SNÍMAČE A MERACIE ČLENY PRIETOKU štruktúry, vyhodnocovanie signálov, vlastnosti a oblasti použitia PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 1

Látky nepevného skupenstva – zaujímajú tvar nádoby ČO SÚ TEKUTINY? Plyn Kvapalina Látky nepevného skupenstva – zaujímajú tvar nádoby Tekutiny = Kvapaliny & Plyny & Pary

KLASIFIKÁCIA KVAPALÍN Viaczložkové kvapaliny: vazelína, kozmetické krémy Neurčitý bod topenia Viac stavov ako iba pevná látka/kvapalina/plyn Zvláštne zmeny viskozity (prísne definované procesné parametre pre AUT) Newtonské kvapaliny !!!!! : motorový olej, voda Viskozita závisí len od teploty, bežné kvapaliny Vnútorné trenie v newtonoskej kvapaline (dynamická viskozita) → Nenewtonské kvapaliny : med, farby, laky Viskozita závisí na teplote a na histórií, (prísne definované procesné parametre pre AUT)

SNÍMAČE A MERACIE ČLENY PRIETOKU Základné pojmy Meranie prietoku tekutín (tj. kvapalín, plynov a pár) - časté merania procesných veličín, priame i nepriame meranie Meracie členy prietoku objemové množstvo QV (potrubím) hmotnostné množstvo QM (potrubím) V - je objem pretekajúcej tekutiny, M - hmotnosť pretekajúcej tekutiny, t - čas sledovania prietoku tekutiny,  - hustota pretekajúcej tekutiny integračný merací prístroj alebo merač prietoku dôležitý aj charakter prúdenia - Reynoldsovo číslo (Re) ISS 22. 9. 2018 4

ZÁKLADNÉ VZŤAHY - PRIETOK Objemový prietok Q = V *A Prietočný prierez A Priemerná rýchlosť prúdenia tekutiny V

Charakter prúdenia kvapaliny v potrubí Charakterizujeme bezrozmerným Reynoldsovým číslom: kde D je priemer potrubia [m], rýchlosť prúdenia tekutiny [m.s-1],  kinematická viskozita pretekajúcej tekutiny [m2. s-2] Pokiaľ platí, že Re < 2300, prúdenie má laminárny charakter, pre Re > 2300 zasa turbulentný – pritom nemožno toto rozhranie považovať za „ostré“. a) laminárne b) turbulentné prax prúdenie PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 6

Prúdenie laminárne vs. turbulentné REYNOLDSOVO ČÍSLO Reynoldsovo číslo vyjadruje, do akej miery sú prúdočiary prúdiacej tekutiny rovnobežné alebo turbulentné Prúdenie laminárne vs. turbulentné X

Re = D * v *  m REYNOLDSOVO ČÍSLO Bezrozmerné číslo Vplyv stien Potrubia Vplyv kinetickej energie Vplyv vnútorných trecích síl v tekutine μ=

Vyhodnocovanie merania prietoku tekutín uvažovať stavové veličiny tekutiny v mieste merania kvapaliny (QM = .QV), rešpektovanie teplotnej závislosti hustoty  = f(), praktický do prevádzkového tlaku 3 MPa pri plynoch a parách, väčšina princípov pre QV , (QM = .QV), stavové veličiny tlak a teplota, tj. hustota vzťažný, referenčný stav pri plynoch - tzv. normálny stav 0 = 0°C, (273,15 K) ; p0= 1,013.105 Pa v0 [m3.kg-1] - hmotnostný objem pri teplote 0 a tlaku p0 0 [kg.m-3] - hustota pri teplote 0 a tlaku p0 v, p - hmotnostný objem a tlak pri teplote  Skriptá SaP ISS 22. 9. 2018 9

Stavová rovnica Pre ideálny plyn t.j. V [m3] je prístrojom meraný objemový prietok suchého plynu p [Pa] a T [K] sú prevádzkové parametre tlaku a teploty plynu Referenčný prietok plynu QVo (suchý plyn)- sledovanie QV , p a T() alebo  , [ = f(p,T)] Pre vlhký plyn, prehriatu a mokrú paru - korekčné prepočty, termodynamické vzťahy, diagramy alebo tabuľky, prípadne empirické rovnice ISS 22. 9. 2018 10

KOMPENZÁCIA MERANIA PRIETOKU PLYNU NA TLAK A TEPLOTU do 1999 Prepočítanie prietoku na QV0, alebo QM Zatiaľ je výnimkou EMERSON 3095, ktorý robí on-line korekciu C(Re) Z(P1T1)=? Prietok QV Tlak Teplota od 2100 Inteligentný indukčný prietokomer s komunikáciou Profibus a funkciou výpočtu kompenzovaného objemového prietoku QV /QM

