Slide 1

Report
Seminarski rad iz predmeta Senzori i
industrijska mjerenja
Tema:Senzori nivoa i protoka
Profesor: Doc.Dr.Slobodan Lubura
Student: Mirko Božović
Senzori nivoa i protoka
Senzori protoka
Protok je količina sipkastog materijala tečnosti ili gasa koji protekne kroz
posmatrani poprečni presjek za jedinicu vremena
-maseni protok Qm=dm /dt [kg/s]
-zapreminski protok Qv=dV/dt[m³/s]
Senzori protoka se koriste u mnogim aplikacijama kontrole i praćenja,za mjerenje
protoka kako tečnosti tako i gasova i dr.
Protok se obično u mjerenju dobija tako što se prvo mjeri brzina fluida u
cijevi,kanalu ili nekoj drugoj strukturi a zatim se množi sa poznatom površinom
poprečnog presjeka date cijevi ,kanala ili strukture u tački u kojoj je izvršeno i
mjerenje brzine.
Zahtijevi koje treba da zadovolje savremeni
senzori protoka
-Visoka tačnost (u inžinjerskim primjenama je to najčešće 1-2%
-Visoka pouzdanost
-Nezavisnost rezultata mjerenja od gustine fluida
-Brzina odziva
-Veliki korisni opseg (Qmax/Qmin tipično je od 3 do 10)
-Prilagođenost za mjerenje odgovarajućem mjerenom mediju
-Prilagođenost vrsti tečenja (laminarno, turbulentno , u
zatvorenim ili otvorenim kanalima)
-Mjerenje treba da se vrši u širokom temperaturskom opsegu
Danas je to od -250 do 600 stepeni celzijusa.
Metode za mjerenje protoka i vrste senzora
protoka
-Metode za mjerenje protoka tečnosti obuhvataju mjerne sisteme na bazi
razlika pritisaka(diferencijalnih pritisaka) , vrtložne senzore , senzore
pozitivnih pomjeraja,senzore protoka na bazi turbina kao magnetne senzore
protoka i ultrazvučne senzore protoka.
Senzori na principu diferencijalnog pritiska
-Rad diferencijalnog protokmetra je baziran na konceptu da je pad pritiska na dužini od
jednog metra srazmjeran kvadratu brzine protoka;dakle brzinu protoka dobijamo tako
što mjerimo razliku pritisaka i vadimo kvadratni korijen iz nje.
-Pitoova cijev
-Venturijeva cijev
-Prigušnice
-Protočne mlaznice
-Bernulijeva jednačina i zakon održanja energije
Pitoova cijev
Princip rada
vrtložnog
senzora
Vrtložni senzori
-Frekvencija vrtloga je proporcionalna brzini isticanja fluida Nailaskom na prepreku ,
brzina fluida raste , a pritisak opada.
-Vrtložni senzori se koriste kod brzina vazduha koje su u opsegu od 350 do 6000
stopa u minuti.
-Ovi su uređaji pogodni kako za mjerenje brzine protoka tako i ukupnog protoka.
Njihova upotreba za rad sa ljepljivim i visoko-viskoznim fluidima nije preporučljiva.
Senzori za mjerenje zapreminskog protoka
-Ovi uređaji za mjerenje protoka se koriste gdje je potrebna velika preciznost i veliki
odnos između ukupnog mjernog opsega uređaja i minimalne mjerljive vrijednosti
protoka i gdje neki stalni gubici pritiska neće izazvati prekomjernu potrošnju energije.
-Neke od osnovnih vrsta senzora za mjerenje zapraminskog protoka su zupčasti
mjerači,mjerači sa navrtnim diskom, turbinski mjerači kao i mjerači sa oscilujućim
klipom
-Ovi se uređaji tipično prave od metala kao što su: mesing, bronza,liveno gvožđe, ali
se takođe mogu praviti i od plastike u zavisnosti od namjene.
Turbinski senzori protoka
-Uređaji na bazi turbina i propelera koriste osobinu da tečnost koja protiče kroz
turbinu ili propeler izaziva obrtanje rotora a brzina obrtanja rotora je direktno u vezi
sa brzinom protoka. Elektični impulsi se broje i sabiraju.
-Ovi uređaji su dostupni u verzijama sa punom cijevi, linijski montiranoj verziji a
ima i verzija(umetni senzori) koja se koristi tamo gdje je potrebno mjeriti samo dio
protoka koji prolazi preko rotirajućeg elementa
Senzori masenog protoka
-Koriolisov senzor (fenomen Koriolisove sile)
-Koriolisov senzor u obliku U cijevi
- Mjerenje protoka tečnosti čija se viskoznost mijenja sa promjenom brzine na datim
temperaturama i pritiscima.
