Masurarea Debitelor.pdf

M`surarea debitului

117

5. M~SURAREA DEBITULUI 5.1. Generalit`\i 5.1.1. Defini\ii Debitul reprezint` cantitatea de material transportat` [n unitatea de timp. Acesta se poate exprima ca:

• Debit masic: wAQm ρ= (5.1)

• Debit volumic: ρ

mv

QwAQ == (5.2)

• Debit gravimetric: vmg gQgQgwAQ ρρ === (5.3)

unde: ρ – densitatea fluidului [kg/m

3]

w – viteza de curgere [m/s] A – aria sec\iunii de curgere [m2

]

g – accelera\ia gravita\ional` [m/s2]

Aparatul cu care se m`soar` debite se nume]te debitmetru .

5.1.2. Unit`\i de m`sur`

[n S.I. alte unit`\i de m`sur`

• Debit masic: kg/s t/h • Debit volumic: m3/s m3/h, l/s • Debit gravimetric: N/s

5.1.3. Tipuri de aparate de m`sur`

Clasificarea debitmetrelor dup` principiul de func\ionare: � cu modificarea geometriei de curgere: se m`soar` diferen\a de presiune

datorat` unui dispozitiv de stranglare sau schimb`rii direc\iei de curegere � cu tuburi de presiune: se determin` viteza fluidului prin presiunea dinamic` � cu turbin`: se m`soar` viteza de rota\ie a paletelor unei turbine � cu echilibru de for\e: se m`soar` punctul de echilibru al unui plutitor � volumice: se contorizeaz` num`rul de volume discrete transferate � electromagnetice: m`soar` c@mpul magnetic indus printr-un magnet [n fluid

M`surarea m`rimilor neelectrice 118

� cu efect Vortex: se m`soar` frecven\a de desprindere a turbioanelor provocate de un element perturbator introdus [n curentul de fluid

� ultrasonice: se determin` modific`rile unui semnal ultrasonic transmis printr-un fluid (modificarea timpului de tranzit sau a frecven\ei semnalului reflectat)

� masice: m`soar` debite masice (efect Coriolis, procedee termice) Cele mai des utilizate debitmetre sunt cele cu dispozitive de strangulare, cele volumice, rotametrele ]i, ceva mai pu\in, debitmetrele electromagnetice. Dintre debitmetrele mai nou ap`rute, c@]tig` teren cele masice ]i cu efect Coriolis. Fa\` de debitmetrele cu ultrasunete ]i Vortex exist` re\ineri pentru utilizare. 5.2. Debitmetre cu modificarea geometriei de curgere

5.2.1. Debitmetre cu dispozitive de strangulare

Principiul de func\ionare: Sunt aparatele cel mai des utilizate pentru m`surarea debitului. Debitul de se ob\ine indirect, prin diferen\a de presiune dintre dou` puncte ale fluidului. Pentru a ob\ine o diferen\` de presiune sensibil` pe o distan\` mic`, [ntre punctele de m`sur` a presiunii se introduce un dispozitiv de strangulare, astflel [nc@t s` se genereze o pierdere local` de presiune. Acesta duce la: - cre]terea vitezei fluidului prin orificiu (datorit` reducerii sec\iunii de curgere) - cre]terea turbulen\ei - cre]terea frec`rii de pere\i - aparitia unei pierderi de presiune proportionale cu debitul de fluid - cre]terea temperaturii (efect secundar) Pierderea local` de presiune se calculeaz` dup` rela\ia lui Weisbach:

ρξ2

2

21

wppp =−=∆ [Pa] (5.4)

unde: p1, p2 - presiunea amonte/ aval de elementul de strangulare [Pa]

ρ - densitatea fluidului [kg/m3]

w – viteza de curgere [m/s]

ξ – coeficientul local de pierderi de presiune Dac` se [nlocuie]te:

A

Qw = (5.5)

rezult`:

- debitul volumic:( )

ρα 212 pp

AQ−

= [m3/s] (5.6)

M`surarea debitului

119

- debitul masic: ( )212 ppAD −= ρα [kg/s] (5.7)

[n care s-a definit coeficientul de debit: ξ

α1

= (5.8)

Coeficientul de debit este o m`rime adimensional` care se determin` experimental [n func\ie de tipul rezisten\ei locale, calitatea suprafe\ei pere\ilor ]i pozi\ia prizelor de presiune. Dispozitivele de strangulare (diafragm`, ajutaj sau tub Venturi) se fabric` din: alam`, bronz – pentru ap`; o\el de calitate - pentru abur supra[nc`lzit, aer umed, gaze, lichide; o\el inoxidabil - pentru fluide corozive. Avantaje ]i limit`ri: � introduc pierderi de presiune locale (permanente) – cele mai mici la tubul

Venturi ]i cele mai mari la diafragm` – rezult` costuri suplimentare pentru pompare

� diferen\a de presiune generat` – cea mai mic` la tubul Venturi ]i cea mai ridicat` la diafragm`

� pre\ sc`zut (cea mai ieftin` este diafragma ]i cel mai scump tubul Venturi) � nu are componente [n mi]care � montaj ]i [ntre\inere u]oar` � se corodeaz` [n timp (cel mai bine rezist` tubul Venturi ]i cel mai pu\in

diafragma) – rezult` erori de m`sur` � necesit` o por\iune liniar` de conduct` [nainte ]i dup` dispozitivul de

strangulare, pentru relaxarea curgerii � valoarea m`surat` este influen\at` de: locul de amplasare al prizelor de presiune

– criteriul Reynolds, dimensiunile dispozitivului de strangulare ]i ale conductei, parametrii de stare ai fluidului (presiune, temperatur`, densitate etc.), prezen\a rezisten\elor locale [n apropierea dispozitivului de strangulare.

5.2.1.1. Diafragma Diafragma const` dintr-o plac` metalic` care are [n interior un orificiu de dimensiuni cunoscute. Aceasta se monteaz` [n interiorul conductei. Inainte de diafragm` presiunea static` are o mic` cre]tere, datorit` turbulen\elor de curgere ce apar [n lungul conductei (fig.5.1). Dup` intrarea [n diafragm`, datorit` frec`rilor ]i turbulen\elor, o parte din energia fluidului se transform` [n energie sonor` ]i c`ldur`. Ca urmare, are loc o sc`dere accentuat` a presiunii. Presiunea minim` (]i viteza maxim`) se atinge pu\in dup` ie]irea din diafragm`, [ntr-un punct denumit vena contracta. Dup` acest punct, viteza [ncepe s` scad` ]i ca urmare, presiunea s` creasc`. Cre]terea de presiune nu are loc p@n` la valoarea ini\ial`, diferen\a reprezent@nd pierderea local` de presiune [n diafragm`.


Fig. 5.1 Diafragma

Clasificarea diafragmelor dup` amplasarea prizelor de presiune (fig.5.2): - la flan]` (figura 5.2 – a), - la col\ (figura 5.2 – b), - la vena contracta (figura 5.2 – c) (a) la flan]` (b) la col\ (c) la vena contracta

Fig. 5.2 Variante de amplasare a prizelor de presiune Clasificarea diafragmelor dup` amplasarea orificiului (fig.5.3): - concentric: pentru fluide monofazice din conducte orizontale sau verticale - excentric: pentru fluide bifazice din conducte orizontale.

