Pomiar przepływu - Flow measurement

Pomiar przepływu to kwantyfikacja ruchu objętościowego płynu . Przepływ można mierzyć na różne sposoby. Poniżej wymieniono popularne typy przepływomierzy do zastosowań przemysłowych:

• a) Rodzaj przeszkody (różnica ciśnień lub zmienna powierzchnia)
• b) Inferencyjny (typ turbiny)
• c) elektromagnetyczne
• d) Przepływomierze wyporowe , które gromadzą stałą objętość płynu, a następnie liczą, ile razy objętość jest napełniona, aby zmierzyć przepływ.
• e) Dynamika płynów (wydzielanie wirów)
• f) Anemometr
• g) Ultradźwięki
• h) Przepływomierz masowy ( siła Coriolisa ).

Metody pomiaru przepływu inne niż przepływomierze wyporowe polegają na siłach wytwarzanych przez przepływający strumień, gdy pokonuje on znane zwężenie, w celu pośredniego obliczenia przepływu. Przepływ można mierzyć, mierząc prędkość płynu na znanym obszarze. W przypadku bardzo dużych przepływów można zastosować metody znacznikowe, aby wydedukować natężenie przepływu na podstawie zmiany stężenia barwnika lub radioizotopu.

Rodzaje i jednostki miary

Zarówno przepływu gazu i cieczy może być mierzone wielkości fizycznych z rodzaju objętościowych lub natężenia przepływu masy , z jednostek takich jak litrów na sekundę lub kilogramów na sekundę, odpowiednio. Pomiary te są związane z gęstością materiału . Gęstość cieczy jest prawie niezależna od warunków. Nie dotyczy to gazów, których gęstość zależy w dużym stopniu od ciśnienia, temperatury, aw mniejszym stopniu od składu.

W przypadku przesyłania gazów lub cieczy ze względu na ich zawartość energetyczną, jak w przypadku sprzedaży gazu ziemnego , natężenie przepływu można również wyrazić w kategoriach przepływu energii, np. Gigadżulów na godzinę lub BTU dziennie. Natężenie przepływu energii to objętościowe natężenie przepływu pomnożone przez zawartość energii na jednostkę objętości lub masowe natężenie przepływu pomnożone przez zawartość energii na jednostkę masy. Natężenie przepływu energii jest zwykle wyliczane z masowego lub objętościowego natężenia przepływu przy użyciu komputera przepływu .

W kontekstach inżynieryjnych objętościowe natężenie przepływu jest zwykle oznaczone symbolem , a masowe natężenie przepływu - symbolem . ${\ displaystyle Q}$${\ displaystyle {\ kropka {m.}}}$

W przypadku płynu o gęstości , masowe i objętościowe natężenia przepływu mogą być powiązane przez . ${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle {\ kropka {m.}} = \ rho Q}$

Gaz

Gazy są ściśliwe i zmieniają objętość po umieszczeniu pod ciśnieniem, ogrzaniu lub schłodzeniu. Objętość gazu w jednym zestawie warunków ciśnienia i temperatury nie jest równoważna z tym samym gazem w różnych warunkach. Odniesienia będą dotyczyły „rzeczywistego” natężenia przepływu przez miernik i „standardowego” lub „podstawowego” natężenia przepływu przez miernik z jednostkami takimi jak acm / h (rzeczywiste metry sześcienne na godzinę), sm ³ / s (standardowe metry sześcienne na sekunda), kscm / h (tysiąc standardowych metrów sześciennych na godzinę), LFM (stopy liniowe na minutę) lub MMSCFD (milion standardowych stóp sześciennych dziennie).

Masowe natężenie przepływu gazu można mierzyć bezpośrednio, niezależnie od wpływu ciśnienia i temperatury, za pomocą termicznych przepływomierzy masowych, przepływomierzy masowych Coriolisa lub kontrolerów przepływu masowego .

Ciekły

W przypadku cieczy stosuje się różne jednostki w zależności od zastosowania i branży, ale mogą obejmować galony (amerykańskie lub imperialne) na minutę, litry na sekundę, buszle na minutę lub, w przypadku opisywania przepływów rzek, cumeki (metry sześcienne na sekundę) lub akry stóp dziennie. W oceanografii typową jednostką do pomiaru transportu objętościowego (na przykład objętości wody transportowanej przez prąd) jest sverdrup (Sv) równoważny 10 ⁶  m ³ / s.

Główny element przepływowy

Główny element przepływowy to urządzenie włożone do przepływającego płynu, które wytwarza właściwość fizyczną, która może być dokładnie powiązana z przepływem. Na przykład, kryza wytwarza spadek ciśnienia będący funkcją kwadratu objętościowego natężenia przepływu przez kryzę. Główny element przepływowy przepływomierza wirowego wytwarza serię oscylacji ciśnienia. Ogólnie rzecz biorąc, właściwość fizyczna generowana przez główny element przepływu jest wygodniejsza do zmierzenia niż sam przepływ. Właściwości głównego elementu przepływowego i wierność praktycznej instalacji założeniom przyjętym podczas kalibracji są krytycznymi czynnikami wpływającymi na dokładność pomiaru przepływu.

Przepływomierze mechaniczne

Pozytywny miernik przemieszczenia mogą być porównywane do wiadra i stoper. Stoper jest uruchamiany, gdy przepływ zaczyna się i zatrzymuje, gdy wiadro osiąga swój limit. Objętość podzielona przez czas daje natężenie przepływu. Do pomiarów ciągłych potrzebujemy systemu ciągłego napełniania i opróżniania kubłów, aby rozdzielić przepływ bez wypuszczania go z rury. Te ciągłe formujące się i zapadające objętościowe przemieszczenia mogą przybierać postać tłoków poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrach, zębów kół zębatych współpracujących z wewnętrzną ścianką miernika lub przez progresywną wnękę utworzoną przez obracające się owalne koła zębate lub śrubę śrubową.