Turbinski protokmetar
-primjena u širokom rasponu mjernih aplikacija od mjerenja protoka kod boja maziva
i ljepila do mjerenja protoka kod tečnog azota.
Elektromagnetni (indukcioni ) senzori protoka
-Faradejev zakon elektromagnetne indukcije
-provodnik je tečnost čiji protok mjerimo a megnetno polje stvara zavojnica montirana
spolja na cijevi
-Indukovani napon je proporcionalan brzini protoka
-Elektomagnetski mjerači protoka se primjenjuju u mjerenjima brzine protoka
provodnih tečnosti (uključujući i vodu) gdje je potreban visok kvalitet mjerenja i malo
održavanje sistema.
-relativno visoka cijena
-mogu da mjere i reverzibilni tok
Induktivni senzor protoka
Ultrazvučni senzori protoka
-Doplerovi senzori
-tranzitni ili “time of travell” senzori
-mjerenje razlike frekvencija
-Razlika frekvencija (reflektovane i poslane) ili Doplerova frekvencija
prporcionalna je brzini tečnosti.
-kod „time-of-travel“ senzora davači su na svakoj od strana cijevi i zvučni talasi
putuju između uređaja pod uglom 45 stepeni
-- tečnost čiji protok mjerimo mora da buda čista od čvrstih tijela i mjehurića
gasova kako bi se smanjilo rasipanje signala i apsorpcija
-- Prednost ultrazvučnih senzora je da im je cijena umjerena
Doplerov ultrazvučni senzor protoka
Laserski Doplerovi senzori protoka
-Laserski Doplerov anemometar (LDA)
-mjerenje je bezkontaktno
-nije potrebna kalibracija
-udaljenost mjerenja može se kretati u opsegu od centimetra do metra
-vrijednost brzine protoka može se mijenjati od nule do nadzvučne
-može mjeriti protok kod tokova promjenljivog smjera
Osnovna konfiguracija LDA (slika7) se sastojiod:
-kontinualnog laserskog talasa
-optičkog predajnika koji sadrži djelitelj snopa kao i fokusirajući objektiv
-prijemna optika koja se sastoji od fokusirajućeg objektiva interferencijskog filtra i
fotodetektora
-prilagođivača signala i procesora signala
-Doplerov efekat
- Bragova ćelija
- Doplerov prasak
- Informacija o brzini protoka dolazi od raspršene svjetlosti koju raspršuju malene
čestice koje nosi fluid odnosno dok se kreću kroz mjernu oblast. Raspršena svjetlost
sadrži Doplerovu pomjerenu i Doplerovu fD frekvenciju.
Izbor odgovarajućeg senzora protoka
-90% problema sa protokmetrima se dešava zbog neadekvatnog izbora uređaja za
rad.Najvažniji zahtjev prilikom izbora senzora je u stvari razumijevanje šta on treba da
uradi.
-Da li se mjerenje koristi za kontrolu nekog procesa gdje je ponovljivost glavna briga ili se
koristi za računovodstvene ili nadzorne transfere gdje je bitna preciznost?
-Da li je indikacija signala lokalna ili se zahtijeva daljinska indikacija? Ako se zahtijeva
daljinski izlaz da li će to biti proporcionalan signal i da li će blizina kontakta pustiti u rad ili
zaustaviti neki drugi uređaj , jednom rječju da li će naš senzor ometati rad nekog drugog
uređaja?
-Da li je tečnost čiji protok mjerimo čista, viskozna?
-Da li je tečnost čiji protok mjerimo provodna u električnom smislu?
-Kolika je specifična zapreminska težina i gustina tečnosti čiji protok mjerimo?
-Koje su radne temperature i pritisci procesa?
-kolika tačnost , opseg, linearnost, ponovljivost, i zahtjevi cjevovoda moraju biti ispunjeni?
Instalacija i održavanje
-Vazdušni senzori protoka rade najefikasnije u dijelovima cijevi i kanala koji imaju
uniforman protok. Da bi mjerenja bila pouzdana vazdušni senzori moraju biti ugrađeni po
reporuci proizvođača senzora da uzvodno ili nizvodno u odnosu na pravac toka.
