MJERENJE PROTOKA

1. MJERENJE PROTOKA Protok je jedna od osnovnih fizikalnih veličina koja se mjeri u industrijskom pogonu. Mjerenjem protoka određuju se energetske i materijalne bilance na osnovu kojih se određuje produktivnost procesa proizvodnje. Istovremeno protok je najčešće i osnovna veličina čijom se promjenom upravlja procesom proizvodnje. Mjerenje protoka kapljevina, plinova, višefaznih tekućina i suspenzija je složeno, podložno je brojnim pogreškama, i zato je razvijen je veliki broj različitih mjernih postupka u svrhu preciznog i pouzdanog mjerenja.

2. PODJELA METODA MJERENJA PROTOKA

3. ODREĐIVANJE PROTOKA MJERENJEM PADA TLAKA NA SUŽENJU Na slici prikazano je protjecanje tekućine (kapljevine ili plina) kroz cijev u koje je ugrađeno mjerno suženje. Zbog suženja dolazi do povećanja brzine tekućine i pada tlaka. Strujnice tekućine su putanje djelića tekućine koja protječe kroz cijev i njihovo maksimalno skupljanje je na mjestu iza najužeg geometrijskog otvora

4. A) mjerna ploča

5. Izračunat je volumni protok idealne kapljevine za izmjerenu razliku tlaka P1-P2 na mjernim mjestima 1 i 2. Rezultat uključuje i parametar km ( koeficijent suženja mlaza ) koji ne možemo odrediti iz upotrijebljenih jednadžbi. Ovo je maksimalna vrijednost protoka jer idealna kapljevina protječe bez pada tlaka, bez otpora, kroz cijev. Protok za realnu kapljevinu odredimo tako da protok idealne tekućine množimo sa koeficijentom brzine : odnosno protok realne kapljevine je:

6. Pitotova cijev Na osnovu sačuvanja energije za idealne tekućine može se izvesti jednostavan princip određivanja brzine tekućine mjerenjem razlike statičke i dinamičke komponente tlaka, odnosno odgovarajućih članova u Bernoullijevoj jednadžbi. Pitotova cijev: A) shematski prikaz principa mjerenja; B) instrument, mjerni opseg 150 Pa, klasa točnosti 1%. Mjerni uređaj se sastoji od dvije kapilare spojenih na diferencijalni manometar. Jedna kapilara ( A) ima otvor okomit na strujnice tekućine, a druga kapilara (B) ima otvor paralelan sa strujnicama. U kapilari (A) djeluje tlak jednak zbroju statičkog i dinamičkog tlaka, a u kapilari (B) vlada statički tlak. Mjerni signal je razlika dvaju tlakova.

7. MJERENJE PROTOKA ROTAMETROM Rotametar je najčešće upotrebljavani uređaj za mjerenje protoka u laboratoriju, a često se koristi i procesnoj industriji. Velika zastupljenost rotametra je posljedica jednostavnosti uređaja, široke primjenljivosti s obzirom na mogućnost mjerenja protoka plinova i kapljevina i vrlo veliki mjerni opseg.

8. Laboratorijski rotametri (A i B); C) industrijski rotametar, maksimalni mjerni opseg 3 m3 min-1, klasa točnosti 2%.

9. Pregled karakteristika:

10. ELEKTRODINAMIČKO MJERENJE PROTOKA Tekućina koje protječe kroz cijev je električki vodljiva i njezino protjecanje kroz magnetsko polje je analogno gibanju svitka električnog vodiča između polova magneta. Upotrebljava se izmjenično magnetsko polje da se izbjegne trajna polarizacija elektroda. Mjerni signal za protok je inducirana EMS sila između elektroda (E). Iznos EMS je određen zakonom indukcije B jakost magnetskog polja D promjer cijevi v srednja brzina tekućine k konstanta proporcionalnosti određena baždarenjem

11. Elektrodinamički instrument za mjerenje protoka. Maksimalni mjerni opseg 0 - 3 m3 min-1 vode, klasa točnosti 0,5 %.

12. ULTRAZVUČNO MJERENJE PROTOKA Mjerenje se zasniva na Dopplerovom efektu, odnosno na činjenici da se frekvencija ili valna dužina ovisi i o brzini izvora. Primjeri : pomak spektra u astronomiji i promjena tona sirene za vrijeme približavanja i zatim udaljavanja od mjeritelja. A) metoda s prolaskom vala: v je srednja brzina tekućine, I i D su frekvencije ultrazvuka izvora ( I ) i detektora ( D ),  je kut priklona snopa ultrazvuka, M je mjehurić zraka na kojemu dolazi da refleksije ultrazvuka i R je radijus cijevi

13. B) metoda s refleksijom vala.

14. izvor i detektor su piezoelektrični kristali, frekvencija  (100 kHz ,5MHz) pomak frekvencije  = k v ( proporcionalan brzini), pomak reda veličine 10 Hz kapljevina mora imati barem 25 ppm mjehurića zraka ili krutih čestica većih od 30m uređaj ima veliki mjerni opseg, od 0,01 m/s do 1000 m/s, klasa točnosti 0,5 % ne postoji pad tlaka protjecanjem kroz uređaj

15. A) Ručno Dopplerovo mjerilo protoka, mjerno područje 0,1 -10 m/s, klase točnosti 2%; B) Dopplerovo mjerilo protoka s refleksijom na vrtlozima (npr koji nastaju pri protjecanju kroz koljeno cijev), mjerno područje 0,1 -10 m/s, klase točnosti 2%.

