Automatikai építőelemek 13.

Az előadások a következő témára: "Automatikai építőelemek 13."— Előadás másolata:

1 Automatikai építőelemek 13.
Áramlás mérés A csövekben szállított folyadékok, gázok, gőzök áramlásának mérése az egyik leggyakrabban felmerülő és sokszor az egyik legkomplikáltabb mérési feladat. Vákuumban vagy több MPa nyomáson, rendkívüli hidegben vagy több száz fokos hőmérsékleten, robbanásveszélyes térben, szigorú higiéniai körülmények között vagy éppen szennyvíztelepeken; nincs olyan mérőeszköz, mérőrendszer, amely minden célra egyaránt megfelelne. Olyan készülékeket kell tehát választani, amelyek az alkalmazás szabta feltételek között megbízhatóan, gazdaságosan, a törvényi előírásoknak megfelelően működnek. Az első tisztázásra váró kérdés: mit, mivel? Nincs tehát olyan áramlásmérő, ami egyformán jó minden alkalmazáshoz, a választás néha zavarónak tűnhet a kereskedelemben jelenlévő áramlásmérőkre és a rendelkezésre álló adatlapok változatosságára való tekintettel. Van öt tényező, amit érdemes megfontolni, mikor azt kell eldönteni, hogy melyik áramlásmérő legyen használva. Ezek a mérendő folyadék fajtája, folyamat feltételei, üzembe helyezési feltételek, teljesítmény követelmények és gazdasági tényezők. Folyadék mérésénél különböző információk megfontolása szükséges, pl. egyfázisú folyadék vagy tartalmaz-e egy második összetevőt, mint gázt vagy szilárd testet, a folyadék viszkozitása és sűrűsége, korróziót okozó-e és ha gázt mérünk, akkor ez száraz vagy nedves. Belső surlódás, belső ellenállásának mértéke a csúsztató feszültséggel szemben.

2 Automatikai építőelemek 13.
Áramlás mérés Bizonyos tényezőket figyelembe kell venni a folyamat alatt, mely feltételek tartalmazzák a csővezeték hőmérsékletét, nyomását, átmérőjét, a csőhálózat elrendezését a mérési pontnál, az egyenes csőhálózat lehetséges hosszát, vajon az áramlás változik-e, bármilyen áramláshoz szükséges feltétel, küldő erőforrás szükséglet és hogy a mérést veszélyes környezetben végzik-e. Bizonyos területeken, mint például az olajiparban és az élelmiszeriparban növekvő igény van arra, hogy képes legyen kétfázisú áramlásokat mérni, mint például folyadék módosított gázzal, vagy szilárd test folyadékkal. Adott technológiai folyamatban az időegység alatt résztvevő anyagok mennyiségének mérésére kétféle lehetőség kínálkozik: egyik esetben az átfolyt mennyiség pillanatnyi értékét mérjük a folytonossági törvény alapján, vagyis az áramlási sebesség és a keresztmetszet szorzatából képezzük a mennyiséget. A másik módszer szerint az anyagból folyamatosan azonos térfogatú, vagy súlyú mennyiségeket veszünk el, ezek számát összegezzük egy kezdő és egy záró leolvasás között. Az előbbi módszer csak folyadékok és gázok, az utóbbi szilárd anyagok mennyiségének mérésére is alkalmazható. Mi csak az áramlási sebességmérésen alapuló módszereket tárgyaljuk.

3 Automatikai építőelemek 13.
Áramlási sebességnek, ill. folyadék- (gáz-) áramnak nevezzük az időegység alatt valamely adott keresztmetszeten áthaladó folyadék- (gáz-) vagy gőzmennyiséget. Az áramlási sebesség mérésére szolgáló eljárások közül leginkább elterjedt az áramló folyadékok és gázok dinamikai törvényszerűségein alapuló ún. nyomáskülönbségi módszer. Ez az eljárás azon kívül, hogy igen egyszerűen megvalósítható, egyúttal a legtöbb mérési feladat által támasztott pontossági követelményeknek is megfelel. Áramlási sebesség mérése nyomáskülönbségi módszerrel Az eljárás alkalmazhatóságának feltételei a következők: - Áramló folyadéknak (gáznak) a vezeték teljes keresztmetszetét be kell töltenie. - Az áramlásnak stacionáriusnak (állandósultnak) kell lennie. Stacionáriusnak az olyan áramlást nevezzük, amelyben a közegáramlási sebesség az időben változatlan. - Az áramló rendszerben nem léphetnek fel jelentősebb rezgések. A vegyipar üzemekben felmerülő mérési feladatok többségénél ezek a feltételek teljesülnek. A nyomáskülönbségi módszer legfőbb előnye, hogy a termékeket továbbító vezetékbe nem kell mozgó alkatrészeket beépíteni. A mérés végrehajtására a csővezetékeket mérőperemekkel, ill. –torkokkal látják el. A fellépő nyomásesés, valamint az áramlási sebesség közötti összefüggések olyan pontosan ismeretesek, hogy a szóban forgó mérőberendezések minden előzetes, a helyszínen végrehajtott kalibrálás nélkül is alkalmasak nagypontosságú mérések elvégzésére.