Miernik tłokowy / tłok obrotowy

Ponieważ są one używane do pomiaru wody w gospodarstwie domowym, mierniki tłokowe , znane również jako mierniki wyporowe z obrotowym tłokiem lub przepływomierze półprzepuszczalne, są najpowszechniejszymi urządzeniami do pomiaru przepływu w Wielkiej Brytanii i są używane dla prawie wszystkich wielkości przepływomierzy do 40 mm włącznie ( 1 + 1 / 2  cala). Miernik tłokowy działa na zasadzie tłoka obracającego się w komorze o znanej objętości. Przy każdym obrocie pewna ilość wody przepływa przez komorę tłoka. Dzięki mechanizmowi zębatemu , a czasami napędowi magnetycznemu , zaawansowana jest tarcza igłowa i wyświetlacz licznika kilometrów .

Owalny miernik biegów

Przepływomierz wyporowy typu owalnego. Płyn zmusza zazębione koła zębate do obracania się; każdy obrót odpowiada ustalonej objętości płynu. Liczenie obrotów sumuje objętość, a prędkość jest proporcjonalna do przepływu.

Owalny miernik koła zębatego to miernik wyporowy, który wykorzystuje dwa lub więcej podłużnych kół zębatych skonfigurowanych do obracania się pod kątem prostym względem siebie, tworząc kształt litery T. Taki miernik ma dwie strony, które można nazwać A i B. Żaden płyn nie przepływa przez środek licznika, gdzie zawsze zazębiają się zęby obu kół zębatych. Z jednej strony miernika (A) zęby kół zębatych zamykają przepływ płynu, ponieważ wydłużone koło zębate po stronie A wystaje do komory pomiarowej, podczas gdy po drugiej stronie miernika (B) wnęka zawiera ustalona objętość płynu w komorze pomiarowej. Gdy płyn popycha koła zębate, obraca je, umożliwiając wypuszczenie płynu z komory pomiarowej po stronie B do otworu wylotowego. W międzyczasie płyn wchodzący do otworu wlotowego zostanie wprowadzony do komory pomiarowej strony A, która jest teraz otwarta. Zęby po stronie B będą teraz odcinać dopływ płynu od strony B. Cykl ten jest kontynuowany, gdy koła zębate obracają się i płyn jest dozowany przez naprzemienne komory pomiarowe. Magnesy trwałe w obracających się zębatkach mogą przesyłać sygnał do kontaktronu elektrycznego lub przetwornika prądu w celu pomiaru przepływu. Chociaż twierdzi się o wysokiej wydajności, generalnie nie są one tak precyzyjne, jak konstrukcja łopatek przesuwnych.

Miernik biegów

Mierniki zębate różnią się od owalnych przekładni zębatych tym, że komory pomiarowe składają się ze szczelin między zębami kół zębatych. Otwory te rozdzielają strumień płynu, a gdy koła zębate obracają się w kierunku od otworu wlotowego, wewnętrzna ściana miernika zamyka komorę, aby utrzymać ustaloną ilość płynu. Otwór wylotowy znajduje się w obszarze, w którym koła zębate wracają do siebie. Płyn jest wypychany z miernika, gdy zęby koła zębatego zazębiają się i zmniejszają dostępne kieszenie do prawie zerowej objętości.

Przekładnia śrubowa

Przepływomierze walcowo-zębate zawdzięczają swoją nazwę kształtowi kół zębatych lub wirników. Wirniki te przypominają kształtem helisę, która jest strukturą w kształcie spirali. Gdy płyn przepływa przez miernik, wpływa do przedziałów w wirnikach, powodując obracanie się wirników. Długość wirnika jest wystarczająca, aby wlot i wylot były zawsze oddzielone od siebie, blokując w ten sposób swobodny przepływ cieczy. Współpracujące ze sobą wirniki śrubowe tworzą progresywną wnękę, która otwiera się, aby wpuścić płyn, uszczelnia się, a następnie otwiera się na dolną stronę, aby uwolnić płyn. Dzieje się to w sposób ciągły, a natężenie przepływu oblicza się na podstawie prędkości obrotowej.

Miernik krążkowy Nutating

Jest to najczęściej stosowany system pomiarowy do pomiaru wody w domach. Płyn, najczęściej woda, wpływa z jednej strony miernika i uderza w dysk nutacyjny , który jest zamontowany mimośrodowo. Dysk musi wtedy „kołysać się” lub nutować wokół osi pionowej, ponieważ dół i góra dysku pozostają w kontakcie z komorą montażową. Przegroda oddziela komorę wlotową i wylotową. Gdy tarcza się nutuje, daje bezpośrednie wskazanie objętości cieczy, która przeszła przez miernik, ponieważ przepływ objętościowy jest wskazywany przez przekładnię i układ rejestru, który jest połączony z tarczą. Jest wiarygodny dla pomiarów przepływu z dokładnością do 1 procenta.

Przepływomierz turbinowy

Przepływomierz turbinowy (lepiej opisany jako turbina osiowa) przekształca mechaniczne działanie turbiny obracającej się w przepływie cieczy wokół osi na prędkość przepływu odczytywaną przez użytkownika (gpm, lpm, itp.). Cały przepływ przepływa przez turbinę.

Wirnik turbiny jest osadzony na drodze strumienia płynu. Przepływający płyn uderza w łopatki turbiny, wywierając siłę na powierzchnię łopatek i wprawiając wirnik w ruch. Po osiągnięciu stałej prędkości obrotowej prędkość jest proporcjonalna do prędkości płynu.

Przepływomierze turbinowe służą do pomiaru przepływu gazu ziemnego i cieczy. Przepływomierze turbinowe są mniej dokładne niż przepływomierze wyporowe i strumieniowe przy małych natężeniach przepływu, ale element pomiarowy nie zajmuje ani nie ogranicza poważnie całej ścieżki przepływu. Kierunek przepływu jest przeważnie prosty w przepływomierzu, co pozwala na wyższe natężenia przepływu i mniejsze straty ciśnienia niż w przypadku przepływomierzy wyporowych. Są to liczniki wybierane przez dużych użytkowników komercyjnych, do ochrony przeciwpożarowej oraz jako liczniki nadrzędne do instalacji wodociągowych . Zasadniczo wymagane jest, aby filtry siatkowe były instalowane przed licznikiem, aby chronić element pomiarowy przed żwirem lub innymi odpadami, które mogłyby dostać się do systemu dystrybucji wody. Przepływomierze turbinowe są generalnie dostępne od 4 do 30 cm ( 1 + 1 / 2 -12 w) lub wyższe średnice. Korpusy przepływomierzy turbin są zwykle wykonane z brązu, żeliwa lub żeliwa sferoidalnego. Wewnętrzne elementy turbiny mogą być wykonane z tworzywa sztucznego lub ze stopów metali nie powodujących korozji. Są dokładne w normalnych warunkach pracy, ale duży wpływ ma na nie profil przepływu i warunki płynu.

