Gáz és folyadék mennyiségmérése mérőperemmel

Átírás

1 Gáz és folyadék meyiségmérése mérőeremmel Az iari mérési és -szabályozási feladatot gyakra egészíti ki az ayag- és eergiaáram méréséek, illetve idő szeriti itegrálásáak, vagyis az összes felhaszált ayag, eergia számotartásáak feladatával. A megoldáshoz áramlásmérés, hőmérsékletmérés, yomásmérés, szorzó egység és itegrátor szükséges. A közegáram - amelye hol térfogatáramot, hol tömegáramot kell értei - kivételes folyamatjellemző: mérésére az iari folyamatokba em csak szabályozási, de (többyire a szabályozáshoz kacsolódóa) elszámolási célból is szükség va. Az elszámolási mérések otossági igéye általába jóval agyobb, mit a szabályozási célú méréseké, ahol - egyszerű esetbe - elegedő, ha a mérőeszköz jól rerodukálja saját kimeőjelét, az alajel beállításakor mide egyéb jellegű hiba figyelembe vehető. A mérőeszköz liearitása az elszámolási mérések esetébe elegedhetetle. Míg a lieáristól hibahatáro túl eltérő közegáram jel idő szeriti itegráljából elvileg sem állítható elő az összes átáramló közeg meyisége; a szabályozott jellemző és az elleőrző jel lieáristól eltérő összefüggése legfeljebb a hurokerősítés mukaot-függésébe yilvául meg. Az utóbbi rotja ersze a szabályozó kör diamikus tulajdoságait, de gyakorlatilag általába em teszi lehetetleé a szabályozást. Közegáram mérésére ics uiverzális módszer. A mérőműszer alkalmassága függ: a méredő közeg halmazállaotától (szilárd, folyadék, gőz, gáz, az egyidejűleg jele levő fázisok száma és aráya), az áramlás hidraulikai REYNOLS-számától (Re) és - részbe ezzel összefüggőe - az áramlási csatora geometriai viszoyaitól, illetve a közeg viszkozitásától, a méredő közeg és a mérőműszer járulékos kölcsöhatásától (hőmérséklet, reakciókéesség, szeyezés), attól, hogy az átlagsebességgel aráyos térfogatáram vagy az időegység alatt átáramló tömeg a méredő jellemző, a kívát mérési átfogástól és otosságtól. A térfogatáram üzemi szabályozási célú mérésére alkalmas eszközök, illetve eljárások a sebességeloszlástól való függés alajá három csoortba sorolhatók.. A "köböző" vagy "térfogat-kiszorításos" eljárások számára az áramlás sebességeloszlása közömbös. Közös voásuk, hogy a mérés alkalmával jól meghatározott térfogat telik meg, majd ürül le, és a beredezés a leürülések frekveciáját számlálja. Ide sorolhatók l. a számlálási sebességet is kéezi tudó gyűrűdugattyús vagy oválkerekes folyadékmérők, vegyszerek adagolószivattyúi, ömlesztett, szemcsés ayagok cellás adagolóberedezései, a forgódugattyús gázmérő és az ú. roverek. Osztályotosságuk elérheti a 0,-et, átfogásuk ige agy. A köböző mérési módszert tiszta (homogé) és em agresszív folyadékok kis és közees áramáak mérésére gyakra, gáz mérésére ritká alkalmazzák. A köböző tíusú mérőeszközök gyakra elszámolási mérésre is alkalmasak, és az összfogyasztás méréséhez szükséges itegrálást szerkezeti többlet élkül elvégzik. Hátráyuk, hogy elhaszálódásra hajlamosak, karbatartásigéyük jeletős, eriodikus hitelesítésük vagy kalibrálásuk em mellőzhető, viszoylag terjedelmesek és drágák.. Az átlagsebesség-mérő eljárások változatős elvi alaokra éülek. Közös voásuk, hogy a sebességeloszlás kisebb aszimmetriái a mérési otosságot elhayagolható mértékbe befolyásolják. öbbyire elegedő egy előírt hosszúságú (egyees,