Prietokomery Súčasný trend vývoja prietokomerov neobsahujú pohyblivé časti (životnosť) nespôsobujú veľké trvalé tlakové straty (energetické straty) nevyžadujú zložitý vyhodnocovací systém (cena) priame meranie hmotnostného prietoku (bez korekcií – ovplyvňujúce veličiny) Rozdelenie prietokomerov (podľa princípu merania) objemové, dávkovacie (priame): spojité - bubnové, piestové rýchlostné (nepriame): lopatkové a turbínkové, indukčné, ultrazvukové, prierezové - clona, dýza, Venturiho dýza a plavákové hmotnostné: Coriolisove, tepelné ISS 22. 9. 2018 12

Objemové a dávkovacie prietokomery použitie: ako presné, kalibrovacie meradlá prietoku pracovný rozsah: kvapaliny, ktorých dynamická viskozita  je z intervalu (6.10-4 až 3,6) Pa.s.m-2 a pre objemový prietok od (0 až 1) l.h-1 do (0 až 2000) l.h-1 trieda presnosti (0.3 ~ 1) nevýhody: mechanické časti, požiadavky na čistotu média Skriptá SaP PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 13

Rýchlostné – lopatkové a turbínkové prietokomery použitie: meranie menších prietočných množstiev plynov a kvapalín (napr. spotreba vody) pracovný rozsah: prietoky všetkých kvapalín s kinematickou viskozitou menšou ako 3.10ˉ6 m2.sˉ1 alebo plynov s hustotou väčšou ako 0,2 kg.mˉ3. trieda presnosti: lopatkové nad 1%, turbínkové (0.3 ~ 0.5) výhody: lacné ?, impulzný výstupný signál nevýhody: mechanické časti, požiadavky na minimálny prietok PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 14

Rýchlostné – lopatkové a turbínkové prietokomery použitie: meranie menších prietočných množstiev plynov a kvapalín (napr. spotreba vody) pracovný rozsah: prietoky všetkých kvapalín s kinematickou viskozitou menšou ako 3.10ˉ6 m2.sˉ1 alebo plynov s hustotou väčšou ako 0,2 kg.mˉ3. trieda presnosti: lopatkové nad 1%, turbínkové (0.3 ~ 0.5) výhody: lacné ?, impulzný výstupný signál nevýhody: mechanické časti, požiadavky na minimálny prietok PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 15

Rýchlostné – plavákové prietokomery, rotametre použitie: automatizačné a monitorovacie úlohy (laboratóriá) pracovný rozsah: kvapaliny: od (0 až 0,4) l.h-1 do (0 až 1000) l.h-1, plyny: od (0 až 0,16) m3.h-1 do (0 až 200) m3.h-1, trieda presnosti: (1 ~ 2) výhody: univerzálnosť nevýhody: komplikovaný prevod na elektrický signál X Skriptá SaP PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 16

Rýchlostné – indukčné prietokomery princíp: merane napätie závislé od rýchlosti pretekajúcej vodivej kvapaliny ( >1S.cm-1): Faradayov zákon pracovný rozsah: pre svetlosť potrubí sa od 3 mm až do 2000 mm pre rozsahy do 20 m3.s-1 pri rýchlostiach kvapaliny od 0,5 m.s-1 až 50 m.s-1 trieda presnosti: pod 1% výhody: veľký pracovný rozsah, neobsahuje mechanické časti nevýhody: cena, požiadavka na vodivosť kvapaliny Skriptá SaP PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 17

Ultrazvukové snímače prietoku Veľmi často používaný princíp, nepriame meranie – ovplyvňovaná rýchlosť šírenia sa ultrazvuku, merajú QV, neobsahujú pohyblivé časti, prevedenie pevné a mobilné Špecifiká použitia znečistené a agresívne tekutiny tekuté kovy Metódy merania zmena rýchlosti šírenia ultrazvukového signálu spôsobená prúdiacou tekutinou , → AUTomatizačná technika unášanie ultrazvukového signálu prúdom tekutiny využitie Dopplerového javu (odraz signálu) Skriptá SaP ISS 22. 9. 2018 18

Zmena rýchlosti šírenia ultrazvukového signálu Prvý kanál Druhý kanál Meraný časový interval nelineárna závislosť, závislé aj na c, ale platí c2  vp2, potom možná úprava vzťahu Skriptá SaP Šikmý ultrazvukový prietokomer ISS 19 22. 9. 2018

