MASZYNOZNAWSTWO
POMIAR PRZEPŁYWU PŁYNU:
Prędkość- jest to podstawowa wielkość fizyczna charakteryzująca ruch.
Prędkość liniowa (v)- jest równa pochodnej wektora położenia względem czasu (τ)- d/dτ, a jej wartość (w)- pochodnej drogi (s) względem czasu
(τ)-v= ds/dτ . W ruchu jednostajnym v równa się stosunkowi drogi (s) do czasu (τ), w którym ta droga została przebyta: v=s/τ. Prędkość liniowa jest styczna do toru. Jednostki prędkości liniowej to: m//s, km/h, w żegludze morskiej węzeł.
Ilość płynu- masa płynu lub objętość niezależna od czasu. Różnica początkowego i końcowego wyniku pomiaru niezależnie od chwilowych przyrostów. Wyraża się w kilometrach lub w metrach sześciennych. W przypadku wyrażania ilości substancji w m3, należy zawsze dodatkowo podać ciśnienie, temperaturę, stan skupienia i układ fazowy.
Strumień masy (M) [kg/s]- (masowe natężenie przepływu) ilość cieczy lub gazu przepływająca np. przewodem rurowym (rurociągiem) w jednostce czasu. Stosunek masy przepływu (m) do czasu (τ), a więc: M=m/τ . Strumień masy ma miano: kg/h, kg/s.
Strumień objętości (V) [m3/s]- (objętościowe natężenie przepływu) stosunek objętości płynu (v) do czasu (τ), a więc: V=v/ τ. Strumień objętości ma miano: m3/h, m3/s.
Ruch:
-laminarny (uwarstwiony)- ruch ten utrzymuje się aż do pewnej prędkości krytycznej płynu, przy której wewnątrz strumienia zaczynają pojawiać się wiry. Początkowo, przy małych prędkościach płynu wiry te pojawiają się i znikają
-burzliwy (turbulentny)- występuje gdy wzrost prędkości powoduje, że zawirowania strumienia są nieustanne.
*Między ruchem uwarstwionym i burzliwym występuje obszar przejściowy.
*Obszar przejściowy zależy od wielu czynników, jak. Np. od szorstkości przewodu czy występowania drgań wewnętrznych.
Bezwymiarowa liczba Reynoldsa (Re)
- określa charakter ruchu płynu
-występują w niej wszystkie wielkości, wpływające na rodzaj ruchu (prędkość, lepkość, gęstość, średnica strumienia)
Re=(u•d•ρ)/μ
u - prędkość płynu
d- średnica strumienia
ρ- gęstość płynu
μ- lepkość dynamiczna
PRZYRZĄDY DO POMIARU PRZEPŁYWU PŁYNU
Przepływomierz- przyrząd do pomiaru jednej z wielkości charakteryzujących przepływ płynu, głównie strumienia objętości lub masy; (gazomierz; cieczomierz- wodomierz, benzynomierz, mlekomierz).
Klasyfikacja ze względu na zasady fizyczne:
-zasada zachowania energii strumienia płynu wyrażona prawem Bernoulliego- przep. zwężkowe i z ciałem unoszonym (rotametry), rurki spiętrzające
-druga zasada dynamiki Newtona- wyrażona zależnością F= m *a – przep. bezwładnościowe
-zasada strat energii wynikających z ruchu lepkiego płynu- reometry
-zasada indukcji elektrycznej- przep. kalorymetryczne i termoanemometry
-zasada zmian temperatury- przep. kalorymetryczne i termoanemometry;
-różne metody, jak: zastrzyk, ruch jonów, zasada relaksacji rezonansu magnetycznego.
Klasyfikacja ze względu na zasadniczą cechę:
-przyrządy, urządzenia, które pozwalają na określenie tylko średniego strumienia płynu. Np. zwężki, rotametry, przep. kalorymetryczne.
-przyrządy pozwalające ustalić chwilowy strumień płynu w dowolnym punkcie przekroju poprzecznego przewodu. Np. anemometry elektryczne, rurki spiętrzające.