4 Automatikai építőelemek 13.
Az áramló folyadékot vagy gázt vivő vezeték keresztmetszetét a mérés helyén mérőperem vagy torok beépítésével leszűkítik. A keresztmetszet csökkenésének hatására az áramlási sebesség a szűkületben megnövekszik. A sebességnövekedés egyúttal az áramló folyadék kinetikus energiájának növekedését is jelenti, ami viszont az áramló folyadékokra vonatkozó fizikai törvények szerint csak úgy lehetséges, ha a sebességnövekedéssel egyidejűleg az adott keresztmetszetben a folyadéknyomás csökken. Tehát a szűkítés előtt és után mérhető nyomáskülönbség lép fel. nyomáskülönbség lép. Mérőperem nyomás és áramlási viszonyai Az előálló nyomáskülönbség függvénye a vezetékben haladó folyadék, áramlási sebességének és felhasználható arra, hogy vele meghatározzuk a csővezetéken az időegység alatt átáramló folyadék mennyiségét. Mérőperem nyomás és áramlási viszonyai

5 Automatikai építőelemek 13.
Áramlási sebességmérés rotaméterrel Az áramlási sebesség meghatározásának egyik további módszere azon fizikai jelenségen alapul, amely szerint a függőleges csőben felfelé áramló folyadékok vagy gázok az áramlás útjába helyezett testre az áramlási sebességgel arányos „FK” nagyságú erőt fejtenek ki, amely a testet az áramlás irányába elmozdítani igyekszik. Az erő nagysága az áramlási sebességen kívül függ a szóban forgó ún. ratométertest keresztmetszetétől, az áramló közeg sűrűségétől. Az áramló közeg által gyakorolt erővel ellentétesen hat a rotamétertest effektív, vagyis az „FA” hidrosztatikai felhajtó erővel csökkentett „FG” súlya. Abban az esetben, ha ezek az erők egyensúlyba kerülnek egymással, a rotaméter egyhelyben lebeg, és így az egyensúlyi feltétel alapján felvilágosítással szolgál az áramlási sebesség értékére. Rotaméter elve

6 Automatikai építőelemek 13.
Rotaméter induktív érzékelőkkel A lebegő kúpos test felső hengeres peremét ferde vájatokkal szokás ellátni, ami az áramlás hatására annak forgó mozgást kölcsönöz (innen a rotaméter elnevezés). A forgó mozgásra azért van szükség, nehogy a rotaméter test a csőfalhoz érjen, mert az a súrlódási erők fellépése következtében zavarólag hatna a mérési eredményeire. Az alsó ábrán a különböző közegsebességek esetén előálló áramlási képet szemléltetjük. Itt is látható, hogy a fordított kúpos úszónál az áramlási kép gyakorlatilag független a közeg sebességétől. Különböző áramlási képek

7 Automatikai építőelemek 13.
Áramlási sebességmérés turbinával Ebben az esetben, a turbinakerékben (lapátokon) a folyadék áramlása által létrehozott forgatónyomatékot használják. A fordulatszám arányos a mérendő közegmennyiséggel, vagyis a közeg áramlási sebességével. A turbinakerék lehet tangenciális, vagy axiális átömlésű, Mindkét típus készülhet ún. nedves vagy száraz kivitelben. A megkülönböztetés annak alapján történik, hogy a szárnykerék fordulatait számláló mechanikus szerkezet a nyomás alatt levő mérőtérben, vagy pedig azon kívül van-e. Tangenciális átömlésű áramlásmérők