Pożaromierze to specjalistyczny typ przepływomierza turbinowego posiadający atesty na wysokie natężenia przepływu wymagane w instalacjach przeciwpożarowych. Często są one zatwierdzane przez Underwriters Laboratories (UL) lub Factory Mutual (FM) lub podobne organy do stosowania w ochronie przeciwpożarowej. W celu pomiaru wody pobieranej z hydrantu przeciwpożarowego można tymczasowo zainstalować przenośne liczniki turbinowe . Mierniki są zwykle wykonane z aluminium, aby były lekkie i zwykle mają pojemność 7,5 cm (3 cale). Urządzenia wodociągowe często wymagają ich do pomiaru wody używanej w budownictwie, do napełniania basenów lub tam, gdzie nie jest jeszcze zainstalowany stały licznik.

Miernik Woltmana

Miernik Woltmana (wynaleziony przez Reinharda Woltmana w XIX wieku) składa się z wirnika ze śrubowymi łopatkami umieszczonymi osiowo w przepływie, podobnie jak wentylator kanałowy; można go uznać za rodzaj przepływomierza turbinowego. Są one powszechnie określane jako mierniki spiralne i są popularne w większych rozmiarach.

Miernik jednostrumieniowy

Pojedynczy miernik strumieniowy składa się z prostego wirnika z promieniowymi łopatkami, na który uderza pojedynczy strumień. W Wielkiej Brytanii zyskują na popularności w większych rozmiarach i są powszechne w UE .

Miernik koła łopatkowego

Zespół koła łopatkowego generuje odczyt przepływu z płynu przepływającego przez rurę, wywołując obrót koła łopatkowego. Magnesy w łopatce obracają się obok czujnika. Wytwarzane impulsy elektryczne są proporcjonalne do natężenia przepływu.

Przepływomierze z kołem łopatkowym składają się z trzech głównych elementów: czujnika koła łopatkowego, złączki rurowej i wyświetlacza / sterownika. Czujnik koła łopatkowego składa się z swobodnie obracającego się koła / wirnika z wbudowanymi magnesami, które są prostopadłe do przepływu i będą się obracać po włożeniu do przepływającego medium. Gdy magnesy w łopatkach obracają się obok czujnika, miernik z kołem łopatkowym generuje sygnał o częstotliwości i napięciu, który jest proporcjonalny do natężenia przepływu. Im szybszy przepływ, tym wyższa częstotliwość i napięcie wyjściowe.

Miernik z kołem łopatkowym jest przeznaczony do umieszczania w złączce rurowej, zarówno w linii, jak i na wcisk. Są one dostępne z szeroką gamą stylów złączek, metod łączenia i materiałów, takich jak PVDF, polipropylen i stal nierdzewna. Podobnie jak w przypadku przepływomierzy turbinowych, przepływomierz z kołem łopatkowym wymaga minimalnego przebiegu prostej rury przed i za czujnikiem.

Wyświetlacze przepływu i kontrolery służą do odbierania sygnału z miernika łopatkowego i przekształcania go w rzeczywiste natężenie przepływu lub całkowite wartości przepływu. Przetworzony sygnał może służyć do sterowania procesem, generowania alarmu, wysyłania sygnałów na zewnątrz itp.

Przepływomierze z kołem łopatkowym (znane również jako czujniki koła Peltona ) oferują stosunkowo niskokosztową opcję o wysokiej dokładności dla wielu zastosowań systemów przepływu, zwykle z wodą lub płynami podobnymi do wody.

Miernik wielostrumieniowy

Miernik wielostrumieniowy lub wielostrumieniowy to miernik prędkości, który ma wirnik obracający się poziomo na pionowym wale. Element wirnika znajduje się w obudowie, w której wiele otworów wlotowych kieruje przepływ płynu na wirnik, powodując jego obrót w określonym kierunku proporcjonalnym do prędkości przepływu. Miernik ten działa mechanicznie podobnie jak miernik strumieniowy z pojedynczym strumieniem, z tym wyjątkiem, że otwory kierują przepływ na wirnik równo z kilku punktów na obwodzie elementu, a nie tylko z jednego punktu; minimalizuje to nierównomierne zużycie wirnika i jego wału. Dlatego te typy liczników zaleca się montować poziomo, z indeksem rolkowym skierowanym ku górze.

Koło Peltona

Koła Peltona turbinę (dokładniej opisane w promieniowym turbin ) przekształca się mechaniczne działanie koła Peltona obracającym przepływu cieczy wokół osi w czytelny dla użytkownika natężenia przepływu (gpm LPM, etc.). Koło Peltona ma tendencję do tego, że cały przepływ przepływa wokół niego, a strumień wlotowy skupia się na łopatkach przez strumień. Oryginalne koła Peltona zostały użyte do generowania mocy i składały się z turbiny o przepływie promieniowym z "kubkami reakcyjnymi", które nie tylko poruszają się z siłą wody na twarz, ale także zawracają przepływ w przeciwnym kierunku, wykorzystując tę ​​zmianę kierunku płynu do dalsze zwiększenie wydajności z turbiny .

Aktualny miernik

Miernik prądu typu śmigłowego używany do testowania turbin hydroelektrycznych.

Przepływ przez dużą zastawkę, taką jak w elektrowni wodnej, można zmierzyć, uśredniając prędkość przepływu na całym obszarze. Mierniki prądu typu śmigłowego (podobne do czysto mechanicznego miernika prądu Ekmana , ale teraz z elektroniczną akwizycją danych) można przesuwać po obszarze rurociągu i uśredniać prędkości w celu obliczenia całkowitego przepływu. Może to być rzędu setek metrów sześciennych na sekundę. Przepływ musi być utrzymywany na stałym poziomie podczas przechodzenia przez mierniki prądu. Metody testowania turbin hydroelektrycznych są podane w normie IEC 41. Takie pomiary przepływu są często ważne z handlowego punktu widzenia podczas testowania sprawności dużych turbin.

