ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

Mjerenje razine i protoka

Senzori- za mjerenje temperature- za mjerenje tlaka

15.10.2010.

2

Predavanje 5 - EAP

Mjerenje razine

Mjerenje protoka

15.10.2010.

3

Predavanje 5 - EAP

Plivajući mehanizmi

• Razina se preko plovka pretvara u linearni ili kutni pomak, koji se različitim postupcima pretvara u električni signal, (npr. potenciometarski).

h = k x ili h = k φ• Specifična gustoća plovka mora biti

manja od specifične gustoće tekućine.• Mjerenje tekućine može biti diskretno,

tj. potrebno je detektirati točno određenu razinu. U tom slučaju plovak može mehanički aktivirati kontaktni prekidač ili se u njega ugrađuje magnet koji kod određene razine uključuje magnetsku sklopku, npr. tzv. “reed relej”.

15.10.2010.

4

Predavanje 5 - EAP

x

h

φ

h

plovak

reed relej

magnet

Cijev-vodilica

plovak

Uzgonski mehanizmi

• Prema Arhimedovu zakonu tijelo (ronilo) uronjeno u tekućinu gubi na težini, tj. javlja se uzgonska sila (FU). Za poprečni presjek S i visinu ronila b uzgonska sila je:

gdje su ρA i ρt specifične težine zraka, odnosno tekućine.

• Sila teže, tj. težina ronila je:

gdje je m masa ronila, a ρR njegova specifična težina. 5

Predavanje 5 - EAP

F gSa gS b a gSaU t A t ( )

F gm gSbG R

h

FG

FU

b

a

ρt

ρR

ρA

FR

Mjerenje sile

15.10.2010.

Uzgonski mehanizmi

• Razlika sile teže i uzgonske sile je:

• Mjerenjem sile FR može se odrediti razina (h) iz visine uronjenosti ronila:

• Da bi ronilo uronilo u tekućinu treba vrijediti: ρR ρt

6

Predavanje 5 - EAP

h

FG

FU

b

a

ρt

ρR

ρA

FR

Mjerenje sile

F F F gS b aR G U R t ( )

agSb F

gSR R

t

15.10.2010.

Hidrostatski mjerni uređaji

• Hidrostatski tlak na dnu tanka s tekućinom jest: , gdje je p0 atmosferski tlak.

• Razina se određuje iz razlike tlakova:

gdje je g gravitacijska konstanta, a ρt specifična težina tekućine.

• Hidrostatski mjerni uređaji često se spajaju prema konfiguraciji na desnom dijelu slike, pa se mjerenjem razlike tlakova određuje razina.

7

Predavanje 5 - EAP

p p g ht 0

hp p

g t

0

h

p0

p

Δp = p – p0 = k h

Δp

p

15.10.2010.

Hidrostatski mjerni uređaji

• Drugi način mjerenja je da se hidrostatska sonda uroni na dno posude (na lijevom dijelu slike), pa se, uz poznavanje atmosferskog tlaka, mjerenjem tlaka tekućine na dnu posude određuje razina tekućine u posudi.

8

Predavanje 5 - EAP

h

p0

p

Δp = p – p0 = k h

Δp

p

15.10.2010.

Hidrostatski mjerni uređaji - Primjer - proizvođač SIEMENS, tip SITRANS P

9

Predavanje 5 - EAP 15.10.2010.

Kapacitivni mjerni uređaji

• Kapacitivni mjerni uređaji razine koriste cilindrični kondenzator s rešetkastom vanjskom elektrodom koji je uronjen u dialektričnu tekućinu kojoj se mjeri razina.

• Kapacitet cilindričnog kondenzatora bez tekućine je:

gdje su r1 i r2 unutrašnji, odnosno vanjski polumjer cilindričnog kondenzatora.

11

Predavanje 5 - EAP

ε1

ε2h

LCr

r

L01

2

1

2

ln

15.10.2010.

Kapacitivni mjerni uređaji

• Kapacitet cilindričnog kondenzatora uronjenog u tekućinu je:

gdje su ε1 i ε2 dialektrične konstante zraka, odnosno tekućine.

12

Predavanje 5 - EAP

ε1

ε2h

L

C Ch

L

0

2

1

1 1

15.10.2010.

Ultrazvučni mjerni uređaji

• Danas se ultrazvučni mjerni uređaji najviše primjenjuju za mjerenje razine zbog zadovoljavajuće točnosti, jednostavne ugradnje i otpornosti na utjecaj okoline (temperatura, vlaga, onečišćenje).

• Princip rada temelji se na slanju ultrazvučnih signala iz odašiljača (kristal) prema površini kojoj se mjeri razina (tekućina, rasuti materijal).

• Valovi se odbijaju od mjerene površine i vraćaju do prijamnika (kristal).