Klasyfikacja ze względu na sposób dokonywania pomiaru:
-przep. silnikowe (wirnikowe, komorowe)
-przep. zwężkowe
-przep. z ciałem unoszonym
-rurki spiętrzające
-danaidy
-przep. zbiornikowe otwarte
-przep. elektromagnetyczne i ultradźwiękowe
-anemometry
-liczniki
PRZEPŁYWOMIERZE SILNIKOWE
Podział
-wirnikowe- prędkość obracania się elementu pomiarowego jest proporcjonalna do natężenia przepływu płynu (np. wodomierze)
-komorowe- (tłokowe, puszkowe, łopatkowe)- każdy suw lub obrót elementu pomiarowego powoduje przepuszczenie określonej objętości płynu ( stosowane głównie do ciekłych paliw)
Przepływomierze wirnikowe:
-ich główną częścią jest wirnik, obracający się z prędkością proporcjonalną do prędkości przepływającego płynu;
-wielkością mierzoną jest jego prędkość;
-wymagają odcinków pomiarowych, będących wielokrotnością średnicy w granicach od 10 do 20 razy
-należą do przyrządów najdokładniejszych;
-w szczególnych przypadkach nieodzowne jest montowanie na rurociągu prostownic w celu wyeliminowania ruchu wirowego płynu;
-zastosowanie- jako wodomierz.
Wirniki:
*w zależności od przeznaczenia wykonuje się je z :
-do pomiarów zimnej wody- celuloidu, ebonitu, lub innych tworzyw sztucznych
-do gorącej wody- wirniki metalowe: skrzydełkowe i śrubowe
Wirnik skrzydełkowy:
- ma kilka symetrycznych łopatek i może być zakładany jedynie na poziomych odcinkach rurociągu;
-przepływomierze z wirnikami skrzydełkowymi są przydatne do pomiaru niewielkich przepływów w rurociągu;
- Wirnik śrubowy:
-przepływ płynu odbywa się osiowo
-ma kształt śruby wielozwojowej;
-mogą być montowane w poziomych, ukośnych i pionowych odcinkach rurociągu.
Przepływomierze komorowe:
-działają na zasadzie liczby porcji płynu, odmierzanych w odpowiednich komorach o niezmiennej objętości;
-odmierzanie odbywa się w sposób ciągły i jest rejestrowane przez licznik wyskalowany w jednostkach objętości;
-wynik nie jest jednoznaczny, ponieważ wykonywany jest za pomocą metody objętościowej;
-dlatego wykonuje się dodatkowe pomiary temp. i ciśnienia płynu.
- urządzenia charakteryzujące się dużą dużą dokładnością;
-zaletą jest możliwość wykorzystania ich do pomiaru bardzo lepkich płynów
-wadą jest wysoki koszt oraz wrażliwość na zanieczyszczenia mechaniczne.
Podział przepływomierzy komorowych:
*służące do pomiaru objętości cieczy
-nieckowe
-z tłokiem pierścieniowym (obrotowym)
-z tłokiem wahliwym;
-z owalnymi tłokami;
*służące do pomiaru objętości gazów:
-miechowe (gazomierze miechowe);
-bębnowe (gazomierze bębnowe)
-z tłokami obrotowymi
PRZEPŁYWOMIERZE ZWĘŻKOWE
Pomiar za pomocą zwężki jest najtańszym i najbardziej rozpowszechnionym sposobem pomiarowym. Do pomiaru strumienia tą metodą są potrzebne:-element powodujący spadek ciśnienia- zwężka
-element do pomiaru różnicy ciśnień statycznych przed i za zwężką- manometr, najczęściej różnicowy, wywzorcowany w jednostkach strumienia przepływu.
Zwężka pomiarowa- to wbudowany w rurociąg element zwężający miejscowo przekrój kanału przepływowego, służący do pomiaru wielkości charakteryzującej przepływ płynu tj. strumienia (objętości lub masy), na pods. pomiaru różnicy ciśnień przed i za zwężką pomiarową.
Zwężki-są wygodnymi przyrządami pomiarowymi ze względu na dużą dokładność, prostą konstrukcję, niezawodność działania i możliwość zastosowania w szerokim zakresie ciśnienia i temperatur;
Zastosowanie:
-pomiar ilości przepływającej pary wodnej, gazów, wody, olejów, powietrza.