8 Automatikai építőelemek 13.
Áramlási sebességmérés turbinával Az ábrán Woltmann turbinás áramlásmérő látható. A turbina forgását egy tömszelencén és áttételen vezetik ki a számlálószerkezetre. Ennek viszont az a hátránya, hogy a pillanatnyi áramló mennyiség közvetlenül nem határozható meg. A kivezetés áttételeken és szelencéken keresztül történik, ami szintén hátrány Woltmann turbina Potter áramlásmérőnél egyszerű automatikus kompenzálás valósítható meg Az 1 terelőtesten belül található a viszkozitás kompenzáló rendszer, amely a turbinával közös tengelyen van, így azzal együtt forog. A mérendő közeg egy kis részét (vékony szaggatott vonal) a mellékágon keresztül a 4 henger és a 3 hüvely közötti résbe vezetik, így ez fékezi a hengert. Növekvő viszkozitás a turbina nagyobb fordulatszámát eredményezné, de nagyobb viszkozitásnál a 4 hengerre ható fékezőerő is nagyobb, és a viszkozitás hatása kompenzálódik. A mellékágon haladó folyadék visszakerül a főágba, így hibát nem okoz a mérésben.

9 Automatikai építőelemek 13.
Indukciós áramlásmérő Működése a mozgásindukció elvén alapul. A mágneses térben mozgó vezető szerepét az áramló folyadék vesz át. Indukciós áramlásmérőre mutat példát az ábra. A szigetelő anyagból készült csőben amely homogén mágnestérben van elhelyezve- folyadék folyik, az áramlás iránya merőleges a homogén térre és a vezetőképességgel rendelkező folyadék –csak ebben az esetben használható- v sebességgel mozog a csőben. A mágneses tér és az áramlás irányára merőlegesen vannak elhelyezve az elektródák, amelyekről az alábbi nagyságú feszültség vehető le: ahol „d” a cső belső átmérője, „B” mágneses indukció és „v” az anyag áramlási sebessége. A feszültség kicsi (μV nagyságrendű), Egyenesen arányos az áramlási sebességgel, A karakterisztika lineáris és nem befolyásolja - a közeg sűrűsége, - viszkozitása nem befolyásolja, - szilárd részecskék jelenléte

10 Automatikai építőelemek 13.
Termoanemometria (Hőhuzalos átalakítók) Ha felfűtéssel egy hőellenállást a környezeti hőmérséklet fölé emeljük, akkor annak hűtésével adott közeg áramlásának mérése megoldható. Ezt az eljárást termoanemometriának nevezik. A termoanemometriai érzékelők eleme - átalakítója – árammal fűtött vezető, amely egy vékony drót – hődrót – vagy igen vékony fólia – hőfolia. A huzalos átalakító két hordozó szárra felerősített (hegeszetett) 2,5…10 μm átmérőjű huzal. A hőfóliás átalakító kvarchordozóra erősített igen vékony fémfólia. Szilárdsága nagyobb az előzőnél, ezért nagy sebességek mérésére is alkalmas. Az ún. „X” típusú átalakító az „f” ábrán a legelterjedtebb. Az „a…d” ábrák egyhuzalos átalakítót mutatnak, az „e” ábra pedig kéthuzalos megoldást. Hőhuzalos átalakítók típusai

11 Automatikai építőelemek 13.
Forgócsatornás áramlásmérő A folyadékáramlás útjába egy szinkronmotorral állandó fordulatszámon forgatott hengert helyeznek. A hengerben a forgástengellyel párhuzamos csatornák vannak. A hengerbe belépő közeg eredetileg m . v tengelyirányú impulzussal rendelkezik „m” a közeg tömeg, „v” pedig az áramló sebesség. A közeg a hengeren áthaladva eredeti impulzusához a forgatás miatt egy járulékos impulzust kap. Ez a járulékos impulzus a forgó henger kerületi sebességének irányába mutat. Nagysága a henger fordulatszámától, sugarától és az átáramló közeg tömegétől függ. A tömegtehetetlenség miatt a közeg ezt a járulékos impulzust a hengeren való áthaladás után is tartja. Ha a forgó hengerrel szemben, egy ahhoz hasonló, rugóhoz rögzítet mérőhengert helyezünk, akkor azt a közeg járulékos impulzusából származó nyomaték alaphelyzetéből kitéríti. A mérőhenger szögelfordulása mágneses úton jelezhető ki. Azért, hogy a forgatott henger és a mérőhenger között a viszkózus nyomatékátadást csökkentsék, a két henger közé a műszerfalhoz rögzített elválasztó tárcsát helyezik. A műszer kimenete egyenesen arányos az időegység alatt átáramló közeg súlyával és a szélső tartományban független a közeg sajátságaitól.

