Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Několikaotvorové rychlostní sondy k měření průtoku

číslo 12/2003

Několikaotvorové rychlostní sondy k měření průtoku

V článku jsou diskutovány některé parametry několikaotvorové rychlostní sondy k měření průtoku tekutin, které mají vliv na její převodní charakteristiku (závislost tlakové ztráty na průtoku). Je proto snaha nalézt jejich optimum. Stručně jsou zmíněny prováděné práce a poznatky získané v této oblasti v ústavu měřicí a automatizační techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně (ÚAMT).

Obr. 1.

Princip sondy

Několikaotvorová rychlostní sonda patří mezi rozdílové (diferenční) průtokoměry založené na principu zachování mechanické energie u ideální kapaliny popsaném základní Bernoulliovou rovnicí [1]. Protože principiálně vychází z Pitotovy trubice, označuje se tato sonda někdy také jako přesná Pitotova trubice. V podstatě jde o trubici umístěnou napříč potrubím. Otvory na náběžné straně sondy se snímá střední hodnota celkového tlaku pc tekutiny a otvorem na odtokové straně tlak pú v úplavu za sondou (obr. 1). Z rozdílu tlaků p = pc – pú lze stanovit střední rychlost proudění, a tudíž, při konstantním průtočném průřezu, průtok [2].

Základní vztah pro objemový průtok tekutiny Qv je obdobný jako u ostatních rozdílových průtokoměrů (např. clona, dýza, Venturiho trubice)

Vztah. 1.

S je průřez potrubí (m2), v rychlost proudění média (m·s–1), k koeficient sondy (–), r hustota proudícího média (kg·m–3).

Vlastnosti současných sond

K důležitým vlastnostem několikaotvorových rychlostních sond patří zejména tvar průřezu sondy a její průměr, hodnota koeficientu a tlaková ztráta.

Tvar sondy
Základními tvary průřezu sondy jsou kruh (např. sondy MQS firmy Vavra, s. r. o.), čtverec nebo kosočtverec (sondy typu Annubar). Existují samozřejmě i varianty těchto průřezů. Například sondy typu Itabar mají základní průřez kosočtvercový, ale hrany jsou zkoseny, nebo sondy Torbar vycházející z kruhového průřezu, který je na stranách deformován. Tvar sondy má vliv na její další parametry, jako je např. koeficient sondy, trvalá tlaková ztráta, výstupní rozdíl tlaků atd. Výrobci sond mají snahu tvar sondy neustále upravovat s cílem zlepšit jejich vlastnosti. S poslední novinkou přišla na trh firma Emmerson Process Management, která podstatně změnila dosavadní tvar své sondy Annubar.

Obr. 2.

Průměr sondy
Stejně jako má tvar sondy vliv na velikost tlakové ztráty, i příčný rozměr (průměr) sondy je v určité relaci k její celkové velikosti. Obvykle se volí tak, aby sonda zabírala v potrubí asi 10 až 20 % jeho celkového průřezu.

Vliv změny průměru i tvaru sondy je možné vedle experimentálního měření na zkušebních tratích simulovat s použitím k tomu určených programů. Na obr. 2 a obr. 3 jsou uvedeny ukázky výsledků získaných simulací v programu Ansys/Flotran. Ukázáno je rozložení rychlostního a tlakového pole kolem sond dvou různých tvarů: čtvercového a kapkovitého (viz také dále).

Obr. 3.

Koeficient sondy
Koeficient sondy se určuje zpravidla experimentálně. V ÚAMT je sestavena měřicí trať pro testování několikaotvorových sond [4], na které lze zjišťovat koeficient sondy i měřit tlakovou ztrátu, vliv uklidňujících úseků potrubí před a za sondou, natočení sondy vzhledem k proudu média atd. V současnosti je k testování sond k dispozici potrubí o průměru 100 mm. Koeficient k se vypočítává s použitím vztahu (1) při známém objemovém průtoku Qv měřeném etalonem – normalizovanou clonou.

Tlaková ztráta
Tlaková ztráta je změna tlaku proudícího média v důsledku zabudování průtokoměru do potrubí. Výhodou několikaotvorové rychlostní sondy je, že hodnota tlakové ztráty, kterou způsobuje, je menší než u ostatních rozdílových průtokoměrů. Jak už bylo uvedeno, závisí tlaková ztráta také na tvaru a průměru sondy. Na obr. 4 jsou uvedeny závislosti tlakové ztráty na rychlosti proudění vzduchu v potrubí u sond různého tvaru. Jde o závislosti zjištěné experimentálně na již zmíněné měřicí trati ÚAMT.

