Principy měření průtoku a množství tekutin

Principy měření průtoku a množství tekutin

Měření průtoku a proteklého množství tekutin patří do oblasti velmi důležitých (především bilančních) měření. Při vlastním návrhu snímače a jeho konstrukčním řešení, výběru a instalaci se obvykle vyskytne mnoho problémů, ať již z hlediska druhu (kapalina, pára, plyn) a vlastností (např. tlak, teplota, hustota, viskozita, znečištění pevnými látkami, elektrická vodivost, výbušnost, chemické vlastnosti atd.) měřené tekutiny nebo z hlediska správnosti a přesnosti výsledků měření. Důležité jsou také druh proudění (laminární nebo turbulentní), tvar rychlostního profilu v potrubí (kanálu), časové změny měřeného průtoku apod. Všechny tyto okolnosti mají vliv na volbu fyzikálního principu snímače pro danou aplikaci.

1. Základní pojmy a definice

Prostředky používané k měření průtoku a proteklého množství tekutin lze třídit podle různých hledisek. Základní je členění podle použité metody měření Třídit lze také jinak: podle použitého fyzikálního principu a konstrukce měřidla, druhu měřené tekutiny atd. Třídění podle měřicí metody je však možné z hlediska pochopení funkce a správného výběru měřidla měření pokládat za základní.

Měřicí metody průtoku a proteklého množství tekutin jsou v principu dvě – objemová a rychlostní.

Objemová metoda měření průtoku je založena na definici průtoku Q_V, popř. Q_m jako objemového množství V, popř. hmotnostního množství m tekutiny proteklého za jednotku času, tedy Q_V = V/t, popř. Q_m = m/t, popř. Q_m = Q_V r, kde r je hustota měřené tekutiny.

Průtokoměry pracující objemovou metodou se nazývají objemové průtokoměry. Používají se především při přesných měřeních (při kalibraci apod.) a v provozech při bilančních měřeních kapalin i plynů.

Rychlostní metoda měření průtoku vychází z definice průtoku jako součinu střední rychlosti w proudění a průtočného průřezu S, tedy Q_V = wS, popř. Q_m = Swr.

Průtokoměry měřící rychlostní metodou se stručně nazývají rychlostní průtokoměry. Používají se převážně pro provozní měření a dělí se dále do dvou skupin na průtokoměry:

• s konstantním průtočným průřezem, u nichž je měřítkem průtoku okamžitá střední rychlost proudění a které současně tvoří většinu provozních průtokoměrů (škrticí orgány, ultrazvukové, indukční, turbínové apod.);

• s konstantní střední rychlostí proudění, u nichž je měřítkem průtoku velikost průtočného průřezu, tj. plováčkové průtokoměry (rotametry) a jejich modifikace.

Proteklé množství tekutiny – objem V nebo hmotnost m – se určuje buď přímo měřením objemu nebo hmotnosti stejným způsobem a zařízením jako u objemových průtokoměrů, nebo integrací průtoku v časovém intervalu Dt, tedy

Některé průtokoměry jsou vybaveny integrátorem (počítadlem) a udávají proteklé množství přímo (vodoměry, plynoměry, měřiče tepla apod.).

Pro správnou funkci průtokoměru je důležitý druh proudění. Při laminárním proudění se v potrubí vytvoří tzv. úplně vyvinutý rychlostní profil ve tvaru rotačního paraboloidu (s největší rychlostí v ose potrubí). Při turbulentním proudění je rychlostní profil velmi plochý a tekutina proudí ve většině průtočného průřezu téměř stejnou rychlostí.

Důležitým podobnostním kritériem používaným pro posouzení druhu proudění je Reynoldsovo číslo Re, které udává poměr mezi setrvačnými a třecími silami v tekutině.

Pro kruhové potrubí o světlosti D je Reynoldsovo číslo Re_D definováno vztahem

kde h je dynamická viskozita tekutiny (Pa·s) a n kinematická viskozita tekutiny (m²·s^–1).

