VJEŽBA 8: MJERENJE PROTOKA MASE

Transcript

1 VJEŽBA 8: MJERENJE PROTOKA MASE 18. MJERENJE PROTOKA MASE Protok se može mjeriti u zapreminskim ili masenim (odnosno težinskim) jedinicama protoka. Metode izravnog i neizravnog zapreminskog mjerenja protoka potpuno su prihvatljive u nizu slučajeva. Međutim, pri materijalnom bilansiranju u industriji, a i mjerenju za tržište, podatak o masenom protoku obično je povoljniji od podatka izraženog u zapreminskim jedinicama. Za mlazno gorivo npr. podatak o masenom protoku jedini je ispravan podatak. Neke od metoda za posredno mjerenje masenog protoka spomenute su u dijelu gradiva gdje se obrađuje mjerenje brzine strujanja fluida. Gotovo sve metode kojima se mjeri brzina strujanja fluida mogu se koristiti za mjerenje volumnog i masenog protoka uz poznavanje gustuće medija ρ i površine presjeka otvora kroz koji se strujanje odvija i u kojem mjerimo brzinu. 19. NAJZNAČAJNIJE METODE MJERENJA PROTOKA MASE U literaturi se često kao metode za mjerenje protoka mase navode sljedeće: - kalorimetrijska metoda - mjerilo protoka mase s turbinom - mjerilo protoka mase koje se zasniva na Coriolisovom efektu - mjerilo protoka mase koje se zasniva na žiroskopskom efektu Kalorimetrijska metoda Kalorimetrijska metoda se primjenjuje uglavnom za mjerenje protoka mase plinova i pare, ali se mogu koristiti i za tekućine. Na sl je prikazan teoretski i praktični razmještaj glavnih komponenti kalorimetrijskog mjerača protoka. Vidi se da su u dodiru s medijem (plinovitim) dva osjetnika temperature i grijaći element. Kada nema protoka kroz cijev, oba osjetnika temperature mjere jednaku temperaturu, jer su jednako udaljeni od grijača, a mjerni pretvornik daje izlazni signal 0 (izlazni signal je proporcionalan razlici temperatura ϑ1 i ϑ 2. Kada fluid struji kroz cijev hladi osjetnik temperature uzvodno od grijača pa ϑ 1 pada, dok masa koja struji od grijača prenosi toplinsku energiju na nizvodni osjetnik, pa njegova temperatura raste. Entalpijsku bilancu fluida možemo pisati izrazom: = MC p ( ϑ ) Q & & (19.1) 2 ϑ 1 M & maseni protok [ kg/h ] C p specifična toplina medija [ kj/kgk ] ϑ 2 temperatura na izlazu iz mjerača protoka [ C ] ϑ temperatura na ulazu u mjerač protoka [ C ] 1 132

2 Kalorimetrijski mjerači protoka mase dobro rade u mjernom rasponu od 1 : 10. Netočnost može biti manja od 2 %. Sl Kalorimetrijski mjerač protoka Sl Prikaz kalorimetrijskog mjerača protoka: A) grijanje u struji fluida B)grijanje struje fluida izvana 133

3 19.2. Metoda na principu efekta Coriolisovog ubrzanja Metoda mjerenja protoka na osnovi Coriolisovog efekta idealna je za mjerenje protoka mase kapljevina ali postoje i izvedbe za mjerenja protoka mase plinova. Ovakvi su mjerači naizgled jako jednostavni jer nemaju pokretnih dijelova, ne uzrokuju pad tlaka mjerenog medija, odstupanje od linearnosti i netočnost na radnom opsegu mogu biti manji od 0,25%, ugradnja je jednostavna, a pored protoka mase mjere i gustoću medija. Coriolisova sila kojom tijelo mase M djeluje na svoju okolinu u nekom rotacijskom sustavu (naš planet) je vektorski produkt brzine kretanja mase i kutne brzine rotacije koordinatnog sustava : F c = 2 Mv ω (19.2) F c = 2Mvω sinφ (19.3) Fc Coriolisova sila [ N ] M masa medija [ kg ] v brzina strujanja medija [ m/s ] ω kutna brzina [ rad/s ] Coriolisova sila je okomita na ravninu obje brzine i ona se pojavljuje uvijek kad kapljevina mase M teče kroz cijev koja je dio rotirajućeg koordinatnog sustava. U praksi imamo različite izvedbe uređaja koji rade ne principu Coriolisovog efekta. Na sl je prikazan mjerač protoka mase koji ulijed djelovanja Coriolisove sile i prisilne uzbude vibracija rezultira momentom uvijanja na cijev kako je prikazano na sl Sile momenta uvijanja koje se prenose na mjesto hvatišta "U" cijevi (pričvršćene u obliku konzole), proporcionalne su veličini masenog protoka. Sl Izvedba mjerača masenog protoka koja radi na principu Coriolisova ubrzanja (sile) 134

4 Na sl prikazana je principijelna shema masenog mjerača protoka koji radi na principu Coriolisova ubrzanja (sile). Sl Mjerač protoka mase na principu Coriolisova ubrzanja 1,2 -dvije T-cijevi 3 - elastična cijev 4 - cijev s tankom stijenkom 5 - mjerne trake 6 - sinkroni motor 7 ležajevi Postoji više tehničkih izvedbi mjerača protoka koji djeluju na principu Coriolisova ubrzanja kao što je prikazano na sl i sl Sl Prikaz načina rada mjerača protoka na principu Coriolisovog ubrzanja: A) cijev u obliku slova "U" B) ravna cijev 135