2 álladó keresztmetszetű és más szevéyt em tartalmazó) mérőszakasz vagy áramlásredező alkalmazása a kellőe szimmetrikus sebességeloszlás megvalósításához. Alkalmazási körük agyo széles. Osztályotosságuk tiikusa, kivételes esetbe jobb is lehet. Potosságuk egy határ Re-szám alatt általába rohamosa csökke, mérési átfogásuk edig kicsi, legfeljebb közees (...5). Ide sorolható l. a szűkítő elemes eszközökö kívül a rotaméter, a mérőturbia, az idukciós közegárammérő, az örvéyes mérő és az ultrahagos mérő. 3. A otbeli sebességmérésre alaozott eljárások csak ritká alkalmasak üzemi célokra: ha a sebességeloszlás szavatolta álladó (a közegáramtól függetleül!). Ez esetbe a rögzített oto mért áramlási sebesség a térfogatárammal aráyos. A otbeli sebesség érzékelésére l. termisztor-híd vagy bőszálas aemométer haszálható, liearizáló szervvel kiegészítve. A továbbiakba csak az átlagsebesség-mérő (. csoortbeli) eljárásokkal foglalkozuk. Egy közelmúltbeli émet felmérés szerit az iarba alkalmazott áramlásmérő eszközök túlyomó része ebbe a csoortba tartozik. A megoszlásba még a szűkítő elemes eszközök vezetek, de figyelemre méltó az idukciós mérők előretörése is. Szűkítő- vagy torlőelemes mérőeszközök: 38%. Mérőturbiák és köböző mérők együtt: %. Idukciós mérők: 5%. Rotaméterek: 5%. Örvéymérők : 3%. ömegárammérők: %. Ultrahagos áramlásmérők: 0,5%. Egyéb (többyire más kategóriába tartozó): 6,5%. A szűkítő elemes áramlásmérő eszközök közül a mérőerem, a mérőtorok, a VENURI-cső, a ALL-cső tekithető szabváyosak. Ezek közül egyszerűségével és elterjedt haszálatával kiemelkedik a mérőerem. Áramlástechikai alaok Az áramlástechikába haszálatos alameyiségek defiícióit az irodalomba találjuk, amelyek közül az abszolút yomás defiícióját külö is kiemeljük: a = b + g, (G.8.) ahol az abszolút yomást, a légköri yomást és a túlyomást jeleti Pa a b mértékegységbe. Hasoló fotosságú az abszolút hőmérséklet defiíciója is: g

3 +t K, (G.8.) = 0 ahol az abszolút vagy termodiamikai hőmérséklet, a gyakorlati hőmérsékleti skála ullaotja és t a köryezeti és üzemi hőmérséklet gyakorlati mérőszáma -ba. A gáztechikai alaösszefüggésekből kiemeljük az általáos gáztörvéyt ideális gázokra: 0 o C V = R, (G.8.3) ahol a mólszám és R az egyetemes gázálladó. Fotos áramlástechikai jellemző a Reyolds szám, amelyet az áramlások tíusaiak (kiéült, stacioárius, álladósult, lamiáris, turbules, valós és mérhető valós) meghatározására szolgál: v 4qm Re = =, (G.8.4) ν πη ahol v az áramló ayag sebessége, geometriai méret (csőátmérő) és η ν = a kiematikai viszkozitás (η a diamikai viszkozitás és a sűrűség). A Reyolds szám maga mértékegység élküli szám. A szűkítő elemeke (mérőereme) átfolyó meyiségre (térfogatáram vagy tömegáram) voatkozó összefüggés több, fotos alaegyeletből származik. Ezek redre a következők: = a kotiuitási egyelet, (G.8.5) v A v A v + + g z= áll. a Beroulli egyelet. (G.8.6) Ideális, elméleti esetbe a térfogatáramra illetve a tömegáramra az alábbiakat kajuk: ahol 0,5 A = kost. q v = v illetve (G.8.7) q m ( ) 0, 5 = q = kost., (G.8.8) v - v i = áramlási sebességek, - A i = csőkeresztmetszetek (felületek), - = az áramló közeg sűrűsége, - = yomások, - = = a mérőereme eső yomáskülöbség,

4 - g = ehézségi gyorsulás, - z = hidrosztatikai magasság, - q v = térfogatáram, - q m = tömegáram. A fetiek alajá a mérőereme, mit szűkítő eleme eső yomás és a térfogatáram között felírhatuk egy általáos összefüggést, először folyadékokra: 0 q v = kost., majd gázokra és gőzökre (G.8.9) 0 q v = f (,...) kost., ahol K (G.8.0) - ormál yomás, - üzemi abszolút yomás, 0 - ormál hőmérséklet, - a közeg üzemi abszolút hőmérséklete, - K a komresszibilitási téyező. 0 A szabváyos mérőerem szerkezete A szabváyos mérőerem (G.8.. ábra) egy kocetrikus furattal ellátott tárcsa. Az ábra jelölései: E - eremvastagság, e - furathossz, ϕ - leélezési szög, d - furat átmérő, - csőátmérő. Az áramlás az ábrá balról jobbra halad és em fordítható meg. A furatba kialakuló kotrakciót a beléőjel miősége és a homlokfelület érdessége is befolyásolhatja, ezért (a méreteke felül) a szabváy ezekre is tartalmaz előírást. A mérőerem kimeőjele a mérőyomás, amely a mérőerem előtti térfogatáram égyzetével aráyos. Áramlásmérés mérőeremmel az MSZ 709 szerit G.8.. ábra Ebbe az alfejezetbe haszált jelölések a következők: d - a mérőerem átömlő yílásáak átmérője üzemi hőmérséklete mm, - a mérőeremet megelőző cső belső átmérője üzemi hőmérséklete mm,

