12. merenje statičkih i dinamičkih parametara...

12 – 1

12. Merenje statičkih i dinamičkih

parametara fluida

Za razliku od čvrstih tela, tečnosti i gasovi nemaju konstantnu zapreminu i dimenzije, a dejstvo

spoljašnjih veličina na njih ima posve drugačije efekte od onih opisanih u prethodnom poglavlju. Zbog

toga su senzori i merila za merenje parametara fluida zasnovani na nešto drugačijim principima od onih

opisanih u prethodnim poglavljima. Ovde će biti razmotreni najčešći parametri koji se mere u tehnici a

to su pritisak, brzina (maseni protok) i nivo fluida.

Opredeljivanje za određeni tip merila za merenje parametara fluida zavisi i od cene merila i od cene

softvera koji ga prati, kao i od ograničenja koja nameću uslovi primene. Trendovi na tržištu često

diktiraju izbor koji inženjerima stoji na raspolaganju. Razvoj digitalne i analogne elektronike, čini

današnja merila sve pouzdanijim, lakšim za montažu, upotrebu i održavanje. Poboljšani i

standardizovani komunikacioni interfejsi su velika prednost jer omogućavaju povezivanje merila na već

postojeće sisteme digitalnog upravljanja u postrojenju.

S obzirom da su fluidi, po pravilu, veoma agresivne sredine (organski rastavarači, kiseline itd.) i da se

neretko nalaze pod povećanim pritiskom i temperaturom, posebna pažnja mora se posvetiti tipu

materijala od koga je merilo napravljeno ili kojim je zaštićeno od spoljašnjih uticaja. Neki od zaštita

dostupne danas na tržištu su, recimo, antikorozivni slojevi od politetrafluoretilena (C2F4)n ili elektro-

polirani nerđajući čelik oznake 316 za besprekornu čistoću kontaktne površine. Ovakve zaštite,

omogućavaju određenim tipovima merila da budu primenjena u praktično svim uslovima industrijske

proizvodnje.

12.1. Merenje pritiska fluida

Pritisak u fluidu jednak je u svim pravcima i može se meriti u bilo kom delu zapremine tečnosti ili gasa.

Pritisak nestišljivog fluida u nekoj tački, definisan je Bernulijevom jednačinom, koja opisuje

nepromenljivost pritiska u odsustvu spoljašnjih sila:

ghvpconstp spolj 2

2

1 (12.1)

gde su ρ – gustina fluida, v – brzina fluida u posmatranoj tački, a h visina iznad ravni posmatranja. Prema

toj jednačini, pritisak dakle, zavisi od tri parametra: spoljašnjeg pritiska koji deluje na otvorenom kraju

fluida, brzine kojom se fluid kreće i potencijalne energije po jedinici zapremine. Tako npr. ako se smanji

prečnik cevi kroz koju fluid protiče, sledi da se u tom delu mora povećati njegova brzina i tome sl.

Neki od interesantnih fenomena koji se baziraju na Bernulijevoj jednačini su npr. princip vertikalnog

uzgona prilikom leta aviona ili zakrivljenje putanje lopte u bejzbolu.

Zahvaljujući asimetričnom profilu avionskog krila (princip kopiran iz prirode), vazduh koji protiče iznad

i ispod krila prelazi će različite putanje. Vazduh koji prolazi sa gornje strane krila mora preći veći put

za isto vreme u odnosu na vazduh koji se kreće ispod krila. Zbog toga mora imati veću brzinu, a veća

brzina znači manji pritisak. To znači da je pritisak u vazduhu iznad krila oslabljen u odnosu na vazduh

ispod krila čime se stvara sila uzgona (slila 12.1).

12. Merenje statičkih i dinamičkih parametara fluida

12 – 2

Slika 12.1. Princip uzgona kod letelica

Što je potisak jači veća je razlika i veća je sila uzgona. U jednom trenutku, međutim doći će do

turbulencije (vrtložnog kretanja) vazduha u zadnjem delu krila, što će zahtevati povećanu silu potiska

(veću brzinu aviona) za istu uzgonsku silu. Zato avion ima tendencju propadanja kada naiđe na prirodno

turbulentan vazduh.

