6.5.1 Mittaukset

Yksinkertaistetusti Coriolis-virtausmittari toimii siten, että yhtä tai useampaa virtaavaa nestettä kuljettavaa putkea värisytetään, ja tämän värähtelyn taajuutta ja vaihetta mitataan tarkasti.

Edestakainen värinä tuotetaan sähkömagneettikelalla, jota ohjaa elektroninen vahvistinpiiri värisyttämään putkia niiden mekaanisella ominaistaajuudella. Koska tämä taajuus riippuu jokaisen putken massasta, ja putken massa riippuu sen sisällä olevan nesteen tiheydestä (putkien tilavuuden ollessa vakio), ominaistaajuus toimii nesteen tiheyden käänteisenä indikaattorina riippumatta siitä, virtaako nestettä putkien läpi vai ei.

Kun neste alkaa virrata putkien läpi, liikkuvan nesteen hitaus tuo uuden ulottuvuuden putkien liikkeeseen: putket alkavat aaltoilla, kiertyen hieman sen sijaan, että ne vain värisisivät edestakaisin. Tämä kiertyvä liike on suoraan verrannollinen massavirtaan, ja se mitataan sisäisesti vertaamalla vaihe-eroa (θ) putken yhdessä kohdassa olevan liikkeen ja toisen kohdan liikkeen välillä: mitä voimakkaampi aaltoilu, sitä suurempi vaihe-ero näiden kahden pisteen värähtelyjen välillä.

Coriolis-virtausmittarin rakenne käyttää U-muotoista putkea, joka ohjaa virtauksen takaisin kohti pyörimisakselin keskikohtaa. Joustavan U-putken kaareva pää pakotetaan värisemään edestakaisin sähkömagneettisella kelalla (kuten kaiuttimen voimakelalla), kun taas putken päät on kiinnitetty paikallaan olevaan jakotukkiin.

Jos putken sisällä oleva neste on paikallaan (ei virtausta), putki värisee yksinkertaisesti edestakaisin siihen kohdistetun voiman vaikutuksesta. Jos kuitenkin neste virtaa putken läpi, liikkuvat nestemolekyylit kokevat kiihtyvyyden kulkiessaan kiinnitetystä päästä putken kaarevaan päähän ja sen jälkeen hidastuvuuden kulkiessaan takaisin kiinnitettyyn päähän. Tämä jatkuva uuden massan kiihtyminen ja sen jälkeinen hidastuminen synnyttää Coriolis-voiman, joka muuttaa putken liikettä.

Mittausta käytetään prosessiteollisuudessa, esim. kemian-, elintarvike-, lääketeollisuuden mittauksissa.

Kuva: Rosemountin (Micro-Motion) U-putki-Coriolis-virtausmittarin malli

Paineeseen perustuvat virtausmittaukset

Venturiputki

Venturi-ilmiö on Bernollin lakiin liittyvä ilmiö, jossa virtaavan fluidin nopeus suurenee ja paine pienenee, kun se kulkee kavennetun putken läpi.

Koska aineen tilavuusvirtausnopeuden on pysyttävä vakiona, niin putken kaventuessa on virtausnopeuden suurennuttava, mikä johtuu jatkuvuusyhtälön toteutumisesta.

Ja kun virtaavan fluidin nopeus kasvaa putken kaventuessa on fluidin aiheuttaman paineen pienennyttävä.

Tavallinen esimerkki virtauselementistä, jota käytetään paineen muutoksen aikaansaamiseen kiihdyttämällä nestevirtausta, on venturiputki.

Tarkoituksella kavennettu putki, joka synnyttää matalapaineisen alueen. Venturiputket eivät ole ainoa rakenne, joka kykenee tuottamaan virtauksesta riippuvan paine-eron.

Vaikka venturiputki onkin tyypillinen esimerkki, täsmälleen sama matemaattinen riippuvuus pätee kaikkiin virtauselementteihin, jotka synnyttävät paine-eron kiihdyttämällä nestettä, mukaan lukien kuristuslevyt, virtasuuttimet, V-kartiot, segmenttikiilat, putken mutkat, Pitot-putket jne.