První z uvedených výrazů se používá u kapalin, jejichž kinematická viskozita závisí pouze na teplotě. Druhý výraz se používá u plynů, u nichž je kinematická viskozita funkcí tlaku a teploty, a proto se pracuje s dynamickou viskozitou a hustotou plynu.

Kritické Reynoldsovo číslo Re_krit určuje hranici mezi laminárním a turbulentním prouděním. Pro kruhové potrubí je teoretická hranice Re_Dkrit. = 2 320. Je-li Re_Dkrit < 2 320, jedná se o laminární proudění. Při Re_Dkrit > 2 320 jde o proudění turbulentní. Ve skutečnosti je v okolí Re_Dkrit určitá přechodová oblast, ve které nelze jednoznačně rozhodnout.

2. Požadavky na snímače průtoku a průtokoměry

Při výběru vhodného snímače je nutné respektovat mnoho různých vlivů, z nichž z technického hlediska patří k nejvýznamnějším např.:

• druh měření – jednorázové, trvalé, laboratorní, provozní;
• pracovní činnost – spojitá, nespojitá;
• druh a vlastnosti a hodnoty parametrů měřené tekutiny – kapalina, pára, plyn; agresivita; hodnoty teploty, tlaku, viskozity, hustoty, apod.;
• měřicí místo a jeho parametry – potrubí, otevřený kanál a jejich rozměry a jiné parametry, přístupnost, náběhové délky atd.;
• rušivé vlivy snímače – trvalá tlaková ztráta, časové zpoždění údaje;
• způsob indikace – zobrazení nebo zápis, místní nebo dálkový, analogový nebo digitální, tisk, ukládání do paměti;
• vyhodnocení – průtoku nebo proteklého množství objemového nebo hmotnostního, parametry tekutiny, předvolba, signalizace;
• přesnost (chyby) měření – bez korekcí nebo s korekcemi;
• možné opotřebení a změny v čase (mechanických dílů, popř. vlastností, hodnot parametrů).

O přesnosti měření rozhoduje především použitý funkční princip snímače. Požadavek přesnosti bývá zdůrazněn v souvislosti s měřením průtoku média, které je nositelem energie (měřiče tepelného výkonu a odebraného tepla) a vede vždy k přísnějším kritériím a tím i k větším nákladům na měření.

Dosažitelnou přesnost měření a konstrukční variabilitu snímače výrazně omezují ovlivňující veličiny tekutiny (např. tlak, teplota) a jejich změny. Pro extrémní parametry tekutiny jsou konstruovány snímače, které i v těchto podmínkách pracují velmi přesně. Je ale třeba mít na paměti, že některé funkční principy snímačů lze použít např. pouze při měření průtoku kapalin (např. indukční snímače) a jiné jsou naopak vhodné pro všechny druhy tekutin. Snímače s frekvenčním výstupem se vyznačují nejen značnou odolností proti rušení výstupního signálu, ale také poměrně jednoduchou integrací výstupního signálu.

Rušivý vliv snímače na měřený systém se projeví především tím, že instalací snímače se více či méně změní hydraulické poměry v systému. Jde především o hydraulický odpor (vlivem trvalé tlakové ztráty snímače), změnu dynamických vlastností měřeného systému apod. Některé typy snímačů přitom vyžadují určité vlastnosti měřicích tratí (průměr potrubí, uklidňující délky před snímačem a popř. za snímačem, svislé nebo vodorovné potrubí apod.).

Dynamické vlastnosti snímačů jsou velmi důležité např. při měření proměnného průtoku. Spolehlivost funkce snímače a tím i jeho dlouhodobá provozuschopnost jsou do značné míry dány použitým fyzikálním principem. Z tohoto hlediska jsou výhodné snímače bez pohyblivých částí. Spolehlivost je velmi důležitá především v těch případech, kdy je výměna poškozeného snímače velmi obtížná nebo zcela nemožná (např. provozy s prostředím s ionizujícím zářením). Z hlediska výměny snímače je vždy rozhodující jednoduchost montáže a demontáže.

