Průtokoměr je zařízení, které měří objemový průtok nebo hmotnostní průtok látky, to znamená množství látky (objem, hmotnost) procházející daným úsekem průtoku, například úsekem potrubí za jednotku času. Pokud má zařízení integrační zařízení ( měřič ) a slouží k současnému měření množství látky, pak se nazývá průtokoměr.
Rychloběžná počítadla jsou konstruována tak, že kapalina protékající komorou zařízení otáčí zvlákňovačem nebo oběžným kolem, jehož úhlová rychlost je úměrná průtoku, a tedy i průtoku.
Kapalina nebo plyn vstupující do zařízení se měří v samostatných dávkách se stejným objemem, které se pak sečtou. Plynoměry na tomto principu se často nacházejí v každodenním životě.
Klasifikace objemových měřičůV závislosti na konstrukci a typu pohybu pracovního těla se dělí na:
Snad nejjednodušší způsob, jak měřit průtok, je použít nějakou nádobu a stopky. Proud kapaliny je směrován do určité nádoby a čas plnění této nádoby je zaznamenáván pomocí stopek. Znáte-li objem nádoby a vydělíte jej dobou plnění, můžete zjistit průtok kapaliny. Tato metoda zahrnuje přerušení normálního toku toku, ale může poskytnout nepřekonatelnou přesnost měření. Široce používán ve zkušebních a kalibračních laboratořích.
Oblast použití válečkových průtokoměrů je velmi široká: měření průtoku na zkušebních stolicích, v hydraulických pohonech obráběcích strojů a technologických zařízení, na stacionárních i mobilních čerpacích stanicích benzínu a oleje, v palivových systémech karburátorových a dieselových motorů automobilů, traktory, stavební a silniční, zemědělské, dřevorubecké stroje, dieselové lokomotivy a lodě, jako výdejní stojany při plnění cisteren, železničních cisteren, cisteren.
Průtokoměr je vybaven vestavěným elektronickým senzorem a programovatelným mikroprocesorovým zařízením s displejem z tekutých krystalů. Elektronika průtokoměru má autonomní napájení na 3 - 5 let a zaplombovaný výstup na sekundární elektronické zařízení nebo počítač, který řídí dávkovací mechanismy. Pro metrologické aplikace nebo při požadavku na vysoce přesná měření v technologických procesech je průtokoměr vybaven snímačem s vysokým rozlišením (až zlomky cm 3 ).
Průtokoměr s oválným ozubením byl poprvé vynalezen společností Bopp & Reuther (Německo) v roce 1932.
Měřicí prvek se skládá ze dvou ozubených kol oválného tvaru. Proudící kapalina otáčí těmito ozubenými koly. S každou otáčkou dvojice oválných kol projde zařízením přesně definované množství kapaliny. Odečtením počtu otáček můžete přesně určit, kolik kapaliny zařízením proteče.
Tyto průtokoměry se vyznačují vysokou přesností, spolehlivostí a jednoduchostí, díky čemuž jsou vhodné pro vysokoteplotní a vysokotlaké kapaliny. Charakteristickým rysem průtokoměrů s oválnými převody je možnost jejich použití pro kapaliny s vysokou viskozitou (topný olej, bitumen).
V objemových hydraulických pohonných systémech se pro měření objemového průtoku pracovní kapaliny používají objemové hydraulické stroje (zpravidla ozubené nebo axiálně plunžrové hydraulické stroje).
Objemový hydraulický stroj v tomto případě funguje jako hydromotor , ale bez zatížení hřídele. Potom lze objemový průtok hydraulickým strojem určit podle vzorce:
kde
Všimněte si, že objemový hydraulický stroj prochází celým průtokem kapaliny sám sebou, což pro objemový hydraulický pohon není obtížné kvůli nízkým průtokům.
Průtokoměry s proměnným tlakem jsou založeny na závislosti tlakového rozdílu vytvořeného konstrukcí průtokoměru na průtoku.
Jsou založeny na závislosti tlakové ztráty na zužovacím zařízení na rychlosti proudění, v důsledku čehož se část kinetické energie proudění přemění na potenciální energii.
Princip činnosti tohoto typu průtokoměrů je založen na Venturiho jevu . Venturiho průtokoměr omezuje průtok tekutiny v určitém zařízení, např. pomocí membrány a tlakových čidel nebo diferenčního tlakoměru měří tlakový rozdíl před určeným zařízením a přímo na zúžení. Tato metoda měření průtoku je široce používána při přepravě plynů potrubím a používá se již od římských dob .
