7. Folyadék- és gázmennyiség és áramlásmérés

A szenzorok fejezetete alfejezetekre osztottam terjedelmi okok miatt, plusz mert ez így átláthatóbb. A teljes szenzor-fejezet áttekintését itt találja meg.

A szenzorok felépítéséről itt olvashat, a szenzorok érzékelőinek az áttekintése pedig itt található.

Ebben az alfejezetben az alábbi szenzor-típusok kerülnek ismertetésre:

szint megnevezés állapota
7. Áramlás és mennyiség mérés  
7.1.   Áramlási sebesség és mennyiségmérés  
7.1.1.     Turbinás átfolyásmérő első változat
7.1.2.     Szárnykerekes áramlásmérő első változat
7.1.3.     Örvényleválás és örvényhaladás mérés (Vortex) első változat
7.1.4.     Elektromágneses (indukciós) áramlásmérő (MID) első változat
7.1.5.     Ultrahangos áramlásmérő (UFM) első változat
7.2.   Térfogatkiszorításos mérés  
7.2.1.     forgódugattyús mérő első változat
7.3.   Tömegáram-mérés  
7.3.1.     Termometriás áramlásmérő első változat
7.3.2.     Coriolis-elvű tömegáramlás-mérő első változat
7.4.   Közvetett vagy összetett mérés  
7.4.1.     Mérőperem készül
7.4.2.     Torlócső (Pitot-cső, Prandtl-cső) első változat

7.1.Áramlási sebesség és mennyiségmérés

Ezekkel az eszközökkel közvetlenül mindig csak a tényleges térfogatáramot mérjük, a tömegáram meghatározásához még sűrűségszámításra vagy közvetlen mérésre is szükség van. Az elektromágneses, a turbinás és az ultrahangos mérők másodlagos és használati etalonként is jól alkalmazhatók.

 

turbine flow meter

7.1.1. Turbinás átfolyásmérő

en: turbine flow meter, de: Turbinen-Durchflussmesser

A sebességmérés és impulzusszámlálás elvén működő turbinakerekes mérők működése azon alapul, hogy az ismert keresztmetszeten áthaladó folyadék/gázáram sebességével arányos az itt elhelyezett turbinakerék szögsebessége.
A turbinakerekes gázmérők három fő egységből állnak:

  • a cső alakú mérőtestből (mérőházból),
  • az áramlásterelőt, a mérőturbinát és a csapágyazást magában foglaló mérőbetétből, és
  • a számlálóműből.

A folyadékot/gázt az áramlásterelő tereli a turbinakerékre. A könnyen forgó, dinamikusan kiegyensúlyozott járókerék csapágyazott tengelyéről a mozgás egy mágneses tengelykapcsoló és hitelesített fogaskerék-pár révén a nyomásmentes számlálóműbe jut. A lapátok és a csapágyazás konstrukciója az egyes gyártóknál eltérő. Ha a turbinakerék forgástengelye a folyadék/gáz áramlási irányával párhuzamos, akkor axiális mérőről beszélünk.

turbine flow meter

Egyszerűbb kivitelű méréseknél - mint ennél itt, jobb oldalt - egy egyszerű kontaktor impulzusait kell számolni. Komolyabb kivitelű méréseknél ezt azért külső, kontaktusmentes induktív / kapacitív szenzorral szokás ezt megoldani. Mozgó alkatrésze miatt nem tartóssága miatt szokás bevetni, ára viszont jellemzően igen kedvező.

Fő alkalmazási területe

Alacsony nyomású, hőmérsékletű és viszkozítású folyadékok mérésére


7.1.2. Szárnykerekes áramlásmérő

de: Flügelradwasserzähler, en: vane wheel water meter

vane wheel water meter

A szárnykerekes mérőknél a szárnykerekes jelző az áramló közeg mennyiségének mérési technológiájára utal. Ezeknél a mérőtípusoknál az áramló közeg (jellemzően víz) a mérőarmatúrán átáramolva egy – az armatúrán belül tengelyesen rögzített - mechanikus lapátkereket forgat meg, és ennek a lapátkeréknek az elfordulásait számolva lehet meghatározni az átáramlott folyadék mennyiségét. Ez az információ a mechanikán keresztül kerül kijelzésre, vagy a szárnykerékbe integrált jeladó impulzusait lehet számoltatni. Jellemzően az összes háztartási mérőóra ebbe a csoportba tartozik.