Mierniki ciśnienia

Istnieje kilka typów przepływomierzy, które opierają się na zasadzie Bernoulliego . Ciśnienie jest mierzone za pomocą płytek laminarnych, kryzy, dyszy lub zwężki Venturiego w celu wytworzenia sztucznego zwężenia, a następnie mierzy spadek ciśnienia płynów, gdy przechodzą przez to zwężenie, lub przez pomiar ciśnień statycznych i stagnacji w celu określenia dynamiki ciśnienie .

Miernik Venturiego

Metr Venturiego zwęża przepływu w pewien sposób, a czujniki nacisku mierzą różnicę ciśnienia przed i w skurczu. Metoda ta jest szeroko stosowana do pomiaru natężenia przepływu podczas przesyłu gazu rurociągami i była stosowana od czasów Cesarstwa Rzymskiego . Współczynnik wypływu Venturiego zakresach metr od 0,93 do 0,97. Pierwsze wielkoskalowe mierniki Venturiego do pomiaru przepływów cieczy zostały opracowane przez Clemensa Herschela , który wykorzystywał je do pomiaru małych i dużych przepływów wody i ścieków od końca XIX wieku.

Kryza

Kryza dławiąca jest płytka z otworem przez to, umieszczonych prostopadle do kierunku przepływu; ogranicza przepływ, a pomiar różnicy ciśnień na przewężeniu określa natężenie przepływu. Jest to w zasadzie prymitywna forma miernika Venturiego , ale z większymi stratami energii. Istnieją trzy rodzaje kryzy: koncentryczna, ekscentryczna i segmentowa.

Rurka Dall

Rurka Dall jest skróconą wersją miernika Venturiego, z mniejszym spadkiem ciśnienia niż kryza. Podobnie jak w przypadku tych przepływomierzy, natężenie przepływu w rurze Dall jest określane przez pomiar spadku ciśnienia spowodowanego zatkaniem w przewodzie. Różnica ciśnień jest zwykle mierzona za pomocą membranowych przetworników ciśnienia z odczytem cyfrowym. Ponieważ mierniki te mają znacznie niższe trwałe straty ciśnienia niż przepływomierze kryzowe, rury Dall są szeroko stosowane do pomiaru natężenia przepływu dużych rurociągów. Różnica ciśnień wytwarzana przez rurkę Dall jest wyższa niż rurka Venturiego i dysza, a wszystkie mają taką samą średnicę gardzieli.

Rurka Pitota

Pitota rurka jest używany do pomiaru prędkości przepływu płynu. Rurka jest skierowana do przepływu i mierzona jest różnica między ciśnieniem spiętrzenia na końcówce sondy a ciśnieniem statycznym po jej stronie, uzyskując ciśnienie dynamiczne, na podstawie którego obliczana jest prędkość płynu za pomocą równania Bernoulliego . Objętościowe natężenie przepływu można wyznaczyć mierząc prędkość w różnych punktach przepływu i generując profil prędkości.

Wielootworowa sonda ciśnieniowa

Sondy ciśnieniowe z wieloma otworami (zwane również sondami uderzeniowymi) rozszerzają teorię rurki Pitota na więcej niż jeden wymiar. Typowa sonda uderzeniowa składa się z trzech lub więcej otworów (w zależności od typu sondy) na końcówce pomiarowej ułożonych według określonego wzoru. Więcej otworów pozwala przyrządowi mierzyć kierunek prędkości przepływu oprócz jego wielkości (po odpowiedniej kalibracji). Trzy otwory rozmieszczone w linii umożliwiają sondom ciśnienia pomiar wektora prędkości w dwóch wymiarach. Wprowadzenie większej liczby otworów, np. Pięciu otworów ułożonych w „plus”, umożliwia pomiar trójwymiarowego wektora prędkości.

Mierniki stożkowe

Przepływomierz 8-calowy (203 mm) ze stożkiem V pokazany z ANSI 300 # (21 barów; 2,1 MPa) z podwyższonymi kołnierzami z szyjką spawaną

Mierniki stożkowe to nowsze urządzenie do pomiaru różnicy ciśnień wprowadzone na rynek w 1985 roku przez firmę McCrometer w Hemet w Kalifornii. Przepływomierz stożkowy jest typowym, ale solidnym miernikiem różnicy ciśnień (DP), który okazał się odporny na działanie asymetrycznego i wirującego przepływu. Działając zgodnie z tymi samymi podstawowymi zasadami, co mierniki DP typu Venturiego i kryzowe, wodomierze stożkowe nie wymagają takiej samej orurowania przed i za wylotem. Stożek działa jako urządzenie kondycjonujące, a także wytwarza różnicę ciśnień. Wymagania dotyczące przedwzmacniacza mieszczą się w zakresie od 0 do 5 średnic w porównaniu do 44 średnic dla kryzy dławiącej lub 22 średnic dla zwężki Venturiego. Ponieważ mierniki stożkowe mają generalnie konstrukcję spawaną, zaleca się ich kalibrację zawsze przed serwisowaniem. Nieuchronnie efekty cieplne spawania powodują zniekształcenia i inne efekty, które uniemożliwiają gromadzenie i publikowanie danych tabelarycznych dotyczących współczynników wypływu w odniesieniu do rozmiaru linii, współczynnika beta i operacyjnych liczb Reynoldsa. Skalibrowane mierniki stożkowe mają niepewność do ± 0,5%. Nieskalibrowane mierniki stożkowe mają niepewność ± 5,0%

Liniowe mierniki rezystancji

Liniowe mierniki rezystancji, zwane również przepływomierzami laminarnymi, mierzą bardzo małe przepływy, przy których mierzona różnica ciśnień jest liniowo proporcjonalna do przepływu i lepkości płynu. Taki przepływ nazywany jest lepkim przepływem wleczonym lub przepływem laminarnym, w przeciwieństwie do przepływu turbulentnego mierzonego przez kryzę, zwężkę Venturisa i inne mierniki wymienione w tej sekcji i charakteryzuje się liczbą Reynoldsa poniżej 2000. Główny element przepływu może składać się z pojedynczego, długiego kapilara, wiązka takich rurek lub długa porowata zatyczka; takie niskie przepływy powodują małe różnice ciśnień, ale dłuższe elementy przepływu powodują wyższe, łatwiejsze do zmierzenia różnice. Przepływomierze te są szczególnie wrażliwe na zmiany temperatury wpływające na lepkość płynu i średnicę elementu przepływowego, co widać w rządzącym równaniu Hagena-Poiseuille'a .