12.1.1. Membrane sa električnim senzorima

S obzirom na veoma dobro razvijenu oblast senzora naprezanja i pomeraja čvrstih tela, mnogi senzori

pritiska u fluidima se zasnivaju na sledećem principu: pritisak u nekoj tački fluida se pretvori u

naprezanje ili elastični pomeraj čvrstog tela, nakon čega se za merenje pritiska mogu upotrebiti merne

trake ili induktivni i kapacitivni senzori pomeraja opisani u prethodnim poglavljima.

Pretvaranje pritiska fluida u pomeraj čvrstog tela najlakše se realizuje pomoću elastične membrane. U

bilo kojoj tački cevi kroz koju se prostire fluid postavi se membrana koja trpi značajnu elastičnu

deformaciju. Kako se pritisak u fluidima menja u veoma širokim granicama, potrebno je membranu

napraviti od materijala koji može izdržati znatna naprezanja bez plastične deformacije, a to su najčešće

različiti polimerni materijali sa dugačkim organskim ili (ređe) neorganskim vlaknima, na koje se lepi ili

naparava odgovarajuća električna struktura. Dobra osobina primene membrane jeste što hemijski odvaja

senzor od potencijalno agresivnog fluida, čime se produžava životni vek i pouzdanost rada merila.

Elastična membrana debljine h deformiše se srazmerno razlici pritisaka na svoja dva kraja (slika 12.2).

Efektivni prečnik deformacije r, razlikuje se od ukupnog prečnika membrane, jer njeni ivični delovi nisu

podložni promeni položaja. Deformacija σ ima radijalnu i tangentnu komponentu koje obe zavise od

odnosa r/R.

Slika 12.2. Deformacija elastične membrane i zavisnost naprezanja od udaljenosti od centra membrane

Primeri otpornog, induktivnog i kapacitivnog senzora sa elastičnom membranom dati su na slici 12.3.

Uzgon

Potisak

Smer

kretanja

aviona

Uzgon

Potisak


12 – 3

Slika 12.3. Senzori naneti na elastičnu membranu. Metalni delovi su označeni crnom bojom. a)

otporna rozeta od mernih traka koja trpi deformaciju usled istezanja membrane; b) induktivni zavojni

meandar menja samoinduktivnost promenom geometrije; c) metalna membrana koji se koristi kao

elektroda kondenzatora sa promenljivim zazorom između ploča

Otporna rozeta sastoji se od četiri merne trake, dve zavisne od periferne dilatacije, a dve od centralne.

Ona je primer membrane sa lepljenim senzorima. Problem sa otpornim senzorima jeste njihova zavisnost

od temperature, a membrana ne deluje kao toplotni izolator, zahvaljujući čemu temperatura fluida često

ima za red veličine veći uticaj na promenu otpornosti nego elastična deformacija.

Induktivni senzori od tankog filma nanetog elektrohemijskim naparavanjem na membranu u

nedeformisanom stanju ima samoinduktivnost koja se lako projektuje i izračunava. Međutim, u

deformisanom stanju, zbog kompleksne geometrije u 3D prostoru, induktivnost se mora projektovati u

složenim simulacionim softverima na bazi konačnih elemenata.

Kapacitivni senzori sa elastičnom membranom moraju biti značajnih dimenzija, jer je procep u

nedeformisanom (početnom) stanju membrane velik, pa je kapacitivnost mala i teško se meri. Češće se

u praksi sreću kapacitivni senzori sa pomičnom membranom, koja se ne deformiše, već se usled

delovanja pritiska, celom površinom približava ili udaljava od druge elektrode. U tom slučaju,

membrana se koristi kao srednja elektroda diferencijalnog kondenzatora (slika 12.4).