Diafragma se monteaz` cu excentricitatea [n zona [n care apare a doua faz`: - dac` a doua faz` este gaz: sus - dac` a doua faz` este lichid [n gaz sau suspensii solide [n lichid: jos

Fig. 5.3 Variante de diafragme [n func\ie de forma ]i amplasarea orificiului

concentrice

excentrice circulare

Profilul presiunii

Pierdere local` de presiune

Diafragm` vena contracta

Diferen\` max. de presiune

excentrice cu segment

M`surarea debitului

121

Clasificarea diafragmelor dup` forma orificiului (fig.5.3): - circular - cu segment: pentru eliminarea celei de-a doua faze Clasificarea diafragmelor dup` profilul diafragmei (figura 5.4): - cu muchie ascu\it` (fig. 5.4 - a): Este profilul cel mai des utilizat. Diafragma se

monteaz` astfel [nc@t s` preia v@na de fluid cu muchia ascu\it`. - cu muchie te]it` (fig. 5.4 - b): Diafragma se monteaz` astfel [nc@t s` preia v@na

de fluid cu partea de muchie teşit`. - cu muchie dreapt` (fig. 5.4 - c): Se utilizeaz` pentru debite bidirec\ionale.

(a) (b) (c)

Fig. 5.4 Profile de diafragme Diafragma se poate utiliza pentru lichide, gaze ]i abur cu parametrii modera\i. Aceasta nu se utilizeaz` pentru fluide v@scoase, cu impurit`\i sau pentru abur umed (datorit` eroziunii mari a diafragmei ]i a posibilit`\ii de [nfundare). 5.2.1.2. Ajutajul Ajutajul este un orificiu calibrat care are la intrare o parte racordat` lin ]i la ie]ire o parte cilindric` dreapt` (figura 5.5).

Fig. 5.5 Ajutaj

5.2.1.3. Tubul Venturi

Fig. 5.6 Tub Venturi

muchie ascu\it`

debit

muchie te]it`

debit

f`r` te]itur`

debit

Tubul Venturi const` dintr-un orificiu calibrat care are la intrare un con convergent, la mijloc o parte cilindric` ]i la ie]ire un con divergent (figura 5.6). Acesta se poate utiliza pentru lichide ]i gaze cu parametrii modera\i.

Principiul de func\ionare al ajutajului este acela]i cu al diafragmei. Dac` se m`soar` presiunea în amonte ]i în aval de ajutaj, rezult` debitul (rela\iile 5.6 ]i 5.7). Ajutajul se utilizeaz` pentru lichide ]i gaze cu viteze mari de curgere ]i parametrii (presiune, temperatur`) modera\i.


5.2.2. Debitmetru cu cot

Fig. 5.7 Tub Venturi

Avantaje ]i limit`ri:

� se elimin` problemele legate de eroziunea dispozitivului de strangulare (recomandat pentru abur saturat cu parametrii ridica\i)

� nu se introduc pierderi de presiune locale suplimentare � diferen\a de presiune (]i deci precizia de m`sur`) are o valoare relativ mic` 5.3. Debitmetre cu determinarea vitezei de curgere 5.3.1. Debitmetre cu turbin` Debitmetrul cu turbin` se utilizeaz` pentru lichide ]i gaze. Acesta con\ine un rotor u]or cu palete radiale ]i un traductor pentru m`surarea vitezei de rota\ie (propor\ional` cu viteza fluidului, deci cu debitul). Rotorul poate avea axul [n lugul axului conductei (figura 5.8 – a) sau perpendicular pe acesta (figura 5.8 – b). In func\ie de fluid, acesta se construie]te din: aluminiu, o\el inoxidabil, monel, titan, plastic etc.

(a) cu axul [n lungul conductei (b) cu axul perpendicular pe conduct`

Fig. 5.8 Debitmetru cu turbin`

Traductorul se utilizeaz` pentru transmiterea vitezei de rota\ie a paletelor [n afara conductei. Cele mai des utilizate traductoare sunt cele electrice bazate pe induc\ia electromagnetic`: reluctiv (fig.5.9) ]i inductiv (fig.5.10).

(presiune mai mic`)

Fc

pe

pi

(presiune mai mare)

traductor rotor

Debitmetrul cu cot se bazeaz` pe for\a centrifug` generat` de fluid la trecerea prin coturi de conduct` (fig.5.7). Presiunea exercitat` asupra peretelui exterior este mai mare dec@t cea exercitat` asupra peretelui interior. Debitul se ob\ine din rela\iile (5.6) ]i (5.7).

M`surarea debitului

123

Fig. 5.9 Debitmetru cu turbin` reluctiv

Fig. 5.10 Debitmetru cu turbin` inductiv Avantaje ]i limit`ri:

� precizie bun` � valoarea m`surat` este influen\at` de v@scozitatea fluidului � c@mpul magnetic poate fi perturbat din exterior � sensibil la ]ocuri mecanice, la murd`rie (se ancraseaz`) � men\inerea direc\iei turbinei reprezint` o problem` � aparatul nu r`spunde instantaneu la varia\iile de debit, datorit` iner\iei pieselor

mobile (nu este recomandat pentru m`surarea debitelor rapid variabile) Variante constructive:

� Debitmetru cu turbin` de inser\ie Debitmetrul cu turbin` de inser\ie este utilizat pentru conducte cu diametru mare (sisteme de alimentare cu ap`, conducte pentru irigare etc.). Acesta utilizeaz` o microturbin` cu diametru mai mic dec@t cel al conductei (figura 5.11). Microturbina este legat` de traductor printr-un cablu de leg`tur`.

Debitmetrul cu traductor reluctiv cuprinde (fig. 5.9) un rotor cu paletele confec\ionate dintr-un material magnetizabil, iar [n exteriorul conductei o bobin` [nf`]urat` pe un magnet permanent. Trecerea paletelor prin dreptul magnetului distorsioneaz` c@mpul magnetic. Ca urmare, [n bobin` se induce o tensiune pulsatorie. Frecven\a impulsurilor de tensiune este direct propor\ional` cu viteza de rota\ie a rotorului ]i cu debitul de fluid.

Magnet

Bobin`

Palet`

Debitmetrul cu traductor inductiv (fig. 5.10) con\ine un magnet puternic inclus [n rotor (sau una/mai multe palete confec\ionate dintr-un material magnetic), iar [n exteriorul conductei o bobin` [nf`]urat` pe un miez dintr-un material magnetizabil. Trecerea paletei prin dreptul miezului distorsioneaz` c@mpul magnetic. Ca urmare, [n bobin` se induce o tensiune pulsatorie. Frecven\a impulsurilor este direct propor\ional` cu viteza de rota\ie a rotorului ]i cu debitul.

bobin`

palet`

magnet permanent


Fig. 5.11 Debitmetru cu turbin` de inser\ie Avantaje ]i limit`ri: � aparat portabil (poate fi introdus/extras din conduct` [n plin` sarcin`) � ieftin � precizie sc`zut`, mai ales [n cazul debitelor mici � timp de r`spuns mai scurt � întreţinere u]oar` (schimbare facil` a rotorului) � m`soar` viteza punctual (nu se m`soar` o vitez` medie).

� Mori]ca hidraulic` Mori]ca hidraulic` se utilizeaz` pentru m`surarea debitului din conducte cu diametru mare, canale deschise, r@uri etc.