• Mjerenjem vremena (t) za koji signal prođe od odašiljača do prijamnika, uz poznavanje brzine signala (va,) određuje se udaljenost senzora od razine (D), tj. sama razina (h) u spremniku. 14

Predavanje 5 - EAP

Dv ta2

D

h

Odašiljač/prijamnik

15.10.2010.


• Da bi se povećala točnost određivanja brzine signala kroz zrak mora se uzeti u obzir i njena ovisnost o temperaturi zraka prema izrazu:

gdje su v0 brzina signala pri 00C , a va brzina signala pri temperaturi zraka [0C].

15

Predavanje 5 - EAP

Dv ta2

D

h

Odašiljač/prijamnik

v va 0 1273

15.10.2010.


• Prvi ultrazvučni mjerni uređaji razvili su se za medicinske primjene, zbog velikih ulaganja u njihovo istraživanje i razvoj, a osim toga propagacija zvučnih signala 100 puta je lakša kroz ljudsko tkivo nego kroz zrak.

• Uobičajeni mjerni uređaji za mjerenje razine koriste piezokeramičke kristale tipa PZT-4 i PZT-5, s frekvencijskim rasponom od 5,5 kHz do 200 kHz.

• Vlaga, para i zagađenost imaju značajan utjecaj na apsorpciju akustičke energije koja se pretvara u toplinu. Ti su gubici značajniji na višim frekvencijama, pa na tim frekvencijama uređaji imaju manji raspon mjerenja, nego uređaji koji rade u području od 7 do 25 kHz.

16



• Točnost ultrazvučnih uređaja za mjerenje razine tekućine (npr. nafte) može biti ±0,1mm za mjerno područje 15 m.

• Snop ultrazvučnih zraka uređaja je stožastog oblika s kutom nagiba od 70 do 140.

• Različita je ultrazvučna refleksija za tekućine, prah (npr. brašno) i čvrste zrnaste tvari (npr. šljunak, žitarice), pa se vrsta tvari mora uzeti u obzir pri kalibraciji mjernog uređaja.

• Tekućine su najpogodnije za točno određivanje razine, a zrnasti materijali su porozni za ultrazvučne zrake, pa je reflektirani signal složen i mjerni uređaj određuje srednji iznos razine.

17


Radarski mjerni uređaji

19

Predavanje 5 - EAP

Primjer: proizvođač SIEMENS, tip SITRANS LR

• Radarski mjerni uređaji rade na sličnom principu kao i ultrazvučni, ali frekvencija elektromagnetskih valova je značajno veća i iznosi između 5 - 10 GHz.

15.10.2010.

• Uređaj za mjerenje protoka mjeri protok fluida koji se giba u zatvorenom ili otvorenom vodu.

• Brzina čestica fluida kroz neki presjek A nije konstantna pa se promatra njena srednja vrijednost:

• Volumni protok kroz presjek A je:

• Ako se pozna gustoća medija može se odrediti maseni protok:

gdje je ρ – specifična gustoća fluida

20

Predavanje 5 - EAP

vv dAAA

Q Av v dA m sA AA

; /3

Q Q kg smA A ; /

A

v1

v2

v3

vn

15.10.2010.

Prigušnica – metoda diferencijalnog tlaka

• Uređaj za mjerenje protoka mjeri protok fluida koji se giba u zatvorenom ili otvorenom vodu.

• Metoda se temelji na Bernoulli-jevoj jednadžbi za mirne i neviskozne protoke nestlačivih fluida, na temelju koje se za gornju konfiguraciju može napisati:

• Diferencijalni tlak je:21

Predavanje 5 - EAP

p p p v v 1 2 22

12

2( )

pv

pv

konst112

222

2 2 .

A1

A2

v2v1

p1

p2

Δp

15.10.2010.

• Iz jednadžbe kontinuiteta slijedi da je u stacionarnom stanju protok jednak kroz oba presjeka:

iz čega slijedi:

• Uvrštavanjem izraza za v1 u izraz za diferencijalni tlak dobiva se:

• Brzina fluida u manjem presjeku je:

• Volumni protok jednak je:

• Konstanta ξ određuje se kalibracijskim postupkom.22

Predavanje 5 - EAP

Q A v A v 1 1 2 2v v

A

A1 22

1

p vA

A

2

122 2

2

12

vA

A

p p2

22

12

1

1

2

Q A v A p 2 2 2

15.10.2010.

• Ovisnost protoka o diferencijalnom tlaku je korjenska, što znači da se za određivanje protoka iz signala Δp treba izračunati njegov drugi korijen. Danas se to radi pomoću mikroprocesora.

• Prednost ove metode je korištenje standardnih osjetila tlaka (jednog diferencijalnog ili dva apsolutna), a mana je promjena presjeka cijevi.