Novšie konštrukcie ultrazvukových prietokomerov predĺženie dráhy ultrazvuku L času t (zväčšenie citlivosti, možnosť merania menších prietokov, aj domáce plynomery) Ultrazvukový prietokomer s predĺženou meracou dráhou R-reflektor ISS 22. 9. 2018 20

Diferenciálne usporiadanie nezávislé na c pre rozdiel frekvencie a pre prietok platí Konštrukčné usporiadanie ultrazvukového prietokomera s kalibračnou rúrkou a meničmi usporiadanými proti sebe ISS 22. 9. 2018 21

Prenosný ultrazvukový prietokomer Metrologické vlastnosti meranie stredných a veľkých prietokov kvapalín, plynov potrubia   (0,01 až 0,5) m, s rýchlosťou prúdenia tekutiny (0,5 až 30) m.s-1 pri teplotách (90 až 260) C presnosť (prevádzkové podmienky) 0,5% až 3  Skriptá SaP Mobilný merač prietoku ISS 22. 9. 2018 22

Rýchlostné – prierezové, škrtiace prietokomery (clona, dýza) Ideálna kvapalina Adiabatický dej Z. zachovania energie Z. zachovania hmoty v2 > v1 → p1 > p2 Prietoková rovnica Skriptá SaP 3 1 2 4 PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 23

Prvky riadiacich systémov TLAK - jedna zo základných fyzikálnych veličín v technike Def. - podiel elementárnej sily dF pôsobiacej v smere normály na elementárnu kolmu plochu dSN, tj. p = dF/dSN (Pa) pevné látky - špecifický tlak p = F/SN kvapaliny - hydrostatický tlak p =  ·g·h (Pa) Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky PRS 22. 9. 2018 24

Prvky riadiacich systémov prúdiace tekutiny - tlak kinematický pk alebo dynamický pd pk = pd = 1/2 · v2 (Pa) V sústave SI je základnou jednotkou tlaku pascal (Pa), (francúzsky fyzik, matematik a filozof Blaise Pascal, 1623 až 1662) technická prax (kPa, MPa), podľa harmonizácie noriem (EU) aj bar 1 bar = 1·105 Pa Pri rýchlostiach, ktoré sú veľmi malé v porovnaní s rýchlosťou svetla platí jednoduchý vzťah Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky (skriptá SaP, prevodová tab.) PRS 22. 9. 2018 25

Škrtiace normalizované prietokomery (ISO 5167) clona dýza Venturiho dýza Skriptá SaP Kalibrovanie – zásadný problém Normovanie – geometrická (d) a tekutinová podobnosť (Re) – parametre média a potrubia, Postup podľa normy ISO 5167 určenia „d“: voľba p, výber MČ (∆p→MČ), podľa normy výpočet „d“ Norma ISO 5167 PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 26

Rýchlostné – prierezové, škrtiace prietokomery vlastnosti pracovný rozsah: meranie veľkých prietokov trieda presnosti: (1 ~ 2) výhody: veľké prietoky, ťažké pracovné podmienky nevýhody: tlaková strata Skriptá SaP PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 27

Hmotnostné prietokomery V súčasnosti preferované prietokomery hmotnostný prietok nie je závislý od T, p alebo  tekutín často merajú aj  tekutín a prietok oboma smermi (Cor.) merajú transport tekutín, ale aj práškových látok, suspenzií a pod., kvapalné uhľovodíky – predaj (fakturačné meradlá) cez hmotnostné množstvá Coriolisov hmotnostný prietokomer Coriolisove zrýchlenie, vo všeobecnosti platí Silové účinky zrýchlenia Skriptá SaP ISS 22. 9. 2018 28

Princíp Coriolisovho hmotnostného prietokomera Pre hmotnostný prietok platí (skrip. SaP) Hmotnostný prietok - lineárna funkcia Coriolisovej sily ISS 22. 9. 2018 29

Princíp merania Rotujúca rúrka tvaru U a priama kmitajúca rúrka, účinok Coriolisových síl na ne ISS 22. 9. 2018 30

Praktické riešenie Coriolisovho prietokomera Coriolisov prietokomer – príklad realizácie pružná rúrka prietokomera deformácia rúrky pri danom prietoku 1-základná doska 2-U rúrka 3-snímací bod 4-snímač polohy ISS 22. 9. 2018 31

Vlastnosti Coriolisových prietokomerov rozsahy prietokov od 0,05 kg.min-1 do 18000 kg.min-1 presnosť prietokomerov - v pracovnom rozsahu 0,4 %, (výnimočne) až 0,1 % rozsah teplôt od -240 C do 200 C a pri tlaku meranej tekutiny až do 30 MPa ISS 22. 9. 2018 32