-Svi senzori protoka tečnosti najbolje rade kada mjere uniforman i potpuno ispunjen tok
tečnosti. Kao i senzore protoka vazduha i ove senzore je neophodno ugraditi prema
preporuci proizvođača u cilju dobijanja najpouzdanijih mjerenja.
-- Kod uređaja sa električnim komponentama ,unutrašnja bezbijednost se mora uzeti u
obzir u opasnim uslovima. Zalutala magnetna polja mogu se javiti u mnogim industrijskim
postrojenjima. Prenosni vodovi, releji, zavojnice transformatori , motori i generatori
doprinose elektromagnetskoj interferenciji i smetnjama
Kalibracija
-Inicijalna kalibracija je neophodna svim protokmetrima
-Kalibraciju može izvršiti samo stručno lice
-Neophodnost ponovne kalibracije u mnogome zavisi od toga koliko dobro uređaj odgovara
datoj aplikaciji
-- Neki dizajni su podložniji oštećenjima od drugih. Na primjer habanje pojedinačnih
lopatica turbine može izazvati promjene performansi.
-- Neki protokmetri zahtijevaju specijalnu opremu za kalibraciju. Većina proizvođača će
obezbijediti ovu uslugu u svom postrojenju ili u objektu korisnika gdje će donijeti opremu
za kalibraciju na lice mjesta.
Održavanje i skorašnji napreci u proizvodnji kod senzora
protoka
-Protokmetri koji nemaju pokretne dijelove obično zahtijevaju manje pažnje u održavanju
nego uređaji koji imaju pokretne dijelove, ali svi protokmetri zahtijevaju neki tip
održavanja.
-Kod ultrazvučnih ili elektromagnetskih protokmetara problemi se javljaju obično kod
njhovih elektronskih dijelova
-- Aplikacije u kojima može da dođe do premazivanja(izolacije) predstavljaju potencijalne
probleme za uređaje kao što su elektromagnetski i ultrazvučni uređaji.
-- Nedavna studija koju su sproveli Flow Research i Ducker Worldwide širom svijeta
pokazala je da je najveci pomak na polju mjerenja protoka napravljen sasenzorima
baziranim na novim tehnologijama (“new technology” protokmetri) .
-- Protokmetri na bazi novih tehnologija u ovoj studiji su definisani kao magnetni ,
ultrazvučni , Koriolis , vrtložni , senzori na bazi razlike pritisaka (diferencijalni
protokmetri)
-- Veoma značajan razvoj (napredak) je bio pronalazak integrisanog diferencijalng
protokmetra.
-- Pojavom ultrazvučnih protokmetara dobili smo novu klasu preciznih , jeftinih uredaja za
mjerenje protoka kroz cijevi malog prečnika(0.25-2 inča u prečniku) . Oni su bazirani na
mikroelektromehanickim sistemima (MEMS)
Senzori nivoa
-Najčešće aplikacije za mjerenje nivoa su mjerenje nivoa u rezervoarima i kontrola
zadatog nivoa.Danas je dostupan veliki broj tehnologija i metoda za izradu senzora
nivoa : ultrazvučna,hidrostatičkog pritaiska , RF kapacitivnosti , magnetostriktivnobazirane a tu su i radarski sistemi za mjerenje.
Hidrostatički senzori nivoa
-Mjerenje nivoa uz pomoć diferencijalnog hidrostatičkog pritiska se bazira na principu
razlika pritisaka koji vladaju na samom vrhu stuba tečnosti i na njegovom dnu i
povezana je sa gustinom tečnosti i visinom stuba tečnosti (tj samim nivoom).
-Instrumenti za mjerenje pritiska mogu biti udaljeni od samog senzora ali to onda
zahtijeva kalibraciju kako bi se kompenzovala visinska razlika između senzora i tog
instrumenta
-Hidrostatički uređaji za mjerenje nivoa sa plovkom
-Tačnost ovih senzora je usko povezana sa tačnošću senzora pritiska koji se s njima
koriste
Primjeri hidrostatičkih
senzora nivoa
--jednostavnost u načinu rada
-tačnost od +- 0.15% -1.5 %
-mogućnost primjene i na otvorene i na zatvorene rezervoare
-komunikacija sa udaljenim uređajima putem strujne petlje (4-20 mA)
-senzorske mreže i digitalni prenos informacija
Ultrazvučni senzori nivoa
-Ultrazvučni senzori nivoa emituju zvučne talase , a površina tečnosti te iste talase
reflektuje nazad ka izvoru.
