7. Monitorovanie a meranie vody

7. MONITOROVANIE A MERANIE PRIETOKOV 7.1 Meranie prietoku Prietok potrubím alebo kanálom je definovaný ako objem tekutiny pretečenej za jednotku času. Pojmom tekutina spoločne označujeme kvapaliny, pary a plyny. Prietok predstavuje objem - objemový prietok QV, alebo hmotnosť – hmotnostný prietok QM tekutiny daným prietokovým prierezom (kolmým na smer prietoku ) za jednotku času. Senzory, snímače, meracie prevodníky alebo členy prietoku tekutín určujú objemové množstvo QV alebo hmotnostné množstvo QM pretekajúce zvoleným prierezom za jednotku času. Zo známej plochy prierezu S a strednej rýchlosti v možno určiť QV a QM podľa vzťahov:

[ 13V s.mS.v

tVQ −=

ΔΔ

= ] (7.1)

[ 1M s.kgS.v.

tMQ −ρ=

ΔΔ

= ] .......... (7.2)

Pri určení QV a QM z sa predpokladá znalosť a tiež stálosť mernej hmoty tekutiny ρ, pričom sa uplatní v oboch prípadoch závislosť strednej rýchlosti od typu prúdenia. Charakter prúdenia tekutiny sa mení podľa rýchlosti prúdenia, špecifickej hmotnosti tekutiny, viskozity tekutiny a charakteristického prierezu. Mechanický charakter prúdenia vzhľadom na viskozitu tekutiny (na základe teórie podobnosti) vystihuje tzv. Reynoldsovo [Re] číslo, ktoré relatívne (“neostro”) určuje druh prúdenia tekutín: a) Laminárny druh prúdenia – čiastočky tekutiny sa pohybujú po

dráhach, ktoré sa nekrížia, b) Turbulentný druh prúdenia – dochádza ku zmiešavacím

pohybom medzi jednotlivými čiastočkami. Pre prietok kruhovým potrubím je pri Re<2300 prietok laminárny, pri Re>6000 turbulentný a pri 2300<Re<6000 je prúdenie prechodné. V praxi, t.j. v technických zariadeniach vo všeobecnosti prevláda turbulentné prúdenie (väčšie rýchlosti, malé viskozity), pre ktoré je

108

7. Monitorovanie a meranie vody

charakteristicky lichobežníkový rýchlostný profil v potrubí s kruhovým prierezom. Pri časovo premennom prietoku platí pre okamžitý prietok:

dtdMq

dtdVq Mv == (7.3)

A pre pretečené množstvo tekutiny za určitý čas:

∫∫ ==2t

1tM

2t

1tV dtqMdtqV (7.4)

Pričom na realizáciu takéhoto merania sa používa integračný merací prístroj - merač prietoku. Pri meraní prietoku tekutín treba uvažovať stavové veličiny tekutiny v mieste merania. Za vzťažný stav plynov sa najčastejšie uvažuje tzv. normálny stav, t.j. pre:

( ) Pa10013,1p,K15,273C0T 500 ⋅=°= (7.5)

Potom pre suché plyny, ktoré so svojimi vlastnosťami blížia k ideálnemu plynu, platí:

Tp

pTVV

0

00 ⋅⋅= [nm3 – normálny m3] (7.6)

kde: V - meraný prietok suchého plynu, p [Pa] a T[K] - sú prevádzkové parametre tlaku a teploty plynu. Z uvedeného vyplýva, že na určenie referenčného prietoku tekutín QVo sa musia sledovať okrem vlastného prietoku pri prevádzkových parametroch QV aj hodnoty vplyvných parametrov, t.j. p,T. 7.2 Základné rozdelenie prietokomerov

109

a) rýchlostné meradlá – založené na meraní okamžitej rýchlosti prúdenia tekutiny. Prietok určujeme priamo meraním, alebo nepriamo výpočtom. Tieto prietokomery využívajú silový účinok prúdiacej tekutiny na odvaľovanie rotora s lopatkami alebo

7. Monitorovanie a meranie vody

ozubením. Rýchlosť otáčania je meradlom rýchlosti prúdiacej tekutiny a otáčky sú meradlom prietoku. Prevažne sa používajú ako vodomery a plynomery, obr.7.1.