Fig. 5.12 Mori]c` hidraulic` Ca ]i turbina de inser\ie, mori]ca hidraulic` este un aparat ieftin, dar cu precizie sc`zut` (mai ales [n cazul debitelor reduse). 5.3.2. Tuburi de presiune Func\ionarea tuburilor de presiune se bazeaz` pe defini\ia presiunii totale a fluidului, ca sum` dintre presiunea static` ps ]i presiunea dinamic` pd:

g

wpppp sdst

2

2

+=+= [mca] (5.9)

Viteza de rota\ie a paletelor turbinei se m`soar` prin induc\ie magnetic`, cu ajutorul unei bobine amplasate la cap`tul cablului de leg`tur`.

traductor

cablu microturbin`

Mori]ca hidraulic` are acela]i principiu de func\ionare cu cel al debitmetrului cu turbin`. Aparatul cuprinde (figura 5.12): - un rotor cu axul perpendicular pe direc\ia de curgere, amplasat deasupra fluidului [n curgere

- un traductor pentru m`surarea vitezei de rota\ie a rotorului

M`surarea debitului

125

Dac` se m`soar` ps ]i pd, prin calcul se ob\ine viteza, respectiv debitul de fluid:

( ) AppgwAQ st ⋅−== 2 [m3/s] (5.10)

Amplasarea prizelor de presiune :

Variante constructive:

� Tubul Pitot

Fig. 5.13 Tubul Pitot Tubul Pitot se amplaseaz` astfel [nc@t s` m`soare o vitez` medie a fluidului:

- pentru aer sau gaz: [n partea superioar` (se evit` condensul) - pentru lichid sau vapori: [n partea inferioar` (evit` bulele de aer).

Avantaje ]i limit`ri: � simplu, ieftin � nu are componente [n mi]care � produce pierderi de presiune mici � surse de erori: modificarea profilului de viteze, [nfundarea prizelor de presiune.

w

Ps

pt Aparatul const` dintr-un tub cu perete dublu, introdus perpendicular pe direc\ia de curgere (figura 5.13). Fiecare din cei doi cilindri din tub are c@te un orificiu de leg`tur` cu procesul: - cilindrul interior - [n v@rful tubului (pentru m`surarea

presiunii statice) - cilindrul exterior - lateral, orientat astfel [nc@t s` preia

v@na de fluid (pentru m`surarea presiunii totale). Prizele de presiune sunt legate la un manometru diferen\ial, astfel [nc@t s` se ob\in` direct presiunea dinamic`. Cunosc@nd presiunea dinamic`, prin calcul rezult` viteza ([ntr-un singur punct al fluidului !).

Priza pentru m`surarea presiunii statice: (se amplaseaz` astfel [nc@t s` se minimizeze componenta cinetic` din valoarea presiunii statice): - [n zone cu turbulen\` sc`zut`: pe peretele conductei - [n curentul de fluid: perpendicular sau [n sens opus

direc\iei de curgere. Priza pentru m`surarea presiunii totale: [n lungul liniilor de curent (pentru a prelua impactul v@nei de fluid; at@t componenta static` c@t ]i cea dinamic`)


Tubul Pitot se utilizeaz` pentru m`sur`tori de importan\` secundar`, la care pre\ul are o importan\` major` sau [n conducte cu diametru mare.

� Tubul Pitot cu medierea suprafe\ei

Fig. 5.14 Tub Pitot cu medierea suprafe\ei

� Debitmetru Annubar

Fig. 5.15 Debitmetru Annubar 5.4. Debitmetre cu echilibru de for\e Se bazeaz` pe echilibrarea for\elor ce ac\ioneaz` asupra unui obiect (plutitor) aflat [n interiorul conductei. 5.4.1. Rotametru Rotametrul se utilizeaz` pentru m`surarea debitelor lichidelor sau gazelor. Principiul de func\ionare se bazeaz` pe deplasarea unui plutitor [n interiorul unui tub tronconic vertical prin care circul` fluidul. Fluidul intr` pe la baza aparatului. Curentul de fluid ridic` plutitorul p@n` la [n`l\imea la care for\ele ce ac\ioneaz` asupra lui se echilibreaz`. Pozi\ia plutitorului depinde de debit ]i de sec\iunea circular` din jurul s`u.

tp sp

w

Se utilizeaz` pentru m`surarea debitelor mari de aer (fig.5.14). Aparatul este compus din mai multe tuburi Pitot clasice dispuse astfel [nc@t s` acopere [ntreaga sec\iune transversal` a conductei. In acest fel, se m`soar` presiunea static` ]i total` pentru fiecare segment al sec\iunii transversale ]i se ob\ine o estimare mai corect` a vitezei medii ]i a debitului mediu.

Debitmetrul Annubar este derivat din tubul Pitot. Aparatul este compus din dou` tuburi (figura 5.15): � un tub cu un orificiu spre aval, amplasat [n centrul

conductei: m`soar` presiunea static` � un tub cu patru orificii spre amonte: m`soar`

presiunea total` [n patru puncte ]i o mediaz`. Avantajul Annubarului este acela c` se determin` o vitez` medie a fluidului, valoarea m`surat` nemaifiind at@t de mult influen\at` de tipul curgerii ]i de amplasarea aparatului.

M`surarea debitului

127

For\ele care ac\ioneaz` asupra plutitorului sunt (fig. 5.16):

Fig. 5.16 Rotametru Dac` se neglijeaz` frecarea dintre fluid ]i plutitor, la echilibru:

12 pap FFFG +=+ (5.11)

Diferen\a fo\elor Fp1 ]i Fp2 se exprim` ca o pierdere local` de presiune:

ρξ2

2

21

wApAFFF plocpppp =∆⋅=−=∆ (5.12)

Explicit@nd rela\iile de calcul ale for\elor, se ob\ine debitul volumic:

( ) ( )fp

fp

pppA

gVAAwAAQρξ

ρρ −−=−= 2 (5.13)

[n care: A – sec\iunea conductei [m2

]

( )pAA − – sec\iunea inelar` de curgere din jurul plutitorului [m2]

Observa\ie: Valoarea m`surat` este influen\at` de parametrii fluidului

(presiune, temperatur`, densitate, v@scozitate), deci trebuie f`cute corec\ii.

Denumirea de rotametru vine de la mi]carea de rota\ie a plutitorului, (datorat` unor crest`turi din partea superioar`), prin care este men\inut pe axa de simetrie a tubului, [mpiedic@nd frecarea sau aderarea la peretele tubului. Condi\ii pentru utilizarea rotametrului: - tubul trebuie s` fie vertical - fluidul trebuie s` intre [n tub pe la partea inferioar` - plutitorul trebuie s` aibe densitate mai mare dec@t fluidul m`surat (de obicei se

face din metal, o\el inox, sticl` sau plastic)

Fluid

p1

p2

G

Fa

Fp2

Fp1

- greutatea plutitorului: gVG pp ⋅⋅= ρ

- for\a arhimedic`: gVF fpa ⋅⋅= ρ

- for\a exercitat` de presiune de jos [n sus: pp ApF 11 =

- for\a exercitat` de presiune de sus [n jos: pp ApF 22 =

- for\a de frecare dintre fluid ]i plutitor: fF

unde: ρp, ρf – densitatea plutitorului/fluidului [kg/m3]

p1, p2 – presiune fluidului [nainte/dup` plutitor [Pa]

Ap – sec\iunea plutitorului [m2]

Ff


Tubul tronconic se fabric` din: sticl` (cel mai des), plastic sau metal (caz [n care se utilizeaz` un plutitor metalic care atrage un indicator magnetic din exteriorul tubului). Avantaje ]i limit`ri:

� simplu ]i ieftin � montaj ]i [ntre\inere u]oar` � nu necesit` surs` de alimentare � pierderi de presiune mici ]i relativ constante [n aparat � scal` liniar` � domeniu mare de m`sur` � se pot m`sura debite foarte mici � se poate cre]te precizia prin cre]terea lungimii de parcurs a plutitorului � nu are erori de histerezis � se poate utiliza pentru lichide, gaze ]i abur.