Kuten nestepatsaan korkeudet osoittavat, paine kuristuskohdassa (piste 2) on pienin, kun taas paineet venturiputken leveissä kohdissa (pisteet 1 ja 3) ovat suurimmat. Tämä on intuitiota vastaan sotiva tulos, mutta sillä on vankka perusta massan ja energian säilymisen fysiikassa.

Video (10 min): Kun kokoonpuristumaton neste virtaa venturiputken läpi, jatkuvuusyhtälö kertoo, että nesteen nopeuden täytyy kasvaa kavennetussa osassa.

Tämä nopeuden kasvu aiheuttaa liike-energian kasvun kyseisessä kohdassa. Jos putki on vaakatasossa, sen keskilinjan eri kohtien välillä ei ole merkittävää korkeuseroa (h), mikä tarkoittaa, että korkeuspää pysyy vakiona. Energian säilymislain mukaan jonkin muun energiamuodon täytyy pienentyä kompensoidakseen liike-energian kasvua. Tämä toinen energiamuoto on paine, joka pienenee venturiputken kurkussa.

Bernoullin yhtälön avulla voidaan paine-erosta laskea virtausnopeus.

V-cone mittaus

Kartiomainen ”virtauseste”, jonka etupuolen ja jättöpuolen välinen paine-ero mitataan. Siitä lasketaan virtausnopeus

V- kartio ja segmenttikiila

Kaksi muuta venturi-periaatteeseen perustuvaa muunnelmaa ovat V-kartio ja segmenttikiila -virtauselementit.

Ne voidaan ajatella venturiputken tai kuristuslevyn käänteisenä versiona. Sen sijaan, että putken halkaisijaa kavennettaisiin nesteen kiihdyttämiseksi, neste joutuu virtaamaan putken keskelle sijoitetun kartionmuotoisen esteen ympäri. Putken tehokas poikkipinta-ala pienenee kartion vuoksi, jolloin neste kiihtyy ahtauman läpi aivan kuten perinteisen venturiputken kurkussa.

Nopeuteen perustuvat mittaukset

Nesteiden jatkuvuuslaki sanoo, että tiheyden (ρ), putken poikkipinta-alan (A) ja keskimääräisen nopeuden (v) tulo täytyy pysyä vakiona missä tahansa jatkuvassa putkiosuudessa.

Jos nesteen tiheys ei muutu sen virratessa putken läpi (hyvä oletus nesteille), voimme yksinkertaistaa jatkuvuusyhtälön poistamalla tiheystermit yhtälöstä

Putken poikkipinta-alan ja nesteen keskimääräisen nopeuden tulo on nesteen tilavuusvirtaus putken läpi (Q=Av).

Tämä kertoo meille, että nesteen nopeus on suoraan verrannollinen tilavuusvirtaukseen, kun poikkipinta-ala tunnetaan ja nesteen tiheys pysyy vakiona. Mikä tahansa laite, joka kykenee suoraan mittaamaan nesteen nopeuden, pystyy siten epäsuorasti määrittämään putkessa virtaavan nesteen tilavuusvirtauksen. Tämä on nopeuteen perustuvien virtausmittareiden toimintaperiaate.

Ultraääni mittaukset

Ultraäänimittaus perustuu ultraäänen kulkeman ajan muutoksesta fluidin virtauksen mukana.

Ultraäänivirtausmittarit mittaavat nesteen nopeutta kuljettamalla suurtaajuisia ääniaaltoja nesteen virtaussuunnan mukaisesti. Nesteen liike vaikuttaa näiden ääniaaltojen etenemiseen, ja vaikutusta voidaan mitata nesteen nopeuden määrittämiseksi.

Ultraäänivirtausmittareita on kaksi päätyyppiä: Doppler- ja läpimenoaikaan (transit-time) perustuvat mittarit. Molemmat tyypit toimivat siten, että ne lähettävät suurtaajuisen ääniaallon nestevirtaukseen (tuleva pulssi) ja analysoivat vastaanotetun pulssin.