Typy zwężek:
-kryzy
-dysze
-dysze Venturiego (zwężki Venturiego)
Róznice między typami zwężek:
-liczba przepływu
-strata ciśnienia
-dokładność
-wrażliwość na korozję i zanieczyszczenia
-koszt wykonania
Kryza pomiarowa- jest to kołowa płytka z otworem pośrodku;
-najbardziej rozpowszechniony rodzaj zwężki;
-jest to cienka tarcza wmontowana w przewód w taki sposób, że oś jej otworów pokrywa się z osią przewodu;
- ciśnienie płynu przed kryzą nieco wzrasta i zmniejsza się do minimum za kryzą
Zwężka Venturiego- zespół dyszy i dyfuzora, gdzie wykorzystuje się efekt wzrostu prędkości przepływu w przewężeniu i wynikający stąd spadek ciśnienia. Mierzona wielkość ciśnienia różnicowego jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z różnicy ciśnienia statycznego strumienia na wlocie do zwężki i w jego przewężeniu.
PRZEPŁYWOMIERZE Z CIAŁEM UNOSZONYM
Rotametr- jest to przyrząd do mierzenia strumienia płynu objętości. Główną częścią rotametru jest zwykle szklana, pionowa, stożkowa rura, z podziałką i umieszczonym w niej pływakiem- wskazówką. Wewnętrzny profil rury jest paraboloidą obrotową. Pozwala to na stosowanie równomiernej skali odczytów strumienia płynu. Pływak jest unoszony do góry przez strugę przepływającego płynu, przy czym im większy strumień, tym wyższe położenie pływaka. Położenie pływaka zależy od strumienia płynu i ustala się, gdy nastąpi równowaga sił działających na pływak. Jego masa równoważna jest siłami wynikającymi z różnicy ciśnień, działających na czołową i tylną powierzchnię pływaka z ciśnienia dynamicznego oraz siły tarcia i wyporu.
Zalety rotametrów:
-równomierność podziałki
-duża dokładność pomiaru
-małe straty ciśnienia
-urządzenia tego typu nie wymagają prostych odcinków przewodów rurowych
-mogą być wykonane z materiałów odpornych na działanie płynów agresywnych chemicznie
-mają duży zakres pomiarowy (Mmax/Mmin=10/1)
W przep. z ciałem unoszonym, zwanych popularnie rotametrami, przekrój zmienny, natomiast ciśnienie różnicowe jest stałe.
RURKI SPIĘTRZAJĄCE
Jest to przyrząd do wyznaczania prędkości przepływu płynu.
Dokładność pomiaru wykonywanego za pomocą rurek spiętrzających zależy od ustawienia głowicy rurki dokładnie równolegle do kierunku przepływu. Ze względu na niewielka średnicę otworu pomiarowego istnieje niebezpieczeństwo zatkania się rurki przy przepływie płynów zanieczyszczonych. Rurki spiętrzające są łatwe w obsłudze, montażu i demontażu, są przydatne do pomiaru prędkości w przewodach o dużych średnicach, a zwłaszcza w przewodach o przekroju różnym od kołowego. Mogą być używane bez uprzedniego wzorcowania przy znormalizowanej konstrukcji do pomiaru strumienia płynu. Znalazły zastosowanie w przemyśle spożywczym w pomiarach ilości zarówno przepływającego powietrza (suszarnie, klimatyzacja, kotły), jak i spalin w kotle (tzw. ciągu).
Najprostszą rurką jest
*rurka Pitota, której jeden zagięty koniec jest ustawiony równolegle do kierunku przepływu i zwrócony wylotem pod prąd. Mierzy się nią ciśnienie spiętrzania w obszarze, w którym prędkość przepływu lokalnie maleje do zera. Ciśnienie statyczne musi być mierzone innym przyrządem.
Rurka Prandtla- składa się z dwóch współosiowych rurek, z których jedna mierzy ciśnienie spiętrzania- całkowite (pc), a druga, przez otworki umieszczone w ścianie bocznej, ciśnienie statyczne (ps). Z różnicy tych ciśnień wyznacza się ciśnienie dynamiczne.
DANAIDY
W konstrukcji wykorzystano zależność między strumieniem cieczy wpływającej przez określony otwór a ciśnieniem, pod którego działaniem następuje wpływ. Danaida jest zbiornikiem otwartym, o niezmiennym przekroju poprzecznym, w którego dnie znajdują się otwory typu kryzy lub dyszy. Naczynie to jest zaopatrzone w wodowskaz, umożliwiający pomiar wysokości spiętrzenia (h) ponad dyszą wypływową. Wzorcowanie urządzenia polega na doświadczalnym ustaleniu zależności między strumieniem objętości lub masy wpływającej cieczy a wysokością strumienia. Danaidy umożliwiają dokładny pomiar i nadają się do pomiaru przepływów ustalonych lub bardzo mało zmieniających się w czasie. Są powszechnie używane w laboratoriach i w przemyśle przy badaniach odbiorczych takich urządzeń, jak pompy.
