Měření průtoku stlačeného vzduchu

Proč je tak důležité měřit průtok stlačeného vzduchu?

Protože z něj zjistíme:

• výkonnost kompresorů
• spotřebu stlačeného vzduchu
• úniky vzduchu netěsnostmi

Není průtok jako průtok

Slovem průtok plynu lze označit v podstatě tři různé veličiny:

• rychlostní průtok (m/s) – střední rychlost proudění měřeného média
• hmotnostní průtok (kg/s) – hmotnost vzduchu, který proteče potrubím za jednotku času
• objemový průtok (m3/h) – objem tekutiny, který proteče potrubím za jednotku času t.

Objemový průtok jako měřítko výkonu kompresoru

Objemový průtok najdeme v katalogových listech kompresorů a označuje vlastně výkon kompresoru. U malých kompresorů se používá jednotka l/min, pro velké kompresory jednotka m3/h (1 m3 = 1 000 l). Na obrázku je výřez obrazovky e-shopu www.kompresory-vzduchotechnika.cz, kde je objemovým průtokem vyjádřeno množství vzduchu nasávané z atmosféry a množství vzduchu proudící do vzdušníku (plnící množství).

Objemový průtok nám pomůže také porovnat výkony jednotlivých kompresorů.
Můžeme si vypočítat specifický výkon, Pspec – napoví nám, kolik kW je potřeba na výrobu jednotkového objemového průtoku 1 m3/min.

Pozor na porovnávání objemových průtoků – důležitá je také teplota, tlak a místo měření

Objemové průtoky vzduchu můžeme mezi sebou porovnávat, jen pokud jsou vztaženy ke shodnému tlaku a shodné teplotě. A tak si musíme dát pozor, pro jaké podmínky daná hodnota průtoku platí.

Přepočet na normované podmínky

Průtoky a množství plynů se dají porovnat jen tehdy, jestliže se přepočítají na normované podmínky, tlak a teplotu. Používají se však dvě normy.

Normované podmínky pro objemový průtok:

Rozdíl mezi oběma průtoky při dvou různých normovaných podmínkách je 8,7 %. Měříte-li objemový průtok v podmínkách, které se podstatně liší od těch normovaných? Až po přepočtu z nich můžete usuzovat na množství nasátého plynu, spotřebovaného plynu, nebo množství uniklého plynu z titulu netěsnosti.

p = absolutní tlak v barech, V = objem, T = absolutní teplota v K (absolutní teplota v K = teplota v °C + 274,15).

Vlastnosti plynů dle rovnice

Důležitou vlastností plynů je, že s růstem teploty roste jejich objem – toho se využívá např. v teplovzdušných balónech. Nejjednodušeji popisuje uvedené vlastnosti a z nich plynoucí chování plynů rovnice ideálního plynu:

p.V = m.R.T

kde p je tlak, V objem, m hmotnost, R plynová konstanta, T absolutní teplota v K (absolutní teplota v K = teplota ve °C + 274,15)

Z rovnice plyne, že objem (měřený např. v krychlových metrech) a hustota plynu se budou s tlakem a teplotou měnit, avšak jeho hmotnost (v kilogramech, librách atd.) se nezmění (zákon zachování hmotnosti).

Co se děje při stlačování vzduchu

Při stlačování roste tlak a hustota a snižuje se objem vzduchu. Beze změny zůstává hmotnost – pro tu platí zákon o zachování hmoty.

Hmotnost vzduchu zůstává tedy stejná. Co to znamená pro měření průtoku?

Na obrázku vidíme rozdíl mezi měřením hmotnostním a objemovým měřidlem:

• Teplotní hmotnostní průtokoměr zjišťuje průtok podle hmotnosti, a ukáže vždy stejnou hodnotu bez ohledu na teplotu a tlak.
• Lopatkový průtokoměr měří rychlost proudění, která se podle rozměru potrubí přepočítává na objemový průtok. Naměřenou hodnotu je potřeba přepočítat na normované podmínky.

Způsoby měření průtoku

a) Hmotnostní průtokoměry Výhodou těchto průtokoměrů je, že měří přímo hmotnostní průtok nezávislý na tlaku a teplotě, takže není potřeba nic přepočítávat. Tepelné hmotnostní průtokoměry Do proudu vzduchu se instaluje senzor, který se skládá ze dvou platinových rezistorů: R1 měří teplotu plynu R2 je vyhříván pro dosažení konstantní teploty a je ochlazován proudícím plynem Čím je větší potřeba udržovat teplotu R2 konstantní, tím je větší hmotnostní průtok. Výkon potřebný k udržení tělíska na této teplotě je úměrný hmotnostnímu průtoku plynu.