Fő alkalmazási területe

háztartási (hideg-melegvíz) fogyasztásmérés

7.1.3. Örvényleválásos elven működő áramlásmérő

de: Vortex-Durchflussmesser (Volumen- oder Massenströmen auf Basis der Kármánschen Wirbelstraße), en: vortex flowmeter

vortex flowmeter

Áramló közeg esetén a mérőcsőben egy átmérő mentén elhelyezkedő ún. zavaró test után ébredő Kármán-féle örvények váltakozó, alternáló fázisban jelentkeznek a zavaró test utáni nyomásérzékelőkben (mint egy zászlórúdon csapkodó zászló).

A nyomásérzékelés történhet kapacitív vagy piezoelektromos elven.

Egy adott Reynolds-szám-tartományban a mért örvények frekvenciája egyenesen arányos az áramlási sebességgel és így az átáramlott közeg mennyiségével. Differenciálerősítők segítségével azonos fázisban érkező (zavaró) rezgések kioltják, míg a váltakozó fázisban érkező hasznos mérendő jelek erősítik egymást, növelve ezzel a mért feszültség jel-zaj viszonyát.

A Siemens által forgalmazott örvénymérők elektronikája a mérőbe beintegrált belső hőmérsékletmérővel és opcionálisan szintén beépíthető nyomásérzékelővel a mért gáz, gőz vagy folyadék nyomás- és hőmérséklet-korrigált értékét méri és összegzi, illetve közvetíti a folyamatirányító számítógépek felé. A mért három paraméter alapján az átáramlott gőz energiáját is képes mérni, a hagyományos t/h mértékegység helyett kWh vagy GJ mérésére is alkalmasak.

Fő alkalmazási területe

Alkalmazásuk gázok, telített gőz, túlhevített gőz, levegő és kis viszkozitású folyadékok esetén előnyös.

 

7.1.4. Elektromágneses (indukciós) áramlásmérő

de: MID: Magnetisch induktive Durchflussmesser,  en: electromagnetic flow measurement

A Faraday-féle indukciós törvényen alapuló áramlásmérés (röviden: indukciós áramlásmérők) a legalább 5 mS/cm vezetőképességgel rendelkező folyadékok esetén a legkedvezőbb árú és mérési pontosságú, elektronikus elvű áramlásmérő. A különböző belső bevonatoknak és elektródáknak köszönhetően gyakorlatilag minden telt szelvényben áramló folyadék (víz, szennyvíz, sav, lúg, alkohol, tej stb.) pillanatnyi és összegzett térfogatáramának mérésére és távadására alkalmasak.

electromagnetic flow measurement

A mérés során az érzékelő - egy acélcső, karimákkal, gerjesztőtekercsekkel, szigetelt elektródapárral - tekercseit mágnesezőárammal gerjesztik. A cső belsejében keletkező inhomogén mágneses térben elmozduló folyadék a vele érintkezésben lévő két mérőelektródában az áramló folyadék átlagsebességével arányos feszültséget indukál. Ezt az analóg feszültségjelet egy A/D átalakító digitális jellé konvertálja, és egy digitális szűrő segítségével kiszűri az esetleges zajokat. A jelfeldolgozó hosszú távú és hőmérséklet-elkúszásból adódó pontatlanságait egy belső ellenőrző áramkör folyamatosan figyeli és kompenzálja. A mérés során létrejött pillanatnyi térfogatáram értéke megjeleníthető a távadó elektronika kijelzőjén, és elvezethető az analóg és digitális kimenetek felhasználásával.