Obr. 7.1: Vodomer

b) prierezové meradlá – nepriamo merajú objemový a hmotnostný

prietok škrtiacimi orgánmi. Využívajú dynamický účinok pretekajúcej tekutiny. Zúženým prierezom preteká tekutina vyššou rýchlosťou a menia sa jej stavové veličiny, napr. statický tlak. Indikátorom prietoku je rozdiel tlakov Δp pred a za škrtiacim orgánom, (obr.7.2).

Δp = ps1 - ps2 (7.7) Rozdiel tlakov Δp závisí od prietoku konštantným prierezom, pz je tlaková strata, vzniknutá prietokom škrtiacim orgánom. Medzi základné normalizované škrtiace orgány patria: dýzy, clony a Venturiho trubica. Všeobecný tvar rovnice pre objemový prietok je:

110

(7.8) ρ

⋅Δ⋅⋅ε⋅α=2p´SQv

Pre hmotnostný prietok platí:

7. Monitorovanie a meranie vody

p2´SQM Δ⋅ρ⋅⋅ε⋅α= (7.9)

kde: α – je celkový súčiniteľ prietoku, ε – súčiniteľ expanzie, pre nestlačiteľné tekutiny ε = 1, S´- najužší prierez škrtiaceho orgánu pri pracovnej teplote t. Zavedením pomerného zúženia m = S/S´, kde S je prierez potrubia pred škrtiacim orgánom prepočítaný na teplotu t, dostávame:

111

(7.10)

ρΔ

⋅⋅ε⋅α⋅=p2SmQ V

(7.11)

p2SmQM Δ⋅ρ⋅⋅ε⋅α⋅=

a) prietokomery, založené na zmene smeru prúdenia – využívajú to, že na zmenu smeru prúdenia treba na tekutinu pôsobiť silou, ktorú vyvoláva stena kanálu, v ktorej tekutina prúdi.

b) prietokomery iných sústav.

Obr. 7.2. Prietok so škrtiacim orgánom – tlakové pomery

7. Monitorovanie a meranie vody

112

7.3 Meranie prietokov tekutín v priemyselných prevádzkach Meranie prietoku tekutín (t.j. kvapalín a plynov) patrí k najčastejším činnostiam v oblasti merania procesných veličín v priemyselných prevádzkach (tlak, teplota, prietok, poloha atď.) a technológiách odpadových vôd. Nejde však len o merania prietokov určených pre automatizáciu procesov, či monitorovanie tekutinových pomerov systémoch, ale aj o produkčné merania vo výrobných prevádzkach a merania pre bezpečnostné účely týchto procesov. Meranie prietoku sa používa aj pri nepriamych meraniach niektorých dôležitých fyzikálnych a chemických veličín vo viacerých oblastiach environmentálneho inžinierstva. 7.3.1 Bezkontaktné prietokomery F L O - D A R Tento prietokomer predstavuje novú revolučnú metódu merania prietoku v otvorených kanáloch. Princíp merania je založený na kombinácií snímania rýchlosti prúdenia radarovými lúčmi a snímania výšky hladiny ultrazvukovou metódou, obr.7.3. Medzi výhody bezkontaktného merania nesporne patria: • vylúčenie znášania snímača usadeninami a nečistotami, • vylúčenie osadzovania obručí, snímačov a zavádzania káblov

do prietokovej plochy, a tým zasahovania do hydraulických podmienok,

• pri meraní prietoku agresívnych médií vylúčenie negatívneho vplyvu na senzor,

• inštalácia nevyžaduje vstup do kanála, • miestna kalibrácia nie je požadovaná, nakoľko radarové lúče

prechádzajú celým meraným profilom a softvérom, vyhodnotená rýchlosť zodpovedá medznej rýchlosti prúdenia,