23

Predavanje 5 - EAP

Q p

Δp

Q

~

15.10.2010.

• U - cijev

• Razlika visina stupca medija u U-cijevi (h) proporcionalna je razlici tlakova, tj. protoku kroz cijev.

• Protok se očitava samo vizuelno.

24

Predavanje 5 - EAP

p1

p2

h~Δp=p1-p2

15.10.2010.

• U – cijev Primjer – firma PRESO

25


• Termoanometar – mjerenje protoka prijenosom topline

• Moguće su dvije varijante termoanometra: - s zasebnim grijačem (kao na slici)- bez grijača, senzor Rs je samogrijući

• Termometar R0 mjeri temperaturu medija (voda, para, plin) T0 koja ne ovisi značajno o brzini medija.

• Grijačem, koji se napaja konstantnom snagom, zagrijava se medij u okolišu termometra RS.. Ovisno o brzini medija, više ili manje topline se odvede s grijača, pa je temperatura medija u okolišu termometra Rs ovisna o brzini medija, tj. njegovu protoku.

26

Predavanje 5 - EAP

R0RS

grijač

Otpornički termometri

v

T0

TS

R0

RS

R1

R2

U0

Uiz

15.10.2010.

• Termoanometar – mjerenje protoka prijenosom topline

• Protok se dobije u funkciji razlike otpora RS i R0, tj. temperatura TS i T0.

• Na slici je prikazan mogući spoj grijača i otporničkih termometara, pri čemu je izlazni napon (Uiz) proporcionalan protoku.

27

Predavanje 5 - EAP

R0RS

grijač

Otpornički termometri

v

T0

TS

R0

RS

R1

R2

U0

Uiz

15.10.2010.

• Ultrazvučni mjerni sustavi

• Osnovne značajke ultrazvučnih mjernih sustava već su prije prikazane , kada je opisana njihova primjena kod mjerenja udaljenosti.

• Ultrazvučni valovi predstavljaju valove na frekvencijama višim od pojasa čujnosti čovječjeg uha, a to su frekvencije iznad 18 kHz.

• Ultrazvučne valovi imaju manju valnu duljinu od niskofrekvencijskih valova i lakše ih je usmjeriti. To je važno kod mjerenja malih debljina i određivanja protoka.

• Ultrazvučni mjerni uređaji su pogodni za mjerenje protoka kiselina ili otopina koji djeluju korozivno na metale. Budući da ultrazvučni valovi jednostavno prolaze kroz metale, mjerna oprema se može ugraditi i izvan fluida.

30


• Ultrazvučni mjerni sustavi

• Svaki ultrazvučni mjerni sustav sastoji se u osnovi od ultrazvučnog odašiljača, prijenosnog medija i ultrazvučnog prijamnika.

• Najčešće korišteni uređaji za ultrazvučne odašiljače i prijamnike su piezoelektrički osjetilni elementi.

31


• Mjerenje protoka na temelju mjerenja vremena tranzicije ultrazvučnog vala između dva kristala

• Kristali A i B ugrađuju se na suprotne strane cjevovoda, a svaki se može koristiti kao odašiljač i prijamnik ultrazvučnih valova.

• Brzina propagacije vala različita je za oba smjera propagacije (A B; B A), budući da se brzina dobije kao vektorska suma brzine zvuka kroz mirujući fluid (c) i brzine fluida (v).

32

Predavanje 5 - EAP

Odašiljač / prijamnik

Θv D


L

A

B

15.10.2010.


• Vrijeme propagacije zvuka između kristala A i B:

• Predznak + odnosi se na vrijeme kada zvuk putuje od kristala B prema A (veća brzina), a predznak - za smjer zvuka od A prema B (manja brzina).

• Kako bi se smanjio šum, tj. povećala točnost, za mjerenje protoka koristi se razlika vremena propagacije (ΔT), a to znači da oba kristala prvo rade kao odašiljači, a zatim kao prijamnici.

33

Predavanje 5 - EAP


Θv D


L

A

B

TL

c v

cos

15.10.2010.


Razlika vremena propagacije:

jer je c puno veći od v•cosΘ.

34

Predavanje 5 - EAP


Θv D


L

A

B

T

L v

c v

L v

c

2 22 2 2

cos

cos

cos

15.10.2010.

• Ultrazvučno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta

• Kada se zvuk konstantne frekvencije reflektira od gibajućeg objekta reflektirani signal ima različitu frekvenciju od poslanog signala (Dopplerov efekt).

• Dopplerov efekt koristi se za mjerenje protoka fluida. Uređaj radi na principu da se odaslani signali odašiljača frekvencije f reflektiraju frekvencijom f ’ od pomičnih mjehurića ili čestica u fluidu natrag prema prijamniku.