Przepływomierze o zmiennej powierzchni

Rotametr Techfluid-CG34-2500

„Miernik zmiennej powierzchni” mierzy przepływ płynu, umożliwiając zmianę pola przekroju poprzecznego urządzenia w odpowiedzi na przepływ, co powoduje pewien mierzalny efekt, który wskazuje natężenie. Rotametr jest przykładem metr obszar zmienny, gdzie ważone „pływać” podnosi się w stożkowej probówce wraz ze wzrostem prędkości przepływu; pływak przestaje się unosić, gdy obszar między pływakiem a rurą jest na tyle duży, że ciężar pływaka jest równoważony przez opór przepływu płynu. Rodzaj rotametru używanego do gazów medycznych to przepływomierz rurowy Thorpe . Pływaki są wykonane w wielu różnych kształtach, przy czym najczęściej są to kule i sferyczne elipsy. Niektóre są zaprojektowane tak, aby wirowały widocznie w strumieniu płynu, aby pomóc użytkownikowi w określeniu, czy pływak utknął, czy nie. Rotametry są dostępne dla szerokiej gamy cieczy, ale najczęściej są używane z wodą lub powietrzem. Mogą one niezawodnie mierzyć przepływ z dokładnością do 1%.

Innym typem jest kryza o zmiennej powierzchni, w której obciążony sprężyną stożkowy tłok jest odchylany przez przepływ przez otwór. Przemieszczenie można powiązać z natężeniem przepływu.

Przepływomierze optyczne

Przepływomierze optyczne wykorzystują światło do określania natężenia przepływu. Małe cząsteczki, które towarzyszą gazom ziemnym i przemysłowym, przechodzą przez dwie wiązki laserowe zogniskowane w niewielkiej odległości od siebie na ścieżce przepływu w rurze przez optykę oświetlającą. Światło laserowe jest rozpraszane, gdy cząstka przechodzi przez pierwszą wiązkę. Optyka wykrywająca zbiera rozproszone światło na fotodetektorze, które następnie generuje sygnał impulsowy. Gdy ta sama cząstka przechodzi przez drugą wiązkę, optyka wykrywająca zbiera rozproszone światło na drugim fotodetektorze, który przekształca wpadające światło w drugi impuls elektryczny. Mierząc odstęp czasu między tymi impulsami, oblicza się prędkość gazu, gdzie jest odległość między wiązkami lasera, a jest to przedział czasu. ${\ Displaystyle V = D / t}$${\ displaystyle D}$${\ displaystyle t}$

Przepływomierze optyczne oparte na laserach mierzą rzeczywistą prędkość cząstek, właściwość niezależną od przewodnictwa cieplnego gazów, zmian w przepływie gazów lub ich składu. Zasada działania umożliwia optycznej technologii laserowej dostarczanie bardzo dokładnych danych o przepływie, nawet w trudnych warunkach, które mogą obejmować wysoką temperaturę, niskie natężenia przepływu, wysokie ciśnienie, wysoką wilgotność, drgania rur i hałas.

Przepływomierze optyczne są bardzo stabilne, nie zawierają ruchomych części i zapewniają wysoce powtarzalny pomiar przez cały okres eksploatacji produktu. Ponieważ odległość między dwoma arkuszami lasera nie zmienia się, przepływomierze optyczne nie wymagają okresowej kalibracji po ich pierwszym uruchomieniu. Przepływomierze optyczne wymagają tylko jednego punktu instalacji, zamiast dwóch punktów instalacji, które są zwykle wymagane w innych typach liczników. Pojedynczy punkt instalacji jest prostszy, wymaga mniej konserwacji i jest mniej podatny na błędy.

Dostępne w handlu przepływomierze optyczne są w stanie mierzyć przepływ od 0,1 m / s do ponad 100 m / s (współczynnik regulacji 1000: 1) i wykazano, że są skuteczne w pomiarze gazów pochodniowych z szybów naftowych i rafinerii. na zanieczyszczenie atmosfery.

Pomiar przepływu w otwartym kanale

Przepływ w kanale otwartym opisuje przypadki, w których przepływająca ciecz ma górną powierzchnię otwartą na powietrze; Przekrój przepływu jest określony tylko przez kształt kanału w dolnej części i jest zmienny w zależności od głębokości cieczy w kanale. Techniki odpowiednie dla stałego przekroju przepływu w rurze nie są przydatne w kanałach otwartych. Pomiar przepływu w drogach wodnych jest ważnym zastosowaniem przepływu w kanałach otwartych; takie instalacje są znane jako wodowskazy .

Poziom przepływu

Poziom wody jest mierzony w wyznaczonym miejscu za jazem lub w kanale za pomocą różnych urządzeń pomocniczych (powszechnie stosowane są barbotery, ultradźwięki, pływak i ciśnienie różnicowe). Głębokość ta jest konwertowana na natężenie przepływu zgodnie z formułą teoretyczną w postaci gdzie jest natężenie przepływu, jest stałą, jest poziomem wody i jest wykładnikiem, który zmienia się w zależności od używanego urządzenia; lub jest przekształcany zgodnie z empirycznie wyprowadzonymi punktami danych dotyczących poziomu / przepływu („krzywa przepływu”). Natężenie przepływu można następnie zintegrować w czasie z przepływem objętościowym. Urządzenia do pomiaru poziomu przepływu są powszechnie używane do pomiaru przepływu wód powierzchniowych (źródeł, strumieni i rzek), zrzutów przemysłowych i ścieków. Spośród nich jazy są używane w strumieniach o niskiej zawartości cząstek stałych (zazwyczaj wody powierzchniowe), podczas gdy kanały są używane w przepływach o niskiej lub wysokiej zawartości cząstek stałych. ${\ displaystyle Q = KH ^ {X}}$${\ displaystyle Q}$${\ displaystyle K}$${\ displaystyle H}$${\ displaystyle X}$

Powierzchnia / prędkość

Pole przekroju poprzecznego przepływu oblicza się z pomiaru głębokości, a średnią prędkość przepływu mierzy się bezpośrednio (powszechne są metody dopplerowskie i śmigłowe). Prędkość pomnożona przez pole przekroju poprzecznego daje natężenie przepływu, które można zintegrować z przepływem objętościowym. Istnieją dwa typy przepływomierzy powierzchniowych: (1) zwilżony; i (2) bezkontaktowe. Czujniki prędkości w zwilżonym obszarze muszą być zwykle montowane na dnie kanału lub rzeki, a do pomiaru prędkości porywanych cząstek stosuje się metodę Dopplera. Dzięki głębokości i zaprogramowanemu przekrojowi może to zapewnić pomiar przepływu wylotowego. Urządzenia bezkontaktowe wykorzystujące laser lub radar są zamontowane nad kanałem i mierzą prędkość z góry, a następnie wykorzystują ultradźwięki do pomiaru głębokości wody z góry. Urządzenia radarowe mogą mierzyć tylko prędkości powierzchniowe, podczas gdy urządzenia laserowe mogą mierzyć prędkości pod powierzchnią.