Slika 12.4. Diferencijalno kapacitivno merilo pritiska

Pored ovih tipova senzora, sreću se još i poluprovodničke membrane, koje koriste piezoelektrični efekat,

odnosno kombinovani senzori (npr. kapacitivni senzor sa silicijumskom membranom). Principi rada

električnih komponenti tih senzora objašnjeni su detaljno u prethodnim poglavljima. Od principa

prikazanih na slici 12.3, najveću osetljivost i najveći opseg imaju induktivni senzori, zahvaljujući

velikom rasponu deformacija koje mogu istrpeti.

a) b) c)


12 – 4

12.1.2. Manometri sa električnim senzorima

Manometri su uređaji sačinjeni od dva spojena suda, različitih poprečnih preseka S1 i S2, jedan sa

otvorenim, a drugi sa zatvorenim krajem (slika 12.5). U zatvorenom kraju vlada poznat pritisak p0, dok

je otvoreni kraj izložen pritisku pm, koji se meri Manometar je ispunjen živom (provodan materijal).

Usled razlike pritisaka, nivo žive u jednom delu suda će opasti za vrednost h, a u drugom će porasti za

vrednost H.

Slika 12.5. Klasičan živin manometar sa spojenim sudovima različitih prečnika

Iz Bernulijevve jednačine sledi da je

g

pphH m

0

(12.2)

Ako je tečnost nestišljiva, tada su mase prelivene tečnosti iste i iznose

HSmhSm Hh 21 (12.3)

Sledi da će nivo izdizanja tečnosti biti

g

pp

SS

SH m

0

21

1

(12.4)

Da bi se dobio električni senzor, deo cevi se posrebri u dužini l i služi kao elektroda koaksijalnog

kondenzatora. Kao druga elektroda koristi se puna metalna cev prečnika r = d/2 = R/4, kao na slici

12.6.

Slika 12.6. Prstenasti kondenzator u manometru

Ako je u ravnotežnom položaju (pm = p0), nivo fluida tačno na sredini ploča, tada je kapacitivnost za

proizvoljno H, uzimajući u obzir da je tečnost u manometru provodnik:

h

H

pm p0

d D

CHg

Cstakla

Cvazduha

r

d

R

l H


12 – 5

SS

S

S

S

S

S

S

S

S

S

S

Hg

staklavazduha

Hl

HlHl

Hl

Hl

r

dR

Hl

Hl

dR

R

Hlr

dRC

CC

C

2212ln

12212ln2ln

22

12ln

22

ln

22

22

ln

22

ln

1

11

1

0

0

00

2ln

0

00

(12.5)

Kada je H = 0 m, odnosno kada su pritisci izjednačeni, kapacitivnost je

S

SSlC

1

21

2ln

00 (12.6)

U svim ostalim slučajevima je

HCCS

S

12ln

2 00 (12.7)

Dakle, ovo merilo ima ofset C0 i linearno je. Rezolucija merenja zavisi od rezolucije kojom se može

meriti kapacitivnost C, što se najčešće radi merenjem učestanosti u rezonantom LC kolu, što znači da je

rezolucija merenja potencijalno veoma velika.

12.2. Merenje brzine, masenog i zapreminskog protoka fluida

Maseni protok m izražen u kg/s dat je kao

Vm (12.8)

gde je V zapreminski protok, odnosno promena zapremine u jedinici vremena. Ukoliko je poprečni

presek cevi kroz koju fluid protiče poznat i konstantan, tada je zapreminski protok određen količnikom

dužine cevi koju neka količina vode pređe u jedinici vremena. Drugim rečima:

SvxSm (12.9)

Dakle, merenjem brzine fluida i poznavanjem njegove gustine i dimenzija cevi kroz koju fluid protiče

mogu se izračunati zapreminski i maseni protok.

U praksi se najčešće sreću tri varijante merila koje će biti objašnjeni u nastavku: živin manometar,

Pitoova cev i otporni senzori,.