35

Predavanje 5 - EAP

ff ’

OdašiljačPrijamnik

Θv D

15.10.2010.

• Ultrazvučno mjerenje protoka na temelju Dopplerova efekta

• Ako se čestice gibaju brzinom tekućine, Dopplerova promjena frekvencije proporcionalna je iznosu protoka.

• Odašiljač šalje konstantni signal frekvencije od 0,5 do 10 MHz , brzine c i pod kutem Θ u odnosu na smjer gibanja tekućine.

• Dopplerov mjerač protoka relativno je jeftin, ali ne tako precizan kao mjerač koji mjeri vrijeme tranzicije između dva kristala postavljena na suprotnim stranama cjevovoda.

36

Predavanje 5 - EAP

ff ’

OdašiljačPrijamnik

Θv D

15.10.2010.

• Industrijska primjena ultrazvučnih mjerača protoka

• Industrijski ultrazvučni mjerni uređaji protoka sastoje se od dva ili više pretvornika (kristala) koji su trajno instalirani na cijev.

• Postoji veliki broj načina ugradnje pretvornika pri čemu je potrebno poznavati promjer, debljinu i konfiguraciju cjevovoda, te materijal od kojeg je načinjen cjevovod.

• Zbog kvalitetne kalibracije, kod ugradnje Dopplerovih mjernih uređaja potrebno je specificirati sve karakteristike tekućine.

38


• Industrijska primjena ultrazvučnih mjerača protoka

• Budući da kvaliteta mjerenja ovisi o kompaktnosti ulaska ultrazvučnih valova u tekućinu, nije poželjno uređaje instalirati na cijevi od materijala koji rasipaju valove (keramika, beton, porozni metali).

• Na slici su prikazane minimalne duljine ravnog dijela cjevovoda u odnosu na promjer (D) za različite konfiguracije, a koje su nužne da bi protok kroz mjerni uređaja bio kontinuiran i točnost mjerenja bolja od 1%.

39

Predavanje 5 - EAP

5xD10xD

5xD20xD

Protok

5xD25xD

5xD50xD

5xD50xD

Protok Protok

15.10.2010.

• Ultrazvučni mjerači protoka - Primjer – firma SIEMENS – tip SITRANS F US

40


• Elektromagnetsko mjerenje protoka

• Elektromagnetski uređaji za mjerenje protoka koriste se za mjerenje protoka električki vodljivih tekućina (npr. kiseline).

• Princip rada se zasniva na Faradey-evom zakonu magnetske indukcije, s razlikom da se umjesto vodiča u magnetskom polju giba vodljiva tekućina.

• Os postavljanja elektroda (os y) okomita je na smjer gibanja tekućine (os z) i na smjer indukcije (os x).

41

Predavanje 5 - EAP

Q

B

v

elektrode

xy

z

e

D

15.10.2010.

• Elektromagnetsko mjerenje protoka

• Inducirana elektromotorna sila između elektroda je: e = k D B v, gdje je: D - udaljenost između elektroda, B – magnetska indukcija, v – srednja brzina gibanja tekućine, k – konstanta koja se određuje kalibracijom.

• Volumni protok je:

• Magnetski se tok može stvoriti istosmjernim ili izmjeničnim elektromagnetom, kao i permanentnim magnetima.

42

Predavanje 5 - EAP

Q

B

v

elektrode

xy

z

e

D

Q S vD e

k D BK e

2

4

15.10.2010.

• Turbinski mjerni uređaji

• Turbinski mjerni uređaj protoka ugrađuje se unutar same cijevi i okreće se uslijed strujanja fluida.

• Broj okretaja turbine u sekundi (f) proporcionalan je volumnom protoku (Q), tako da se mjerenjem frekvencije vrtnje dobiva iznos protoka.

• Turbinski mjerni uređaj često se koristi za mjerenje ukupnog volumena tekućine, npr. ukupni utrošak neke tekućine u nekom periodu T je:

, gdje je N ukupni broj okretaja turbine za vrijeme T.

44

Predavanje 5 - EAP

V Qdt k NT

0

15.10.2010.

• Turbinski mjerni uređaji

• Turbinski mjerni uređaj koristi se, između ostalog, za mjerenje utroška vode u domaćinstvima i industrijskim postrojenjima.

• Ovi uređaji imaju zadovoljavajuću točnost kada je protok u granicama od 10% do 100% maksimalne vrijednosti, a ona iznosi ±0,5%.

• Pri mjerenju protoka ispod 10% maksimalne vrijednosti, trenje osovine i tekućine postaje značajno, odnos između Q i f postaje nelinearan, pa se pogreška povećava.

45


• Turbinski mjerni uređaji – izvedbe

46


ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA

Documents

Transcript of ELEMENTI AUTOMATIZACIJE POSTROJENJA