Hmotnostné – tok sypkých látok princíp: meranie hmotnosti preneseného materiálu za časový interval: pracovný rozsah: od 10 kg/hod. po niekoľko 100 t/hod. pri rýchlosti pásu (0,01 až 0,2) m.s-1. trieda presnosti: (~ 1) Skriptá SaP PRS Snímače a prevodníky - Prietok 22. 9. 2018 33

Prvky riadiacich systémov Nepriame meranie síl Transformácia meranej sily na elektrický výstupný signál pomocou pružného (deformačného) prvku, ako pri tlaku Pružné členy: tlakové (ťahové) deformačné prvky ohybové deformačné prvky šmykové deformačné prvky (skriptá) Prvky riadiacich systémov Snímače a prevodníky  Membránový snímač tlaku s prevodom na deformáciu stĺpika s meracími tenzometrami Snímač tlakovej sily s kompenzačnými tenzometrickými snímačmi alebo snímačmi ťahu (R1, R3) a „pracovnými“ snímačmi tlaku (R2, R4)  PRS 22. 9. 2018 34

Inteligentné senzorové systémy Literatúra [1] Šturcel, J.: Snímače a prevodníky. STU Bratislava, 2002, ISBN 80-227-1712-6 [2] Ďaďo, S., Kreidl, M.: Senzory a měříci obvody. ČVUT, Praha, 1996 [3]  Chudý, V., Palenčár, R., Kureková, E., Halaj, M.: Meranie technických veličín. STU, Bratislava, 1999 [4] Zehnula, K.: Čidla robotů. SNTL, Praha, 1990 Inteligentné senzorové systémy ISS 22. 9. 2018 35

Hmotnostné – termoanemometrické (tepelné) prietokomery Podmienky merania vrstvové (alebo drôtikové) platinové odpory R1 a R2 umiestnené za sebou v potrubí, aktívne odpory R1, R2 sú chránené pred účinkami prúdiaceho prostredia tenkou keramickou vrstvou, platí R2  R1, čiže prúd I tečie hlavne odporom R2 R2 plní dvojitú úlohu, dodáva tepelnú energiu do prúdiaceho prostredia, meria vlastnú teplotu pri energeticky vyváženom stave v meracom systéme, súčiniteľ prestupu tepla  je funkciou mnohých fyzikálnych veličín pôsobiacich v meracom procese (tekutina: jej hustota, viskozita, tepelná vodivosť, rýchlosť prúdenia tekutiny, tvar senzorov,.. ) Skriptá SaP Tepelná bilancia Zapojenie mostíka a zosilňovača, mostík neustále vyvažovaný, číže platí Hmotnostný prietokomer s využitím termoanemometrického pricípu usporiadanie, zapojenie statická charakteristika prietokomera R1 – odporový senzor teploty, R2 – elektricky vyhrievaný senzor teploty RO - spätná väzba, kompenzácia zmien teploty nasávaného vzduch, časová konštanta MČ ≈ 100 ms, dynamicky sa meniace QM To znamená, že teplotný rozdiel medzi oboma senzormi teplôt, tj. medzi vyhrievacím telesom a prúdiacou tekutinou je konštantný, čo zabezpečuje stabilné podmienky pri výmene tepla v meracom systéme. Často sa rovnica pre QM upravuje do vhodnejšieho tvaru kde C1, C2 sú teplotne nezávislé konštanty meracieho systému.

Hmotnostné – termoanemometrické (tepelné) prietokomery (plynov, vzduchu - auto) Príklad 2 22. 9. 2018 37

Hmotnostné – termoanemometrické (tepelné) prietokomery (plynov, vzduchu - auto) Príklad 2 22. 9. 2018 38

Hmotnostné – termoanemometrické (tepelné) prietokomery (plynov, vzduchu - auto) Príklad 3 s vyhrievaným drôtikom s vyhrievaným filmom X a) b) 22. 9. 2018 39

Mikrotechnológie v automobilových senzoroch Hmotnostný prietokomer vzduchu v automobile hybridné obvody veko kovová vložka vnútorné potrubie snímača teleso prietokomera ochranná mriežka upevňovací krúžok snímač teploty vzduchu, R1 krúžok snímača s vyhrievaným drôtikom R2 presný rezistor, R3 alebo R4 ← RT – snímač teploty vzduchu, R1 RH – vyhrievaný rezistor, R2 RS – merací rezistor, (UV =) R1 – kalibračný rezistor, R3 alebo R4 6 – keramická podložka 7 – oddeľovacia medzera → Realizácia MEMS technológiou senzorového systému merania hmotnostného prietoku vzduchu v sacom potrubí motora 40

Podpora k prednáške PRS -Prietok!!! Prvky riadiacich systémov - Úvod 22. 9. 2018 41