Doppler-virtausmittarit

hyödyntävät Doppler-ilmiötä, joka on taajuuden siirtymä, kun aallot joko lähtevät liikkuvasta kohteesta tai heijastuvat siitä.

Arkinen esimerkki Doppler-ilmiöstä on havaittu taajuuden muutos liikkuvan ajoneuvon torven äänessä: kun ajoneuvo lähestyy kuulijaa, torven ääni vaikuttaa normaalia korkeammalta; kun ajoneuvo ohittaa kuulijan ja alkaa loitontua, torven ääni vaikuttaa äkisti ”putoavan” matalammaksi.

Todellisuudessa torven ääni ei muutu, vaan ajoneuvon suhteellinen nopeus paikallaan olevaan kuulijaan nähden ”puristaa” ilman värähtelyjä. Kun ajoneuvo loittonee, ääniaallot ”venyvät” kuulijan näkökulmasta.

Sama ilmiö tapahtuu, jos ääniaalto suunnataan liikkuvaan kohteeseen ja heijastuneen aallon taajuutta verrataan lähetettyyn (tulevaan) taajuuteen. Jos heijastunut aalto palaa kuplasta, joka liikkuu kohti ultraäänilähetintä, heijastunut taajuus on suurempi kuin tuleva taajuus. Jos virtaus kääntyy ja heijastunut aalto palaa kuplasta, joka liikkuu poispäin lähettimestä, heijastunut taajuus on pienempi kuin tuleva taajuus. Tämä vastaa ilmiötä, jossa ajoneuvon torven äänenkorkeus näyttää nousevan ajoneuvon lähestyessä kuulijaa ja laskevan ajoneuvon loitontuessa.

Doppler-virtausmittari heijastaa ääniaallot virtauksessa olevista kuplista tai partikkelihiukkasista, eli mittaa taajuussiirtymän ja päättelee nesteen nopeuden tämän siirtymän suuruuden perusteella.

Koska virtauksessa täytyy olla riittävän suuria hiukkasia heijastamaan ääniaaltoja, rajoittaa Doppler-tyyppiset ultraäänivirtausmittarit nestesovelluksiin. ”Likaiset” nesteet, kuten lietteet ja jätevedet, tai nesteet, joissa on runsaasti kaasukuplia (esim. hiilihapotetut juomat), ovat hyviä esimerkkejä tämän teknologian sovelluksista. On epärealistista odottaa, että mikään kaasuvirtaus sisältäisi nestepisaroita tai kiinteitä hiukkasia, jotka olisivat riittävän suuria tuottamaan vahvoja kaikuja, joten Doppler-virtausmittareita ei voida käyttää kaasun virtauksen mittaamiseen.

Läpimenoaikaan

perustuvat virtausmittarit, joita kutsutaan joskus vastavirtaus- tai vastasuunta-virtausmittareiksi, ovat vaihtoehto Doppler-tyyppisille ultraäänivirtausmittareille.

Läpimenoaikaan perustuva ultraäänivirtausmittari käyttää vastakkain asetettuja anturipareja mittaamaan aikaeron äänipulssin kulussa virtaussuunnan mukaisesti ja äänipulssin kulussa virtausta vastaan.

Koska nesteen liike pyrkii kuljettamaan ääniaaltoa mukanaan, alavirtaan lähetetty äänipulssi kulkee matkan nopeammin kuin ylöspäin (virtausta vastaan) lähetetty äänipulssi

Läpimenoaikaan perustuva virtausmittari on lineaarinen aivan kuten Doppler-virtausmittari, mutta sillä on etuna immuunius nesteen äänennopeuden muutoksille. Muutokset tilavuusmoduulissa nesteen koostumuksen muuttuessa tai muutokset tiheydessä koostumuksen, lämpötilan tai paineen vaihteluiden seurauksena vaikuttavat siten vain vähän läpimenoaikaan perustuvan virtausmittarin tarkkuuteen

Luotettavan toiminnan edellytys läpimenoaikaan perustuvassa ultraäänivirtausmittarissa on, että prosessineste on vapaa kaasukuplista tai kiinteistä hiukkasista, jotka voisivat hajottaa tai estää ääniaaltoja. Huomaa, että tämä on täsmälleen päinvastainen vaatimus kuin Doppler-tyyppisissä ultraäänivirtausmittareissa, jotka tarvitsevat kuplia tai hiukkasia heijastaakseen ääniaaltoja.