Optimalizace parametrů sondy

V rámci výzkumu v oblasti měření průtoku řešeného na ÚAMT byla věnována pozornost mj. optimalizaci dvou základních geometrických parametrů několikaotvorové rychlostní sondy – jejího průměru a tvaru průřezu. Optimalizace byla prováděna při použití genetických algoritmů, které patří mezi novější metody sloužící k optimalizaci funkcí. Cílem bylo minimalizoval tlakovou ztrátu. Průměr sondy se pro potrubí o průměru 100 mm mohl měnit od 0,5 do 5 mm. Tvar sondy byl určen pomocí bezrozměrného součinitele čelního odporu c, který je definován v literatuře pro určité tvary při určitém Reynoldsově čísle. V algoritmu bylo možné vybrat jeden ze šestnácti možných tvarů příčného řezu sondou. Dále byl při optimalizaci brán ohled na ekonomické hledisko výroby sondy (kruhový versus eliptický profil apod.) a na velikost výstupního rozdílu tlaků (problém s měřením malých rozdílů tlaků), neboť simulací v programu Ansys/Flotran bylo zjištěno, že sonda s malým průměrem nebo sonda s eliptickým průřezem poskytují mnohem menší rozdíl tlaků než sonda s větším průměrem či sonda čtvercového průřezu.

Obr. 4.

Jako optimální vyšly z genetického algoritmu dva tvary sondy s určitým rozsahem průměrů: sonda čtvercového průřezu natočená hranou proti proudu (podobného tvaru jako sondy typu Annubar) a sonda kapkovitého průřezu (tvary jsou patrné z obr. 2, popř. obr. 3). Pokud jde o příčný rozměr (průměr) sondy, nachází se optimum u čtvercového průřezu v rozsahu 8,2 až 9,2 mm a u kapkovitého průřezu v rozsahu 15,7 až 17,7 mm.

Pro výpočet hodnoty průtoku tekutiny je pro navržené sondy třeba znát hodnotu koeficientu k. Ta se stanovuje experimentálně na trati ÚAMT, jak je uvedeno.

Výhody a nevýhody několikaotvorové rychlostní sondy

K výhodným vlastnostem několikaotvorových sond obecně patří malá tlaková ztráta, možnost použití sondy v potrubí kruhového i čtvercového (obdélníkového) průřezu, menší délky uklidňujících úseků potrubí před a za sondou v porovnání s ostatními rozdílovými průtokoměry a jednoduchá montáž a demontáž.

Naopak nevýhodou je, že není možné měřit průtok při jen částečně zaplněném potrubí (při měření průtoku kapalin) a že tyto sondy nelze použít k měření průtoku znečištěných tekutin, kde hrozí zanesení otvorů pro snímání tlaku. V oblasti malých rychlostí proudění je několikaotvorová sonda méně přesná.

Závěr

V ÚAMT FEKT VUT Brno jsou vedeny práce ve směru rozšíření možností měřicí trati pro testování mj. několikaotvorových sond pro měření průtoku tekutin (testování sond do potrubí jiných průměrů než 100 mm, vliv zabudovaných armatur apod.). Dále je vyvíjena sonda, která by umožňovala přesněji měřit při menších rychlostech proudění (zatím jsou měněny tvar a průměr sondy), je zjišťován vlivu tvaru a velikosti otvorů na přesnost sondy apod. Výzkum probíhá jak v rovině teoretické a simulování chování sond na počítači, tak v rovině experimentální.

Článek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM262200013.

Literatura:

[1] SABERSKY, R. H. – ACOSTA, A. J. – HAUPTMANN, E. G.: Fluid Flow. New York, Macmillan Publishing Company, 1989. ISBN 0-02--946850-7.

[2] MILLER, R. W.: Flow Measurement Engineering Handbook – Second Edition. New York, McGraw-Hill, 1989. ISBN 0-07-040246-7.

[3] KÁRNÍK, P.: Vyhodnocovací jednotka plynných emisí velkého stacionárního zdroje. [Kandidátská disertační práce], Praha, FS ČVUT, 1978.

[4] ORLÍKOVÁ, S. – BEJČEK, L.: Techniky pro testování snímačů průtoku. In: Sborník příspěvků z konference Průtok 2001, Praha, Tech-Market, 2001. ISBN 80-86114-41-4.

[5] ORLÍKOVÁ, S.: The experimental determination of the coefficient for the multiport averaging probe. In: Proceedings of the Process Control 2002. Pardubice, University of Pardubice, 2002. ISBN 80-7194-452-1.

Ing. Soňa Šedivá, Ph.D.,
ÚAMT FEKT VUT v Brně
(sediva@feec.vutbr.cz)

Inzerce zpět