5.4.2. Debitmetru cu arc

Debitmetrul cu arc (fig.5.17) func\ioneaz` pe acela]i principiu ca ]i rotametrul, dar [n locul for\ei gravita\ionale se utilizeaz` un arc.

Fig. 5.17 Debitmetru cu arc Avantaje ]i limit`ri:

� aparatul poate fi montat ]i [n pozi\ie orizontal` � fluidele corozive ]i erozive pot deteriora arcul

5.5. Debitmetre cu contor volumic

Debitmetrele cu contor volumic se utilizeaz` pentru m`surarea debitelor volumice de lichide sau gaze. Func\ionarea lor se bazeaz` pe num`rarea unor volume discrete de material care sunt trecute prin aparatul de m`sur`. In func\ie de modalitatea de trecere a volumelor discrete prin aparat, debitmetrele pot fi cu mi]care de rota\ie (cu lobi, cu ro\i ovale, cu ro\i profilate etc.) sau cu mi]care de oscila\ie (cu disc oscilant, cu aripioare, cu piston oscilant, cu membran` etc.).

Farc Fw

Fluid

M`surarea debitului

129

Avantaje ]i limit`ri: � sunt disponibile pentru domenii variate de m`sur` � sunt aparate relativ ieftine � precizia de m`sur` nu este influen\at` de debitele pulsatorii (dec@t dac` fluidul

antreneaz` aer sau gaze) � nu necesit` alimentare de la o surs` de curent � nu necesit` zone drepte de conduct` [nainte/dup` aparat � au piese [n mi]care � componentele sunt supuse uzurii. 5.5.1. Debitmetru cu lobi

Debitmetrul cu lobi se utilizeaz` pentru m`surarea debitelor de gaze. Aparatul cuprinde dou` rotoare sub form` de lobi, care se rotesc [n direc\ii opuse, ca urmare a diferen\elor de presiune produse de curgerea fluidului (fig. 5). Rotirea liber` a celor doi lobi duce la trecerea prin aparat a unor volume discrete de fluid (figura 5.18). Lobul de jos se deplaseaz` [n sens invers acelor de ceasornic p@n` ajunge la pozitia orizontal`, timp [n care se umple volumul din partea de jos a aparatului. Atunci c@nd lobul este [n pozi\ie orizontala, el [nchide un volum determinat de fluid. Rotirea lobului [n continuare p@n` la pozi\ia vertical` duce la golirea volumului de fluid transportat. In acest timp, lobul de sus a ajuns ]i el [n pozi\ie orizontal` ]i transport` un volum determinat de fluid. Debitul de fluid se ob\ine prin contorizarea num`rului de rota\ii ale lobilor.

Fig. 5.18 Debitmetru cu lobi

-- ccaammeerraa ddee ssuuss:: transport` ]i se gole]te -- ccaammeerraa ddee jjooss:: se umple ]i se gole]te

-- ccaammeerraa ddee ssuuss:: se gole]te -- ccaammeerraa ddee jjooss:: transport`

-- ccaammeerraa ddee ssuuss:: se umple -- ccaammeerraa ddee jjooss:: se gole]te

-- ccaammeerraa ddee ssuuss:: transport` -- ccaammeerraa ddee jjooss:: se gole]te


5.5.2. Debitmetru cu ro\i ovale

Debitmetrele cu ro\i ovale se utlizeaz` pentru lichide ]i fluide v@scoase. Aparatul utilizeaz` dou` ro\i din\ate ovale (figura 5.19) care formeaz` un angrenaj. Rotirea angrenajului (generat` de diferen\a de presiune dintre intrare ]i ie]ire) [nchide ]i transfer` volume fixe de fluid prin aparat. Pentru fiecare rota\ie complet`, volumul de fluid este evacuat de patru ori (de dou` ori de fiecare roat`).

Fig. 5.19 Debitmetru cu ro\i ovale 5.5.3. Debitmetru cu ro\i profilate

Fig. 5.20 Debitmetru cu ro\i profilate 5.5.4. Debitmetru cu disc oscilant Discul oscilant se utilizeaz` [n general pentru m`surarea debitelor de ap`. Fig. 5.21 Debitmetru cu disc oscilant Fluidul p`trunde ]i iese din camera de m`sur` prin dou` deschiz`turi. Trecerea lichidului prin aparat imprim` discului o mi]care de oscila\ie, datorit` diferen\elor de presiune [ntre intrarea ]i ie]irea din aparat. Oscila\ia discului duce la rotirea m@nerului [n jurul axului magnetic. La r@ndul s`u, magnetul este cuplat la un [nregistrator mecanic sau la un element de transmisie.

Disc M@ner Ax

Bil`

Debitmetrul utilizeaz` dou` ro\i profilate, aflate pe axuri paralele ]i care se rotesc [n direc\ii opuse (figura 5.20). Cele dou` ro\i traverseaz` prin compartimentele de m`sur` volume fixe de fluid, de la intrare c`tre ie]ire. Debitul rezult` din num`rul de rota\ii.

Elementul mobil al aparatului este un disc fixat pe o bil` (figura 5.21). Prin centrul bilei trece un m@ner care se poate roti [n jurul unui ax magnetic. Discul mobil se afl` [ntr-o camer` de m`sur` sferic`, care la partea superioar` ]i inferioar` are c@te o te]itur` conic`.

M`surarea debitului

131

5.5.5. Debitmetru cu aripioare Debitmetrul cu aripioare se utilizeaz` pentru fluide v@scoase. Volumele discrete de fluid se ob\in cu ajutorul unui rotor excentric pe care sunt fixate palete (aripioare) tensionate (figura 5.22).

Fig. 5 Debitmetru cu aripioare

Fig. 5.22 Debitmetru cu aripioare

La trecerea fluidului, aripioarele se curbeaz`, l`s@nd s` treac` volume fixe de fluid. Debitul se ob\ine prin contorizarea num`rul de curb`ri ale aripioarelor. 5.5.6. Debitmetru cu membran` Debitmetrul cu membran` se utilizeaz` numai pentru gaze (figura 5.23). Aparatul este format din dou` camere de m`sur` desp`r\ite printr-o membran`. Datorit` diferen\elor de presiune dintre intrarea ]i ie]irea din aparat, camerele de m`sur` se umplu ]i se golesc alternativ, provoc@nd deplasarea membranei. Mi]carea membranei este preluat` ]i contorizat`.

Fig. 5.23 Debitmetru cu membran`

5.6. Debitmetre electromagnetice Debitmetrele electromagnetice pot fi utilizate pentru orice fel de fluide (v@scoase, multifazice, murdare, corozive etc.), indiferent de regimul de curgere. Singura condi\ie care trebuie [ndeplinit` este ca fluidul s` fie conductiv din punct de vedere electric, iar propriet`\ile sale electrice s` fie omogene.

Ie]ire

Aripioar`

Carcas` Rotor

Intrare


Principiul de m`sur`: Principiul de m`sur` se bazeaz` pe Legea induc\iei electromagnetice (Faraday): [ntr-un conductor ce se deplaseaz` [ntr-un c@mp magnetic se induce o tensiune (numit` tensiune indus`). Debitmetrul electromagnetic cuprinde (figura 5.24).: • un tub de m`sur` cilindric dintr-un material nemagnetizabil, izolat la interior • dou` bobine de induc\ie, dispuse de o parte ]i de alta a tubului – pentru

generarea c@mpului magnetic • doi electrozi amplasa\i [n peretele conductei, situa\i perpendicular pe c@mpul

magnetic – pentru detectarea curentului indus [n fluid.

