Jak definiuje się przepływ mierzonej wielkości?

Pomiar przepływu określa ilość przepływającą przez system rur w jednostce czasu. Medium może być cieczą, gazem lub parą. W pomiarze przepływu rozróżnia się pomiar przepływu objętościowego i pomiar przepływu masowego.

Przepływ objętościowy

Przepływ objętościowy to objętość przepływająca przez rurę w jednostce czasu (w l/h, cfm itp.). Większość przedstawionych tutaj systemów mierzy przepływ objętościowy.

Przepływ masowy

Przepływ masowy definiuje się jako masę przepływającą przez system w jednostce czasu (w kg/h, t/h itp.). Jeśli gęstość medium jest stała, przepływ masowy można określić, mnożąc przepływ objętościowy przez gęstość. Jeśli gęstość nie jest stała – jak to często ma miejsce w przypadku pary i gazów – należy ją również zmierzyć za pomocą technologii pomiarowej.

W jakich zastosowaniach należy mierzyć przepływ?

W wielu zastosowaniach jedynym wymaganiem jest wykrycie, czy występuje minimalny przepływ medium. Wykorzystanie monitorów przepływu jest wówczas wymagane w celu zapewnienia takich funkcji, jak ochrona pomp przed pracą na sucho.

Jednak przedstawiona tutaj technologia czujników służy do ciągłego pomiaru przepływu i jest stosowana w takich zastosowaniach, jak:

• Napełnianie produktów końcowych do butelek, pojemników lub zbiorników
• Monitorowanie lub wyświetlanie całkowitego natężenia przepływu w różnych procesach
• W systemach legalizowanych, takich jak pompy paliwowe lub liczniki ciepłej i zimnej wody itp.

Jakie są wymagania dotyczące pomiaru przepływu?

Wymagania dotyczące przepływomierza różnią się znacznie w zależności od zadania pomiarowego. Podczas napełniania wymagana jest dobra powtarzalność. W systemach legalizowanych do celów handlowych wymagane jest świadectwo badania typu (przynajmniej w UE). Podobnie w przypadku monitorowania i wyświetlania sumarycznego natężenia przepływu w procesie istnieje wiele wymagań związanych z konkretnym zastosowaniem lub branżą. Wynikają one między innymi z rodzaju mierzonego medium i wymagań dotyczących dokładności, ale także z obowiązków prawnych, takich jak dyrektywa dotycząca urządzeń ciśnieniowych w UE lub ochrona przeciwwybuchowa zgodnie z dyrektywą ATEX.

Jakie media mierzy czujnik przepływu?

Media dzielą się na 4 różne kategorie, dla których można stosować wyłącznie wybrane technologie czujników:

• Ciecze przewodzące (>20 ?S/cm): kwasy, zasady, piwo, mleko, woda pitna itp.
• Ciecze nieprzewodzące: alkohole, glikole, ciecze na bazie oleju mineralnego, woda dejonizowana itp.
• Gazy: tlen, azot, sprężone powietrze, gaz ziemny itp.
• Para wodna: para nasycona, para przegrzana

Jakie są metody pomiaru przepływu?

Przepływomierze działają w oparciu o różne zasady pomiaru, ale każdy z nich nie może mierzyć wszystkich mediów z wcześniej wskazanych kategorii. Poniższa tabela zawiera listę popularnych metod pomiaru i pokazuje, które kategorie cieczy można nimi mierzyć.

Pomiar przepływu metodą Coriolisa

Dość złożone i bardzo drogie przepływomierze oparte na zasadzie Coriolisa mają wyjątkową zaletę w porównaniu ze wszystkimi innymi zasadami przedstawionymi tutaj. Można określić przepływ masowy (kg/h, t/h itp.), nawet jeśli gęstość nie jest stała.

Na przykład przepływomierze Coriolisa zawierają rurę, która jest stale wprawiana w drgania przez wzbudnik. Jeśli nie występuje przepływ, rura pomiarowa drga równomiernie w przód i w tył na całej długości. Jeśli występuje przepływ, bezwładność medium pomiarowego powoduje ruch kołyszący wzdłuż rury w postaci fali. Sekcje na początku i na końcu rury oscylują wtedy w różnych kierunkach w tym samym czasie (tj. z przesunięciem fazowym). Przesunięcie fazowe ? jest mierzone ? jest to bezpośredni pomiar przepływu

v ~ ?.

Jeśli rura jest wypełniona cięższym medium, wibruje z mniejszą częstotliwością. Częstotliwość jest zatem miarą gęstości mierzonego medium. Na podstawie przepływu i gęstości przepływomierze określają przepływ masowy.

Przepływomierze Coriolisa są uważane za najdokładniejsze przepływomierze liniowe dostępne na rynku, a ich specyfikacje zaczynają się od 0,05% wartości mierzonej.

Elektromagnetyczny pomiar przepływu

Przepływomierz elektromagnetyczny (EMF) mierzy zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Składa się on z metalowej rury pomiarowej, przez którą przepływa przewodzące medium pomiarowe. Cewki generują pole magnetyczne, które jest kierowane przez medium prostopadle do kierunku przepływu.