• vhodnosť použitia pre všetky merania prietokov v nezatopených potrubiach,

• meranie prietokov prirodzených otvorených korýt - rieky, potoky. F L O - T R A C E R Prenosný prietokomer na meranie pretečeného množstva potokov, riek, závlahových kanálov, odpadových vôd, splaškov. Metóda merania je zrieďovacia metóda stopového prvku, ktorá je založená na meraní rozdielu koncentrácie vodivosti - salinity

7. Monitorovanie a meranie vody

113

meraného prúdu pod miestom dávkovania (merací bod musí byť zvolený v dostatočnej vzdialenosti zabezpečujúcej dôslednú homogenizáciu zmesi) a pôvodnej koncentrácie vodivosti meraného média. 7.3.2 Turbínkové prietokomery I R - O P F L O W Riešia problém merania okamžitého prietoku alebo celkového pretečeného množstva kvapalín a plynov. Sú určené na meranie neagresívnych a agresívnych kvapalín. Otáčky rotora sú snímané pomocou optického infrasenzora, dodávajúceho obdĺžnikový výstupný signál lineárne úmerný prietoku. Môžu pracovať v ľubovoľnej polohe a nepotrebujú "ukľudňovacie" potrubie pred vstupom a za výstupom. Vďaka materiálu, z ktorého sa tieto prietokomery vyrábajú sú zvlášť vhodné pre chemický a potravinársky priemysel a pre poľnohospodárstvo. CYCLONIC Princípom podobné turbínovým prietokomerom sú prietokomery CYCLONIC, v ktorých kvapalina pretekajúca hlavicou vytvára vír, ktorý unáša ľahký teflonový krúžok umiestnený v spodnej časti prietokomera. Nakoľko krúžok je uložený len v meracej kvapaline, nie je jeho pohyb ovplyvnený trením v ložiskách, a tým obmedzená presnosť merania. 7.3.3 Induktívne prietokomery COPA – XT (firmy Fisher &Porter) Vytváranie magnetického poľa je riadené pomocou špeciálneho riadiaceho okruhu priamo z mikroprocesora. Budiaca frekvencia je regulovaná od signálu prietoku. Snímanie prietoku sa uskutočňuje v konštantných časových intervaloch, obr.7.4.

7. Monitorovanie a meranie vody 7. Monitorovanie a meranie vody

Obr. 7.3 Bezkontaktný prietokomer FLO-DAR

114 114

7. Monitorovanie a meranie vody

115

M U L T I - M A G Prietokomer Multi-mag je určený na meranie prietokov v tlakových potrubiach. Prietokomer pozostáva z meracieho senzora vyhodnocovanej elektroniky. Senzor sa osadzuje do potrubia cez otvor prostredníctvom guľového ventilu. Guľový ventil je osadený na návarok na potrubí. Merací princíp je založený na elektromagnetickej indukcii. V sonde snímača sa nachádza 5 elektromagnetických cievok, ktoré vytvárajú elektromagnetické pole. Elektrické napätie, vytvorené pohybujúcim sa vodivým médiom je snímané elektródami. Konštrukcia senzora umožňuje merať homogénne kvapalné médium, neobsahujúce hrubé nečistoty. MAG –XM Tento oddelený prietokomer umožňuje lineárne a presné meranie prietoku nezávislé od profilu toku médiá (kvapalín, celulózy a kalov) s minimálnou vodivosťou. Poskytuje nasledovné možnosti: • automatická detekcia prázdneho potrubia, • separátne meranie priameho i spätného toku a ich sumarizácia. Poskytuje informácie o aktuálnom prietoku ako aj o celkovom pretečenom množstve od posledného vynulovania, zabudovaného počítadla prístroja. MagMaster Prietokomery MagMaster sú určené na meranie prietokov v elektricky vodivých kvapalinách v uzavretých rúrach, hoci vývoj v meraní v otvorených kanáloch ďalej pokračuje. Sú merané nízke hodnoty signálov, ktoré zodpovedajú priemernej rýchlosti kvapaliny v magnetickom poli. Na rozdiel od Venturiho prietokomerov je magnetický prietokomer zariadenie, ktoré meria skutočný objem rovnako presne a nezávisle od kvality vody. Tieto prietokomery sa používajú vo vodárenskom, potravinárskom, farmaceutickom priemysle, ako aj v technológiách odpadových vôd.

