Snímače průtoku

Snímače průtoku tekutin určují objemové množství Q_V nebo hmotnostní množství Q_M tekutiny, která protekla průřezem S za jednotku času:

kde v_stř je střední rychlost proudění a ρ je hustota tekutiny.

Průtokoměry můžeme rozdělit na:

• rychlostní – průřezové ,plovákové, turbínové, indukční, vírové, fluidikové, ultrazvukové
• objemové – dávkovací
• hmotnostní – Coriolisův snímač

Průřezové snímače průtoku

Průřezové průtokoměry využívají poklesu tlaku vzniklého zvýšením rychlosti proudění v zúženém místě. Průtok se vyhodnocuje z rozdílu tlaků před a za místem seškrcení, k jehož zjištění se použije diferenční tlakoměr. Jako škrticí orgány se používají clony, dýzy, Venturiho dýzy (trubice).

Obr. 1: Škrticí orgány

Nejjednodušší a nejlevnější prvek je clona. Na cloně a dýze vzniká přibližně stejně velká trvalá tlaková ztráta, která snižuje přesnost měření. Dýza je vhodná pro náročné provozní podmínky, nedochází k otupování vtokové hrany. Venturiho dýza (trubice) je doplněna difuzorem, takže trvalá ztráta tlaku je nízká a měření přesnější.

Plovákový průtokoměr

Plovákový průtokoměr (rotametr) využívá principu udržování konstantního tlakového rozdílu při proměnlivém škrcení průtočného průřezu.

Realizuje se kuželovou trubkou (skleněnou, plastovou, kovovou), kterou protéká kapalina zdola nahoru. V trubce je umístěn rýhovaný plovák. Plovák je nadnášen silou vyvolanou dynamickým tlakem kapaliny, proti které působí tíha plováku zmenšená o vztlak kapaliny. Plovák se zastaví v poloze, kdy jsou obě síly v rovnováze. Při změně rychlosti proudění se bude pohybovat tak dlouho, dokud změnou průtočného průřezu nedoje opět k rovnováze sil. Poloha plováku je vyhodnocována různými snímači polohy. Používá se například v chemickém a farmaceutickém průmyslu.

Obr. 2: Princip plovákového průtokoměru

Indukční průtokoměr

Indukční průtokoměr se používá pro měření průtoku vodivých kapalin. Proudící kapalina představuje vodič, který se pohybuje v magnetickém rychlostí v, takže podle indukčního zákona se na elektrodách indukuje napětí

kde B je magnetická indukce, l je aktivní délka vodiče a v rychlost pohybu vodiče.

Magnetické pole je buzeno jako impulzní.

Výhodou je, že neobsahuje žádné pohyblivé prvky, může pracovat v libovolné poloze a má lineární charakteristiku. Používá se potravinářství i pro měření průtoků chemických látek.

Vírový průtokoměr

Vírový průtokoměr využívá vznik střídavých Karmánových vírů za překážkou neaerodynamického tvaru (vírové těleso).

Obr. 3: Vznik Karmánových vírů

Frekvence je přímo úměrná střední rychlosti proudění tekutiny a měří se např. termistory (víry způsobí změny ochlazovacích podmínek a tím i změnu odporu termistoru) nebo kapacitními snímači tlaku (do potrubí zasahuje lopatka, kterou víry vychylují, a tím se mění poloha střední elektrody rozdílového kapacitního tlakoměru).

Jsou lineární, necitlivé na změny teploty, bez pohyblivých částí, přesné, nenáročné na údržbu, měří kapaliny, plyny i páru. Nejsou vhodné pro malé průtoky a vyžadují přímé úseky na uklidnění před a za snímačem.

Fluidikový průtokoměr

Fluidikový průtokoměr využívá vzájemného působení dvou proudů tekutiny a stěnového efektu. Část proudu kapaliny se vede zpětnovazebním kanálkem na vstup, kde způsobí vychýlení proudu kapaliny a přepnutí do druhého zpětnovazebního kanálku. Frekvence vychylování je úměrná rychlosti proudění a měří se v jednom z kanálků např. termistorem. Výhodou jsou malé rozměry a vysoká frekvence (200 Hz), neobsahuje pohyblivé části a může být použit v těžkých provozních podmínkách.

Dávkovací průtokoměr

Dávkovací průtokoměry transportují ve směru proudění přesně definovaná množství tekutiny a tak určují průtok přímo. Pracují na principu plnění a vyprazdňování komor určitého objemu tak, aby byl průtok snímačem plynulý.

Obr. 4: Dávkovací průtokoměr

Výstupem jsou impulzy indukčního snímače otáček rotujících pístů, z nichž se odvodí průtok a integrací otáček celkové proteklé množství tekutiny.

Coriolisův průtokoměr

Coriolisův průtokoměr využívá silový účinek tekutiny proudící potrubím, které samo vykonává vibrační pohyb. Pohyb tekutiny se skládá ze společného pohybu s potrubím a relativního pohybu vzhledem k potrubí. Pokud směr rychlosti proudění není shodný s osou kmitání (buzeno elektromagneticky), vzniká Coriolisova síla a dochází k deformaci potrubí. Trubice tvaru U se vrtulovitě zkrucuje, krouticí moment je úměrný součinu hmotnosti m a rychlosti proudění v proudící tekutiny. Měří se úhel zkrutu trubice vzhledem ke klidové poloze při nulovém průtoku pomocí fotoelektrických snímačů na ramenech trubice.

Obr. 5: Princip Coriolisova průtokoměru

 

Zdroje

• BENEŠ, Pavel, Jan CHLEBNÝ, Josef LANGER, Marie MARTINÁSKOVÁ a Rudolf VORÁČEK. Automatizace a automatizační technika III. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2000, 254s. ISBN 80-7226-248-3.

• MAIXNER, Ladislav a kol. Mechatronika. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2006, 280s. ISBN 80-251-1299-3.

Obrázky

• Obr. 1: Kadlec, Karel a Miloš Kmínek. Škrticí orgány [online]. [cit. 2015-12-08]. Dostupný na www: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k45-o464.gif.

• Obr. 2, 3: Archiv autora.

• Obr. 4, 5: BENEŠ, Pavel, Jan CHLEBNÝ, Josef LANGER, Marie MARTINÁSKOVÁ a Rudolf VORÁČEK. Automatizace a automatizační technika III. 1. vyd. Praha: Computer Press, 2000, 254s. ISBN 80-7226-248-3.