5 β - átmérőviszoy β =d /, - szűkítési viszoy m= d / = β, m ( ) E - beléési sebességtéyező E= m, C - sebességi téyező C= α / E, Q - gáz térfogatáram üzemi yomáso és üzemi hőmérséklete m 3 / s, Q - gáz térfogatáram ormál állaotba (,035 bar yomáso és 5 hőmérséklete) m 3 / h, Q - maximális gáz térfogatáram ormál állaotba m 3 / h, max Q - átlag gáz térfogatáram ormál állaotba m 3 / h, átl cs b max k - a gáz abszolút yomása a mérőerem előtt bar, - a gáz túlyomása a mérőerem előtti megcsaolási helyé bar, - légköri yomás =,005 bar, - ormál yomás =,035 bar, - maximális yomás bar, - korrigált yomás bar, - ukált yomás, - mérőyomás (hatóyomás) mbar, max - maximális mérőyomás mbar, tl - átlagos mérőyomás mbar, o, t - az áramló gáz üzemi hőmérséklete K, C, max tl k, t k - maximális hőmérséklet K, - átlagos hőmérséklet K, - korrigált hőmérséklet K,, b o C - ukált hőmérséklet, 3 - a gáz sűrűsége üzemi állaotba kg/ m, 3 - a gáz sűrűsége ormál állaotba kg/ m, - a gáz atív sűrűsége a levegő sűrűségére voatkoztatva, 3 lžg - a levegő sűrűsége kg/ m, α - átfolyási szám, ε - exaziós szám, Re - Reyolds szám, κ - izetróikus kitevő, µ - a gáz diamikai viszkozitása üzemi állaotba Pas, z - eltérési téyező üzemi állaotba, - a gáz szédioxid tartalma mól%, M co M N - a gáz itrogé tartalma mól%, o C

6 σ t, σ - a megfelelő fémre voatkozó hőtágulási együttható / o C. Az idexek jeletése: - hozzáfolyásoldali, - elfolyásoldali. Az exaziós számak csak összeyomható közeg eseté va jeletősége, folyadékra ε =. Az α átfolyási szám mértékegység élküli. Kísérletileg meghatározott értékét a szabváy tartalmazza, amit a G.8.. ábra szemléltet. Az átfolyási szám, amit a G.8.. ábra is szemlélteti, egy határgörbével kijelöltél agyobb Re-számok eseté függetle a Re-számtól. Az álladóak tekithetőα értékeket a szűkítési aráy függvéyébe a G.8.3. és G.8.4. ábrák mutatják (ú. sarok megcsaolás esetére). A mérőerem kimeőjelére a szabváy égyféle lehetőséget jelöl meg a yomáskülöbség mérési helyéek (a mérőerem "megcsaolásáak") függvéyébe. A megcsaolás szabváyos lehetőségeit a G.8.5. ábra szemlélteti; természetese az eltérő megcsaolásokhoz eltérő átfolyási számok tartozak. A szabváy (MSZ 709) szerit készített és teleített mérőeremmel osztályotosságú térfogatáram-mérés valósítható meg, álladó sűrűségű közegbe. Midezek alajá agyrészt közvetleül érthetővé válak a mérőerem alkalmazási korlátai. G.8.. ábra A sűrűségfüggési korlát abba áll, hogy A szabváyos mérőerem α átfolyási a mérőerem kimeeti yomáskülöbsége számáak függése a Re-számtól és a β sűrűségfüggő, tehát változó szűkítési aráytól, sarok megcsaolás sűrűségű közeg mérésekor em q v eseté sűrűséget is, és egy alkalmas aritmetikai szervvel a térfogatárammal, haem q v szorzattal aráyos. Ezért, ha a közeg sűrűsége a mérőerem előtt változó, a térfogatáram méréséhez méri kell a = algoritmus szerit kéezi a q v áll. térfogatárammal aráyos jelet. Álladó összetételű (változatla ormál sűrűségű) gáz mérésekor a sűrűség helyett olykor a P abszolút yomást és a abszolút hőmérsékletet mérik, ebből a

7 térfogatárammal aráyos jel q v = áll. függvéy előállítására kées aritmetikai szervvel P kéezhető. G.8.4. ábra G.8.3. ábra Az átfolyási szám szabváy szeriti meghatározásáak diagramja G.8.5. ábra Megcsaolási helyek kialakítása Alaösszefüggések az MSZ 709 szerit - - π d Q = αε m 3 / s, (G.8.) 4 d αε Q = 0,609 m 3 / h. (G.8.) z A mérőerem átömlő yílásáak átmérőjét ( d ) a mérőszakasz csövéek belső átmérőjétől függő átmérőviszoy β =d / határozza meg: - sarokmegcsaolás eseté 0,3 d 0,8