12.2.1. Merenje brzine fluida pomoću živinog manometra


12 – 6

Živin manometar sa posrebljenom cevi, opisan u prethodnom delu, može se koristiti i za merenje brzine

kretanja fluida u zatvorenim sistemima (npr. cevovodi). Potrebno je obezbediti da se oba kraja

manometra povežu na cev kroz koju protiče fluid, s tim da se jedan segment cevi namerno učini užim,

kako bi se u njemu povećala brzina, a samim tim povećao i pritisak. Širi kraj manometra treba vezati na

cev većeg poprečnog preseka A1, a uži kraj na cev manjeg poprečnog preseka A2 (slika 12.7).

Slika 12.7. Manometar za merenje brzine protoka fluida

Ovaj princip merenja nije pogodan za neke primene, poput merenja protoka pijaće vode, jer bi živa iz

manometra bila u stalnom kontaktu sa vodom i lako bi se mogla sa njom pomešati ili sjediniti sa jonima

nerastvorenih nemetala, te na taj način dospeti u ljudski organizam. Zato su primene ovog merila

ograničene na merenje brzine i protoka fluida koji nisu predviđeni za konzumiranje (npr. gasovodi,

naftovodi i sl.) ili se umesto žive mora koristiti neki drugi provodan fluid.

Centri masa fluida u gornjim cevima nalaze sa istoj relativnoj visini, pa Bernulijeva jednačina ima oblik

2

22

2

112

1

2

1vpvp (12.10)

Dakle, razlika brzina u cevima različitih prečnika rezultuje razlikom pritisaka, koja se meri manometrom

u postupku već opisanom u prethodnom delu. Iz 12.10 dobija se da je

2

2

2

1122

1vvpp (12.11)

Uzimanjem u obzir jednačine kontinuiteta

2211 vAvA (12.12)

Sledi da je

2

0

20122

1

2

2

2

2121

11~~~~

2

ffCCHpp

AA

Appv

(12.13)

Dakle, merenje brzine protoka fluida svodi se na merenje razlike kapacitivnosti ili na merenje

učestanosti f i f0 nekog rezonantnog LC kola sa fiksnom induktivnošću L i sa kapacitivnostima C0, kada

je H = 0 m, odnosno C, kada postoji određena razlika nivoa žive u kracima manometra.

H

h d D

A1 A2

v1 v2


12 – 7

12.2.2. Merenje brzine fluida pomoću Pitoove cevi

U situacijama kada je potrebno meriti brzinu fluida u otvorenim tokovima, gde je nivo fluida konstantan

i ne utiče na gravitaciono-potencionalni pritisak, koriste se Pitoove cevi. Pitoova cev je staklena ili

plastična cev savijena pod uglom od 90 º, koja se prilikom uranjanja okreće u susret dotičućem fluidu.

Zbog toga je u Pitoovoj cevi brzina fluida jednaka nuli, pa raste pritisak u odnosu na situaciju kada bi

se koristila obična prava cev (slika 12.8).

Slika 12.8. Princip izdizanja tečnosti u Pitoovoj cevi

Povećan pritisak u cevi dovešće do izdizanja nivoa fluida za vrednost H u gornjem delu cevi. Prema

Bernulijevoj jednačini imamo da je

2

002

1vpgHp (12.14)

S obzirom da su spoljašnji pritisci isti dobija se da je

gHv 2 (12.15)

Sam izgled senzorskog dela prikazan je na slici 12.9. U Pitoovu cev se uranja okrugla metalna elektroda,

a na zidove cevi od dielektrika se naparava srebrni prstenkao druga elektroda, baš kao i u ranijim

primerima kapacitivnih senzora. S obzirom da je voda u otvorenim tokovima prepuna rastvorenih soli,

može se smatrati da je tečnost između elektroda elektrolit (provodnik), a ne dielektrik, pa je odziv ovog

merila dat relacijama 12.6 i 12.7.