Fig. 5.24 Debitmetru electromagnetic

Tensiunea indus` este direct propor\ional` cu viteza, deci cu debitul de fluid. Semnalul de debit generat este propor\ional cu c@mpul magnetic inductor (cu un semnal de referin\`), dar este influen\at ]i de semnale parazite (zgomote sincrone sau nu cu semnalul de referin\`), care trebuie eliminate. Variante de generare a c@mpului magnetic: - cu curent alternativ: Pentru un debit constant se ob\ine o tensiune indus` de forma unui semnal sinusoidal, av@nd amplitudinea propor\ional` cu viteza. Deoarece semnalul este continuu, sunt greu de filtrat zgomotele din proces care au aceea]i faz` cu semnalul generat. - cu impulsuri de curent continuu sau de curent alternativ: C@nd apare impulsul de c.c. se m`soar` semnalul corespunz`tor debitului ]i zgomotelor. Intre impulsuri se m`soar` numai semnalul corespunz`tor zgomotelor. Deoarece semnalul nu este continuu, zgomotele pot fi eliminate dup` [ncheierea fiec`rui ciclu. In acest fel, cre]te precizia de m`sur`, mai ales la m`surarea debitelor mici. In plus, prin [ntreruperea curentului continuu se previne dezvoltarea unei polarit`\i pronun\ate a electrozilor (care apare numai [n cazul c.c.). Avantaje ]i limit`ri:

� domeniu mare de m`sur` (0.1 – 10 000 m3/s) � se pot utiliza pentru fluide agresive sau foarte v@scoase � fluidul trebuie s` fie conductiv; propriet`\ile sale electrice s` fie omogene

Atunci c@nd tubul de m`sur` este parcurs de un fluid conductiv av@nd viteza w, [n fluid se induce o tensiune E:

wconstDwBE ⋅=⋅⋅= (5.14)

unde: E – tensiunea indus` [V] B – induc\ia electromagnetic` [F]

D – diametrul conductei [m]

Bobina de induc\ie

M`surarea debitului

133

� se pot m`sura debite bidirec\ionale, cu varia\ie mare ]i rapid` � semnalul de ie]ire variaz` linar [n func\ie de debit � valoarea m`surat` nu este influen\at` de densitate sau v@scozitate � nu se introduc pierderi de presiune locale suplimentare � necesit` [ntre\inere minim` (verificarea electrozilor pentru a nu se depune

material pe ei, depuneri care duc la erori de m`sur`) � necesit` alimentare de la o surs` electric` � indica\ia poate fi influen\at` de un c@mp magnetic exterior.

In general se prefer` utilizarea debitmetrelor cu impulsuri de curent continuu. Acestea sunt mai u]or de instalat, au dimensiuni mai mici, consum` mai pu\in` energie ]i sunt mai ieftine. In variantele mai moderne, se utilizeaz` impulsuri de putere mai mare ]i [n consecin\` genereaz` semnale de debit mai puternice. Debitmetrele electromagnetice cu impulsuri de curent alternativ se utilizeaz` dac` fluidul con\ine cantit`\i mari de aer (aerul are constanta dielectric` mic`), particule solide de dimensiuni diferite sau care nu sunt omogen amestecate. Utililizarea debitmetrelor electromagnetice cu impulsuri de curent continuu [n aceste cazuri introduce erori mari de m`sur`. 5.7. Debitmetre Vortex Func\ionarea debitmetrelor Vortex se bazeaz` pe fenomenul descoperit de Vortex: atunci c@nd se introduce un obstacol [n calea unui curent de fluid aflat [n curgere turbulent`, aval de acesta apare o oscila\ie periodic` a fluidului. Aceast` oscila\ie se datoreaz` form`rii unor turbioane (denumite ]i vortexuri), care provoac` varia\ii periodice ale vitezei ]i presiunii fluidului. Debitmetrul Vortex se bazeaz` pe m`surarea frecven\ei de desprindere a turbioanelor generate în aval de un element perturbator introdus [n conduct` (fig. 5.25).

Fig. 5.25 Principiul de func\ionare al debitmetrului Vortex

l =

f(d)

Fluid

v@na de fluid desprins`

zon` lini]tit`

generator de turbioane

Turbioane


Debitmetrul utilizeaz` un element perturbator introdus [n curentul de fluid. Datorit` acestuia, v@na de fluid se desparte [n dou`. Dac` curgerea este turbulent`, [n aval se formeaz` turbioane (vortexuri). La desprinderea de element, turbioanele genereaz` impulsuri de presiune. Frecven\a de desprindere a turbioanelor este propor\ional` cu viteza fluidului (cu debitul). Experien\a arat` c` varia\ia debitului influen\eaz` numai frecven\a de desprindere a turbioanelor, nu ]i distan\a la care acestea se formeaz`. Distan\a la care se formeaz` depinde numai de forma ]i dimensiunile elementului perturbator. Frecven\a de desprindere a turbioanelor este dat` de rela\ia:

Std

wf = (5.15)

unde: f – frecven\a de desprindere a turbioanelor d – l`\imea elementului perturbator

l – distan\a dintre dou` turbioane consecutive St – num`rul Strouhal (caracterizeaz` elementul perturbator):

d

lSt = (uzual St = 6)

Rezult` debitul volumic de fluid:

fconstASt

dfwAQ ⋅=

⋅==

[n care: A – aria sec\iunii de trecere a fluidului Pentru m`surarea frecven\ei de desprindere a turbioanelor se utilizeaz` un traductor de presiune (de obicei piezoelectric sau capacitiv). Avantaje ]i limit`ri: � nu con\ine piese [n mi]care � semnalul de ie]ire variaz` liniar cu debitul � se poate utiliza numai [n cazul curgerii turbulente (curgerea laminar` nu

genereaz` turbioane) � nu este influen\at de densitatea ]i v@scozitatea fluidului � sensibil la elementele ce distorsioneaz` profilul de viteze în amonte de aparat

(vane, coturi etc.).

M`surarea debitului

135

5.8. Debitmetre ultrasonice Debitmetrele ultrasonice sunt utilizate pentru m`surarea debitelor volumice ale fluidelor corozive sau cu impurit`\i, din conducte cu diametru mare sau din canale deschise. Mai nou, acestea se utilizeaz` ]i pentru m`surarea debitelor de gaze (care absorb undele ultrasonice [n propor\ie mare). Func\ionarea debitmetrelor ultrasonice se bazeaz` pe emiterea ]i recep\ionarea unui semnal de unde ultrasonice transmise prin fluidul aflat [n curgere. Undele ultrasonice folosite au frecven\` ridicat` (200 kHz - 5MHz). Sondele utilizate pentru emiterea ]i receptarea undelor sunt confec\ionate din cristale piezoelectrice (cuar\, de obicei). Se utlilizeaz` proprietatea lor conform c`reia acestea se deformeaz` dac` li se aplic` un c@mp electric (inversul caracteristicii clasice: generarea unei sarcini electrice prin deformarea lor). Sondele ultrasonice pot fi amplasate: - [n interiorul conductei: au avantajul c` se ob\ine o precizie mai mare de m`sur`

(semnalul nu este atenuat de pere\ii conductei) - [n exteriorul conductei: au avantajul c` sonda nu intr` [n contact direct cu

fluidul (important [n cazul fluidelor agresive) In func\ie de principiul utilizat pentru determinarea vitzei, exist` mai multe tipuri de debitmetre ultrasonice: cu efect Doppler, cu timp de tranzit, cu tipar de zgomot. Indiferent de principiul utilizat, se face ipoteza c` fluidul este izotrop relativ la comportamentul fa\` de undele ultrasonice ]i c` vectorul vitezei medii este paralel cu axa conductei. 5.8.1. Debitmetru cu efect Doppler

Efectul Doppler: Efectul Doppler arat` rela\ia dintre sensul vectorului vitez` ]i frecven\` (respectiv lungimea de und`): Frecven\a unui semnal sonor perceput de un observator fix este: - mai mare: dac` sursa se apropie (lungimea de und` este mai mic`) – sursa este

mai aproape atunci c@nd emite o nou` und` ]i mic]oreaz` distan\a dintre crestele undelor (adic` λ)

- mai mic`: dac` sursa se dep`rteaz` (lungimea de und` este mai mare).