8 Re mi = 5 000, ha 0,3 Re mi Re mi 8 Re = 0, max = 0 000, ha 0,45 = 0 000, ha 0,77 - karimamegcsaolás eseté 0, d 0,75 8 Re mi = 60, Re max = 0, - és megcsaolás eseté d 0,45 d 0,77 d 0,8 0, d 0,75. A ( d ) és ( ) értéke az áramló gáz hőmérsékleté az alábbi összefüggésből állaítható meg: d= d 0 { + σ t ( t 0) }, (G.8.3) = { + σ ( t 0). (G.8.4) 0 } Az izetróikus kitevő meghatározása az alábbi formulával törtéik: { 575+ (346,3 ) } 6 κ =,9+ 0,704*0 P. (G.8.5) A gáz üzemi állaotú sűrűségét az alábbiak szerit határozzuk meg: = 84,38. (G.8.6) z A gáz atív sűrűsége az alábbi: =. (G.8.7),55 A korrigált yomás a következő: 56,47 cs k = 60,8 7, + M co 0, 39M. (G.8.8) A korrigált hőmérséklet az alábbi: 6,9( t+ 73,5) k = 99,5+,9 M co, 68M N. (G.8.9)

9 Q Q A Reyolds szám meghatározása: Re = 0,354 = 0, 434. (G.8.0) µ µ A gáz diamikai viszkozitásáak meghatározása üzemi állaotba: µ = (5,73+ 6,879,877 )(0,037+ 0,038 )(+ 30 ). (G.8.) 30 A ukált hőmérséklet és yomás meghatározására az alábbi összefüggés ajálott: = 87,5+ 87,0 0,885M co 0, 83M N, (G.8.) = 47,57,4 + 0,30M co 0,83M N. (G.8.3) Az exaziós szám értékére a következő formula voatkozik: ε = (0,4+ 0,35m ). (G.8.4) κ A (G.8.), (G.8.5) - (G.8.4) összefüggéseket kizárólag földgáz eseté ajálatos haszáli! Az aalóg áramlásmérő eszközredszere Adottak a következő eszközök: levegőszállító vetilátor (maximum kb. 450 m3/h, 3 kpa), táv-vezéhető illagószele (a kívát levegőáram beállítására), vetilátor yomóoldalához csatlakozó csővezetékbe éített mérőerem, yomáskülöbség (P) távadó (0...5 ma), a mérőeremhez illeszkedő bemeeti jeltartomáyal, abszolút yomás (P) távadót szimuláló áramgeerátor (0...5 ma), valamit abszolút yomásmérő barométer, abszolút hőmérséklet () távadót szimuláló áramgeerátor (0...5 ma), valamit hőmérő, villamos aalóg számító egység, amely az I ki I I γ I be be = (G.8.5) be3 algoritmus alajá, I ki ma-es villamos jelet szolgáltat, Villamos árammérő műszer (0...5 ma), % skálázással, a levegő tömegáramáak mérésére, a m3/h tartomáyba,

10 Villamos árammérő műszer, (0...5 ma), amely egy kacso6 állásától függőe a P-, a P- vagy a -távadó (illetve szimulátor) áramáak elleőrzésére (ill. beállítására) szolgál, Áramjel (0...5 ma) idő szeriti itegrálására alkalmas, 6-dekádos itegrátor. G.8.6. ábra A gyakorlato felhaszálható szerveket tartalmazó műszertábla előlaja A feti szerveket egy műszertáblára szetük fel és amit a G.8.6. ábra szemléltet. Az áramlási egyeletek helyes megoldásához szükséges techológiai adatok a következők: P0 =,033 bar (fizikai ormál yomás), K ( 0 = 73, 6 fizikai ormál hőmérséklet), 3 0 =, 93 kg / m (a levegő ormál sűrűsége), d = 63 mm (a mérőerem furat átmérője), =04 mm (a cső átmérője), α = α( β ) az átfolyási téyező a G.8.3. ábra alajá, ε =, I M = 5 ma és 0,4 < γ < 0,7, P a sűrűség kiszámítása - = 0 0, P az aalóg számítóműre voatkozó egyelet - 0 I q = γ I I I.

11 Az aalóg távadók statikus karakterisztikáit a G.8.7. ábra szemlélteti. A yomás és hőmérséklet G.8.7. ábra A korrekciós gázmeyiség méréshez szükséges távadók statikus karakterisztikái korrekció elvét edig a G.8.8. ábra mutatja. G.8.8. ábra Korrekciós meyiségmérési elvek, mérőeremmel