Slika 12.9. Pitoova cev sa posrebrenim prstenom

v1 = v v2 = 0

p0 p0

H

H

plovak

Ag

Ag


12 – 8

12.2.2. Merenje brzine fluida termootpornim senzorima

Kada se kroz otpornik propusti stalna električna struja I, na njemu se oslobađa određena snaga. To je

snaga termičkog zagrevanja otpornika koja je data sa:

2RIPgrejanja (12.16)

Ukoliko otpornik ne bi odavao toplotu okolnom gasu i to dovoljnom brzinom, njegova temperatura bi

neograničeno rasla. Spontana emisija toplote elektromagnetskim zračenjem nije dovoljna da ohladi

otpornik veće snage. Deo toplote mora se osloboditi konvekcijom u kontaktu sa okolnim fluidom, čiji

molekuli imaju fizičku interakciju sa površinom otpornika. Time se otpornik hladi i dostiže konačnu

radnu temperaturu kada se količina dovedene i odvedene toplote izjednače. Efikasnost hlađenja zavisiće

od sposobnosti okolnog gasa da odvede svoje ugrejane molekule dalje od otpornika i na njihovo mesto

dovede nove, hladnije molekule. Jasno je da će fluidi koji se brže kreću, efikasnije hladiti otpornik od

onih koji su spori. Ovaj princip se može iskoristiti za merenje brzine fluida.

Snaga hlađenja zavisi od koeficijenta odvođenja toplote ξ, površine otpornika A i razlike temperatura

otpornika i fluida

fluidaotpornikahladjenja AP (12.17)

Koeficijent odvođenja toplote ξ ima jedinicu W/(m2K). Kada je brzina fluida v mala i njegov tok

laminaran, koeficijent odvođenja toplote ξ sa površine čvrstog tela dat je izrazom 12.18.

21 KvKv (12.18)

K1 i K2 su konstante proporcionalnosti koje se eksperimentalno određuju i zavise od tipa materijala od

koga je napravljena površina otpornika, kao i od gustine i viskoznosti fluida kojim je otpornik okružen.

Kada je brzina fluida velika i tok turbulentan, tada je zavisnost koeficijenta odvođenja toplote ξ od brzine

fluida v izraženija i data je izrazom 12.19.

43 KvKv (12.19)

Ponovo su K3 i K4 konstante koje se eksperimentalno određuju.

Neka je R0 otpornost otpornika na temperaturi fluida, kada fluid miruje (v = 0 m/s) i kada kroz otpornik

ne protiče struja (nema zagrevanja). Ako kroz ovakav otpornik pustimo stalnu struju I i stavimo ga u

fluid koji se kreće brzinom v, krajnja otpornost R(v)i temperatura otpornika θR će se dobiti iz uslova

ekvilibrijuma u kome su snage grejanja i hlađenja iste. Ovo je opisano izrazom 12.20.

fluidaRAvIvR 2 (12.20)

Sa druge strane važi približna relacija za promenu otpornosti sa promenom temperature u zavisnosti od

temperaturnog koeficijenta materijala od koga je otpornik napravljen.

fluidaRfluidaRvR 10 (12.21)

Izražavanjem fluidaR iz izraza 12.21 i uvrštavanjem u 12.20, dobija se


12 – 9

1

0

2

R

vRAvIvR

fluida

(12.22)

Sređivanjem gornjeg izraza dobija se

Av

IRRvR

fluida

2

0

0

1

1

(12.23)

Na ovaj način se, u zavisnosti od tipa toka fluida, primenom izraza 12.18 ili 12.19, može dobiti zavisnost

otpornosti od brzine protoka. Ova otpornost može se meriti bilo kojom od metoda opisanim u poglavlju

7, mada se u praksi najčešće koristi U/I metoda. U tom slučaju je potreban samo voltmetar, jer je struja

kroz otpornik obično unapred poznata.