5 Sl Izvedba mjerača protoka mase na principu Coriolisova ubrzanja Mjerač protoka koji djeluje na principu Coriolisovog ubrzanja nije pogodan za mjerenje protoka fluida s dvije faze (kapljevina i para, zraka). Odstupanje točnosti mjerene veličine u tom slučaju može biti i do 40% kako se vidi na dijagramu sl Na istom dijagramu prikazana je točnost mjerenja kao funkcija veličine masenog protoka koja pokazuje veću točnost za veće masene protoke za različite udjele pare ili plina. Sl Greška mjerenja u (%) u ovisnosti o udjelu zraka u cijevi kod mjerenja protoka kapljevina i o vrijednosti masenog protoka 136

6 Sl Dvofazni tok - strujanje tekućine s mjehurićima zraka Mjerni područje ovakvih mjerača masenog protoka: 0,03 kg/h...1,500,000 kg/h Područje temperatura u kojima se može mjeriti: -200 ºC ºC Dopušteni tlakovi rada i do 890 bar Mjerilo protoka s dva rotora Na sl shematski je prikazano maseno mjerilo protoka sa dva rotora: inicijalni i mjerni. Oba rotora nalaze se u struji fluida, koji protječe kroz koaksijalni kanal. Inicijalni rotor pokreće se izvana konstantnom brzinom, pomoću sinhromotora i magnetske spojke. Na taj način fluid koji protječe kroz kanale inicijalnog rotora dobiva određeni moment vrtnje. Struja fluida napušta inicijalni rotor i zadržavajući dobiveni moment vrtnje ulazi u kanale mjernog rotora. Mjerni rotor preuzima cjelokupni moment vrtnje, i na taj način dobiva okretni moment, koji je proporcionalan preuzetom momentu vrtnje struje fluida. Moment vrtnje direktno je ovisan o masenom protoku, a radi na principu očuvanja konstantnog momenta količine gibanja. Ovakvi mjerači protoka se rijetko primjenjuju jer su glomazni i nespretni za odžavanje. Sl Maseno mjerilo protoka s dva rotora 137

7 Maseno mjerilo protoka s mjernom turbinom sl ima dva rotora koji su postavljeni na istu osovinu, ali su između sebe povezani elastično pomoću kalibrirane torzione opruge. Lopatice prvog i drugog turbinskog rotora postavljene su pod različitim kutevima. Na taj način se za vrijeme protoka mjernog fluida pojavljuje tedencija vrtnje turbinskih rotora različitim kutnim brzinama. Budući da između rotora postoji elastična veza, oni se vrte istom brzinom, ali s faznim pomakom. Kako je torziona opruga kalibrirana kut faznog pomaka između elastično povezanih rotora dvojne turbine izravna je funkcija momenta vrtnje, odnosno taj kut je mjera masenog protoka. Sl Maseno mjerilo protoka s dvojnom turbinom Mjerilo protoka na principu žiroskopa U praksi se još susreću masena mjerila protoka kao što su mjerila protoka na principu djelovanja žiroskopskog efekta sl Postoje izvedbe na principu djelovanja žiroskopskog efekta sl , koja rade na principu djelovanja uzbude koji uzrokuje kružne vibracije u jednoj ravnini, pri čemu je kružno gibanje u drugoj ravnini (koja je okomita na ravninu u kojoj se dešavaju kružne vibracije) definirano radijusom zakrivljenosti cijevi kroz koju struji fluid. Vibracije rezultirajućeg momenta proporcionalne su protoku mase koji prolazi kroz zakrivljenu cijev. Sl Maseno mjerilo protoka na principu djelovanja žiroskopskog efekta 138

8 Sl Maseno mjerilo protoka na principu djelovanja žiroskopskog efekta vlastitih frekvencija Utjecajni čimbenici na izbor mjerila protoka mase Pri izboru mjerila protoka mase treba uzeti u obzir sljedeće napomene: minimalni i maksimalni protok kojeg treba mjeriti treba li protok mjeriti ili samo signalizirati neki minimum ili maksimum realno dopuštena točnost mjerenja sastav mjerenog medija tlak mjerenog medija temperatura mjerenog medija promjer cjevovoda, način i prostor za ugradnju mjerača traženi oblik izlaznog signala, napon napajanja, lokalno pokazivanje, kompjutorski ispis itd. tip ambijentalne zaštite. 139

9 20. LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA PROTOKA MASE Cilj vježbe je određivanje protoka vode kroz uređaj za mjerenje masenog protoka. Uređaj za izvođenje vježbe: Proizvođač Danfoss TIP Mass 2100, DI 3 DI 40 NO 25 Nazivni napon 220 V Uređaj je namjenjen za: trenutno očitanje masenog protoka kumulativno očitanje masenog protoka određivanje gustoće medija sastav medija temperaturu medija trenutni volumski protok kumulativni volumski protok Uređaj se mora postaviti vodoravno na nosače da bi ga mogli odzračiti. Sl Shema uređaja za mjerenje protoka mase na principu Coriolisovog ubrzanja kao prema slici 8.5 A) 1 mjerni dio uređaja 2 postolje 3 digitalni pokazivač 4 ulaz medija 5 ulazni ventil 6 izlazni ventil 7 izlaz medija 140

10 Podaci koji su dobiveni mjerenjem su sljedeći: m = 998 [ kg/h ]- maseni protok vode ρ = 999,7 [ kg/m 3 ] gustoća vode ϑ = 16,51 [ C ] temperatura vode 141