Mjerenje razine i protoka

Predavanje 5 - EAP

Senzori- za mjerenje temperature- za mjerenje tlaka

15.10.2010.*Predavanje 5 - EAP

Predavanje 5 - EAP

Mjerenje razine

Mjerenje protoka

15.10.2010.*Predavanje 5 - EAP

Predavanje 5 - EAP

Plivajui mehanizmi

Razina se preko plovka pretvara u linearni ili kutni pomak, koji se razliitim postupcima pretvara u elektrini signal, (npr. potenciometarski).h = k x ili h = k Specifina gustoa plovka mora biti manja od specifine gustoe tekuine.Mjerenje tekuine moe biti diskretno, tj. potrebno je detektirati tono odreenu razinu. U tom sluaju plovak moe mehaniki aktivirati kontaktni prekida ili se u njega ugrauje magnet koji kod odreene razine ukljuuje magnetsku sklopku, npr. tzv. reed relej.15.10.2010.*Predavanje 5 - EAPxhhplovakreed relejmagnetCijev-vodilicaplovak

Predavanje 5 - EAP

Uzgonski mehanizmi

Prema Arhimedovu zakonu tijelo (ronilo) uronjeno u tekuinu gubi na teini, tj. javlja se uzgonska sila (FU). Za popreni presjek S i visinu ronila b uzgonska sila je:

gdje su A i t specifine teine zraka, odnosno tekuine.

Sila tee, tj. teina ronila je:

gdje je m masa ronila, a R njegova specifina teina.*Predavanje 5 - EAPhFGFUbatRAFRMjerenje sile15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Uzgonski mehanizmi

Razlika sile tee i uzgonske sile je:

Mjerenjem sile FR moe se odrediti razina (h) iz visine uronjenosti ronila:

Da bi ronilo uronilo u tekuinu treba vrijediti: R t *Predavanje 5 - EAPhFGFUbatRAFRMjerenje sile15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Hidrostatski mjerni ureaji

Hidrostatski tlak na dnu tanka s tekuinom jest: , gdje je p0 atmosferski tlak.

Razina se odreuje iz razlike tlakova:gdje je g gravitacijska konstanta, a t specifina teina tekuine.Hidrostatski mjerni ureaji esto se spajaju prema konfiguraciji na desnom dijelu slike, pa se mjerenjem razlike tlakova odreuje razina.*Predavanje 5 - EAPhp0pp = p p0 = k hp p15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Hidrostatski mjerni ureaji

Drugi nain mjerenja je da se hidrostatska sonda uroni na dno posude (na lijevom dijelu slike), pa se, uz poznavanje atmosferskog tlaka, mjerenjem tlaka tekuine na dnu posude odreuje razina tekuine u posudi.*Predavanje 5 - EAPhp0pp = p p0 = k hp p15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Hidrostatski mjerni ureaji - Primjer - proizvoa SIEMENS, tip SITRANS P

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Hidrostatski mjerni ureaji - Primjer kataloki podaci*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Kapacitivni mjerni ureaji

Kapacitivni mjerni ureaji razine koriste cilindrini kondenzator s reetkastom vanjskom elektrodom koji je uronjen u dialektrinu tekuinu kojoj se mjeri razina.Kapacitet cilindrinog kondenzatora bez tekuine je:

gdje su r1 i r2 unutranji, odnosno vanjski polumjer cilindrinog kondenzatora.*Predavanje 5 - EAP12hL15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Kapacitivni mjerni ureaji

Kapacitet cilindrinog kondenzatora uronjenog u tekuinu je:

gdje su 1 i 2 dialektrine konstante zraka, odnosno tekuine.*Predavanje 5 - EAP12hL15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Kapacitivni mjerni ureaji - Primjer: firma SIEMENS, tip SITRANS LC

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni ureaji

Danas se ultrazvuni mjerni ureaji najvie primjenjuju za mjerenje razine zbog zadovoljavajue tonosti, jednostavne ugradnje i otpornosti na utjecaj okoline (temperatura, vlaga, oneienje).Princip rada temelji se na slanju ultrazvunih signala iz odailjaa (kristal) prema povrini kojoj se mjeri razina (tekuina, rasuti materijal). Valovi se odbijaju od mjerene povrine i vraaju do prijamnika (kristal). Mjerenjem vremena (t) za koji signal proe od odailjaa do prijamnika, uz poznavanje brzine signala (va,) odreuje se udaljenost senzora od razine (D), tj. sama razina (h) u spremniku.*Predavanje 5 - EAPDhOdailja/prijamnik15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni ureaji

Da bi se poveala tonost odreivanja brzine signala kroz zrak mora se uzeti u obzir i njena ovisnost o temperaturi zraka prema izrazu:

gdje su v0 brzina signala pri 00C , a va brzina signala pri temperaturi zraka [0C].*Predavanje 5 - EAPDhOdailja/prijamnik15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni ureaji

Prvi ultrazvuni mjerni ureaji razvili su se za medicinske primjene, zbog velikih ulaganja u njihovo istraivanje i razvoj, a osim toga propagacija zvunih signala 100 puta je laka kroz ljudsko tkivo nego kroz zrak.