12.3. Merenje nivoa fluida

Nivo fluida mora se uvek meriti u odnosu na neki unapred dogovoreni nulti nivo. Npr. za nivo otvorenih

reka može se računati od dna njihovog korita ili u odnosu na neku referentnu tačku. U industriji se

najčešće meri nivo fluida u nekom rezervoaru radi kontrole punjenja i pražnjenja. Postoji veliki broj

različitih induktivnih i kapacitivnih merila nivoa tečnosti.

Sva električna merila nivoa mogu se podeliti u 5 grupa, u zavisnosti od principa rada mehaničkog dela

senzora:

hidrostatički uređaji

merila opterećenja

kapacitivna merila

plutajući uređaji sa pokazivačima

ultrazvični daljinometri

laserski i radarski daljinometri

magnetostrikciona merila

Hidrostatički uređaji koriste iste principe merenja kao i merila pritiska ili brzine fluida. Primeri uređaja

koji se koriste su potiskivač i diferencijalno merilo pritiska. Izgled potiskivača dat je na slici 12.10.

Merilo radi na principu Arhimedove sile potiskivanja čvrstog tela zaronjenog u tečnost. Što je nivo

tečnosti viši to je telo dublje zaronjeno u nju i sila potiskivanja je veća. Potiskivanje se meri

tenzometrijskim pretvaračem, poput npr. merne trake ili piezoelektričnog senzora na vrhu rezervoara.

Ako potiskivač ima površinu poprečnog preseka S i potpoljen je u tečnost do dubine H (nivo tečnosti u

rezervoru), tada je sila potiskivanja

gHSgmF tecnosti tecnostipotisnute (12.24)


12 – 10

Slika 12.10. Merilo nivoa sa potiskivačem

Diferencijalni senzor pritiska može se koristiti za merenja nivoa tečnosti koja sporo otiče iz rezervoara

(v 0 m/s). Izgled ovakvog merila dat je na slici 12.11.

Slika 12.11. Merilo nivoa sa diferencijalnim senzorom pritiska

Merni signal proporcionalan je razlici atmosferskog pritiska u rezervoaru i hidrostatičkog pritiska

tečnosti na dnu rezervoara.

gHpgHpp 0

fluiduupritisak

0 (12.25)

Pri čemu je gustina tečnosti, a H nivo tečnosti koji se meri.

Merila opterećenja koriste tenzometrijske senzore (npr. merne trake) da mere težinu rezervoara kojom

ovaj potiskuje svoje nosače ili podlogu na kojoj stoji. Iako ovo nije direktno merenje nivoa, nivo tečnosti

u rezervoaru se može izračunati iz sledeće relacije:

HgSgmgmmF rezervoaratecnostirezervoaratecnostirezervoara (12.26)

Nepovoljnost ovog pristupa je što je neophodno veoma precizno poznavati težinu praznog rezervoara i

njegove unutrašnje dimenzije, što nije uvek moguće.

Kapacitivna merila zasnivaju se na činjenici da je dielektrična konstanta tečnosti obično drastično

različita (veća) od dielektrične konstante vazduha. Princip rada kapacitivnih merila već je objašnjen

ranije u ovom poglavlju. Ovde ćemo detaljnije razmotriti specijalan slučaj takvog merila koje nema

linearan odziv za sve nivoe tečnosti. To je značajno ako je za proizvodni proces kritičnije merenje nivoa

Merni signal

Senzor naprezanja

Potiskivač

Rezervoar

Tečnost

Merni

signal

Referentni

pritisak

Diferencijalni

senzor

pritiska

Rezervoar

Tečnost


12 – 11

kada je rezervoar prazniji i kada se radi na „rezervi“. Onda se može koristiti kapacitivno merilo

promenljive osetljivosti, kao na slici 12.12.

Slika 12.12. Kapacitivno merilo nivoa sa promenljivom rezolucijom

Spoljašnji cilindar predstavlja jednu elektrodu kondenzatora i stalnog je poprečnog preseka, dok se

unutrašnja elektroda sastoji od cilindara čiji se prečnici sužavaju kako se ide prema vrhu merila.