Membrána je disk s průchozím otvorem vloženým do proudu. Kotoučová clona zužuje průtok a tlakový rozdíl měřený před a za clonou umožňuje určit rychlost proudění v proudu. Tento typ průtokoměru lze zhruba považovat za formu Venturiho měřiče, ale s vyššími energetickými ztrátami. Existují tři typy diskových membrán: koncentrické, excentrické a segmentové [2] [3] .
Průtokoměry s Pitotovou trubicí měří dynamický tlak v mrtvé
Znáte-li dynamický tlak, pomocí Bernoulliho rovnice můžete určit průtok, a tedy i objemový průtok (Q \u003d S * V, kde S je plocha průřezu průtoku, V je průměrná rychlost proudění).
Princip činnosti hydrodynamických průtokoměrů je založen na měření tlaku hnacího média, tzn. tlak působící na těleso umístěné v toku. Výhody hydrodynamických průtokoměrů jsou: konstrukční jednoduchost, spolehlivost a snadná údržba. Jednou z běžných aplikací je jejich použití jako indikátory průtoku pro kontaminaci kapalin a plynů.
Odstředivé průtokoměry jsou koleno na potrubí, které jej kryje po celém obvodu potrubí. Tlakové kohouty jsou umístěny v horní části na vnější a vnitřní stěně.
Princip činnosti odstředivých průtokoměrů je založen na skutečnosti, že při pohybu média po zakřivené části potrubí vznikají odstředivé síly, které vytvářejí tlakový rozdíl mezi body s různými poloměry zakřivení. Z toho vyplývá, že tam, kde je zakřivení větší, je větší odstředivá síla a větší tlak na stěnu [1] .
Rotametry jsou určeny k měření průtoku čistých kapalin a plynů. Skládají se ze svislé kónické trubky z kovu, skla nebo plastu, ve které se nahoru a dolů volně pohybuje speciální plovák. Proud se pohybuje potrubím zdola nahoru, což způsobuje, že plovák stoupá na úroveň, kde jsou všechny působící síly v rovnováze. Na plovák působí tři síly:
Každému průtoku odpovídá určitý proměnný průřez v závislosti na tvaru kužele měřicí trubice a konkrétní poloze plováku. U skleněných kuželů lze průtok odečítat přímo ze stupnice na úrovni plováku. U kuželů z kovu se poloha plováku přenáší na displej pomocí systému magnetů - není potřeba žádné další napájení. Různých rozsahů měření je dosaženo rozmanitostí velikostí a tvarů kužele a také možností volby různých tvarů a materiálů plováku.
Optické průtokoměry využívají k určení průtoku světlo.
Malé částice, které jsou nevyhnutelně obsaženy v přírodních a průmyslových plynech, procházejí dvěma laserovými paprsky namířenými do proudu od zdroje. Laserové světlo se rozptyluje, když částice prochází prvním laserovým paprskem. Rozptýlený laserový paprsek vstupuje do fotodetektoru, který jako výsledek generuje elektrický pulzní signál. Pokud stejná částice překročí druhý laserový paprsek, pak rozptýlené laserové světlo vstoupí do druhého fotodetektoru, který generuje druhý pulzní elektrický signál. Měřením časového intervalu mezi těmito dvěma pulsy lze vypočítat rychlost plynu pomocí vzorce V = D / T, kde D je vzdálenost mezi dvěma laserovými paprsky a T je čas mezi dvěma pulsy. Při znalosti průtoku lze určit průtok (Q = S * V, kde S je plocha průřezu toku, V je průměrná rychlost toku).
Laserové průtokoměry měří rychlost částic, což je parametr, který je nezávislý na tepelné vodivosti , typu plynu nebo složení plynu. Laserová technologie umožňuje získat velmi přesná data i v případech, kdy jiné metody nelze použít nebo dávají velkou chybu: při vysokých teplotách, nízkých průtokech, vysokých tlacích, vysoké vlhkosti, vibracích potrubí a akustickém hluku.
Optické průtokoměry jsou schopny měřit rychlosti proudění od 0,1 m/s do více než 100 m/s.
Časově pulzní průtokoměry měří rozdíl v době průchodu ultrazvukové vlny ve směru a proti směru proudění tekutiny. Tento princip měření zajišťuje vysokou přesnost (± 1 %). Dobře však funguje pro čistý proud nebo proud s nízkým obsahem suspendovaných částic. Časově pulzní průtokoměry se používají k měření průtoku vyčištěné, mořské, odpadní vody, ropy včetně ropy, procesních kapalin, olejů, chemikálií a jakékoli homogenní kapaliny.
