Pomiar przepływu sprężonego powietrza

Dlaczego pomiar przepływu sprężonego powietrza jest tak ważny?

Ponieważ pozwala określić:

• wydajność sprężarek
• zużycie sprężonego powietrza
• wycieki powietrza spowodowane nieszczelnościami

Przepływ przepływowi nierówny

Terminem przepływ gazu można określić w zasadzie trzy różne wielkości:

• przepływ prędkościowy (m/s) – średnia prędkość przepływu mierzonego medium
• przepływ masowy (kg/s) – masa powietrza, która przepływa przez rurociąg w jednostce czasu
• przepływ objętościowy (m3/h) – objętość płynu, która przepływa przez rurociąg w jednostce czasu t.

Przepływ objętościowy jako miara wydajności sprężarki

Przepływ objętościowy znajdziemy w kartach katalogowych sprężarek i oznacza on w rzeczywistości wydajność urządzenia. W przypadku małych sprężarek stosuje się jednostkę l/min, dla dużych sprężarek jednostkę m3/h (1 m3 = 1 000 l). Na ilustracji widoczny jest fragment ekranu e-sklepu www.kompresory-vzduchotechnika.cz, gdzie przepływ objętościowy wyraża ilość powietrza zasysanego z atmosfery oraz ilość powietrza tłoczonego do zbiornika (wydajność napełniania).

Przepływ objętościowy pomaga nam również porównać wydajność poszczególnych sprężarek.
Możemy obliczyć wydajność jednostkową, Pspec – informuje nas ona, ile kW potrzeba do wytworzenia jednostkowego przepływu objętościowego 1 m3/min.

Uwaga na porównywanie przepływów objętościowych – ważna jest także temperatura, ciśnienie i miejsce pomiaru

Przepływy objętościowe powietrza możemy ze sobą porównywać tylko wtedy, gdy są odniesione do tego samego ciśnienia i tej samej temperatury. Dlatego musimy uważać, dla jakich warunków podana jest dana wartość przepływu.

Przeliczanie na warunki znormalizowane

Przepływy i ilości gazów można porównać tylko wtedy, gdy zostaną przeliczone na warunki znormalizowane (ciśnienie i temperatura). Stosowane są jednak dwie normy.

Warunki znormalizowane dla przepływu objętościowego:

Różnica między oboma przepływami przy dwóch różnych warunkach znormalizowanych wynosi 8,7%. Czy mierzysz przepływ objętościowy w warunkach, które znacznie odbiegają od znormalizowanych? Dopiero po przeliczeniu możesz wnioskować o ilości zasysanego gazu, zużytego gazu lub ilości gazu utraconego z powodu nieszczelności.

p = ciśnienie absolutne w barach, V = objętość, T = temperatura absolutna w K (temperatura absolutna w K = temperatura w °C + 274,15).

Właściwości gazów według równania

Ważną właściwością gazów jest to, że wraz ze wzrostem temperatury rośnie ich objętość – wykorzystuje się to np. w balonach na ogrzane powietrze. Najprościej opisuje te właściwości i wynikające z nich zachowanie gazów równanie gazu doskonałego:

p.V = m.R.T

gdzie p to ciśnienie, V to objętość, m to masa, R to stała gazowa, T to temperatura absolutna w K (temperatura absolutna w K = temperatura w °C + 274,15)

Z równania wynika, że objętość (mierzona np. w metrach sześciennych) i gęstość gazu będą się zmieniać wraz z ciśnieniem i temperaturą, ale jego masa (w kilogramach, funtach itp.) pozostanie bez zmian (zasada zachowania masy).

Co dzieje się podczas sprężania powietrza

Podczas sprężania rośnie ciśnienie i gęstość, a zmniejsza się objętość powietrza. Bez zmian pozostaje masa – dla niej obowiązuje zasada zachowania masy.

Masa powietrza pozostaje zatem taka sama. Co to oznacza dla pomiaru przepływu?

Na ilustracji widzimy różnicę między pomiarem masowym a objętościowym:

• Termiczny przepływomierz masowy określa przepływ na podstawie masy i zawsze pokaże tę samą wartość niezależnie od temperatury i ciśnienia.
• Przepływomierz łopatkowy mierzy prędkość przepływu, która jest przeliczana na przepływ objętościowy na podstawie średnicy rurociągu. Zmierzoną wartość należy przeliczyć na warunki znormalizowane.

Sposoby pomiaru przepływu

a) Przepływomierze masowe Zaletą tych przepływomierzy jest to, że mierzą bezpośrednio przepływ masowy niezależny od ciśnienia i temperatury, więc nie ma potrzeby niczego przeliczać. Termiczne przepływomierze masowe W strumieniu powietrza instaluje się czujnik składający się z dwóch rezystorów platynowych: R1 mierzy temperaturę gazu R2 jest podgrzewany w celu osiągnięcia stałej temperatury i jest chłodzony przez przepływający gaz Im większa potrzeba utrzymania stałej temperatury R2, tym większy jest przepływ masowy. Moc potrzebna do utrzymania elementu w tej temperaturze jest proporcjonalna do masowego natężenia przepływu gazu.