7. Monitorovanie a meranie vody

116

Obr. 7.4 Schéma induktívneho prietokomeru COPA – XT 7.3.4 Vírivé prietokomery V O R T E X - V M s uP-prevodníkom Tento vírivý prietokomer je určený na meranie množstva pary, plynov a kvapalín v širokej škále meracích rozsahov. Prevodník ponúka možnosť sledovať aktuálny prietok alebo hmotnostný tok. Pri korekcii od tlaku a teploty prevodník využíva priame vstupy z tlakomeru. Samotný snímač má jednoduchú konštrukciu napr. z nerezu, bez pohyblivých častí, neopotrebúva sa a nevyžaduje údržbu, obr.7.5. VENTURI-METER Pracuje na princípe diferenčných tlakov, kde zúženie trubice zapríčiňuje zvýšenie rýchlosti a preto pokles tlaku. Rozdielne tlaky vznikajú medzi prúdmi v hlavnej trubicovej časti v hrdle trubice. Tento rozdiel je funkciami prietoku, pomeru povrchov, geometrie hustoty a vnútornej drsnosti trubice. Venturi-meter je v skutočnosti zariadenie so zameraním na minimalizáciu trvalých tlakových strát a citlivé meranie prietoku.

7. Monitorovanie a meranie vody

117

Obr. 7.5 Vírivý prietokomer

7.3.5 Hmotnostné prietokomery Coriolisov hmotnostný prietokomer CMF Prietok hmoty meria priamo, a teda na rozdiel od objemových meradiel, nevyžaduje pri zmenách tlaku a teploty meranej tekutiny žiadne kompenzácie. To je najväčšia prednosť Coriolisovho prietokomeru, lebo hmotnosť, či už vyjadrená v jednotkách hmotnosti, alebo ako objem tekutiny za normálnych podmienok, je konečným požadovaným výsledkom vo väčšine prípadov merania prietoku. CMF má väčšinou dve vibrujúce trubice, ktoré sú vystavené účinku Coriolisovej sily, vznikajúcej pri prietoku média. Táto sila spôsobuje skrútenie trubíc, čo sa sníma pomocou detektorov. Fázový posun signálov, a z toho vyplývajúci časový rozdiel, zodpovedajú hmotnostnému prietoku tekutiny. V porovnaní s ostatnými typmi prietokomerov má CMF tú veľkú výhodu, že nevyžaduje ustálený rýchlostný profil prúdenia a teda ani žiadne rovné časti potrubia pred a za prietokomerom, žiadne usmerňovače prietoku ani filtre. E L I T E Umožňuje efektívne meranie prietoku plynov. Pri použití prietokomera na meranie prietoku plynov poskytuje prietokomer Elite

