Przyrządy do pomiaru poziomu cieczy.

Przyrządy do pomiaru poziomu cieczy
W technice cieplnej często mierzy się strumień przepływającej cieczy, na wody zasilającej kotły parowe, wody chłodniczej, ilości paliwa ciekłego itp. Przyrządy służące do tego celu nazywa się przepływomierzami. Ze względu na zasadnicze cechy pomiarowe można je podzielić na dwie grupy.
Pierwsza grupa to przyrządy pozwalające ustalić średni strumień przepływu w czasie obserwacji. Należą do niej: przepływomierze jedno- i dwu zbiornikowe, przepływomierze wirnikowe, komorowe, kulkowe.
Druga grupa to przyrządy pozwalające określić chwilowy strumień przepływu. Należą do niej: danaidy, naczynia Ponceleta, rurki spiętrzające, przepływo-mierze elektromagnetyczne, ultradźwiękowe, kapilarne, pływakowe. Do grupy tej należy zaliczyć zwężki, które są najbardziej rozpowszechnionymi urządzeniami pomiarowymi.
Przepływomierze do pomiaru średniego strumienia przepływu.
Przepływomierze zbiornikowe otwarte-pomiar w tych przepływomierzach polega na odmierzeniu określonych przez ważenie porcji cieczy. Służą one najczęściej do pomiaru ilości wody-nazywa się je również wodomierzami.
Najprostszy przepływomierz dwu zbiornikowy jest to dwukomorowy zbiornik z przegrodą zaopatrzoną na końcu w przelew. Komory przed pomiarem są wzorcowane przez ważenie wypełniającej je wody. Pomiar odbywa się w ten sposób, że po napełnieniu komory, przerzuca się wlew i otwiera się kurek. Przerzucanie wlewu i opróżnianie komór może odbywać się automatycznie. Przekrój rur odpływowych powinien być tak dobrany, żeby czas opróżniania zbiornika był znacznie krótszy od czasu napełniania. Przepływomierze dwunaczyniowe mogą być wykonane bardzo dokładnie (błąd pomiaru waha się 0,25%).Na podobnej zasadzie działa tzw. przepływomierz nieckowy (kołyskowy). Zasada jego działania polega na wykorzystaniu siły ciężkości jako siły automatycznie uruchamiającej urządzenie.
Przepływomierze wirnikowe-to przyrządy, których zasada pomiaru polega na proporcjonalności prędkości obrotowej wirnika do strumienia przepływu. Zależnie od konstrukcji, rozróżnia się przepływomierze skrzydełkowe, śrubowe i turbinowe. Przepływomierze turbinowe są o wirniku ukształtowanym podobnie jak reakcyjne koło wodne Segnera i ze względu na małą dokładność spotyka się je bardzo rzadko.
Przepływomierz jedno strumieniowy-cały strumień cieczy wpływającej do wnętrza osłony przez kanał wlotowy przepływa stycznie do wirnika powodując jego ruch obrotowy, natomiast w przepływomierzu wielostrumieniowym strumień cieczy jest podzielony przez specjalną obudowę na całym obwodzie. Przepływomierze wielostrumieniowe, dzięki równomiernemu zasilaniu wirnika na całym obwodzie, mają zużycie łożysk wirnika mniejsze, a więc są trwalsze w czasie. Błąd pomiaru jest rzędu 2% i dochodzi do 5% jeżeli wartości mierzonego strumienia przepływającej cieczy zmniejsza się poniżej 5% wartości nominalnej. Przepływomierze skrzydełkowe najlepiej pracują przy obciążeniu równym połowie nominalnego( najmniejsze zużycie mechanizmu przyrządu) i nie są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia cieczy i zaburzenia przepływu.
Przepływomierze śrubowe(Woltmana)- stosowane przy dużych strumieniach przepływu. Oś wirnika przepływomierza może być równoległa do osi rury lub prostopadła do niej. Przepływomierze o osi wirnika leżącej w osi rury, są bardziej wrażliwe na zaburzenia przepływu, dlatego należy dodać przed nim prosty, niezabudowany odcinek rury o długości równej co najmniej 10 średnicom rury lub umieścić na wlocie prostownicę strumienia. Błąd pomiaru jest tego samego rzędu co dla przepływomierzy skrzydełkowych. Przepływomierze te wymagają ciągłej, okresowej kontroli, gdyż ich dokładność wskazań szybko maleje ze wzrostem zużycia. Jeżeli wahania strumienia przepływu są duże, to w celu zwiększenia obszaru mierniczego przepływomierz skrzydełkowych śrubowych stosuje się przepływomierze sprężone. Przepływomierz taki składa się z przepływomierza głównego(głównego dużej przepustowości i niewielkich oporach hydraulicznych), przepływomierza bocznego (o małej przepustowości) oraz zaworu zmiennego obciążenia.