3. Rozdělení snímačů průtoku

3.1 Zdokonalují se známé a přicházejí nové principy
Dlouhodobým vývojem snímačů vznikla a postupně se ustálila řada základních principů využívaných v současných snímačích. Jejich neustálé zdokonalování je umožněno především pokroky v technologii výroby čidel snímačů a bouřlivým rozvojem elektroniky. Díky nim je v současné době možné průmyslově využívat měřicí principy sice známé, ale v podobě použitelné v průmyslové praxi do nedávné doby nerealizovatelné. Postupně jsou také zlepšovány parametry všech typů a provedení snímačů a tím se rozšiřují oblasti jejich použití. Vznik nových oborů, jako jsou fluidika a optoelektronika, přispěl také ke konstrukci nových typů snímačů (vířivé, vírové, optovláknové).

3.2 Objemové snímače
Z objemových průtokoměrů jsou pro provozní měření zajímavé především spojitě pracující snímače, jejichž odměrné nádoby se samočinně střídavě plní a vyprazdňují. Protože potřebnou energii dodává samotná proudící tekutina, vzniká zde trvalá tlaková ztráta. Objemové (jinak také dávkovací) průtokoměry mají velmi často impulsní výstup, což je jejich velkou výhodou. Všechny jejich konstrukce jsou ale velmi náročné na přesnost výroby mechanických částí.

Objemové průtokoměry jsou, podle konstrukce:

• zvonové – nespojité (s přerušovanou činností), pro plyny: jsou určeny pro laboratoře, pro nejpřesnější měření;
• bubnové – spojité (s nepřerušovanou činností), pro plyny i kapaliny: měřicí rozsah pro kapaliny je 0,1 až 7 m³·h^–1 při přesnosti ±1 %, pro plyny 0,25 až 25 m³·h^–1 (laboratorní typy) a 300 až 104 m³·h^–1 při přesnostech ±0,2 až ±1 %;
• pístové – nespojité i spojité, s přímočarým pohybem pístu: pro plyny i kapaliny, přesnost ±0,5 %;
• pístové – spojité, s kruhovým pohybem pístu: pro kapaliny i plyny, přesnost ±0,5 %;
• pístové – spojité, se dvěma rotujícími písty ve tvaru ozubených oválů navzájem v ozubení spojených (odtud také název oválové měřidlo): měřicí rozsah 1 dm³·h^–1 až 1 m³·h^–1, některé typy 3,5 až 7 m³·h^–1, provozní tlak až 2 MPa a teplota 120 °C.

Charakterické parametry objemových průtokoměrů uvádí tab. 1.

Tab. 1. Charakteristické parametry objemových snímačů průtoku

3.3 Rychlostní snímače
Rychlostní snímače průtoku jsou v provozech nejpoužívanější. Je jich velké množství druhů, konstrukcí a provedení s různými druhy výstupních signálů, korekčních obvodů apod. Jednotlivé typy rychlostních snímačů průtoku se liší způsobem měření střední rychlosti proudění. Používají se průtokoměry:

• plováčkové – s kuželovitou trubicí a rotujícím plováčkem nebo s válcovitou trubicí a kuželovitým trnem a dutým plováčkem, trubice musí být orientována pouze svisle: rozsah do 70 m³·h^–1 u kapalin až do 3 000 m³·h^–1 u plynů, statický tlak do 5 MPa (podle konstrukce);

• turbínové – pro kapaliny: přesnost ±0,5 % v rozsahu od 10 do 100 % jmenovitého průtoku, tlak až 250 MPa, snímání otáček lopatkového rotoru bezdotykově; délka přímého potrubí před snímačem 15D a za snímačem 5D;

• lopatkové a šroubové – pro kapaliny (vodoměry): snímají se otáčky rotoru s lopatkami, a to dotykově (mechanické převody) nebo bezdotykově (Hallova čidla, indukční čidla apod.);