7. Monitorovanie a meranie vody

118

má ešte väčšie výhody ako pri meraní prietoku kvapalín. Hmotnostný prietok je meraný priamo, takže nemusí byť nainštalovaný: • snímač tlaku, • snímač teploty, • počítač prietoku. • chromatograf. Ak je ako výstup považovaný údaj v metroch kubických za čas, stačí podeliť nameraný hmotnostný prietok hustotou za normálnych podmienok. Presnosť merania nie je ovplyvňovaná ani hustotou ani viskozitou meraného plynu, a tak nedochádza k posunu kalibračného faktora, s ktorým sa stretávame pri iných typoch meradiel. Merať prietok plynov je omnoho náročnejšie ako merať prietok kvapalín, a to predovšetkým z dôvodu väčšej rýchlosti prúdenia médiá. Tieto prietokomery (firmy Micro Motion) sa používajú na prevádzkové a bilančné merania. Mnoho z nich bolo inštalovaných vo výdajných staniciach plynov a boli na toto použitie overené príslušnými metrologickými organizáciami. Bežne sa nimi meria prietok oxidu uhoľnatého, chlóru, dusíka, kyslíka, argónu, butánu, stlačeného vzduchu, etánu, etylénu, propánu, propylénu atď. 7.3.6 Plavákové prietokomery Jeden z najjednoduchších princípov merania prietoku je základom plavákových prietokomerov. Sú vhodné na meranie kvapalných aj plynných médií. K výhodám plavákových prietokomerov patrí robustná konštrukcia, malá tlaková strata, žiadne alebo malé nábehové trasy, nízke prevádzkové náklady, nízka cena. Časti, ktoré prichádzajú do styku s médiom sú buď z nereze, teflónu, skla alebo keramiky, obr.7.6. 7.3.7 Ultrazvukové prietokomery V súčasnosti predstavujú jednu z najmodernejších technológií merania rýchlosti prúdenia, resp. prietoku kvapalín v uzavretých tlakových nádobách. Tieto systémy možno výhodne použiť pre kontinuálne meranie prietoku bez fyzického narušenia prirodzeného charakteru prúdenia. V tlakových potrubiach sa dá úplne vylúčiť styk ultrazvukových snímačov s meraným médiom čo umožňuje bezkontaktné meranie aj silne agresívnych, toxických, prípadne ..............

7. Monitorovanie a meranie vody

Obr.7.6a Plavákové prietokomery

Obr.7.6b Plavákové prietokomery

119

7. Monitorovanie a meranie vody

Obr.7.6c Plavákové prietokomery sterilných médií bez nebezpečenstiev ich úniku prípadne kontaminácie. Na obr.7.7. je inteligentný ultrazvukový systém na meranie prietoku v uzatvorených kanáloch až priemeru 13 m a v otvorených kanáloch a žľaboch až do vzdialenosti 50 m. 7.4 Trendy v oblasti merania prietokov Súčasný trend vývoja prietokomerov je zameraný na princípy merania, ktoré nevyžadujú pohyblivé časti, nespôsobujú veľké straty v tekutinových obvodoch svojimi vnútornými odpormi a nevyžadujú zložitý vyhodnocovací systém. Všetky uvedené vlastnosti podporujú hlavne zlepšenie spoľahlivosti prietokomerov a predĺženie ich technického života. Najdôležitejší smer vývoja však charakterizujú riešenia, ktoré umožňujú merať priamo hmotnostný prietok, čiže meranie je nezávislé od tlaku, teploty, viskozity pretekajúcej látky. Meranie prietoku sa používa aj na meranie niektorých dôležitých procesných veličín, ako napr. pri meraní tepelného množstva. Pre výpočet tejto veličiny, ktorej význam v energetických bilanciách stále rastie, sa pri klasickom riešení meracieho systému merajú teploty v prívodnom a spätnom potrubí spolu s prietokom teplonosného média v systéme. Výsledná presnosť merania tepelného množstva závisí od presnosti merania prietoku určujúcim parametrom. Preto sa často

120

7. Monitorovanie a meranie vody

Q

Q

Q

Q

Q

H

Obr.7.7. Meranie: Prietok-hladina-poloha

prechádza od lacnejších prietokomerov (napr. lopatkových, turbínkových) k ultrazvukovým, alebo aj k novým princípom merania (napr. s tekutinovým oscilátorom vo forme tzv. fluidíkového prvku Grundfos). K meracím princípom, ktoré sa najčastejšie uplatňujú v komerčne vyrábaných meracích členoch pre malé a stredné prietoky, patria: • objemové, • rotametre, • turbínkové/lopatkové, • indukčné, • ultrazvukové. V súčasnosti sa však veľmi rýchlo rozširujú prietokomery typu Vortex (vírové), Coriolisové hmotnostné prietokomery a tepelné meracie členy hmotnostného prietoku.

121

7. Monitorovanie a meranie vody

7.5 PRIETOKOMERY na meranie malých a stredných prietokov.

Typ

Určenie

Rozsahy

Presnosť

Poruchové veličiny

Prevádzkové podmienky

Výhody

Nevýhody

Objemové najmä pre kvapaliny v priemysle

Kvapaliny: od 0÷1 do 0÷2000 l.h-1

0,3÷1% teplota médiá • meria priamo definované objemy, • vysoká presnosť.