Az indukciós áramlásmérők távadó-elektronikája programozható áram-, frekvencia- és relékimenettel is rendelkezik, két irányban összegzi az áramló folyadék mennyiségét, üres cső esetén letiltja a mérést, valamint beállítható az áramlási alulvágás értéke. Adagolás-üzemmóddal rendelkeznek, alsó és felső áramlási határérték-figyelést is végeztethetünk a készülékkel, valamint öndiagnosztikai rendszere szöveges üzeneteket ír ki a műszer működéséről az alfanumerikus LCD-kijelzőjére. Relé- és digitális kimenete egy-egy konkrét jelenség monitorozására programozható. Az analóg 4 ... 20 mA kimenete a NAMUR-előírás szerint hibajelzést képes adni. Alternáló polaritású, egyenáramú előmágnesezése révén a nullapontfelvétele automatikus. A 20 mA-hez tartozó maximális áramlási érték és annak mértékegysége, valamint a tizedespont utáni kijelzett számjegyek száma szabadon programozható.

A Siemens cég által forgalmazott indukciós áramlásmérők esetén a digitális kommunikációs modulok akár utólag, szabadkézzel bepattinthatóak, illetve cserélhetőek. A rendelkezésre álló digitális protokollok: HART, MODBUS/RTU, Profibus DP/PA, Fundation-Fieldbus. Az áramlásmérők helyszíni, kiépítés nélküli minőség-ellenőrzésére egy terepi tanúsítóbőrönd zárt rendszerű bevizsgálást végez. A víziparban gyakran szükséges, hogy egy külső elektromos parancs hatására a mérés érzékenysége változtatható, így éjszakai és nappali vízfogyasztás nagy átfogással mérhető és regisztrálható legyen. Elemes változata is létezik, amely MID-tanúsítvánnyal is szállítható, azaz nem igényel hazai hitelesítést elszámolástárgyú mérések esetén.

Az indukciós elven működő áramlásmérők előnyei között szerepel, hogy forgó, mozgó, kopó, belógó alkatrészük nincs, így nem okoznak nyomásesést, emellett ezek az áramlásmérők különleges karbantartást sem igényelnek.

Fő alkalmazási területe

Víz-, szennyvíz-, élelmiszer- és vegyipar.

 


7.1.5. Ultrahangos áramlásmérő

de: Ultraschalldurchflusssensor, en: ultrasonic flow meter: UFM

ultrasonic flow meter: UFMAz ultrahangos elven működő áramlásmérők mérőcsövében az áramlási iránnyal azonos, majd ellentétes irányban átküldött ultrahangcsomagok nem azonos idő alatt futják be a piezoelven működő adó-vevők közti távolságot.

A futásidő-különbség a közeg áramlási sebességével, egy adott áramlási profil és csőkeresztmetszet esetén a térfogatáram nagyságával lineárisan arányos, 0,5%-os tipikus mérési pontossággal.

A cső átellentétes faláról visszaverődő hangot az egység párja veszi, és mindkét egység adni is tud, így biztosítható az ellentétes irányú adás.

Az ultrahangos elvű áramlásmérők előnye, hogy a mérés független a folyadékban bekövetkezett hőmérséklet-, sűrűség-, nyomás- és vezetőképesség-változástól. Ha a mérendő folyadék nem tiszta, zavaros emulziók vagy szennyvíz áramlásmérése esetén Doppler-elvű mérőfej ad megbízható mérési eredményt.

Fő alkalmazási területe

erőművi sótalanított vizek mérése, távfűtő rendszerek, hőmennyiségmérők, petrokémiai ipar.

7.2. Térfogatkiszorításos mérés

A "köböző" vagy "térfogat-kiszorításos" eljárások számára az áramlás sebességeloszlása közömbös. Közös vonásuk, hogy a mérés alkalmával jól meghatározott térfogat telik meg, majd ürül le, és a berendezés a leürülések frekvenciáját számlálja.

Jellemzőjük a finoman illesztett mechanikus mérőművel végrehajtott térfogat(adag)számlálás megvalósítása. Legtöbbször önálló, kompakt mérőként gyártják, helyi kijelző és számlálószerkezettel. Opcióként távadóval, távszámlálásra alkalmas impulzusadóval stb. is szállítják ezeket a típusokat.
Az oválkerekes, a forgó- és bolygódugattyús átfolyásmérők a legpontosabb folyadékmérőknek számítanak ( 0,1...0,25% !)