Nämä vastakkaiset vaatimukset erottavat selkeästi sovellukset, jotka sopivat läpimenoaikaan perustuville mittareille, niistä sovelluksista, jotka sopivat Doppler-mittareille. Lisäksi ne avaavat mahdollisuuden käyttää läpimenoaikaan perustuvia ultraäänivirtausmittareita sekä kaasu- että nestemäisten virtauksien mittaamiseen.

Turbiinivirtausmittarit

Turbiinivirtausmittarit käyttävät vapaasti pyörivää turbiinipyörää nesteen nopeuden mittaamiseen, aivan kuin pienoismylly olisi asennettu virtaukseen. Turbiinivirtausmittarin perimmäinen suunnittelutavoite on tehdä turbiinista mahdollisimman herkästi pyörivä, jotta sen pyörimisen ylläpitämiseen ei tarvittaisi vääntömomenttia. Jos tähän tavoitteeseen päästään, turbiinin lapojen pyörimisnopeus (lapojen kärjen nopeus) on suoraan verrannollinen nesteen lineaariseen nopeuteen, riippumatta siitä, onko kyseessä kaasu vai neste.

Vortex virtausmittaus

Kun neste virtaa suurella Reynoldsin luvulla paikallaan olevan kappaleen ohi, nesteellä on taipumus muodostaa pyörteitä kappaleen molemmille puolille. Jokainen pyörre muodostuu, irtoaa sitten kappaleesta ja jatkaa virtaavan kaasun tai nesteen mukana, vuorotellen kummaltakin puolelta. Tätä ilmiötä kutsutaan pyörteiden irtoamiseksi (vortex shedding), ja paikallaan olevan kappaleen taakse muodostuva liikkuvien pyörteiden kuvio tunnetaan nimellä pyörrekatu (vortex street).

On tavallista havaita pyörteiden irtoamisen vaikutukset tuulisena päivänä tarkkailemalla lipputankojen, valopylväiden ja korkeiden savupiippujen liikettä. Jokaisella näistä kappaleista on taipumus värähdellä kohtisuoraan tuulen suuntaan nähden, johtuen paineenvaihteluista, joita pyörteet aiheuttavat vuorotellen muodostuessaan ja irrotessaan kappaleesta.

Vuorottelevaa pyörreparvien sarjaa tutkivat 1800-luvun lopulla Vincenc Strouhal ja myöhemmin 1900-luvun alussa Theodore von Kármán. Todettiin, että paikallaan olevan kappaleen alapuolelle muodostuvien peräkkäisten pyörteiden välinen etäisyys on suhteellisen vakio ja suoraan verrannollinen kappaleen leveyteen laajalla Reynoldsin lukujen alueella.

Jos paine-eroanturi asennetaan välittömästi paikallaan olevan kappaleen alapuolelle siten, että se havaitsee ohi kulkevat pyörteet paineenvaihteluina, havaitaan vuorotteleva signaali. Tämän vuorottelevan paineen signaalin taajuus on suoraan verrannollinen nesteen nopeuteen kappaleen ohi, koska aallonpituus on vakio.

Magneettinen virtausmittaus

Kun sähköinen johdin liikkuu kohtisuorassa magneettikenttään nähden, siihen indusoituu jännite, joka on kohtisuorassa sekä magneettivuoviivoihin että liikesuuntaan nähden. Tätä ilmiötä kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi, ja se on kaikkien sähkömekaanisten generaattorien perusperiaate.

Generaattorissa kyseinen johdin on tyypillisesti käämi (tai useampi käämi), joka on valmistettu kuparilangasta. Mitään syytä ei kuitenkaan ole, miksi johtimen täytyisi olla kuparilankaa. Mikä tahansa sähköä johtava aine, joka liikkuu, riittää jännitteen indusoimiseksi sähkömagneettisesti – jopa neste. Siksi sähkömagneettinen induktio on tekniikka, jota voidaan soveltaa nesteiden virtausnopeuden mittaamiseen.