Testowanie barwników

Do strumienia przepływu dodaje się znaną ilość barwnika (lub soli ) na jednostkę czasu. Po całkowitym wymieszaniu mierzy się stężenie. Stopień rozcieńczenia jest równy natężeniu przepływu.

Akustyczna Velocymetria Dopplera

Akustyczna Velocymetria Dopplerowska (ADV) jest przeznaczona do rejestrowania składowych prędkości chwilowej w jednym punkcie ze stosunkowo dużą częstotliwością. Pomiary są wykonywane poprzez pomiar prędkości cząstek w zdalnej objętości próbkowania w oparciu o efekt przesunięcia Dopplera.

Termiczne przepływomierze masowe

Różnica temperatur między czujnikami zmienia się w zależności od przepływu masowego

Termiczne przepływomierze masowe generalnie wykorzystują kombinacje podgrzewanych elementów i czujników temperatury do pomiaru różnicy między statycznym i przepływającym przenoszeniem ciepła do płynu i wnioskowania o jego przepływie ze znajomością ciepła właściwego i gęstości płynu . Temperatura płynu jest również mierzona i kompensowana. Jeżeli gęstość i ciepło charakterystyka osoby płyn są stałe, miernik może zapewnić bezpośredni odczyt przepływu masowego i nie wymaga żadnego dodatkowego kompensację temperaturową ciśnienia w ich określonym zakresie.

Postęp technologiczny umożliwił produkcję termicznych przepływomierzy masowych w skali mikroskopowej jako czujników MEMS ; te urządzenia przepływowe mogą być używane do pomiaru szybkości przepływu w zakresie nanolitrów lub mikrolitrów na minutę.

Termiczny przepływomierz masowy (zwany również termicznym przepływomierzem dyspersyjnym lub termicznym przepływomierzem wyporowym) jest stosowany do sprężonego powietrza, azotu, helu, argonu, tlenu i gazu ziemnego. W rzeczywistości większość gazów można zmierzyć, o ile są one dość czyste i nie powodują korozji. W przypadku bardziej agresywnych gazów miernik może być wykonany ze specjalnych stopów (np. Hastelloy ), a wstępne suszenie gazu również pomaga zminimalizować korozję.

Obecnie termiczne przepływomierze masowe są używane do pomiaru przepływu gazów w coraz szerszym zakresie zastosowań, takich jak reakcje chemiczne lub zastosowania wymiany ciepła, które są trudne dla innych technologii pomiaru przepływu. Niektóre inne typowe zastosowania czujników przepływu można znaleźć w medycynie, na przykład urządzenia CPAP, sprzęt anestezjologiczny lub urządzenia do oddychania. Dzieje się tak, ponieważ termiczne przepływomierze masowe monitorują zmiany jednej lub więcej charakterystyk termicznych (temperatura, przewodność cieplna i / lub ciepło właściwe) mediów gazowych w celu określenia masowego natężenia przepływu.

Czujnik MAF

W wielu późnych modelach samochodów czujnik masowego przepływu powietrza (MAF) służy do dokładnego określania masowego natężenia przepływu powietrza dolotowego wykorzystywanego w silniku spalinowym . Wiele takich czujników przepływu masowego wykorzystuje podgrzewany element i umieszczony za nim czujnik temperatury do wskazywania natężenia przepływu powietrza. Inne czujniki wykorzystują łopatkę sprężynową. W każdym przypadku elektroniczna jednostka sterująca pojazdu interpretuje sygnały czujnika jako wskazanie w czasie rzeczywistym zapotrzebowania silnika na paliwo.

Przepływomierze wirowe

Inna metoda pomiaru przepływu polega na umieszczeniu ciała blefu (zwanego prętem odprowadzającym) na drodze przepływu płynu. Gdy płyn przechodzi przez ten pręt, powstają zakłócenia w przepływie zwane wirami . Wiry ciągną się za cylindrem, naprzemiennie z każdej strony ciała urwiska. Ta ścieżka wirowa nazywana jest ulicą wirową Von Kármána według matematycznego opisu zjawiska von Kármána z 1912 roku. Częstotliwość, z jaką te wiry zmieniają się po obu stronach, jest zasadniczo proporcjonalna do natężenia przepływu płynu. Wewnątrz, na szczycie lub za belką przesiewającą znajduje się czujnik do pomiaru częstotliwości tworzenia się wiru. Ten czujnik jest często kryształem piezoelektrycznym , który wytwarza mały, ale mierzalny impuls napięcia za każdym razem, gdy powstaje wir. Ponieważ częstotliwość takiego impulsu napięcia jest również proporcjonalna do prędkości płynu, objętościowe natężenie przepływu oblicza się na podstawie pola przekroju poprzecznego przepływomierza. Częstotliwość jest mierzona, a natężenie przepływu obliczane przez elektronikę przepływomierza za pomocą równania, gdzie jest częstotliwość wirów, charakterystyczna długość ciała urwiska, jest prędkością przepływu nad ciałem urwiska i jest liczbą Strouhala , która jest zasadniczo stała dla danego kształtu nadwozia w jego granicach roboczych. ${\ displaystyle f = SV / L}$${\ displaystyle f}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle V}$${\ displaystyle S}$

Pomiar przepływu sonaru

Przepływomierz sonarowy na linii gazowej

Przepływomierze sonarowe to nieinwazyjne urządzenia zaciskowe, które mierzą przepływ w rurach transportujących szlam, płyny korozyjne, płyny wielofazowe i przepływy tam, gdzie przepływomierze typu wkładanego nie są pożądane. Przepływomierze sonarowe są szeroko stosowane w górnictwie, obróbce metali oraz w górnictwie naftowym i gazowym, gdzie tradycyjne technologie mają pewne ograniczenia ze względu na ich tolerancję na różne reżimy przepływu i współczynniki ograniczenia.