Fig. 5.26 Efectul Doppler

w

f ↑, λ↓ (sunet [nalt)

w f[ndep`rtare < fapropiere

λ [ndep`rtare > λapropiere

f ↓, λ↑ (sunet grav)


Principiul de func\ionare: Debitmetrul cu efect Dopppler se bazeaz` pe reflectarea undelor sonore de particulele aflate ([n mi]care) [n interiorul fluidului. Din acest motiv, aceste debitmetre nu pot fi utilizate dec@t [n cazul fluidelor cu impurit`\i, [n stare de emulsie sau care con\in bule de gaz (de care s` se reflecte particulele). Generatorul ]i receptorul de unde sonore pot fi amplasate pe aceea]i latur` sau pe laturi opuse ale conductei (figura 5.27).

(a) emi\`tor/receptor pe aceea]i latur` (b) emi\`tor/receptor pe laturi opuse

Fig. 5.27 Debitmetru cu efect Doppler

Emi\`torul transmite o und` (sau un fascicol de unde) c`tre fluidul [n curgere. Unda transmis` se reflect` atunci c@nd [nt@lne]te particole solide, gaze antrenate, turbioane etc. Deoarece fluidul se afl` [n mi]care, unda reflectat` are o frecven\` diferit` fa\` de unda ini\ial` (conform efectului Doppler). De fapt, aparatul detecteaz` viteza de deplasare a impurit`\ilor (nu a fluidului):

( )10

0

10

cos2ffconst

af

cffw −⋅=

−= (5.16)

unde: f0 , f1– frecven\a undei transmise / undei reflectate c – viteza sunetului [n fluid a- unghiul sub care este transmis` unda fa\` de direc\ia de curgere

Debitul rezult` din viteza de deplasare a impurit`\ilor. Din acest motiv, debitmetrul cu efect Doppler se utilizeaz` numai [n cazul fluidelor cu impurit`\i. Avantaje ]i limit`ri: � se utilizeaz` numai pentru fluide cu impurit`\i, [n stare de emulsie, sau cu bule

de gaz (dar nu cu foarte multe impurit`\i sau gaze !) � se utilizeaz` pentru conducte cu diametru mare ]i viteze mari de curgere � aparat robust � instalare u]oar`; poate fi instalat f`r` [ntreruperea procesului � mentena\` u]oar` (aproape inexistent`) � m`soar` debite bidirec\ionale

Emi\`tor

Receptor

w

Emi\`tor Receptor

w

M`surarea debitului

137

� nu introduce pierderi de presiune suplimentare � se utilizeaz` pentru fluide cu temperaturi sub 200ºC � valoarea m`surat` este influen\at` de densitate (prin viteza sunetului [n fluid). 5.8.2. Debitmetru cu timp de tranzit

Fig. 5.28 Debitmetru cu timp de tranzit Pentru debit nul, timpul de tranzit al celor dou` semnale este egal:

c

LTTT === 021 (5.17)

unde: T0 – timpul de tranzit [s] L – lungimea drumului parcurs [m] c – viteza sunetului [n fluid [m/s] Dac` exist` curgere [n conduct`, datorit` compunerii vitezei sunetului cu viteza fluidului, semnalul trimis spre aval este accelerat, iar semnalul trimis spre

amonte este [ncetinit (figura 5.29): 21 TT <

Fig. 5.29 Debitmetru cu timp de tranzit – compunerea vitezelor

w w

w c

c

c+w cos(α)

c-w cos(α) L

α

Sonda amonte

Sonda aval

Emi\`tor / receptor

Emi\`tor / receptor

T2

T1

w

Debitmetrul cu timp de tranzit utilizeaz` dou` sonde amplasate de o parte ]i de alta a conductei, pe o direc\ie oblic` [n raport cu sensul curgerii (figura 5.28). Fiecare sond` con\ine c@te un emi\`tor ]i un receptor de unde sonore. Cele dou` sonde trimit simultan c@te un semnal sonor una c`tre cealalt`.

Timpul de tranzit spre amonte:

)cos(

1 αwc

LT

−= (5.18)

Timpul de tranzit spre amonte:

)cos(

2 αwc

LT

+= (5.19)

unde: α - unghiul sub care este transmis` unda fa\` de direc\ia de curgere


Din viteza fluidului rezult` debitul volumic:

AT

TTkwADv ⋅

−==

0

21 [m3/s] (5.20)

unde: k – factor de calibrare pentru dimensiunile ]i unit`\ile utilizate A – sec\iunea conductei [m2]


� Debitmetru ultrasonic axial

Fig. 5.30 Debitmetru ultrasonic axial

� Debitmetru ultrasonic cu unde multiple

Avantaje ]i limit`ri:

� se utilizeaz` numai pentru fluide curate, [ntr-o singur` faz` � se pot m`sura debite mici de fluid, debite bidirec\ionale � aparat robust � instalare u]oar` � poate fi instalat f`r` [ntreruperea prrocesului � mentena\` u]oar` (aproape inexistent`) � nu introduce pierderi de presiune suplimentare � aparat sensibil la modificarea regimului de curgere (mai pu\in [n cazul utiliz`rii

undelor multiple) � se utilizeaz` pentru fluide cu temperaturi sub 200ºC � valoarea m`surat` este influen\at` de densitate (prin viteza sunetului [n fluid).

Utilizeaz` mai multe sonde, pentru a m`sura timpul de tranzit [n mai multe direc\ii (fig. 5.31). Avantaje: - elimin` interferen\ele (de la impurit`\i, bule de aer etc.) - cre]te precizia de m`sur` [n cazul profilului de vitez` neuniform (se calculeaz` o vitez` medie)

Sonda amonte (emi\`tor + receptor)

Sonda aval (emi\`tor + receptor)

Sonde

Se utilizeaz` [n cazul conductelor cu diametru mic, deoarece permite m`surarea timpului de tranzit pe o distan\` mult mai mare comparativ cu diametrul conductei (fig. 5.30).

Fig. 5.31 Debitmetru ultrasonic cu unde multiple

M`surarea debitului

139

5.8.3. Debitmetru ultrasonic cu profil de zgomot

Debitmetrul ultrasonic cu profil de zgomot se bazeaz` pe faptul c` fluidele nu au niciodat` curgerea perfect omogen`, gener@ndu-se o serie de zgomote datorate turbulen\elor, gradien\ilor termici ]i altor eterogenit`\i ale mediului m`surat.