Napięcie indukowane jest, gdy tylko przewodząca ciecz porusza się przez ortogonalne pole magnetyczne. Indukowane napięcie jest mierzone za pomocą elektrod, które są ustawione pod kątem 90 stopni względem cieczy i pola magnetycznego (zasada prawej ręki).

Napięcie indukowane jest proporcjonalne do prędkości przepływu.

v ~_Uind

Ultradźwiękowy pomiar przepływu

W ultrasonicznym pomiarze przepływu stosuje się głównie dwie różne zasady fizyczne: zasadę czasu przejścia i zasadę Dopplera. Rynek jest zdominowany przez opisaną tutaj zasadę czasu przejścia.

Ultradźwięki to fale mechaniczne lub akustyczne, które są spowalniane w kierunku przeciwnym do prądu i przyspieszane w kierunku zgodnym z prądem. W przypadku pomiarów przepływu za pomocą ultradźwięków mierzy się różne czasy przejścia (z prądem i przeciw prądowi) dla tego samego odcinka. Różnica między tymi dwoma czasami jest miarą prędkości przepływu.

V ~ ? t

Aby zmierzyć różnicę czasową, potrzebne są dwa przetworniki, które pełnią funkcję „głośnika” i „mikrofonu”.

Pomiar przepływu wirowego

Zasada pomiaru wirowego opiera się na zjawisku ciągu wirowego Krmna, w którym ciało otoczone przepływem powoduje powstawanie przeciwbieżnych wirów. W praktyce wiry powstają w przepływającym medium poprzez wprowadzenie przeszkody do rury. Wiry są przeciwbieżne i naprzemiennie odrywają się od przeszkody po lewej i prawej stronie. Wiry tworzą lokalne różnice ciśnień za przeszkodą, które są rejestrowane przez odpowiednio zaprojektowany czujnik. Czujnik mierzy liczbę wirów na jednostkę czasu (tj. częstotliwość występowania wirów). Częstotliwość jest proporcjonalna do prędkości przepływu.

v ~ ?

Kalorymetryczny pomiar przepływu

Metoda wykorzystuje 2 czujniki rezystancyjne, z których jeden służy jako element grzejny, a drugi jako element czujnikowy temperatury medium. Różnica temperatur między elementem grzejnym Pt100 a medium jest utrzymywana na stałym poziomie, a wymagana do tego moc grzewcza jest mierzona. Im większy przepływ medium, tym większa moc grzewcza jest wymagana do utrzymania stałej różnicy temperatur. W ten sposób można wyciągnąć wnioski na temat całkowitego natężenia przepływu na podstawie mocy grzewczej.

Dostarczona moc jest miarą prędkości przepływu:

v ~ P

Pomiar przepływu za pomocą różnicy ciśnień/elementu pierwotnego

Elementy pierwotne obejmują płytki kryzowe, rurki Pitota lub rurki Venturiego. Zainstalowane w rurze generują różnicę ciśnień, która jest mierzona na przykład w płytce kryzowej za pomocą ciśnienia statycznego przed i za płytką kryzową. Prędkość przepływu można określić na podstawie różnicy ciśnień zgodnie z równaniem Bernoulliego; jest ona proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z różnicy ciśnień:

v ~ ??p

Do pomiaru różnicy ciśnień potrzebne są odpowiednie czujniki różnicy ciśnień. Dokładność pomiaru zależy zatem od niepewności pomiarowej elementu pierwotnego i przetwornika różnicy ciśnień.

Pomiar przepływu za pomocą koła łopatkowego

Koło łopatkowe jest obracane przez przepływ medium, a indukcyjny generator impulsów przymocowany do obudowy emituje jeden impuls na każde mijające koło łopatkowe. Częstotliwość impulsów jest bezpośrednią miarą prędkości przepływu:

v ~ ?

Wiele czujników z kołem łopatkowym emituje sygnał impulsowy bezpośrednio, a jednostka oceniająca określa na jego podstawie przepływ. Alternatywnie czujniki mogą być również wyposażone w komponenty elektroniczne, które przekształcają sygnał impulsowy na sygnał analogowy i przekazują go do jednostki oceniającej.

Jak wybrać odpowiedni czujnik do pomiaru przepływu?

Zasada pomiaru musi być odpowiednia dla danego medium – jak opisano powyżej. Inne wymagania, które musi spełniać urządzenie do pomiaru przepływu, obejmują:

• Warunki pracy (zakres przepływu, ciśnienie, temperatura, kompatybilność materiałowa)
• Warunki instalacji (sekcje wlotowe/wylotowe, przebieg rur, montaż)
• Wpływy środowiskowe (temperatura, wilgotność, wibracje)
• Wymagania prawne (ochrona przeciwwybuchowa, obowiązek kalibracji)

Wybór jest dodatkowo utrudniony przez szersze ograniczenia praktyczne:

• Zawartość ciał stałych lub gazów
• Nieoptymalna sytuacja instalacyjna
• Koszt a dokładność

Ze względu na te różne wyzwania niezbędne jest skorzystanie z fachowego doradztwa przy wyborze przepływomierza.