• meranie Qv, • pohyblivé časti, • komplikovaný prevod na elektrický signál

(indukčný, optoelektronický atď.). Rotametre najmä pre laboratóriá,

v malom množstve aj priemyselné vyhotovenie

Kvapaliny: 0÷0,4 do 0÷1000 l.h-1, Plyny: 0÷0,16 do 0÷200 m 3.h-1

1÷2 % odchýlka od zvislej polohy, teplota média

• univerzálnosť, • široký rozsah cez výmenu trubíc

a teliesok.

• meranie Qv, • komplikovaný prevod na elektrický signál

(indukčný princíp, magnetická spojka).

Turbínkové a lopatkové

turbínové – pre náročnejšie požiadavky, lopatkové pre bežné požiadavky.

Kvapaliny: 0÷0,4 do 3.106 m 2s-1, Plyny: do 0,2 kg.m-3

turbínové 1%, lopatkové 3÷5%,

odpor proti pohybu v ložiskách, teplota v médiách

tlak do 250 MPa, teplota do –200÷700°C, svetlosť 3÷1000 mm

• nízke náklady, najmä lopatkové • meranie Qv, • dvoj až trojnásobná nepresnosť pre

prietoky do 10÷15% z rozsahu, predpísaná viskozita alebo merná hmotnosť média.

Indukčné

kvapaliny, pre náročné podmienky

do 20 m 3 .s-1, rýchlosť 0,5÷50 m.s –1,

menšia ako 1%,

• bez pohyblivých častí, • malý vnútorný odpor, • nezávislosť merania pri malých

zmenách p a T média,

• meranie Qv, • vodivá kvapalina, • vyššie náklady.

Ultrazvukové kvapaliny, plyny, vyššie požiadavky na presnosť, prenosné vyhotovenia

1÷12 m. s –1 do 1%, svetlosť 3÷2000 mm • bez pohyblivých častí, • malý vnútorný odpor • pre silne znečistené kvapaliny, • agresívne kvapaliny, • roztavené kovy

• meranie Qv, • vyššie náklady.

VORTEX (vírové, Karmánov vírový

princíp)

stredné až veľké prietoky, plyny, pary

Kvapaliny: m 3 40÷400 h –1,

Plyny: 600 m 160÷1

Para: 3 h –1,

390÷3400 m 3 .h –1

od 0,5÷2% bez driftu

svetlosť 25÷200 mm • bez pohyblivých častí, • malý vnútorný odpor • SMART vyhotovenie

• meranie Qv, obtiažny prevod na elektrický signál.

Coriolisov hmotnostný

kvapaliny, plyny.

od 0÷0,05 do 0÷18000 kg. min –1,

0,4÷ 5%, tlak do 3 MPa, teplota do -200÷200° C

• meria priamo hmotnostný prietok,

• nie sú potrebné korekcie na p a T

• vyššie náklady

Tepelné h é motnostn

kvapaliny, plyny.

od 0,003÷30 l.min –1 • meria priamo hmotnostný prietok, na p, T

• nie sú potrebné korekcie

• vyššie náklady

Kapilára veľmi malé prietoky, a priemyselne sa nevyráb

podľa štrukcie kon

priemer kapiláry, teplota média.

• jednoduchá konštrukcia • meranie Qv, trata. • veľká trvalá s

Termoanemometer dynamicky sa meniace prietoky, malé prierezy a otvorené priestranstvá, vyrába firma DISA (Dánsko)

rýchlosť prostredia od 100 mm.s –1 do 100 m.s –1

od konštrukcie od 1÷5 %,

teplota média, nestabilné elektrické parametre.

• miniatúrne prietokové prierez• rýchlostné profily vo väčších

prierezoch

y, • meranie Qv, • nákladná aparatúra, • častá porucha – prepálenie odporového

drôtika, • zdĺhavé zriaďovanie.

122

7. Monitorovanie a meranie vody

123