Fig. 5.32 Debitmetru cu tipar de zgomot Se utilizeaz` dou` perechi de sonde (generator + receptor) amplasate [n lungul conductei, la o anumit` distan\` L una de cealalt` (fig.5.32). Generatorul ]i receptorul se instaleaz` de o parte ]i de alta a conductei. Cele dou` generatoare emit c@te un semnal sinusoidal continuu. Amplitudinea ]i faza semnnalelor receptate de cele dou` receptoare sunt modificate (modulate) datorit` eterogenit`\ii fluidului prin care au fost transmise. M`sur`toarea vitezei (medii) a fluidului este bazat` pe memorarea caracteristicilor celor dou` unde recep\ionate (a profilului de zgomot) ]i m`surarea timpului T parcurs de semnal [ntre ele:

T

Lw = [m/s] (5.21)

unde: w – viteza medie a fluidului [m/s]

L – distan\a dintre cele dou` perechi de sonde [m] T – timpul [sec]

Debitmetrele cu profil de zgomot sunt [nc` pu\in utilizate [n practic`. 5.9. Debitmetre cu contor masic Principiul de m`sur` se bazeaz` pe m`surarea unor cantit`\i discrete de material. Prin aparatul de m`sur` sunt trecute unit`\i de mas` dintr-un material, care sunt num`rate ]i contorizate.

w

Semnal amonte

Semnal aval

L

timp de tranzit


5.9.1. C@ntar automat C@ntarul automat este utilizat pentru determinarea debitului masic al materialelor solide (de exemplu: debitul de combustibil).

Fig. 5.33 C@ntar automat 5.9.2. Contor de mas` basculant

Contorul de mas` basculant este utilizat pentru m`surarea debitelor masice de lichide.

Fig. 5.34 Contor de mas` basculant

5.10. Debitmetre cu efect Coriolis Efectul Coriolis:

Debitmetrele cu efect Coriolis sunt utilizate pentru m`surarea debitelor masice de lichide. Acestea aplic` curentului de fluid o accelera\ie Coriolis artificial` ]i m`soar` momentul unghiular ob\inut.

Material Etalon

Intrare

Ie]ire

Vas calibrat

Datorit` mi]c`rii de rota\ie a P`m@ntului c`tre est, mi]carea corpurilor din emisfera: - nordic` - este deviat` c`tre dreapta - sudic` - este deviat` c`tre st@nga For\a de deriv` datorat` rota\iei P`m@ntului se nume]te for\` Coriolis

Aparatul lucreaz` pe principiul c@ntarului cu balan\` (figura 5.33). Succesiunea opera\iilor este: - se aduce material pe taler p@n` c@nd

se atinge pozi\ia de echilibru - se gole]te talerul - se contorizeaz` opera\ia ]i se reia.

Aparatul este compus din dou` vase calibrate care basculeaz` [n jurul unui ax, astfel [nc@t s` ajung` pe r@nd [n dreptul intr`rii [n aparat (fig.5.34). Succesiunea opera\iilor este: - unul dintre vase se umple - atunci c@nd e plin, datorit` greut`\ii

suplimentare, vasul se rote]te ]i se gole]te, aduc@nd cel`lalt vas [n dreptul intr`rii

- opera\ia se contorizeaz` ]i se reia.

M`surarea debitului

141

Principiul de func\ionare:

Fie un element tubular c`ruia i se imprim` o mi]care de rota\ie cu viteza unghiular` ω, [n jurul unui punct fix P (figura 5.35 – a). In acest fel, asupra lui ac\ioneaz` o for\` de deviere prin efect Coriolis (Fd).

(a) (b)

Fig. 5.35 Principiul de func\ionare al debitmetrului Coriolis

Prin elementul tubular curge un fluid cu viteza w ]i densitatea ρ . Fluidul se opune mi]c`rii tubului printr-o for\` de iner\ie (Fi) perpendicular` pe direc\ia instantanee de curgere (care este o direc\ie relativ`). Apare astfel o for\` care tinde s` fr@neze rota\ia tubului, for\` direct propor\ional` cu distan\a fa\` de punctul fix. Dac` [n locul tubului drept se folose]te un tub [n form` de U (figura 5.35 - b), cele dou` laturi ale sale sunt parcurse de fluid [n direc\ii opuse. In consecin\`, acestea sunt supuse unor for\e de iner\ie opuse, for\e care tind s` deformeze tubul diferit. Debitmetrul cu efect Coriolis utilizeaz` dou` tuburi paralele [n form` de U (figura 5.36). Celor dou` tuburi li se imprim` o mi]care oscilatorie (o mi]care de rota\ie la care viteza unghiular` ω []i schimb` periodic semnul), cu ajutorul unui generator de vibra\ii.

Fig. 5.36 Debitmetrul Coriolis Generatorul de vibra\ii const` dintr-un miez conectat la un tub ]i un magnet conectat la cel`lalt tub. Miezului i se aplic` un curent alternativ. Datorit` schimb`rii polarit`\ii curentului, magnetul este atras sau respins, iar tuburile se apropie sau se dep`rteaz`. Dac` debitul prin tuburi este nul, vibra\ia produs` de ansamblul miez + magnet are ca rezultat deplas`ri egale [n puntele B1 ]i B2 (fig. 5.37).

ω

w

iF

w

iF

P

dFP

ω

P

Fd

w

iF

B1

B2

generator de vibra\ii

debit w

senzori


Dac` debitul prin tuburi este diferit de zero, for\a Coriolis genereaz` o deviere suplimentar`, produc@nd o diferen\` a semnalului provenit de la senzori (referitor la pozi\ia, viteza sau accelera\ia tuburilor). Devia\ia datorat` efectului Coriolis apare numai dac` debitul este diferit de zero ]i dac` tuburilor li se imprim` o mi]care de rota\ie.

Fig. 5.37 Debitmetru Coriolis – func\ionare Variant` constructiv`:

� Debitmetru Coriolis cu tub drept Fig. 5.38 Debitmetru Coriolis cu tub drept Avantaje ]i limit`ri: � asigur` o m`sur` direct` a debitului masic � se poate utiliza pentru toate tipurile de lichide ]i gaze � valoarea m`surat` nu depinde de parametrii fluidului (presiune, temperatur`,

densitate) ]i nici de profilul de viteze � poate fi utilizat pentru fluide foarte v@scoase sau cu particole [n suspensie

B1 B1 B2 B2

Fi – for\a de iner\ie Fd – for\a de deriv` (Coriolis)

Debitul este trecut printr-un tub drept, c`ruia i se imprim` o mi]care de vibra\ie [n partea central` (fig. 5.38). La extremit`\ile tubului se afl` doi senzori care detecteaz` pozi\ia, viteza sau accelera\ia tubului. Pentru debit nul: deformarea tubului este simetric` Pentru debit diferit de zero: datorit` for\ei Coriolis, deformarea tubului este asimetric`.

w > 0

w = 0

senzori tub de m`sur` excita\ie

M`surarea debitului

143

� [ntre\inere u]oar` � nu are piese [n mi]care care s` intre [n contact direct cu fluidul � nu are obstruc\ii [n interior (introduce o pierdere de presiune minim` ]i are un

comportament bun relativ la fluidele cu impurit`\i) � sensibil la ]ocuri ]i vibra\ii (exist` condi\ii stricte de montaj: pe un suport greu,

pentru a minimiza aceste influen\e) � scump. 5.11. Debitmetre termice

Func\ionrea debitmetrului termic se bazeaz` pe dezechilibrul termic creat de circula\ia fluidului (lichid sau gaz) printr-o conduct` [nc`lzit`.