Przepływomierze kalorymetryczne W kanale obejściowym podgrzewanego przewodu mierzy się wzrost temperatury powietrza na odcinku między dwoma rezystancyjnymi czujnikami temperatury S1 i S2. Źródło ciepła H umieszczone jest w centrum kanału. Przy zerowym przepływie m0 temperatura rozchodzi się równomiernie na obie strony od źródła ciepła. Podczas przepływu powietrza m1 ciepło od elementu grzejnego H jest porywane w kierunku przepływu do jednego z czujników temperatury. Powoduje to rozrównoważenie mostka, a napięcie różnicowe jest wzmacniane; sygnał wyjściowy czujnika jest proporcjonalny do przepływu medium.

Przepływomierze Coriolisa

Do mierników masowych należą również przepływomierze Coriolisa. Mierzą one również bezpośrednio przepływ masowy poprzez wykrywanie przesunięcia fazowego drgań wymuszonych rur pomiarowych. Są to urządzenia precyzyjne i kosztowne.

b) Przepływomierze prędkościowe

Mierzą prędkość przepływu powietrza. Na podstawie prędkości można obliczyć przepływ objętościowy uwzględniając przekrój rurociągu, przez który przepływa mierzone medium.

Przepływomierze turbinowe i łopatkowe

• przepływające powietrze wprawia w ruch obrotowy turbinę, łopatkę lub koło śrubowe
• prędkość obrotowa jest proporcjonalna do średniej prędkości przepływu

Przepływomierz wirowy (Vortex)

W rurociągu umieszcza się element spiętrzający, który wywołuje zmianę ciśnienia i prędkości. Wywołana zmiana jest wykrywana np. przez czujnik piezoelektryczny lub pojemnościowy i przetwarzana na sygnał elektryczny. Element w przepływomierzach wirowych może mieć różny kształt i sposób zamocowania.

Przepływomierz ultradźwiękowy Prędkość przepływu ma wpływ na to, jak szybko w płynącym medium rozchodzi się fala ultradźwiękowa. Na rurociągu umieszcza się za sobą dwa nadajniki V1 i V2 oraz naprzeciwko nich dwa odbiorniki P1 i P2 fal ultradźwiękowych. Jeden nadajnik V1 nadaje zgodnie z kierunkiem przepływu, a drugi V2 w kierunku przeciwnym. Mierzony jest czas przejścia fali. Różnica czasów przejścia przez medium jest proporcjonalna do prędkości przepływu.
Przepływomierze z pomiarem różnicy ciśnień a) Pomiar za pomocą zwężki (kryzy): Przekrój rurociągu jest zwężony przez element dławiący: kryzę, dyszę lub dyszę Venturiego. Przed i za zwężeniem mierzona jest różnica ciśnień za pomocą manometru różnicowego. Różnica ciśnień jest proporcjonalna do prędkości przepływu.
b) Pomiar za pomocą sondy Sonda wielootworowa jest wsuwana do rurociągu poprzecznie do płynącego czynnika. Do pomiaru wykorzystuje się zmianę energii kinetycznej płynącego medium na energię ciśnienia. Ciśnienie dynamiczne pdyn oblicza się z mierzonego ciśnienia całkowitego pc i ciśnienia statycznego pstat: pdyn = pc – pstat

Zestaw pomiarowy składa się z kilku elementów:

• element spiętrzający – kryza, dysza, dysza Venturiego, rurka Pitota
• manometr różnicowy – odczyt różnicy ciśnień na elemencie dławiącym
• zespół zaworowy – umożliwia podłączenie manometru różnicowego, płukanie i odpowietrzanie przewodów sygnałowych

Na rynku dostępne są również przepływomierze kompaktowe, które są wyposażone w kryzę, przyłącze zaworowe, czujnik różnicy ciśnień i inteligentny przetwornik.

Instalacja przepływomierzy – wybór odpowiedniego miejsca

Do instalacji przepływomierza należy wybrać prosty odcinek rury bez kształtek, gdzie nie występują turbulencje. Na ilustracji widzimy: odcinek rury przed miejscem pomiaru – sekcja wlotowa L1 odcinek rury za miejscem pomiaru – sekcja wylotowa L2 Minimalna długość sekcji wylotowej L2 powinna zazwyczaj wynosić pięciokrotność średnicy rury, L2 = min. 5× D. Minimalna długość sekcji wlotowej L1 różni się dla poszczególnych przepływomierzy: termiczne przepływomierze masowe L1 = min. 15× D przepływomierze wirowe L1 = min. 20× D przepływomierze ultradźwiękowe L1 = min. 10 do 20× D przepływomierze łopatkowe i turbinowe L1 = min. 15 do 20× D

Sekcja wlotowa musi być dłuższa, nawet do 50× D, jeśli na rurociągu zainstalowana jest armatura, występuje kolano lub zwężenie.

Długości odcinków przed i za miejscem pomiaru należy zawsze sprawdzić w dokumentacji urządzenia. Przykład szczegółowych instrukcji dla termicznych przepływomierzy masowych:

Instalacja przepływomierzy – tworzenie punktu pomiarowego

Dla przepływomierza zawsze należy przygotować punkt pomiarowy. W dokumentacji urządzenia znajduje się szczegółowy opis jego wykonania. Oto przykład punktu pomiarowego dla termicznego przepływomierza masowego:

1. Wybierz jedną z poniższych opcji punktu pomiarowego:

Kalibracja przepływomierzy

Przepływomierze wykorzystywane do celów komercyjnych muszą być kalibrowane zgodnie z ustawą o metrologii.
W laboratoriach kalibracyjnych sprawdza się za pomocą wzorcowego urządzenia, czy dokładność przepływomierza jest zgodna z normami.