CS272838B1 - Method of liquid through flow evaluation - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu vyhodnocování průtoku tekutin při měření průřezovým-měřidlem, zejména tvarovaným tak, že v něm až k listovému otvoru nedochází k odtrhávání tekutiny od stěn. Takovéto průřezové měřicí orgány jsou zpravidla označovány jako trysky, popřípadě zastarale jako dýzy, na rozdíl od clonek, které jsou zpravidla ostrohranné a zpravidla v nich na ostrých hranách dochází k separaci proudění. Trysky se používají k měření průtoku tak, že při průchodu tekutiny tryskou se tlakoměrem měří tlakový spád na trysce. Průtok se potom vyhodnocuje z tohoto měřeného spádu. Způsob vyhodnocování průtoku tekutin z měřených tlakových spádů na tryskách podle tohoto vynálezu je zvláště vhodný pro měření menších průtoků tam, kde je kladen důraz na přesnost získané informace o okamžité průtočné hmotnosti tekutiny.

Příkladem vhodného uplatnění způsobu podle vynálezu může být použití při mikroprocesorovém řízení spalovacího procesu v hořáku, kdy se v mikroprocesoru způsobem, který je předmětem tohoto vynálezu, vyhodnocuje jednak průtočná hmotnost paliva, jednak průtočná.hmotnost vzduchu přiváděného do hořáku. Podobně tomu může být í při mikroprocesorovém řízení chodu spalovacího motoru. Dalších příkladů, například při řízení chemických procesů, třeba v potravinářském průmyslu, může být jmenována celá řada, již proto, že měření průtoku tekutin je vůbec nejčastěji se vyskytující úlohou v celé průmyslové řídicí technice.

Dosud bylo vyhodnocování průtoku z měřeného tlakového spádu, zejména spádu na tryskách a podobných průřezových měřicích orgánech, prováděno bu3 značně nepřesně, přičemž chyby byly zvlášt velké při malých průtocích, nebo značně pracně a zdlouhavě.

první případ šlo tehdy, jestliže se předpokládal jednoduše kvadratický průběh charakteristiky průřezového měřícího orgánu, to jest závislost mezi energetickým spádem na měřidle a procházející průtočnou hmotností tekutiny. Odchylky od kvadratického průběhu jsou všeobecně zvláště velké pří malých průtocích. V literatuře se dosud uvádí, že nad jistou hodnotou Reynoldsova čísla, řádově rovnou asi lO,lo\ a tedy nad odpovídající hodnotou průtoku existuje oblast konstantnosti součinitele odporu, kde je předpoklad splněn. Novější měření však prokazují, že taková oblast konstantnosti je pouhou fikcí, hodnoty ztrátového. součinitele průřezového měřidla se mění i při velmi vysokých Reynoldsových číslech, i když málo.

Bylo možné dosánout vyšší přesnosti i při malých průtocích, a tedy malých Reynoldsor vých číslech, prováděním korekcí. Ty vycházely z experimentálně zjištěných údajů. Je možné prokázat, že má-li mít korekční závislost obecnou platnost, pro jakékoliv tekutiny a jakékoliv stavy této tekutiny, je nezbytné ji vyjadřovat jako závislost odporového součinitele na Reynoldsově čísle. Experimentálně zjištěné takovéto závislosti byly dosud zpravidla udávány v podobě tabulek, běžně například vydávaných v normách pro měření průřezovými měřidly. Provádění korekcí pomocí těchto tabulek je proto pracné a zdlouhavé, že velikost korekční odchylky lze z takových tabulek nalézt jen v závislosti na Reynoldsově čísle, ale to zase lze přesně zjistit až teprve z vyhodnoceného průtoku. Prováděl se proto iterační výpočet, kdy se v prvém kroku odhadovala velikost Reynoldsova čísla, z jeho odpovídající hodnoty odporového součinitele byla stanovena velikost korekční odchylky a vypočítán průtok. Tomu potom ovšem odpovídalo jiné Reynoldsovo číslo, pro které potom byl výpočet opakován. Dostala se tak nakonec ještě přesnější hodnota Reynoldsova čísla, a tím přesnější hodnota průtoku a vyhodnocování se tak dělo v takto opakovaných iteračních krocích. Pro různá průřezová měřidla tak jsou k dispozicí zvláštní tabulky korekčních hodnot k takovému vyhodnocování.