Uobiajeni mjerni ureaji za mjerenje razine koriste piezokeramike kristale tipa PZT-4 i PZT-5, s frekvencijskim rasponom od 5,5 kHz do 200 kHz.

Vlaga, para i zagaenost imaju znaajan utjecaj na apsorpciju akustike energije koja se pretvara u toplinu. Ti su gubici znaajniji na viim frekvencijama, pa na tim frekvencijama ureaji imaju manji raspon mjerenja, nego ureaji koji rade u podruju od 7 do 25 kHz.*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni ureaji

Tonost ultrazvunih ureaja za mjerenje razine tekuine (npr. nafte) moe biti 0,1mm za mjerno podruje 15 m.

Snop ultrazvunih zraka ureaja je stoastog oblika s kutom nagiba od 70 do 140.

Razliita je ultrazvuna refleksija za tekuine, prah (npr. brano) i vrste zrnaste tvari (npr. ljunak, itarice), pa se vrsta tvari mora uzeti u obzir pri kalibraciji mjernog ureaja.

Tekuine su najpogodnije za tono odreivanje razine, a zrnasti materijali su porozni za ultrazvune zrake, pa je reflektirani signal sloen i mjerni ureaj odreuje srednji iznos razine. *Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni ureaji - Primjer: firma SIEMENS, tip SITRANS L

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Radarski mjerni ureaji

*Predavanje 5 - EAPPrimjer: proizvoa SIEMENS, tip SITRANS LRRadarski mjerni ureaji rade na slinom principu kao i ultrazvuni, ali frekvencija elektromagnetskih valova je znaajno vea i iznosi izmeu 5 - 10 GHz.15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ureaj za mjerenje protoka mjeri protok fluida koji se giba u zatvorenom ili otvorenom vodu.Brzina estica fluida kroz neki presjek A nije konstantna pa se promatra njena srednja vrijednost:

Volumni protok kroz presjek A je:

Ako se pozna gustoa medija moe se odrediti maseni protok:

gdje je specifina gustoa fluida

*Predavanje 5 - EAPAv1v2v3vn15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Prigunica metoda diferencijalnog tlaka

Ureaj za mjerenje protoka mjeri protok fluida koji se giba u zatvorenom ili otvorenom vodu.Metoda se temelji na Bernoulli-jevoj jednadbi za mirne i neviskozne protoke nestlaivih fluida, na temelju koje se za gornju konfiguraciju moe napisati:

Diferencijalni tlak je:

*Predavanje 5 - EAPA1A2v2v1p1p2p15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Iz jednadbe kontinuiteta slijedi da je u stacionarnom stanju protok jednak kroz oba presjeka:iz ega slijedi:

Uvrtavanjem izraza za v1 u izraz za diferencijalni tlak dobiva se:

Brzina fluida u manjem presjeku je:

Volumni protok jednak je:

Konstanta odreuje se kalibracijskim postupkom.*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ovisnost protoka o diferencijalnom tlaku je korjenska, to znai da se za odreivanje protoka iz signala p treba izraunati njegov drugi korijen. Danas se to radi pomou mikroprocesora.

Prednost ove metode je koritenje standardnih osjetila tlaka (jednog diferencijalnog ili dva apsolutna), a mana je promjena presjeka cijevi. *Predavanje 5 - EAPpQ~15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

U - cijev

Razlika visina stupca medija u U-cijevi (h) proporcionalna je razlici tlakova, tj. protoku kroz cijev.

Protok se oitava samo vizuelno.*Predavanje 5 - EAPp1p2h~p=p1-p215.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

U cijev Primjer firma PRESO

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Termoanometar mjerenje protoka prijenosom topline

Mogue su dvije varijante termoanometra: - s zasebnim grijaem (kao na slici)- bez grijaa, senzor Rs je samogrijuiTermometar R0 mjeri temperaturu medija (voda, para, plin) T0 koja ne ovisi znaajno o brzini medija.Grijaem, koji se napaja konstantnom snagom, zagrijava se medij u okoliu termometra RS.. Ovisno o brzini medija, vie ili manje topline se odvede s grijaa, pa je temperatura medija u okoliu termometra Rs ovisna o brzini medija, tj. njegovu protoku.*Predavanje 5 - EAPR0RSgrijaOtporniki termometrivT0TSR0RSR1R2U0Uiz15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Termoanometar mjerenje protoka prijenosom topline

Protok se dobije u funkciji razlike otpora RS i R0, tj. temperatura TS i T0.