Przepływomierze sonarowe mają możliwość nieinwazyjnego pomiaru prędkości cieczy lub gazów w rurze, a następnie wykorzystują ten pomiar prędkości do natężenia przepływu, wykorzystując pole przekroju poprzecznego rury oraz ciśnienie i temperaturę w rurociągu. Zasada działania tego pomiaru przepływu polega na wykorzystaniu akustyki podwodnej.

W akustyce podwodnej , aby zlokalizować obiekt pod wodą, sonar wykorzystuje dwie znane metody:

• Prędkość rozchodzenia się dźwięku przez macierz (tj. Prędkość dźwięku w wodzie morskiej)
• Odstęp między czujnikami w układzie czujników

a następnie oblicza nieznane:

• Lokalizacja (lub kąt) obiektu.

Podobnie sonarowy pomiar przepływu wykorzystuje te same techniki i algorytmy, które są stosowane w akustyce podwodnej, ale stosuje je do pomiaru przepływu w odwiertach naftowych i gazowych oraz liniach przepływowych.

Do pomiaru prędkości przepływu przepływomierze sonarowe wykorzystują dwie znane metody:

• Lokalizacja (lub kąt) obiektu, który wynosi 0 stopni, ponieważ przepływ porusza się wzdłuż rury, która jest wyrównana z matrycą czujników
• Odstęp między czujnikami w układzie czujników

a następnie oblicza nieznane:

• Prędkość propagacji przez układ (tj. Prędkość przepływu medium w rurze).

Przepływomierze elektromagnetyczne, ultradźwiękowe i Coriolisa

Przepływomierz magnetyczny w browarze Tetley's w Leeds , West Yorkshire

Nowoczesne innowacje w pomiarze natężenia przepływu obejmują urządzenia elektroniczne, które mogą korygować zmienne ciśnienie i temperaturę (tj. Gęstość), nieliniowości oraz właściwości płynu.

Przepływomierze magnetyczne

Przepływomierze magnetyczne , często nazywane „miernikami magnetycznymi” lub „elektromagnesami”, wykorzystują pole magnetyczne przyłożone do rury pomiarowej, co powoduje różnicę potencjałów proporcjonalną do prędkości przepływu prostopadłej do linii strumienia . Różnica potencjałów jest wykrywana przez elektrody ustawione prostopadle do przepływu i przyłożonego pola magnetycznego. Zasada fizyczna w miejscu pracy jest prawo Faradaya o indukcji elektromagnetycznej . Przepływomierz magnetyczny wymaga cieczy przewodzącej i nieprzewodzącej wykładziny rurowej. Elektrody nie mogą korodować w kontakcie z medium procesowym; Niektóre przepływomierze magnetyczne mają zainstalowane pomocnicze przetworniki do czyszczenia elektrod na miejscu. Przyłożone pole magnetyczne jest pulsacyjne, co pozwala przepływomierzowi niwelować wpływ napięcia błądzącego w instalacji rurowej.

Bezkontaktowe przepływomierze elektromagnetyczne

System welocymetrii sił Lorentza nazywa się przepływomierzem siły Lorentza (LFF). LFF mierzy zintegrowaną lub masową siłę Lorentza wynikającą z interakcji między płynnym metalem w ruchu a przyłożonym polem magnetycznym. W tym przypadku charakterystyczna długość pola magnetycznego jest tego samego rzędu wielkości co wymiary kanału. Należy zwrócić uwagę, że w przypadku stosowania miejscowych pól magnetycznych możliwe jest wykonywanie lokalnych pomiarów prędkości, a zatem używa się terminu welocymetr siły Lorentza.

Przepływomierze ultradźwiękowe (Doppler, czas przejścia)

Istnieją dwa główne typy przepływomierzy ultradźwiękowych : Doppler i czas przejścia. Chociaż oba wykorzystują ultradźwięki do wykonywania pomiarów i mogą być nieinwazyjne (mierzą przepływ spoza rury, rury lub naczynia), mierzą przepływ bardzo różnymi metodami.

Schematyczny widok czujnika przepływu.

Przepływomierze ultradźwiękowego czasu przejścia mierzą różnicę czasu przejścia impulsów ultradźwiękowych rozchodzących się w kierunku i przeciwnie do kierunku przepływu. Ta różnica czasu jest miarą średniej prędkości płynu na drodze wiązki ultradźwiękowej. Korzystając z bezwzględnych czasów przejścia, można obliczyć zarówno uśrednioną prędkość płynu, jak i prędkość dźwięku. Korzystając z dwóch czasów przejścia i odległości między przetwornikami odbiorczymi i nadawczymi oraz kąta nachylenia można zapisać równania: ${\ displaystyle t_ {w górę}}$${\ displaystyle t_ {dół}}$${\ displaystyle L}$${\ displaystyle \ alpha}$

${\ Displaystyle v = {\ Frac {L} {2 \; \ cos \ lewo (\ alfa \ prawo)}} \; {\ Frac {t_ {góra} -t_ {dół}} {t_ {góra} \; t_ {dół}}}}$ i ${\ Displaystyle c = {\ Frac {L} {2}} \; {\ Frac {t_ {góra} + t_ {dół}} {t_ {góra} \; t_ {dół}}}}$

gdzie jest średnią prędkością płynu wzdłuż ścieżki dźwięku i jest prędkością dźwięku. ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle c}$

W przypadku oświetlenia szerokostrumieniowego ultradźwięki mogą być również używane do pomiaru przepływu objętościowego niezależnie od pola przekroju poprzecznego naczynia lub rury.

