Alapelvek, törvényszerűségek
Az áramlást mérő műszerek alapvető kiválasztás szempontja, hogy milyen mérési közeget szeretnénk mérni. Ez alapvetően határozza meg a kiválasztott mérési elvet, két csoportra oszthatók a mérni kívánt anyagok.
- Összenyomható közeg: ilyen levegő és a különböző gázok (nitrogén, foldgűz, argon, szén-dioxid etc.),
- Nem-összenyomható közegek: ide tartoznak a különböző folyadékok. szilárd anyagok
Közegtől függően az áramlásra vonatkozó fizikai törvényszerűségek is mások (az általános gáztörvény, a folytonosság tétele, Euler egyenletek, Navier-Stokes, Bernoulli törvény)
Mit mérünk, amikor áramlás mérünk
Az áramlás mérésekor a folyékony, gáz vagy szilárd halmazállapotú anyagok adott geometriájú csőszakaszon végbemenő továbbítását értjük. A tömegáram és/vagy térfogatáram fizikai paraméterekkel határozható meg ennek a folyamatnak a változása.
Tömegáram: az adott közeg, adott idő alatt, adott keresztmetszeten áthaladó mennyisége tömegre vonatkoztatva. kg/h, t/h stb. mértékegységekkel fejezzük ki.
Térfogatáram: az adott közeg, adott időegység alatt, adott keresztmetszeten áthaladó mennyisége térfogatra vonatkoztatva. Mértékegységek: m3/perc, m3/h stb.
Áramlásmérési elvek
Az iparban alkalmazott áramlásmérő műszerek (flow meters for industrial applications) működés szempontjából három csoportba sorolhatók, tömegáram mérés, térfogatkiszorításos mérőműszerek és az közeg sebességet mérő térfogatáram elvű áramlásmérők. A térfogatkiszorításos mérőműszerek között megtalálhatók a mechanikus forgólapátos, oválkerekes, dugattyús mérők, amik egy egységként kerülnek a piacra (pl.: vízórák), pontosságuk magas, viszont érzékenyek a közeg minőségére, szennyeződések esetén eltömődhetnek, illetve a mechanikai elvüknek köszönhetően kopóalkatrészeket tartalmaznak.
Ezeken kívül a másik nagy csoport a tömegáram elven mérő műszerek, ide sorolhatók a különböző termikus (hőmérsékletváltozás elvén mérő), Coriolis erő és giroszkópos áramlásmérők. A közeg sebesség elvén mérő térfogatáram mérő műszerek pedig a különböző differenciál nyomás elven mérők műszerek például a Pitot-cső, Prandtl-cső, Venturi cső, mérőperemek, a Vortex (Kármán-féle), ultrahangos elvű, indukciós, elektromágneses áramlásmérők.
Az áramlási profil és a telepítés fontossága
Az áramlásmérők esetén fontos a telepítési pont meghatározása, mivel a lamináris áramlási viszonyok biztosítását a legtöbb mérőműszere az optimális pontosság miatt elvárja. Áramlási szempontból eltérően viselkednek az összenyomható és nem összenyomható közegek. Az viszont mindkettő csoportnál elmondható, hogy a csőkialakítás és a zavaró tárgyak a csőben befolyásolják a pontosságot. A térfogatáram mérők esetén a bemenő és kimenő egyenes csőszakasz hossza merőben más például egy szűkülés vagy egy eltérő síkú 2x90° könyökidom esetén. A gyártók a csőszakasz átmérője alapján szokták megadni az egyenes szakaszok hosszát. Légtechnikai területen például átlagosan 5xD a műszer előtti és 2xD a műszer utáni szakasz, míg nyomás alatti sűrített levegős alkalmazásoknál ez jelentősen hosszabb 15xD és 5xD. Minimális egyenes szakaszok esetén az áramlásmérő szenzor elhelyezkedése főleg turbulencia esetén nagyban befolyásolja a mért értéket.
Az áramlás profilját egy úgynevezett Reynolds számmal adjuk meg, ahol a szám, ha nagyobb mint 2500 turbulens áramlásról beszélünk. Telepítéskor fontos, hogy az áramlásmérőnek biztossítani tudjuk a lamináris áramlást az optimális mérési pontosság biztosítása érdekében. Javasolt tehát a gyártók általi egyenes bemeneti és kimeneti csőszakaszok biztosítása az áramlásmérők előtt és után. Ez függhet az adott mérőműszertől, de a gyártók minden esetben ajánlást fogalmaznak meg az ideális körülményekre vonatkozóan.
Méréstechnikai alapfogalmak
A mérőműszer kiválasztásakor sok műszaki adattal lehet találkozni mérési tartomány, pontosság, a mintavétel hossza, reprodukálhatóság vagy az átfogás aránya. Persze sok felhasználás specifikus paraméter is érdekes lehet csőszakasz anyaga, védettségi fok, kimeneti interfész, tápegység, szabványok, robbanásbiztos kivitel, megfelelőségek stb. Néhány kiemelve a legfontosabbak közül:
- Pontosság (accuracy): az áramlásmérő mért értékének eltérése a valós értéktől százalékban. A gyártók megadják, hogy a pontosság a végértékre vagy a mért értékre vonatkozik.
- Méréstartomány (measuring range): a mérőműszer mérési intervalluma, amiben a műszer mérni képes a megadott pontossági paraméterekkel pl.: 0,01 … 20,4 Nl/perc
- Reprodukálhatóság (reproductivity): az adott körülmények között ismét végrehajtott mérések közötti eltérés százalékosan
- Mintavételezési idő (sample time): milyen sebességgel képes a műszer a mért értékek érzékelőésére
- Átfogás aránya (turndown ratio): a megadott méréstartományon belüli intervallum, ahol a fenti műszaki parméterek biztosíthatók pl.: 200:1.
Az adott felhasználási terület meghatározza a feladathoz specifikált mérőműszert, gépészeti és elektromos telepíthetőségi szempontból is:
- Beszúró szondával ellátott kivitel vagy inline szerelhető
- Hőmérséklet tűrés, túlnyomás
- Korrozív, szennyezett gáz/folyadék
- Robbanásveszélyes használhatóság (ATEX)
- Kommunikáció: analóg 4 … 20 mA, RS485 Modbus, HART, Profibus, MBUS stb.
- Almérő, tájékoztató jelleg, joghatásos mérés
- stb.
Miért fontos a nem-villamos paraméterek mérése?
Az ipari technológiáknál végbemenő fizikai paraméterek változásának mérése fontos, hogy a folyamatok hatékonyan vezérelhetők, kontrollálhatók legyenek.
Miért kell egyenes csőszakaszt biztosítani az áramlásmérőknek?
A lamináris (nem-turbulens) áramlás biztosítása fontos a műszerek optimális mérési pontosságnak biztosításához.
Mik a legfontosabb mérőműszer paraméterek?
Sok egyéb mellett a méréstartomány, pontosság, reprodukálhatóság a mintavételezési idő és az átfogási arány minden műszer esetén alapvető műszaki paraméter.