Nesteen virtaussuunta leikkaa magneettivuoviivat kohtisuorasti, jolloin syntyy jännite akselia pitkin, joka on kohtisuorassa molempiin nähden. Putken seinämään vastakkain asennetut metallielektrodit sieppaavat tämän jännitteen, jolloin se voidaan lukea elektronisella piirillä.

Tilavuusvirran määrittämiseen indusoidusta jännitteestä, on täytyttävä muutamia ehtoja:

• Nesteen on oltava kohtuullisen hyvä sähkönjohde (huom: on sallittua, että johtavassa nesteessä on joitakin eristämättömiä kiintoaineita; johtava neste kiinteiden eristämättömien aineiden ympärillä tarjoaa silti sähköisen jatkuvuuden elektrodien välillä, mikä on välttämätöntä induktiolle)

• Putken on oltava kokonaan täynnä nestettä, jotta saadaan kosketus molempiin elektrodeihin sekä varmistetaan virtaus koko putken poikkipinnan läpi

• Virtaputki on maadoitettava oikein virheiden välttämiseksi, joita putkessa esiintyvät harhat sähkövirrat voivat aiheuttaa

Muuttuva-ala-virtausmittarit

Muuttuva-ala-virtausmittari on sellainen, jossa nesteen täytyy kulkea ahtauman läpi, jonka pinta-ala kasvaa virtausnopeuden mukana. Tämä on vastakkain virtausmittareiden, kuten kuristuslevyjen ja venturiputkien, kanssa, joissa virtauselementin poikkipinta-ala pysyy vakiona.

Rotametri

Rotametrit eli muuttuva-aukkoiset virtausmittarit ovat kustannustehokkain ratkaisu lähes kaikkiin sovelluksiin, joissa mitataan teollisuuden prosessinesteitä, kaasuja tai höyryä.

Yksinkertaisin esimerkki muuttuva-ala-virtausmittarista on rotametri, joka käyttää kiinteää esinettä (paino tai kelluke) virtausilmaisimena, riippumassa kartiomaisessa putkessa.

Toimintaperiaate perustuu virtausmäärästä aiheutuvaan paineeseen, joka työntää pienen uimurin tai kohon tiettyyn kohtaan. Kohon sijannista luetaan virtausmäärä.

Kun neste virtaa ylöspäin putken läpi, kohon ylä- ja alapuolelle syntyy paine-ero. Tämä paine-ero, joka vaikuttaa kohon rungon pinta-alalle, synnyttää ylöspäin suuntautuvan voiman (F = P·A).

Jos tämä voima ylittää kohon painon, koho nousee ylöspäin. Kun koho nousee korkeammalle kartiomaisessa putkessa, koho ja putken seinämien välinen virtausala (jonka läpi nesteen täytyy kulkea) kasvaa.

Suurempi virtausala mahdollistaa sen, että neste pääsee koho ohi ilman, että sen täytyy kiihtyä yhtä paljon, jolloin kohon rungon yli syntyvä paine-ero pienenee. Jossain kohdassa virtausala saavuttaa arvon, jossa paineen aiheuttama voima kohon runkoon vastaa täsmälleen kohon painoa. Tämä on se kohta putkessa, johon koho pysähtyy, ja sen sijainti suhteessa putken ulkopuolelle kiinnitettyyn (tai kaiverrettuun) asteikkoon ilmaisee virtausnopeuden.

Useimmat rotametrit ovat ainoastaan näyttölaitteita. Niihin voidaan liittää antureita kohon sijainnin havaitsemiseksi putkessa ja näin välittää virtaustietoa sähköisesti, mutta tämä ei ole yleinen käytäntö.

Rotametreja käytetään erittäin yleisesti huuhteluvirtauksen ilmaisimina paineen- ja pinnankorkeudenmittausjärjestelmissä, jotka vaativat huuhtelunesteen jatkuvaa virtausta.

Page updated

Report abuse