PRZEP. ZBIORNIKOWE OTWARTE
Są one używane do sprawdzenia i skalowania innych przepływomierzy. Pomiar w tych przep. polega na odmierzaniu określonych przez ważenie porcji cieczy w określonym czasie. Mogą być budowane jako jedno- i dwuzbiornikowe.
PRZEP. ELEKTROMAGNETYCZNE (INDUKCYJNE)
Przy ich budowie wykorzystano zależność między napięciem powstającym w przepływającym płynie a jego prędkością liniową w polu magnetycznym. Urządzenia przeznaczone do pomiaru przepływu cieczy w zamkniętych instalacjach rurociągowych. Ciecz płynąca przewodem znajduje się w stałym polu magnetycznym prostopadłym do osi rury. W rurociąg wbudowane są elektrod w płaszczyźnie prostopadłej do rury. Rura czujnika jest wykonana z materiału niemagnetycznego i odizolowana elektrycznie od cieczy i elektrod. Napięcie na elektrodach jest funkcją średniej prędkości liniowej płynu. Przep. ten mierzy przepływ przewodzących prąd cieczy czystych i zanieczyszczonych, agresywnych i obojętnych chemicznie oraz mieszanin i pulp. Urządzenia tego typu są bardzo dokładne, błąd nie przekracza +/-1, a lepkość i gęstość nie mają wpływu na wskazania. Zaletą tego typu urządzeń jest to , że nie stwarzają oporów przepływającemu medium i nie maja żadnych części ruchomych.
ANEMOMETRY
-przyrządy do pomiaru prędkości (niekiedy również kierunku) ruchu płynów (gazów i cieczy).
Używane są:
- a. wirnikowe, prędkość płynu mierzy się prędkością obrotową wirnika z łopatkami (skrzydełkowe) lub z półkulistymi czaszami (czaszowe)
- a. cieplne- miarą prędkości płynu jest spadek temp np. drucika oporowego (ogrzewanego prądem elektrycznym, umieszczonego w strumieniu płynu.
- a. laserowe- w których światło wiązki laserowej po odbiciu od cząstek płynu zmienia częstotliwość proporcjonalnie do prędkości płynu;
- a. stosowane do pomiaru kierunku wiatru (wiatromierze)
- a. wyposażane w urządzenia rejestrujące (anemografy).
Najszersze zastosowanie znalazły: anemometry skrzydełkowe i czaszowe. Ze względu na to, że wszystkie elementy anemometry są lekkie, przyrządy te są delikatne i podatne na uszkodzenia mechaniczne.
*termoanemometry- działają na zasadzie zmian oporności przewodnika wraz ze zmianą temp. Sondę pomiarową termometru stanowi drucik platynowy, wolframowy lub niklowy włączony w jedno z ramion mostka. Pod wpływem przepływającego płynu drucik platynowy jest chłodzony, co powoduje, że albo jego temp. ulega obniżeniu, albo w celu utrzymania stałej temp. musi wzrosnąć prąd przepływający przez sondę. Najważniejsze źródła błędów termoanemometrów SA wahania temp. czynnika znajdującego się w przewodzie. Przyrządy nadają się punktowych pomiarów szybkozmiennych przepływów. Wynik pomiaru prędkości zależy od wielu ubocznych czujników, dlatego każdy czujnik wymaga wzorcowania.
LICZNIKI
-przyrząd pomiarowy całkujący, który wskazuje stopniowo wartości wielkości mierzonej gromadzące się w określonym czasie; Np. wodomierz, gazomierz, licznik energii elektrycznej, licznik promieniowania jonizującego.
Niekiedy licznikiem nazywany jest każdy przyrząd pomiarowy sumujący.
*gazomierz- licznik objętości gazu; jest to przep. służący do pomiaru objętości przepływającego gazu (całkujący lub sumujący objętość gazu przepływającego przez gazomierz w danym czasie; wywzorcowany zwykle w m3. Stosuje się gazomierze: komorowe (najczęściej miechowe), skrzydełkowe, zwężkowe.
viktus