Przepływomierze komorowe-ten typ jest dokładniejszy i stosuje się głównie do paliw. Zasadniczą częścią konstrukcyjną jest ruchomy element, który przez przesuwanie lub obrót w obudowie tworzy geometrycznie ściśle określoną objętość. Zasada pomiarowa polega na tym, że objętość cieczy, która w pewnym czasie przepływa przez przepływomierz jest wprost proporcjonalna do liczby obrotów elementu ruchomego. Jeżeli do odczytania liczby obrotów zostanie użyty licznik, to różnica odczytów licznika na początku i końcu okresu pomiarowego umożliwi określenie ilości przepływającej cieczy. Przyrządami tego typu określać można średni strumień przepływu w obserwowanym okresie czasu. Do tej grupy przyrządów zaliczamy również przepływomierze tłokowe z tłokiem wykonującym ruchy posuwisto- zwrotowe. Używa się ich do odmierzania mniejszych ilości cieczy, np. benzyny. Błąd pomiaru jest rzędu 2% przy wahaniach strumienia przepływu od 5 do 100% przepływu nominalnego. Przepływomierze kulkowe- zasada działania polega na wykorzystaniu satelitarnego ruchu kulki umieszczonej swobodnie w komorze wirowej. Kulka ta zostaje wprawiona w ruch przez przepływającą ciecz, w wyniku tego w detektorze powstaje sygnał elektryczny będący miarą strumienia objętości przepływającej cieczy. Przyrządy te dzielą się na dwie grupy:
-o układzie stycznym: ciecz dopływa przewodem stycznym do toru ruchu kulki,
-o układzie osiowym: ciecz wpływa równolegle do osi, wokół której wiruje kulka.
Przepływomierze do pomiaru chwilowego strumienia przepływu.
Danaida i naczynia Ponceleta
Danaida jest urządzeniem do pomiaru strumienia objętości wypływającej cieczy, składającym się z naczynia o przekroju kołowym lub prostokątnym, o sztywnych ściankach, w dnie, którego znajduje się otwór lub otwory wypływowe oraz z wodowskazu umożliwiającego pomiar wysokości słupa cieczy h nad tymi otworami. W celu uspokojenia zwierciadła wody w części pomiarowej danaidy, jest ona zaopatrzona w szereg przegród z blachy pełnej z otworami. Otwór wypływowy może być typu kryzy lub dyszy. Przy pomiarze strumienia objętości cieczy danaidą wykorzystano zależność między tym ostatnim a ciśnieniem (spiętrzeniem), pod działaniem, którego następuje wypływ. Identycznie zbudowane naczynie, ale z otworami w ścianie bocznej, nazywa się naczyniem Ponceleta. Wysokość słupa cieczy h w danaidzie mierzy się od największego przekroju otworu, a w naczyniu Ponceleta od środka otworu. Danaidy i naczynia Ponceleta umożliwiają dokładny pomiar i nadają się do pomiarów przepływów ustalonych lub bardzo mało zmieniających się w czasie. Są powszechnie używane w laboratoriach przemyśle przy badaniach odbiorczych takich urządzeń, jak pompy, maszyny cieplne i chłodziarki.
Przepływomierze elektromagnetyczne-zasada działania przepływomierzy elektromagnetycznych polega na pomiarze siły elektromotorycznej indukowanej w polu magnetycznym w strumieniu cieczy powodującej elektryczność. Błąd pomiaru przepływomierza z pływakiem w polu magnetycznym wynosi 1%.
Przepływomierze ultradźwiękowe to dwa generatory połączone z nadajnikiem i wysyłające skośne do strumienia cieczy fale w przeciwnych kierunkach. Zaletą tej metody jest niezależność wskazań przyrządu od takich parametrów cieczy, jak gęstość i temperatura. Błąd pomiaru dla przepływomierzy ultradźwiękowych jest rzędu 2%.
Przepływomierze kapilarne- do pomiaru przepływu laminarnego cieczy. Urządzenie to składa się z rurki kapilarnej oraz manometru różnicowego. Wlot do kapilary i wylot powinien mieć kształt dyszy. Zasada pomiaru strumienia objętości ciecz polega na określeniu nieodwracalnej straty ciśnienia zużytej na prace związaną z pokonaniem sił lepkości. W celu zwiększenia pewności, że ruch cieczy w kapilarze jest laminarny, często stosuje się kapilarę zwiniętą, dla której obszar przepływów uwarstwionych charakteryzuje się liczbami Reynoldsa znacznie większymi od Re= 2000. Są niewrażliwe na pulsacje, natomiast bardzo reagują na zmiany lepkości powodowane zmianą temperatury cieczy. Są bardzo użyteczne przy małych strumieniach objętości cieczy.
Przy wyborze aparatury pomiarowej strumienia przepływającej cieczy należy ustalić, jakie wielkości muszą być określone pomiarem, a więc czy chwilowy strumień przepływu, czy średni strumień przepływu, czy też zmienność strumienia w czasie. Następnie ustala się rodzaj cieczy, jej właściwości fizyczne, parametry cieplne i wybiera się rodzaj przyrządu pomiarowego z wymaganym zakresem pomiarowym i dokładnością pomiaru. Przepływomierze powinny być sprawdzane co pewien czas , czy na skutek zużycia błąd wskazań nie przekroczył błędu dopuszczalnego. Czas pomiaru nie powinien być krótszy niż 1 minuta i powinien zapewniać trzykrotny obrót wskaźnika licznika lub trzy obroty rolki z cyframi. Podczas pomiaru przepływomierzami należy pamiętać o zmianach temperatury cieczy i korygować ich wskazania ze względu na zmianę gęstości cieczy. Jeśli temperatura cieczy w czasie pomiaru nie ulega dużym zmianom, to pomiar określa również strumień przepływającej masy.




Materiały:
Pomiary cieplne i energetyczne
W N T
Praca zbiorowa pod redakcją
M. Mieszkowskiego
Miernictwo przemysłowe
P W N
E. Romer