Princip činnosti ultrazvukových průtokoměrů je založen na měření rozdílu doby průchodu signálu. V tomto případě dva ultrazvukové senzory, umístěné diagonálně proti sobě, fungují střídavě jako vysílač a přijímač. Akustický signál generovaný střídavě oběma snímači se tedy zrychluje, když je směrován po proudu, a zpomaluje, když je směrován proti proudu. Časový rozdíl plynoucí z průchodu signálu měřicím kanálem v obou směrech je přímo úměrný průměrné rychlosti proudění, ze které lze následně vypočítat objemový průtok. A použití několika akustických kanálů umožňuje kompenzovat zkreslení v profilu proudění.
Dopplerův průtokoměr je založen na Dopplerově jevu. Funguje dobře se suspenzí, kde je koncentrace částic nad 100 ppm a velikost částic je větší než 100 um, ale koncentrace je menší než 10 %. Tyto kapalinoměry jsou lehčí a méně přesné (± 5 %) a levnější než měřiče s časovým impulsem.
Dalším nepříliš oblíbeným průtokoměrem je postkorelační ultrazvukový průtokoměr (cross-correlation). Odstraňuje nevýhody vlastní Dopplerovým průtokoměrům. Nejlépe fungují pro proudění tekutin s pevnými částicemi nebo turbulentní proudění plynu.
Již v roce 1832 se Michael Faraday pokusil určit rychlost řeky Temže měřením napětí indukovaného v proudění vody zemským magnetickým polem. Princip elektromagnetického měření průtoku je založen na Faradayově indukčním zákonu. Podle tohoto zákona vzniká napětí, když vodivá kapalina prochází magnetickým polem elektromagnetického průtokoměru. Toto napětí je úměrné průtoku média.
Indukované napětí je měřeno buď dvěma elektrodami v kontaktu s médiem nebo kapacitními elektrodami, které nejsou v kontaktu s médiem a jsou přenášeny do převodníku signálu. Převodník signálu zesiluje signál a převádí jej na standardní proudový signál (4-20 mA) i na pulzně frekvenční signál (např. jeden pulz na metr krychlový měřeného média prošlého měřicí trubicí). Princip činnosti elektromagnetických průtokoměrů je založen na interakci pohybující se elektricky vodivé kapaliny s magnetickým polem. Když se tekutina pohybuje v magnetickém poli, vzniká emf , jako ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli. Tento EMF je úměrný průtoku a průtok lze určit z průtoku.
Princip činnosti hmotnostních průtokoměrů je založen na Coriolisově jevu . Hmotnostní průtok kapalin a plynů lze vypočítat z deformace měřicí trubice působením proudění. Hustotu prostředí lze také vypočítat z rezonanční frekvence vibrační trubice. Výpočet Coriolisovy síly se provádí pomocí dvou cívek snímače. Při nepřítomnosti průtoku registrují oba snímače stejný sinusový signál. Při proudění působí Coriolisova síla na proudění částic média a deformuje měřicí trubici, což vede k fázovému posunu mezi signály snímače. Senzory měří fázový posun sinusových oscilací. Tento fázový posun je přímo úměrný hmotnostnímu toku.
Princip měření je založen na Karmanově vírovém street efektu. Za blafovým tělesem se tvoří víry opačného směru rotace. V měřicí trubici je vířič, za kterým dochází k tvorbě víru. Frekvence uvolňování víru je úměrná průtoku. Výsledné víry jsou zachycovány a počítány piezoelektrickým prvkem v primárním měniči jako rázové vlny. Vortexové měřiče jsou vhodné pro měření široké škály médií.
Používají se k měření průtoku v potrubí malého průměru od 0,5-2,0 do 100 mm. Pro měření průtoku v potrubí o velkém průměru se používají speciální typy termokonvekčních průtokoměrů:
Výhodou termokonvekčních průtokoměrů je neměnnost tepelné kapacity měřené látky při měření hmotnostního průtoku. Další výhodou je, že termokonvekční průtokoměry nemají kontakt s měřenou látkou. Nevýhodou obou průtokoměrů je jejich velká setrvačnost [4] .
U kalorimetrických průtokoměrů je průtok ohříván nebo chlazen externím zdrojem tepla, čímž vzniká teplotní rozdíl v průtoku, ze kterého se průtok určuje. Pokud zanedbáme tepelné ztráty z proudění stěnami potrubí do okolí, pak rovnice tepelné bilance mezi teplem generovaným ohřívačem a teplem předávaným do proudění má tvar:
,kde
Teplo je obvykle dodáváno do průtoku v kalorimetrických průtokoměrech elektrickými ohřívači, pro které:
,kde
Na základě těchto rovnic bude mít statická převodní charakteristika, která dává do vztahu teplotní rozdíl mezi snímači a hmotnostní průtok, tvar:
.Průtoková rychlost je určena určením rychlosti proudění skrz kanálovou sekci a rychlost je určena časem přenosu jakýchkoliv značek uměle zavedených do proudu nebo původně přítomných v proudu na známou vzdálenost.