16. MJERILO " MASENOG PROTOKA " (mass flow meter, ili Thomasovo mjerilo) Precizno mjerenje protoka kapljevina i plinova ostvareno je preciznim jerenjem toplinske bilance koja je uvjetovana masenim protokom tvari.

17. Toplina se razvija u namotaju žice oko cijevi i kondukcijom kroz stijenku se prenosi na tekućini koja protjeće kroz cijev. Temperatura se precizno mjeri prije grijača T1 i poslije grijača T2. Razlika temperature mjeri se u spoju termometara u Wheastoneovom otporničkom mjernom mostu. Mjerni signal masenog protoka je razlika napona (temperatura) na granama Wheastoneovog mosta. Bilancom je određena relacija između protoka i razlike temperature. Mjerni signal je proporcionalan razlici temperatura na mjernim mjestima 1 i 2, i obrnuto proporcionalan mjerenoj veličini ili masenom protoku qm.

18. Shematski prikaz izvedbe masenog mjerila protoka s Pt100 mjernim osjetilom

19. ANEMOMETRI SA VRUĆOM ŽICOM Bilanca topline služi za mjerenje lokalnih brzina strujanja plinova ili kapljevina primjenom uređaja anemometar s vrućom žicom ("hot wire anemometer"). Kratka tanka žice platine napaja se električnom energijom koja se pretvara u toplinu. Sa površine žice toplina se konvekcijom prenosi u okolinu, kapljevinu ili plin koji struji. Toplinski tok je jednoznačno određen brzinom strijanja, ali i jako ovisi o transportnim i termodinamičkim značajkama tekućine.

20. CORIOLISOVO MJERILO MASENOG PROTOKA Pojava da se na tijelo, ili tekućinu, koja se giba i istovremeno rotira djeluje osim centrifugalne sile i Coriolisova sila koristi se za mjerilo masenog protoka.

21. Ukupno ubrzanje je zbroj ubrzanja: Coriolisovo ubrzanje (sila) djeluje uvijek okomito na prividnu brzinu tijela i kutnu brzinu rotacije. Djelovanje Coriolisove sile možemo zapaziti kada tekućina istječe iz posude ( npr. slivnika ili kade ) jer zbog nje istovremeno uz istjecanje dolazi i do rotacije tekućine. Na sjevernoj polutki Zemlje rotacija tekućine je u smjeru zakretanja kazaljke na satu, a na južnoj polutci je u suprotnom smjeru.

22. Uređaj se sastoji od dvije paralelne cijevi savite u obliku slova U kroz koje protječe tekućina u istom smjeru. Princip rada zasniva se na torziji cijevi koje osciliraju a kroz njih protječe tekućina. Gornja i donja cijev osciliraju u protufazi, tako da kada se gornja cijev kreće prema gore donja cijev ima suprotan smjer kretanja.

23. Oscilacije su pobuđene elektromagnetskim djelovanjem i dolazi do rezonancije kada cijevi titraju vlastitom ili prirodnom frekvencijom. Frekvencija titraja je od 100 do 300 Hz s vrlo malom amplitudom, manjom od 1 mm. Zbog Coriolisove sile tekućina djeluje silom na stjenke cijevi i dolazi do njihovog savijanja (torzije) i pomaka u oscilacijama.

24. Klasa točnosti 0,2 % - izuzetno prikladno za mjerenje protoka u procesnoj industriji - jednostavno mjerenje s nenewtonskim tekućinama i tekućinama s visokom viskoznošću - linearna statička karakteristika, jednostavno baždarenje - električni signal omogućuje jednostavno on line povezivanje s računalom - mjerni signal je neovisan o tlaku, temperaturi, sastavu i gustoći materijala Primjeri upotrebe:

25. MEHANIČKA MJERILA PROTOKA Najjednostavnije načelo mjerenja protoka zasniva se na prijenosu količine gibanja tekućine (kapljevine ili plina) na mehanički uređaj s rotorom.

26. Rotacija propelera osjetila elektromagnetskom indukcijom pretvara se električni mjerni signal. Mjerni signal (napon) je proporcionalan brzini vrtnje, odnosno prosječnoj brzini protjecanja tekućine cijevi. Zbog složenosti hidrodinamičkih efekata potrebno je mjerni uređaj posebno umjeriti za svaku tekućinu pri određenoj temperaturi i tlaku (za plinove). Nedostatak mjerne metode je pad tlaka koji nastaje na propeleru, nemogućnost mjerenja protoka višefaznih tekućina (suspenzija krutine ili plina).