Ultradźwiękowe przepływomierze Dopplera mierzą przesunięcie Dopplera wynikające z odbijania wiązki ultradźwiękowej od cząstek stałych w przepływającym płynie. Ruch cząstek wpływa na częstotliwość transmitowanej wiązki; to przesunięcie częstotliwości można wykorzystać do obliczenia prędkości płynu. Aby zasada Dopplera działała, musi być wystarczająco wysoka gęstość materiałów odbijających dźwięk, takich jak cząstki stałe lub pęcherzyki powietrza zawieszone w płynie. Kontrastuje to bezpośrednio z przepływomierzem ultradźwiękowym do pomiaru czasu przejścia, w którym pęcherzyki i cząstki stałe zmniejszają dokładność pomiaru. Ze względu na zależność od tych cząstek zastosowania przepływomierzy Dopplera są ograniczone. Technologia ta jest również znana jako akustyczna akcelerometria dopplerowska .

Jedną z zalet przepływomierzy ultradźwiękowych jest to, że mogą skutecznie mierzyć natężenia przepływu dla szerokiej gamy płynów, o ile znana jest prędkość dźwięku przechodzącego przez ten płyn. Na przykład przepływomierze ultradźwiękowe są używane do pomiaru tak różnych płynów, jak płynny gaz ziemny (LNG) i krew. Można również obliczyć oczekiwaną prędkość dźwięku dla danego płynu; można to porównać z prędkością dźwięku mierzoną empirycznie przepływomierzem ultradźwiękowym w celu monitorowania jakości pomiarów przepływomierza. Spadek jakości (zmiana mierzonej prędkości dźwięku) wskazuje, że miernik wymaga serwisu.

Przepływomierze Coriolisa

Wykorzystując efekt Coriolisa, który powoduje odkształcenie bocznie wibrującej rury, można uzyskać bezpośredni pomiar masowego natężenia przepływu w przepływomierzu Coriolisa . Ponadto uzyskuje się bezpośredni pomiar gęstości płynu. Pomiar Coriolisa może być bardzo dokładny niezależnie od rodzaju mierzonego gazu lub cieczy; ta sama rurka pomiarowa może być używana do wodoru i bitumu bez ponownej kalibracji .

Do pomiaru przepływu gazu ziemnego można zastosować przepływomierze Coriolisa.

Laserowy pomiar przepływu dopplerowskiego

Wiązka światła laserowego padająca na poruszającą się cząstkę zostanie częściowo rozproszona przy zmianie długości fali proporcjonalnej do prędkości cząstki ( efekt Dopplera ). Velocimeter laserowego Dopplera (LDV), zwany również anemometr laserowego Dopplera (LDA), skupia się wiązkę laserową do małej objętości przepływających płynów zawierających małe cząstki (naturalnie występujące lub indukowane). Cząsteczki rozpraszają światło z przesunięciem Dopplera. Analiza tej przesuniętej długości fali może być użyta do bezpośredniego i bardzo dokładnego określenia prędkości cząstki, a tym samym do bliskiego przybliżenia prędkości płynu.

Dostępnych jest wiele różnych technik i konfiguracji urządzeń do określania przesunięcia Dopplera. Wszystkie wykorzystują fotodetektor (zwykle fotodiodę lawinową ) do przekształcania światła w przebieg elektryczny do analizy. W większości urządzeń oryginalne światło lasera jest podzielone na dwie wiązki. W jednej ogólnej klasie LDV dwie wiązki przecinają się w swoich punktach ogniskowych, gdzie kolidują i generują zestaw prostych prążków. Czujnik jest następnie ustawiany w kierunku przepływu w taki sposób, że prążki są prostopadłe do kierunku przepływu. Gdy cząstki przechodzą przez prążki, do fotodetektora zbierane jest przesunięte dopplerowskie światło. W innej ogólnej klasie LDV jedna wiązka jest używana jako odniesienie, a druga jest rozproszona metodą Dopplera. Obie wiązki są następnie zbierane do fotodetektora, w którym wykorzystuje się optyczną detekcję heterodynową do wyodrębnienia sygnału dopplerowskiego.

Kalibrowanie

Nawet jeśli w idealnej sytuacji na przepływomierz nie powinno mieć wpływu otoczenie, w praktyce jest to mało prawdopodobne. Często błędy pomiaru wynikają z nieprawidłowej instalacji lub innych czynników zależnych od środowiska. Metody in situ są stosowane, gdy przepływomierz jest kalibrowany w odpowiednich warunkach przepływu. Wynikiem kalibracji przepływomierza będą dwie powiązane statystyki: metryka wskaźnika wydajności i metryka natężenia przepływu.

Metoda czasu tranzytu

W przypadku przepływów rurowych stosuje się tak zwaną metodę czasu przejścia, w której znacznik promieniotwórczy jest wstrzykiwany w postaci impulsu do mierzonego przepływu. Czas przejścia jest określany za pomocą detektorów promieniowania umieszczonych na zewnątrz rury. Przepływ objętościowy uzyskuje się poprzez pomnożenie zmierzonej średniej prędkości przepływu płynu przez przekrój wewnętrznej rury. Ta wartość przepływu odniesienia jest porównywana z wartością równoczesnego przepływu podaną przez kalibrowany pomiar przepływu.

Procedura jest znormalizowana (ISO 2975 / VII dla cieczy i BS 5857-2.4 dla gazów). Najlepsza akredytowana niepewność pomiaru dla cieczy i gazów wynosi 0,5%.

Metoda rozcieńczania znacznika

Do kalibracji pomiarów przepływu w kanale otwartym stosuje się metodę rozcieńczania znacznika promieniotwórczego. Roztwór o znanym stężeniu znacznika jest wtryskiwany ze stałą znaną prędkością do przepływu w kanale. Za roztworem znacznika dokładnie miesza się w przekroju przepływu, pobiera się ciągłą próbkę i określa stężenie jej znacznika w stosunku do wstrzykniętego roztworu. Wartość odniesienia przepływu wyznacza się, wykorzystując warunek równowagi znacznika między wtryskiwanym przepływem znacznika a przepływem rozcieńczającym. Procedura jest znormalizowana (ISO 9555-1 i ISO 9555-2 dla przepływu cieczy w kanałach otwartych). Najlepsza akredytowana niepewność pomiaru wynosi 1%.

Zobacz też

• Wiatromierz
• Automatyczny odczyt licznika
• Błąd przepływomierza
• Kubek lepkości Forda
• Licznik gazu
• Laserowa Velocymetria Dopplera
• Główny element przepływowy
• Licznik zużycia wody

Bibliografia