• vířivé, vírové a fluidikové (oscilační) – především pro páry a plyny: vírové průtokoměry jsou jednoduché, s velkou přesností, velkým měřicím rozpětím, velmi malou trvalou tlakovou ztrátou, dlouhodobou stabilitou a dlouhou dobou života a výstupem frekvenčním nebo proudovým; vířivé průtokoměry mají, až na velkou trvalou tlakovou ztrátu, stejné vlastnosti jako vírové, výstupem je signál ze snímače tlaku nebo z termistoru;

• indukční – pouze pro elektricky vodivé kapaliny, včetně tekutých kovů: velmi vhodné pro širokou oblast použití při světlosti potrubí od 0,002 do 2 m, neobsahují pohyblivé části, mohou pracovat v libovolné poloze a měří při obou směrech proudění;

• ultrazvukové – dotykové a bezdotykové, hlavně pro kapaliny ve velkých potrubích: využívá se unášení ultrazvukového signálu proudící tekutinou, změny rychlosti šíření tohoto signálu tekutinou (pro relativně čisté tekutiny), popř. odrazu signálu od překážky v proudu tekutiny (např. vzduchových bublin nebo nečistot – Dopplerův jev); měřené rychlosti proudění do 13 m·s^–1 při teplotě do 260 °C; světlosti potrubí od 0,006 do 3 m; nutné přímé úseky potrubí před snímači;

• průřezové (škrticí orgány) – normovaná clona, dýza, Venturiho dýza, Venturiho trubice, čtvrtkruhová dýza, dvojitá clona a pro znečištěné tekutiny a kaly segmentová clona: výstupním signálem je rozdíl tlaků, vyvolávají trvalou tlakovou ztrátu;

• rychlostní sondy – Pitotova a Prandtlova trubice k měření okamžité rychlosti proudění a výpočtu střední rychlosti; několikaotvorové sondy k přímému měření střední rychlosti proudění a tím i průtoku se zasouvají kolmo na směr proudění v potrubí: na náběžné straně jsou čtyři, šest, osm i více otvorů ke snímání střední hodnoty celkového tlaku a na odtokové straně jeden (popř. stejný počet jako na náběhové straně) otvor ke snímání tlaku v úplavu; jsou vhodné především v potrubích velkých světlostí, vyvolávají nepatrnou trvalou tlakovou ztrátu a deformace rychlostního profilu nemá vliv na přesnost měření;

• hmotnostní (Coriolisovy) – pro kapaliny, páry i plyny: snímač využívá značně zúžené trubice tvaru U, popř. W, a to jednoduché nebo vícenásobné, popř. i přímé protékané měřenou tekutinou; trubice se nuceně rozkmitává a snímají se časové posuny vzniklých kmitů úměrné hmotnostnímu průtoku; jsou příčinou velké trvalé tlakové ztráty; měřicí rozsahy sahají od 3 kg·h^–1 do 18 000 kg·min^–1, přesnost ±0,1 %, teplota od –240 do +200 °C, tlak až 30 MPa;

• tepelné – kalorimetrické, pro plyny ve speciálních případech: hmotnostní průtok se měří na základě ohřevu měřeného plynu topným tělesem, a to snímáním teploty měřeného plynu před ohřevem a po ohřevu, tedy rozdílu teplot, nebo z ochlazení topného tělesa; vše závisí na měrné tepelné kapacitě měřeného plynu, která se ale při uvažovaných teplotách a tlacích téměř nemění;

• anemometrické – žhavené anemometry, laserové anemometry.

4. Závěr

Stručný přehled vyjmenovává principy používané v současné době při měření průtoku tekutin a uvádí základní charakteristiky snímačů založených na těchto principech. Umožňuje tak základní orientaci v technice měření průtoku v průmyslu. Podrobné informace o vlastnostech jednotlivých konstrukcí průtokoměrů a jejich aplikacích lze nalézt v široce dostupné teoretické i firemní odborné literatuře.

doc. Ing. Josef Jenčík, CSc.,
Odbor automatického řízení, Ústav přístrojové a automatizační techniky, Fakulta strojní ČVUT jencik@fsid.cvut.cz