Zavisnost kapacitivnost od nivoa menja je linearna dok god se tečnost nalazi u segmentu jednog

poprečnog preseka (slika 12.13 i izrazi 12.29-31).

Slika 12.13. Električni model merila nivoa sa slike 12.12.

Kada je rezervoar prazan kapacitivnost merila je

302010

3

30

2

20

1

100

/ln

2

/ln

2

/ln

2CCC

rR

h

rR

h

rR

hC

(12.27)

gde su C10, C20 i C30 kapacitivnosti pojedinih segmenata kada je dielektrik samo vazduh. Kada je

rezervoar napunjen do vrha, kapacitivnosti pojedinih segmenata su

3

30

3

2

20

2

1

10

1

/ln

2

/ln

2

/ln

2

rR

hC

rR

hC

rR

hC

f

f

f

f

f

f

(12.28)

h3

h1

h2

H

h3

h2

H h1

C30

C1f

C2 popunjeno

C2 ispražnjeno

r3

r2

r1

R


12 – 12

Kada je nivo fluida H < h1, ukupna kapacitivnost merila je

HrR

CCC

rR

h

rR

h

rR

Hh

rR

H

CCCCC

f

fff

oispraznjenpopunjeno

1

0

302010

3

30

2

20

1

10

1

0

302011

/ln

12

/ln

2

/ln

2

/ln

2

/ln

2

(12.29)

Za slučaj prikazan na slici 12.13, kada je h1 < H < h2, dobija se

1

2

0

30201

3

30

2

120

2

10

1

10

30221

/ln

12

/ln

2

/ln

2

/ln

2

/ln

2

hHrR

CCC

rR

h

rR

Hhh

rR

hH

rR

h

CCCCC

f

f

fff

praznopuno

f

(12.30)

Za nivo vode u najvišem segmentu merila, kada je H veće od h2, kapacitivnost je

21

3

0

3021

3

1230

3

120

2

20

1

10

3321

/ln

12

/ln

2

/ln

2

/ln

2

/ln

2

hhHrR

CCC

rR

Hhhh

rR

hhH

rR

h

rR

h

CCCCC

f

ff

fff

praznopuno

ff

(12.31)

Kompletan odziv merila za različite nivoe tečnosti prikazan je na grafiku na slici 12.14. Grafik će biti

najstrmiji tamo gde je ln(R/ri) najveće, odnosno tamo gde je r najveće.

Slika 12.14. Odziv merila sa promenljivom osetljivošću (nagibom)

Sve do sada opisane metode imaju jedno ograničenje – da bi se mogao odrediti nivo fluida H, potrebno

je unapred znati o kom fluidu se radi, jer odziv merila zavisi od npr. gustine fluida ili njegove

dielektrične konstante εf. U nastavku će biti ukratko opisani principi rada univerzalnih merila nivoa, koja

pod istim uslovima daju isti odziv bez obzira na vrstu tečnosti čiji nivo se meri.

C (μF)

H (m)

C0

h1 h1+h2 h3 + h3 + h3


12 – 13

Plutajući uređaji sa pokazivačima koriste plovak koji pluta na površini tečnosti. Izdizanje i spuštanje

plovka se koristi za pokretanje nekog analognog pokazivača ili dela nekog električnog kola (npr.

magnetskog jezgra kalema). Time se ovi uređaji svode na merila pomeraja čvrstih tela, opisana u

poglavlju 13.

Ultrazvučni daljinometri mere udaljenost između emitera i površine fluida na osnovu vremena koje je

potrebno ultrazvučnom impulsu da ode do površine i vrati nazad do emitera (vreme refleksije). Princip

merenja ilustrovan je na slici 12.15. Ultrazvučni senzori koriste učestanosti reda veličine nekoliko

desetina kiloherca. Tipično kašnjenje ultrazvuka je oko 6 ms/m. Međutim, brzina ultrazvuka jako zavisi

od smeše gasova u slobodnom delu rezervoara, njihove temperature i pritiska. Stoga su ova merila

ograničena na merenja na atmosferskom pritisku u vazduhu ili azotu i slabo isparive fluide.