12 Automatikai építőelemek 13.
Ultrahangos áramlásmérők Terjedési sebességen alapuló mérés A mérés vázlatát a ábra mutatja. Az ábrán az áramlásba helyezett „A” adó és a tőle „L” távolságra levő „É” érzékelő látható. Az adó az áramló közegben hangjeleket (impulzust v. hullámot) kelt, amelyeket az „É” érzékelő „t” időkieséssel érzékel. A közegben a hang „c” sebességnek és a közeg „v” áramlási sebességének vektori eredőjével terjed. A hang átfutási ideje így, az ábrán látható elrendezésben: Ultrahangos áramlásmérő elve 1 = Az érzékelő olyan, hogy az egymásután érzékelt jelek fáziskésésének reciprokát képezi és ezeket kivonja egymásból, így a kimenő jel (pl. feszültség) Láthatóan arányos a közegáramlási sebességével és független a mérendő közeg sajátságaitól. A módszer igen kis sebességek (0,1 cm/sec) mérésére is alkalmas.

13 Automatikai építőelemek 13.
Fordulatszám mérése. Fordulatszám mérése tachométerrel. Ez a legismertebb villamos módszer. Azt a tényt használja fel, hogy állandó mágnesű egyen illetve váltakozóáramú generátorok kimenő feszültsége arányos a fordulatszámmal. ahol: „c”-géptől függő állandó, „Φ”- fluxus, amely bizonyos feltételek és geometriai kialakítás mellett állandó, „n”-fordulatszám. Egyenfeszültségű tachométereket 750…2000 ford/perc értékek mellett használják. Nagyobb, vagy kisebb fordulatszámok esetén áttételt használnak. Ekkor UT = 5…30V. A váltófeszültségű tachogenerátorok 150…3000 ford/perc tartományban működnek. UT = 15…100V feszültségek mellett.

14 Automatikai építőelemek 13.
Fordulatszám mérése impulzus számlálással Fordulatszám mérése impulzusszámlálással Ez a módszer igen nagy mérési pontosságot biz-tosít. Itt a szögelfordulást impulzussorrá alakítjuk át, majd azt számlálva a fordulatszám meghatározható, de készítenek olyan kapcsolást is, amelyik emellett még a fordulatszám egyenlőtlenségét is méri, ábra. A forgó tárcsa 60 furatot tartalmaz. Ezáltal elérhető, hogy egy digitális frekvenciamérő a beérkező impulzusokat pontosan 1 percig számolja, így közvetlenül a fordulatszámot mutassa. Itt a fordulatszám ingadozás nem befolyásoló tényező, mert sok körülfordulás átlagát mérjük. Mindemellett a fordulatszámba bekövetkező ingadozás is mérhető, ha az impulzussorozatot aránydetektorra vezetjük. Ennek kimenő jele az ingadozást mutatja.

15 Automatikai építőelemek 13.
Fordulatszám mérése örvényáramú módszerrel. E módszer azt a jelenséget használja fel, hogy forgó mágneses mezőbe elhelyezett tárcsában, illetve serlegben indukált feszültség hatására keletkező örvényáramok a mágneses térrel kölcsönhatásban nyomatékot hoz létre, amely arányos a fordulatszámmal. Az örvény-áramok szintén mágnesteret hoznak létre, amelynek hatása ellentétes az őt létrehozó mágnes térrel. Szerkezeti felépítése: 1 a tartó tengelyben rögzített 4..8 pólusú állandó mágnes, 2 Al serleg, 3 mágneses vezető gyűrű, 4 spirálrugó, 5. mutató. A spirálrugó feladata, hogy az Al serlegre ható nyomatékkal szemben szögelfordulással arányos ellennyomatékot hozzon létre.

16 Automatikai építőelemek 11.
Köszönöm a figyelmet!