Kalorimetrické průtokoměry V obtokovém kanálku vyhřívaného kanálu se měří oteplení vzduchu v úseku mezi dvěma odporovými snímači teploty S1 a S2. Zdroj tepla H je umístěn do středu kanálu. Při nulovém průtoku m0 se teplota šíří rovnoměrně na obě strany od zdroje tepla. Při proudění vzduchu m1 je teplo od topného tělíska H unášeno ve směru proudění k jednomu ze snímačů teploty. Tím dojde k rozvážení můstku a rozdílové napětí je zesíleno; tento výstup snímače je úměrný proudění média.

Coriolisovy průtokoměry

Mezi hmotnostní měřidla patří také Coriolisovy průtokoměry. Ty měří také přímo hmotnostní průtok, a to zjišťováním fázového posuvu pohybů vynuceně kmitajících měřicích trubic. Jedná se o přesné a drahé přístroje.

b) Rychlostní průtokoměry

Měří rychlost proudění vzduchu. Z rychlosti se dá vypočítat objemový průtok podle průřezu potrubí, kde proudí měřené médium.

Průtokoměry turbínkové a lopatkové

• proudící vzduch roztáčí turbínu, lopatku nebo šroubové kolo
• rychlost otáčení je úměrná střední rychlosti proudění

Vírový průtokoměr

Do potrubí se vloží tělísko a to vyvolá změnu tlaku a rychlosti. Vyvolaná změna je snímaná např. piezoelektrickým nebo kapacitním diferenčním snímačem a převedena na elektrický signál. Tělísko ve vírových průtokoměrech může mít různý tvar a různé uložení.

Ultrazvukový průtokoměr Rychlost proudění má vliv na to, jak rychle se v proudícím médiu šíří ultrazvukové vlnění. Na potrubí se za sebou umístí dva vysílače V1 a V2 a proti nim dva přijímače P1 a P2 ultrazvukového vlnění. Jeden vysílač V1 vysílá po směru proudění a druhý V2 proti směru. Měří se čas průchodu vlny. Rozdíl časů potřebných k průchodu médiem je úměrný rychlosti proudění.
Průtokoměry s měřením tlakové diference a) Měření se clonou: Průřez potrubí je zúžen škrticím prvkem: clonou, dýzou, Venturiho dýzou. Před a za zúžením se měří tlak diferenčním tlakoměrem. Rozdíl tlaku je úměrný rychlosti proudění.
b) Měření se sondou Víceotvorová sonda se zasouvá do potrubí napříč proudící látce. K měření se využívá změna kinetické energie proudící tekutiny na energii tlakovou. Dynamický tlak pdyn se spočítá z naměřeného celkového tlaku pc a statického tlaku pstat: pdyn = pc – pstat

Sestava pro měření se skládá z několika prvků:

• škrticí orgán – clona, dýza, Venturiho dýza, Pitotova trubice
• diferenční tlakoměr – snímání rozdílu tlaku na škrticím elementu
• ventilová souprava – umožňuje připojení diferenčního tlakoměru, proplachování a odvzdušnění signálního potrubí

Na trhu jsou také kompaktní měřidla, která jsou vybavena clonou, ventilovým připojením, diferenčním snímačem tlaku a inteligentním převodníkem.

Instalace průtokoměrů – výběr vhodného místa

Pro instalaci průtokoměru vyberte rovné místo bez tvarovek, kde nesmí být žádné turbulence. Na obrázku vidíme: úsek potrubí před místem měření – vstupní sekce L1 úsek potrubí za místem měření – výstupní sekce L2 Minimální délka výstupní sekce L2 má být obvykle pětinásobkem průměru potrubí, L2 = min. 5× D. Minimální délka vstupní sekce L1 se liší u jednotlivých průtokoměrů: tepelné hmotnostní průtokoměry L1 = min. 15× D vírové průtokoměry L1 = min. 20× D ultrazvukové průtokoměry L1 = min. 10 až 20× D lopatkové a turbínkové průtokoměry L1 = min. 15 až 20× D

Vstupní sekce musí být delší, až 50× D, jestliže je na potrubí instalována armatura nebo je na něm oblouk či zúžení.

Délky úseků před a za místem měření si vždy najděte v dokumentaci k přístrojům. Příklad podrobných instrukcí pro tepelně hmotnostní průtokoměry:

Instalace průtokoměrů – vytvoření měřicího místa

Pro průtokoměr je vždy potřeba vytvořit měřicí místo. V dokumentaci k přístroji najdete podrobný popis, jak měřicí místo vytvořit. Zde uvádíme příklad měřicího místa tepelně hmotnostního průtokoměru:

1. Zvolte pro měřicí místo jednu z těchto možností:

Kalibrace průtokoměrů

Průtokoměry využívané pro komerční účely musí být kalibrovány dle zákona o metrologii.
V kalibračních laboratořích prověří pomocí přesnějšího měřidla, zda je přesnost průtokoměru vyhovující.