženej trubice tvaru U, resp. Ω, trubica sa nútene rozkmitá a snímajú sa časové posuny vzniklých kmitov úmerne hmotnostnému prietoku sú príčinou veľkej trvalej tlakovej straty; meracie rozsahy siahajú od 3 kgh 1 do kgmin 1, presnosť ±0,1 %, teplota od -240 do +200 C, tlak až 30 MPa.

42 Rýchlostné prietokomery Tepelné princíp - ohrevu meraného plynu topným telesom (Q) a snímanie teploty meraného plynu pred (t 1 ) a po ohreve (t 2 ), závislosť na mernej tepelnej kapacite meraného plynu (c p ) V Q = c p (t 2 t 1 )

43 Rýchlostné prietokomery - súčasný stav Požiadavka užívateľov % používateľov väčšia spoľahlivosť 94 % jednoduchá kalibrácia 86 % menšia neistota merania 79 % prispôsobovanie a riešenie problémov on-line 70 % nízke celkové náklady 65 % schopnosť digitálnej komunikácie 49 % jednoduchá inštalácia, menej zásahov do potrubia 41 % bezdotykové (neinvazívne) použitie 36 %

44 Rýchlostné prietokomery - súčasný stav Typ prietokomerov % používateľov magneticko-indukčné 50 % prierezové (clonové) 50 % turbínové 50 % hmotnostné 43 % Coriolisové 35 % Ventúriho trubice 27 % vírové 26 % annubar 21 % teplotné 21 % objemové 20 % ultrazvukové 19 % dýzy 16 % Pitotové trubice 14 % prepady 10 % prstencová clona 8 % žľaby 6 % laserové dopplerové 2 % kolena 1 %

45 Rýchlostné prietokomery - súčasný stav Typ protokolu % používateľov súčasnosť/výhľad 4 až 20 ma 93/82 % HART 49/46 % 0 až 10 V 47/41 % Ethernet 33/38 % Profibus-PA 12/18 % Foundation fieldbus H1 6/10 %

46 Rýchlostné prietokomery Päť doporučení pre úspotu nákladov: 1. Meraním hmotnostného prietoku plynov a pár sa na minimum potlačí vplyvy zmien parametrov média na výsledok merania. 2. Minimálna tlaková strata znamená menšie prevádzkové náklady. 3. Riešenie bez impulzných potrubí je spoľahlivejší a lacnejší (s menšími nákladmi na inštaláciu a údržbu). 4. Minimálnych nákladov na inštaláciu sa dosahuje pri použití prietočných (on-line) prietokomerov pre malé a zásuvných prietokomerov pre veľké priemery potrubí. 5. Priama diagnostika umožňuje zaviesť metódy predikčnej údržby, čo vedie ku zníženiu prevádzkových nákladov.

47 Obsah Úvod Objemové prietokomery Rýchlostné prietokomery Príklady

48 Príklad 1 Formulácia: Vypočítajte absolútnu a relatívnu chybu pri meraní objemového prietoku vysokopecného plynu pomocou clony, ak nie/je zohľadnena teplota a tlak. Dané sú: teplota plynu v potrubí t = 20 C, pretlak plynu v potrubí p = 5000 Pa, rozdiel tlaku na clone p = 2246,05 Pa, vnútorný priemer clony d 0 = 0, m, hustota plynu v potrubí ρ 0 = 1,379 kg m 3, súčiniteľ teplotnej korekcie clony k = 1 + 3, t, expanzný súčiniteľ plynu ε = 0,99093, súčiniteľ prietoku plynu α = 0,649166,

49 Príklad 1 Riešenie: Ad 1. neuvažujeme vplyv teploty a tlaku V 2 p = αs C ρ = α πd 2 4 V = 0, ,14 0, p ρ ,05 1,379 V = 11,3314 m 3 s 1. = m 3 h 1 Ad 2. uvažujeme vplyv teploty a tlaku V 2 p T 0 (p + p 0 ) 0 = αs C εk ρ 0 p 0 (t + T 0 ) = α πd 2 4 εk V 0 = 0, ,05 1,379 3,14 0, p T 0 (p + p 0 ) ρ 0 p 0 (t + T 0 ) 0,99093 (1 + 3, ) 273,15( ) ( ,15) = 11,1111 m3 s 1. = m 3 h 1

50 Príklad 1 Riešenie: Z uvedených výsledkov vyplýva absolútna chyba a relatívna chyba V = = 793 m3 h 1 δv = /40793 = 1,9439 %

51 Príklad 2 Formulácia: Vypočítajte absolútnu a relatívnu chybu pri meraní objemového prietoku vysokopecného vetra pomocou clony, ak nie/je zohľadnena teplota a tlak. Dané sú: teplota plynu v potrubí t = 150 C, pretlak plynu v potrubí p = Pa, rozdiel tlaku na clone p = 7154,9 Pa, vnútorný priemer clony d 0 = 0, m, hustota plynu v potrubí ρ 0 = 1,293 kg m 3, súčiniteľ teplotnej korekcie clony k = 1 + 3, t, expanzný súčiniteľ plynu ε = 0,99093, súčiniteľ prietoku plynu α = 0,649166,

52 Príklad 2 Riešenie: Ad 1. neuvažujeme vplyv teploty a tlaku V 2 p = αs C ρ = α πd 2 4 V = 0, ,14 0, p ρ ,9 1,293 V = 38,21 m 3 s 1. = m 3 h 1 Ad 2. uvažujeme vplyv teploty a tlaku V 2 p T 0 (p + p 0 ) 0 = αs C εk ρ 0 p 0 (t + T 0 ) = α πd 2 4 εk V 0 = 0, ,9 1,293 3,14 0, p T 0 (p + p 0 ) ρ 0 p 0 (t + T 0 ) 0,99093 (1 + 3, ) 273, 15( ) = 66,67 m 3 s 1. = m 3 h ( ,15)

53 Príklad 2 Riešenie: Z uvedených výsledkov vyplýva absolútna chyba a relatívna chyba V = = m3 h 1 δv = / = 42,6854 %

54 Príklad 3 Formulácia: Vypočítajte relatívnu chybu pri meraní objemového prietoku vodikového odplynu, ak dochádza k zmene hustoty v rozmedzí 0,17 až 0,35 kg/m 3. Dané sú: teplota plynu v potrubí t = 20 C, pretlak plynu v potrubí p = 3,2 MPa, prietok za normálnych podmienok V = 500 m 3 /h,

55 Príklad 3 Riešenie: Rozdiel prietočných objemov vyjadríme v tvare V = V V 0 Vo vzťahu vyjadríme prietočný objem v závislosti na hustote V = ṁ ρ ṁ ρ 0 ( V 1 = ṁ ρ 1 ) ρ 0 V = ṁ ρ 0 ρ ρρ 0 V = V 0 ρ ρ

56 Príklad 3 Riešenie: Po úpravách získame vzťah medzi relatívnou chybou prietočného objemu a zmenou hustoty V V 0 = ρ ρ Rozdiel hustoty môžeme vyjadriť ako rozdiel medzi priemernou a mi-nimálnou, resp. maximálnou Po dosadení V V 0 = ρ ρ min ρ max V 0,26 0,17 = = 0,2571 V 0 0,35 relatívna chyba je 0,2571, resp. 25,71 %.

57 Ďakujem za pozornosť