Slika 12.15. Merenje nivoa tečnosti ultrazvučnim daljinometrom

Laserski i radarski daljinometri rade na sličnom principu kao i ultrazvučni daljinometri, s tim da se

umesto akustičnog talasa koristi elektromagnetski talas. Ako je reč o laserskom izvoru, talas je usmeren,

a ako se radi o radaru, snop je difuzioni. Ovi tipovi daljinometara, zapravo se češće primenjuju za

merenje nivoa rastresitih čvrstih materija, poput peska i hangaru ili zrna žita u silosu, ali i za merenje

nivoa lako ispraivih ili neprozirnih gustih tečnosti, poput mleka, otpadnih voda, tečnog stirena i sl.

Laserski daljinometri su osetljivi na isparenja i nečistoće u vazduhu iznad fluida čiji nivo se meri, jer

male čestice mogu lako odbiti uzan laserski snop ili ga rasejati, čime se otežava merenje. Mana

radarskog snopa je mogućnost detekcije lažnog eha od zidova rezervoara ili drugih prepreka.

Magnetostrikciona merila su zapravo merila koja kombinuju više principa merenja već opisanih u

ranijim tipovima merila da bi se dobio najpouzdanije merilo nivoa. Magnetostrikciono merilo koristi

plutajući uređaj, tenzometrijski senzor, a u osnovi je daljinometar. Za razliku od ostalih merila sa

plutajućim uređajem, ovde se, umesto mehaničke sprege sa pokazivačem, koristi brina torzionog

(mehaničkog) talasa duž žice da bi se pronašao plovak i odredio njegov položaj. Na slici 12.16 prikazan

je princip rada jednog ovakvog merila.

Jedini pokretan deo merila je plovak koji se izdiže i spušta sa nivoom tečnosti. Plovak nosi na sebi stalan

magnet u obliku prstena. Kroz sredinu prstena provučena je metalna cev od provodnog materijala. Na

vrhu cevi nalazi se transmiter koji emituje kratkotrajan struni impuls. Istovremeno se uključuje kolo za

merenje vremena. Strujni impuls prilikom prolaska kroz cev indukuje oko nje magnetsko polje. Kada

impuls i njegovo magnetsko polje stignu do plovka, oni će stupiti u interakciju sa magnetskim poljem

stalnog magneta. Ta interakcija napreže provodnik, proizvodi torzionu silu u njemu i šalje mehanički

impuls nazad ka transmiteru. Mehanički impuls detektuje se piezomagnetskim senzorom, koji

obaveštava kolo za merenje vremena da se isključi.

Merni signal

Ultrazvučni

predajnik/prijemnik

Rezervoar

Tečnost


12 – 14

Slika 12.16. Magnetostrikciono merilo nivoa

Ako su poznate brzine prostiranja električnog vel i mehaničkog impulsa vmeh u provodniku, onda se

udaljenost l do plovka, a samim tim i nivo tečnosti u rezervoaru, mogu odrediti na osnovu vremena koje

je bilo potrebno struji da stigne do plovka i vremena koje je mehaničkom talasu bilo potrebno da se vrati

nazad do senzora.

mehmeh

zanemarivo

el

merenov

l

v

l

v

lt (12.32)

Određivanje položaja plovka veoma je precizno. Ključna prednost ove meode ogleda se u tome da je

brzina prostiranja mehaničkog talasa dobro poznata, nezavisna od temperature, pritiska, količine pene

na površini tečnosti. Osim toga signal je kanalisan unutar provodne cevi, pa nema opasnosti od rasipanja

snopa ili lažnog eha, kao kod ultrazvučnog, laserskog ili radarskog daljinometra.

Cev od provodnog

materijala Piezomagnetski

senzor

Fluid

Plovak sa stalnim

magnetom

Strujni impuls

Mehanički talas

12. merenje statičkih i dinamičkih parametara...

Documents