  • forgódugattyús mérő
  • bolygódugattyús mérő
  • oválkerekes átfolyásmérő
  • gyűrűdugattyús átfolyásmérő
  • fogaskerekes átfolyásmérő
  • bolygótárcsás mérő
  • forgódobos térfogatszámláló
  • membrános gázmérő(óra)
  • prover

7.2.1. Forgódugattyús mérő

piston meter

en: piston meter / rotary piston, de: Ringkolbenzähler

A mérő működése négy ütemre osztható. Az első ütemben a mérőbe áramló folyadék/gáz kitölti a bal oldali forgódugattyú és a ház közötti teret. Mivel a folyadék/gáz nyomási energiája révén a dugattyúk a bejelölt irányban forgómozgást végeznek, a bal oldali dugattyú a gázt a fogyasztói oldalra továbbítja, majd a harmadik és negyedik ütemben a jobb oldali dugattyú mérőkamrája is megtelik folyadékkal/gázzal, ami azután a fogyasztói oldalra áramlik.

 

piston meter

forrás: host.epgep.bme.hu

 

7.3. Tömegáram-mérés

Ezek jellemzője, hogy a mérőmű és/vagy mérőjelképző szerkezet kimenőjele közvetlenül az áthaladó tömegárammal arányos.

A giroszkópos mérő és a hidraulikus Wheatstone híd nálunk (és általában Európában) a ritkán használatos eszközök közé tartozik. Folyadékok tömegáramának mérésére használják. A hidraulikus Wheatstone híddal 50...100-szoros átfogás is megvalósítható, és elérhető a 0,5% -os mérési hiba.

7.3.1. Termometriás (hőelvonásos, DT-szenzoros stb.) áramlásmérő

en: thermal mass flow meter,  de: Thermischer Massendurchflussmesser; Kalorimetrischer Durchflussmesser

thermal mass flow meter

A mérés a folyadékban / gázban meghatározott hőterjedésen alapul. A mérés egy hőközlő (vagy elvonó) egységből és két hőszenzorból áll. Az első szenzor egy referenciamérést ad, a második a hőközlő (vagy hőelvonó) egység által megváltoztatott hőmérsékletet méri az áramló közegben. Jellemzően minél nagyobb a tömegáram, annál kisebb a hőváltozás a két hőszenzor között.


 

7.3.2. Coriolis-elvű tömegáramlás-mérő

de: Coriolis-Massendurchflussmesser, en: coriolis mass flow meter

Coriolis Mass Flow Meter

A tömegáramlás mérése egy szimmetrikus csőrendszer középpontjában rezgetett és a gerjesztésre szimmetrikusan elhelyezkedő, parányi rezgésérzékelőiben a Coriolis-erő által okozott deformáció keltette fáziseltérés mérésén alapul. Ez a mérési elv 0,1% mérési pontosságot biztosít a mindenkori mért tömegáram értékére vonatkozóan.

A mérés során a meghajtó áramkör a rezonanciafrekvenciát megkeresve rezgeti a mérőcsövet. Ha a rezgetett csőben folyadék vagy gáz áramlik, akkor a fellépő Coriolis-erő következtében a cső két vége rugalmasan deformálódik, amely deformáció a két érzékelőtekercsen vett rezgések közötti fáziseltéréseként mérhető.

Nyugalomban lévő közeg esetén nincs fáziskülönbség a két jeladó jelei között, de áramlás esetén a tömegárammal arányos a mért fáziskülönbség.


7.4. Közvetett vagy összetett mérés

Az elnevezés onnan adódik, hogy az ide sorolt jelképző eszközök legalább kétféle fizikai, pontosabban áramlástani jellemző, együttes hatásából képződő kimenőjelet szolgáltatnak. Általában összetett hidromechanikai és kinematikai jelenségek illetve folyamatok zajlanak le a primer eszközben és annak áramlástechnikailag mérvadó környezetében.