Fig. 5.39 Debitmetrul termic

Exist` mai multe variante de amplasare a sursei de c`ldur` ]i a senzorilor de temperatur`:

- [n interiorul conductei: debitmetru cu senzor imersat (figura 5.40 – a) - [n exteriorul conductei: debitmetru cu tub (figura 5.40 – b) - pe o conduct` de by-pass: debitmetru cu by-pass (figura 5.40 – c)

(a) cu senzor imersat (b) cu tub exterior (c) cu by-pass

Fig. 5.40 Debitmetru termic

Debitmetrul cu senzor imersat (figura 5.40 – a) asigur` cel mai bun ]i rapid schimb de c`ldur` cu fluidul, dar are dezavantajul c` at@t sursa de c`ldur` c@t ]i senzorii de temperatur` intr` [n contact direct cu fluidul. Debitmetrul cu tub exterior (figura 5.40 – b) a fost dezvoltat pentru a proteja [nc`lzitorul ]i senzorii de temperatur` de ac\iunea coroziv` a fluidelor ]i a depunerilor de impurit`\i. In aceast` variant`, sursa de c`ldur` ]i senzorii de temperatur` sunt [n afara conductei ]i nu mai intr` [n contact direct cu fluidul.

debit surs` de c`ldur`

senzor de temperatur`

senzor de temperatur`

T1 T2 Q

T2– T1

Q

Q

T2

T1

Aparatul cuprinde urm`toarele elemente principale (figura 5.39): • o surs` de c`ldur`: o rezisten\` [nc`lzit`

electric • doi senzori de temperatur` (cu rezisten\`

metalic`): care m`soar` temperatura [n dou` puncte ale fluidului, amonte ]i aval de [nc`lzitor .


C`ldura este introdus` [n proces printr-un tub din jurul conductei. Senzorii de temperatur` sunt amplasa\i pe peretele exterior al conductei: un senzor se amplaseaz` amonte de tubul [nc`lzit, iar cel`lalt [n imediata vecin`tate a acestuia. Amplasarea senzorilor de temperatur` [n afara conductei are dou` inconveniente: timp de r`spuns mai lung ]i rela\ie neliniar` [ntre debit ]i diferen\a de temperatur`. Debitmetrul cu by-pass (figura 5.40 – c) face posibil` utilizarea aparatului pentru conducte cu diametru mare, [n condi\iile unui consum minim de energie, dar ]i a unui timp de reac\ie mai mare. Pentru o func\ionare corect`, aparatul necesit` filtre (pentru a nu se [nfunda tubul de m`sur`) ]i o pierdere mare de presiune pentru a asigura o curgere laminar` (pentru aceasta se monteaz` [n paralel cu o rezisten\` local` din fluxul principal de fluid). Avantaje ]i limit`ri: � se utilizeaz` mai ales pentru gaze, dar se poate folosi ]i pentru lichide � asigur` o m`sur` direct` a debitului masic � valoarea m`surat` nu depinde de parametrii fluidului � nu are piese [n mi]care ]i nu introduce pierderi de presiune [n proces � precizie mic`, ieftin � montaj ]i [ntre\inere u]oar` � surse erori de m`sur`: condensarea gazelor/depunerile de material pe senzorii

de temperatur`, modificarea compozi\iei fluidului (cp).

5.11.1. Debitmetru prin conduc\ie termic`

Prin intermediul unei surse de c`ldur` se introduce [n debitul de fluid Dm o cantitate de c`ldur` Q :

tcDQ pm ∆= [W] (5.22)

unde: Dm – debitul masic [kg/s]

cp – c`ldura specific` la presiune constant` [kJ/kg/ºC]

∆t – cre]terea de temperatur` a fluidului [ºC]


� Debitmetru cu [nc`lzire constant` simetric` Sursa de c`ldur` se amplaseeaz` [n mijlocul conductei, astfel [nc@t s` realizeze un profil de temperatur` simetric pentru debit nul (figura 5.41). Apari\ia debitului provoac` o sc`dere de temperatur` amonte ]i o cre]tere de temperatur` aval de surs`. Diferen\a de temperatur` generat` este propor\ional` cu debitul. Aceasta se m`soar` cu doi senzori amplasa\i simetric fa\` de sursa de c`ldur`.

M`surarea debitului

145

Fig. 5.41 Debitmetru termic – profilul de temperaturi

� Debitmetru cu [nc`lzire constant` asimetric` In fluxul de mas` se introduce o cantitate constant` ]i cunoscut` de c`ldur`, care duce la [nc`lzirea local` fluidului. Aceeast` [nc`lzire local` se m`soar` cu ajutorul celor doi senzori de temperatur` amplasa\i amonte ]i aval de surs`. In acest caz, senzorii nu mai sunt amplasa\i simetric fa\` de [nc`lzitor: un senzor este amplasat amonte, la o anumit` distan\` fa\` de [nc`lzitor, iar al doilea senzor este amplasat aval, [n imediata apropiere a [nc`lzitorului.

Debitul masic se rezult` din :

( )

iabilp

tcons

mTTc

QkD

var12

tan

−= (5.23)

unde: k – constanta aparatului

Debitmetru cu diferen\` de temperatur` constant`

Debitmetrul are aceea]i construc\ie ca ]i cel cu [nc`lzire constant` asimetric` sau simetric`. In aceeast` variant`, se men\ine constant` diferen\a de temperatur` ]i se m`soar` cantitatea de energie necesar` pentru aceasta. Debitul masic se rezult` din rela\ia (5.23).

5.11.2. Debitmetru prin convec\ie termic`

Principiul de func\ionare se bazeaz` pe transferul de c`ldur` prin convec\ie for\at` de la sursa de c`ldur` la fluidul [n curgere:

tSQ ∆⋅⋅= α (5.24)

unde: Q – cantitatea de c`ldur` [W]

S – suprafa\a [nc`lzitorului [m2]

∆t – diferen\a de temperatur` dintre [nc`lzitor ]i fluid [grd.C]

debit nul debit diferit de zero

temperatur`

direc\ia de curgere

surs` de c`ldur`


Pentru Re > 5000: tckDQ pm ∆= 8.0 (5.25)

Temperatura fluidului se m`soar` cu un senzor amplasat amonte, la o anumit` distan\` fa\` de [nc`lzitor. Temperatura fluidului [nc`lzit se m`soar` cu al doilea senzor, amplasat [n imediata apropiere a [nc`lzitorului. Debitmetrele prin convec\ie termic` se pot folosi pentru conducte cu diametru mare (deoarece m`soar` numai schimbul de c`ldur` de la suprafa\a [nc`lzitorului spre fluid), dar numai pentru curegere turbulent` cu Re >5000 ]i [n condi\iile unei precizii moderate. Exist` dou` variante de func\ionare:

o se impune Q ]i se determin` ∆t o se impune ∆t ]i se determin` Q.

5.12. Montarea debitmetrelor Regimul de curgere: Trebuie s` se evite perturbarea regimului de curgere (modificarea profilului de viteze). Pentru aceasta, se prev`d por\iuni drepte de conduct` amonte ]i aval. Op\ional, amonte se monteaz` dispozitive de liniarizare a curgerii (fig. 5.42)

Fig. 5.42 Dispozitiv de liniarizare a curgerii Debitmetre monodirec\ionale: Pentru m`surarea debitelor bidirec\ionale cu debitmetre unidirec\ionale, se utilizeaz` montajul din figura 5.43.

Fig. 5.43 Utilizarea debitmetrelor monodirec\ionale pentru debite bidirec\ionale

V3

D V1

VR V2 V4

V3

D V1

VR V2 V4

Documents

Masurarea Debitelor.pdf