Na slici je prikazan mogui spoj grijaa i otpornikih termometara, pri emu je izlazni napon (Uiz) proporcionalan protoku.

*Predavanje 5 - EAPR0RSgrijaOtporniki termometrivT0TSR0RSR1R2U0Uiz15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Termoanometar mjerenje protoka prijenosom topline

U varijanti bez grijaa termometar RS radi u samogrijuem nainu rada. Pritom se napaja s promjenljivim naponom (i snagom) s ciljem da se otpor RS, tj. njegova temperatura TS, odravaju konstantnim bez obzira na promjenljivi protok medija.

Na taj se nain, kao izlazna karakteristika dobiva ovisnost napona grijaa o brzini medija, Ug = f(v), uz konstantnu temperaturu otpornikog termometra TS.*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Termoanometar mjerenje protoka prijenosom topline

Na slici su prikazane karakteristike ovisnosti napona grijanja termistora (Ug) o protoku zraka (v) za razliite temperature zraka (T0). Temperatura termistora se regulacijom napona odrava na vrijednosti TS = 75 0C.

Mjerni ureaji protoka s prijenosom topline mnogo su osjetljiviji od ostalih, tako da mogu mjeriti veoma male pomake plinova i tekuina, ali i vrlo velika strujanja.*Predavanje 5 - EAP4 6 8 10 1210203040Ug (V)v (m/s)TS = 75 0CT0= 45 0CT0= 30 0CT0= 20 0C15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni sustavi

Osnovne znaajke ultrazvunih mjernih sustava ve su prije prikazane , kada je opisana njihova primjena kod mjerenja udaljenosti.Ultrazvuni valovi predstavljaju valove na frekvencijama viim od pojasa ujnosti ovjejeg uha, a to su frekvencije iznad 18 kHz.Ultrazvune valovi imaju manju valnu duljinu od niskofrekvencijskih valova i lake ih je usmjeriti. To je vano kod mjerenja malih debljina i odreivanja protoka.Ultrazvuni mjerni ureaji su pogodni za mjerenje protoka kiselina ili otopina koji djeluju korozivno na metale. Budui da ultrazvuni valovi jednostavno prolaze kroz metale, mjerna oprema se moe ugraditi i izvan fluida. *Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerni sustavi

Svaki ultrazvuni mjerni sustav sastoji se u osnovi od ultrazvunog odailjaa, prijenosnog medija i ultrazvunog prijamnika.

Najee koriteni ureaji za ultrazvune odailjae i prijamnike su piezoelektriki osjetilni elementi. *Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvunog vala izmeu dva kristala

Kristali A i B ugrauju se na suprotne strane cjevovoda, a svaki se moe koristiti kao odailja i prijamnik ultrazvunih valova.

Brzina propagacije vala razliita je za oba smjera propagacije (A B; B A), budui da se brzina dobije kao vektorska suma brzine zvuka kroz mirujui fluid (c) i brzine fluida (v).*Predavanje 5 - EAPOdailja / prijamnikvDOdailja / prijamnikLAB15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvunog vala izmeu dva kristala

Vrijeme propagacije zvuka izmeu kristala A i B:

Predznak + odnosi se na vrijeme kada zvuk putuje od kristala B prema A (vea brzina), a predznak - za smjer zvuka od A prema B (manja brzina).Kako bi se smanjio um, tj. poveala tonost, za mjerenje protoka koristi se razlika vremena propagacije (T), a to znai da oba kristala prvo rade kao odailjai, a zatim kao prijamnici.*Predavanje 5 - EAPOdailja / prijamnikvDOdailja / prijamnikLAB15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvunog vala izmeu dva kristala

Razlika vremena propagacije:

jer je c puno vei od vcos.*Predavanje 5 - EAPOdailja / prijamnikvDOdailja / prijamnikLAB15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta

Kada se zvuk konstantne frekvencije reflektira od gibajueg objekta reflektirani signal ima razliitu frekvenciju od poslanog signala (Dopplerov efekt). Dopplerov efekt koristi se za mjerenje protoka fluida. Ureaj radi na principu da se odaslani signali odailjaa frekvencije f reflektiraju frekvencijom f od pominih mjehuria ili estica u fluidu natrag prema prijamniku.*Predavanje 5 - EAPff OdailjaPrijamnikvD15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta

Ako se estice gibaju brzinom tekuine, Dopplerova promjena frekvencije proporcionalna je iznosu protoka. Odailja alje konstantni signal frekvencije od 0,5 do 10 MHz , brzine c i pod kutem u odnosu na smjer gibanja tekuine.Dopplerov mjera protoka relativno je jeftin, ali ne tako precizan kao mjera koji mjeri vrijeme tranzicije izmeu dva kristala postavljena na suprotnim stranama cjevovoda.*Predavanje 5 - EAPff OdailjaPrijamnikvD15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta

Promjena frekvencije je proporcionalna brzini medija:

pa se protok rauna prema:

*Predavanje 5 - EAPff OdailjaPrijamnikvD15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Industrijska primjena ultrazvunih mjeraa protoka

Industrijski ultrazvuni mjerni ureaji protoka sastoje se od dva ili vie pretvornika (kristala) koji su trajno instalirani na cijev.

Postoji veliki broj naina ugradnje pretvornika pri emu je potrebno poznavati promjer, debljinu i konfiguraciju cjevovoda, te materijal od kojeg je nainjen cjevovod.

Zbog kvalitetne kalibracije, kod ugradnje Dopplerovih mjernih ureaja potrebno je specificirati sve karakteristike tekuine.

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Industrijska primjena ultrazvunih mjeraa protoka

Budui da kvaliteta mjerenja ovisi o kompaktnosti ulaska ultrazvunih valova u tekuinu, nije poeljno ureaje instalirati na cijevi od materijala koji rasipaju valove (keramika, beton, porozni metali).Na slici su prikazane minimalne duljine ravnog dijela cjevovoda u odnosu na promjer (D) za razliite konfiguracije, a koje su nune da bi protok kroz mjerni ureaja bio kontinuiran i tonost mjerenja bolja od 1%.

*Predavanje 5 - EAP5xD10xD5xD20xDProtok5xD25xD5xD50xD5xD50xDProtokProtok15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Ultrazvuni mjerai protoka - Primjer firma SIEMENS tip SITRANS F US

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Elektromagnetsko mjerenje protoka

Elektromagnetski ureaji za mjerenje protoka koriste se za mjerenje protoka elektriki vodljivih tekuina (npr. kiseline).Princip rada se zasniva na Faradey-evom zakonu magnetske indukcije, s razlikom da se umjesto vodia u magnetskom polju giba vodljiva tekuina.Os postavljanja elektroda (os y) okomita je na smjer gibanja tekuine (os z) i na smjer indukcije (os x).

*Predavanje 5 - EAPQBvelektrodexyzeD15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Elektromagnetsko mjerenje protoka

Inducirana elektromotorna sila izmeu elektroda je: e = k D B v, gdje je: D - udaljenost izmeu elektroda, B magnetska indukcija, v srednja brzina gibanja tekuine, k konstanta koja se odreuje kalibracijom.Volumni protok je:

Magnetski se tok moe stvoriti istosmjernim ili izmjeninim elektromagnetom, kao i permanentnim magnetima.

*Predavanje 5 - EAPQBvelektrodexyzeD15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Elektromagnetsko mjerenje protoka - Primjer firma SIEMENS, tip SITRANS FM Maglo

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Turbinski mjerni ureaji

Turbinski mjerni ureaj protoka ugrauje se unutar same cijevi i okree se uslijed strujanja fluida.

Broj okretaja turbine u sekundi (f) proporcionalan je volumnom protoku (Q), tako da se mjerenjem frekvencije vrtnje dobiva iznos protoka.

Turbinski mjerni ureaj esto se koristi za mjerenje ukupnog volumena tekuine, npr. ukupni utroak neke tekuine u nekom periodu T je: , gdje je N ukupni broj okretaja turbine za vrijeme T.

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Turbinski mjerni ureaji

Turbinski mjerni ureaj koristi se, izmeu ostalog, za mjerenje utroka vode u domainstvima i industrijskim postrojenjima.Ovi ureaji imaju zadovoljavajuu tonost kada je protok u granicama od 10% do 100% maksimalne vrijednosti, a ona iznosi 0,5%.Pri mjerenju protoka ispod 10% maksimalne vrijednosti, trenje osovine i tekuine postaje znaajno, odnos izmeu Q i f postaje nelinearan, pa se pogreka poveava.*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Turbinski mjerni ureaji izvedbe

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP

Turbinski mjerni ureaji Primjer: firma SIEMENS, tip SITRANS FR

*Predavanje 5 - EAP15.10.2010.

Predavanje 5 - EAP