Az első három típusba tartozó eszközök az iparban eléggé elterjedtek, nagy hagyománnyal rendelkező, kipróbált és bevált áramlásmérőknek számítanak. A mérőperemet, mérőtorkot, Venturi csövet és torlócsövet Dp (nyomáskülönbség) elvű mérőknek is nevezik. A velük kiépített mérőkörök dp-távadót és intelligens hozamszámító készüléket igényelnek. Az ilyen típusú mérőrendszerek képezik az elszámolási mennyiségmérések 65%-át szerte a világon.

7.4.1. Mérőperem

A mérőperem egy vékony falú, éles sarkú, hengeres nyílású szűkítő elem. A szabvány megadja az átfolyási számokat, melyekkel meghatározhatjuk a térfogatáramot. 

7.4.2. Torlócső (Pitot-cső, Prandtl-cső)

de: Staurohr (Prandtl'sche Staurohr, Pitotrohr), en: Prandtl tube

Prandtl tube

A Prandtl-cső egy olyan Pitot-cső változat, melybe egy statikus nyomásszonda került integrálásra. Jellemzően maga a szonda egy egyemes, vagy "L" alakú, egyik végén nyitott cső, ami az áramlásiránnyal szemben kialakuló torlónyomást méri, vagy a környezeti nyomással hasonlítja össze. Folyadékok és gázok áramlási sebességének a mérésére alkalmazzák, a repülőgépek sebességmérésének a legelterjedtebb eszköze. Maga a méréstechnika az eszköz felépítéséből adódóan nyomás, vagy nyomáskülönbség mérésen alapul.

A fenti példán egy Pitot-Statikus cső ábrája látható, melynek a mérési eredményei a statikus és torlónyomás nyomáskülönbség-mérésből származnak. A Pitot-cső három alaptípusának a másik két változatánál (egyszerű Pitot-cső és statikus-forrás (cső)) a mérésátalakító szerepét egy nyomásmérés tölti be.

Prandtl tube types

 

Gázmennyiség és áramlásmérés

A mérőegység vagy szenzor a mért gázmennyiség –jellemzően pillanatnyi – mennyiségét továbbítja a PLC felé. Legegyszerűbb típusa csak impulzust ad egy adott mennyiség átfolyása után – ebben az esetben vagy beállítható vagy előre meghatározott ez a mennyiség.

Gáznemű anyagok mennyisége esetén az átáramló mennyiséget normalizálni kell, azaz a pillanatnyi hőmérséklet figyelembe vételével ét kell számolni a mennyiséget a 25 C°-os állapotra.

 

Klasszikus gázmennyiség-mérés

membrános gázmérő ("gázóra")

forgódugattyús térfogatszámláló

mérőperem, a mérőtorok és a Venturi csöves mérő

torlócsöves szondák (átlagoló Pitot-cső)

turbinás gázmérő

rotaméter

Modern gázmennyiség-mérés

Örvényleválás és örvényhaladás mérés (Vortex)

ultrahangos gázáramlás-mérő (Ultrasonic Flow Meter= UFM)

hőelvonásos (termál-diszperziós) tömegárammérő

Coriolis-elvű tömegáramlás-mérő

 

 

örvényleválásos áramlásmérő (SITRANS FX300)

ultrahangos áramlásmérő (SITRANS FUP)

indukciós áramlásmérő (SITRANS F M MAGFLO)

Coriolis technológián alapuló tömegárammérő (SITRANS F C MASSFLO)

lebegőtestes áramlásmérő (rotaméter) (SITRANS F VA)

gyűrűdugattyús áramlásmérő (SITRANS F R)

 


felhasznált források

license

Creative Commons License
Erre a dokumentumra a Creative Commons-Lizenz 3.0 szabályai érvényesek.
A dokumentum továbbfelhasználása engedélyhez kötött. Részleteiben is csak forrásmegjelöléssel
(pl: forrás:wwww.ob121.com) használható.
Engedélykérés, további információ: mail kukac ob121.com