-Vrijeme za koje putuje talas do površine tečnosti i nazad je proporcionalno udaljenosti
izmedu predajnika i površine tečnosti.
-Ovi senzori su idealni za bezkontaktno mjerenje nivoa nekih veoma viskoznih tečnosti
kao što su mazut , lateks i veziva
-Ograničenja za ovu metodu su:
1.) pjena na površini tečnosti može da apsorbuje zvuk
2.) brzina zvuka varira sa temperaturom okoline
3.) turbulencija može da dovede do pogrešnih ocitavanja vrijednosti sa senzora
Kapacitivni senzori nivoa
-Kapacitivni senzori nivoa i predajnici rade na principu da se kondenzator može
formirati između sonde i zida posude.(dielektrik je tečnost čiji nivo mjerimo)
-Kapacitivnost ovog kondenzatora se mijenja sa promjenom nivoa tečnosti
-RF predajnik je smješten spolja na rezervoaru
-Prenos vrijednosti izmjerenog nivoa može biti u različitim formama a prijemni uredaj
može biti PC računar , grafički zapisnik, PLC,......
-Ovi senzori su korisni za mjerenje nivoa "vodenih" tečnosti, organskih tečnosti , veziva
, maziva , tečnih hemikalija kao što je kalcijum oksid.
-Ovi senzori su robustni jednostavni za upotrebu , nemaju pokretnih dijelova i
jednostavni su za cišćenje i održavanje.
-RF impedansni i RF admitansni sistemi
-mogu biti dizajnirani i za aplikacije u kojima se primjenjuju veliki pritisci i
temperature.
Primjer kapacitivnog senzora nivoa
Magnetostriktivni senzori nivoa
-Magnetostriktivni senzori nivoa se baziraju na principu da spoljašnje magnetno polje
se može iskoristiti tako da izazove refleksiju elektromagnetnog talasa u talasovodu
konstruisanom od magnetostriktivnog materijala.
-Sonda se sastoji od tri koncentrična dijela
-Unutar spoljašnje cijevi je talasovod koji je načinjen od elementa od
magnetostriktivnog materijala
-Ispitni impuls niske strujne vrijednosti se
generiše u elektronici u predajniku (transmiteru) i
potom se šalje niz talasovod, što izaziva elektromagnetno
polje duž cijelog talasovoda
-Kada ovo magnetno polje interaguje sa magnetnim
poljem stalnog magneta koji je smješten unutar plovka to
rezultuje pojavom torzionog impulsa naprezanja ili pojavom
da se talasovod uvija.
-Ovo uvijanje talasovoda se detektuje kao povratni impuls.
Mikrotalasni ( radarski ) senzori nivoa
-rade na istom principu slanja mikrotalasa nadole sa senzora koji se nalazi na vrhu
rezervoara ili neke druge posude
-Through-air radari - (FMCW i radari sa vremenom putovanja pulsirajućeg talasa)
-Talasovodni (guided wave radar (GWR) )
-Kod GWR senzora elektromagnetni impulsi koji nose energiju emituju se sa baze
predajnika niz talasovod (kabal )
-Iznos refleksije signala je proporcionalan razlici u dielektričnim konstantama izmedu
talasovoda i supstance.
-Radarska reflektometrija u vremenskom domenu ( time domain reflectometry
(TDR) radar).
-Sistemi sa 2 talasovoda
-Impulsni
radar ( or pulsed time-of-flight) je sličan ultrazvučnom senzoru nivoa.
--Kod ovog tipa radarske tehnologije udaljenost (pa valjda i nivo) se izračunava iz razlike
u frekvencijama predatog (emitovanog) i primljenog (reflektovanog) signala u bilo kom
vremenskom trenutku.
Izbor odgovarajuće tehnologije za mjerenje nivoa
-Izbor odgovarajućeg tipa i veličine antene je jedan od krucijalnih faktora prilikom
izbora tehnologije (metode) za mjerenje nivoa.
-Najvažniji faktori koje proizvođač senzora mora da zna o mjerenju nivoa su:
-ime i karakteristika supstance (materije) čiji nivo mjerimo, da li je u pitanju supstanca u
čvrstom , tečnom , ljepljivom (slurry) , praškastom ili zrnastom stanju.
-Vrijednost dielektrične konstante
-viskoznost , gustina ,provodnost, i konzistentnost(uljna , vodena i td)
-informacije o procesu , kao što su pritisak i temperatura , stepen turbulentnosti i

similar documents