Uvedený postup se jeví mimořádně nevýhodný, zejména v situacích, kdy má jít o měření vyhodnocované řídícím mikropočítačem. Tabulka korekčních závislostí zabírá neúměrně mnoho místa v paměti počítače a výpočetní cyklus s iteracemi také zabírá výpočetní kapacitu, která by jinak byla volná k řešení vlastní regulační úlohy. Musí být volen dražší mikropočítač s větším rozsahem paměti a také dražší software pro vyhodnocování se uplatní nepříznivě v relativně malých sériích, jako dosud jsou obvyklé průmyslové řídicí technice, kdy cena softwaru je rozdělena jen na několik málo výrobků. Zejména tam, kde jde o řízení procesů s »

CS 272 838 Bl

2:

větším počtem měřených průtoků různými průtokovými měřidly, protože jedná-li se o různě velké průtoky, nelze použít jediné průřezové měřidlo, na kterém by u velkých průtoků docházelo k příliš velké energetické ztrátě, zabírá dosavadní procedura vyhodnocování tak velkou část kapacity mikropočítače, že dochází k vážným ekonomickým problémům s jeho použitím.

Problém'je řešen způsobem vyhodnocování průtoku tekutin podle vynálezu, při kterém se změří tlakový spád na trysce nebo na jí příbuzném průřezovém měřícím orgánu a změří se také teplota a tlak. Postata vynálezu spočívá v tom, že signál obsahující informaci o velikosti tlakového spádu na trysce a z něj vyhodnoceného spádu specifické hodnoty energie tekutiny, která tryskou nebo jí příbuzným průřezovým měřícím orgánu a změří se také teplota a tlak. Podstata vynálezu spočívá v tom, že signál, obsahující informaci o velikosti tlakového spádu na trysce a z něj vyhodnoceného spádu specifické hodnoty energie tekutiny, která tryskou nebo jí příbuzným průřezovým měřicím orgánem protéká, se podrobí transformaci, při které velikost zjišťovaného průtoku je úměrná součinu kritické hodnoty signálu a korekčního faktoru signálu, který je jednoznačně závislý na spádu specifické hodnoty energie tekutiny, a výsledkem tohoto působení je signál obsahující informaci po okamžité hodnotě průtočné hmotnosti tekutiny.

Výhodou tohoto postupu vyhodnocování je především to, že se dostává velmi přesná hodnota průtoku i při malých průtocích, odpovídajících nižším hodnotám, než je mez konstantnosti, to znamená mezní minimální hodnota průtoku, nad níž lze vystačit s vyhodnocováním z jednoduchého kvadratického vztahu. Další výhodou je,že tato vyšší přesnost se dosáhne bez použití tabelovaných hodnot, s pouze dvěma zadanými veličinami charakterizujícími použitou trysku, podle výše uvedené formulace způsobu vyhodnocování tedy se dvěma veličinami, určujícími pro danou teplotu a tlak hodnoty k a oM^. Velmi podstatnou další výhodou potom je, že k vyhodnocení je k dispozici explicitní vztah oM = f/m/, neprobíhá tedy výpočet v iteračních cyklech, což znamená, že vyhodnocení může být rychlejší a klade menší nároky na elektronickou aparaturu. Konečně významnou výhodou může také být to, žé uvedený postup vyhodnocování podle vynálezu je univerzální, platí pro jakékoliv trysky. Určitou konkrétní trysku je potom třeba pouze určit udáním dvou hodnot, například d a c^, určujících veličiny k a oMp. Není tedy třeba pro jinou použitou trysku ukládat do paměti mikropočítače jinou tabulku korekčních faktorů. Znamená to také tu výhodu, že v systému s více měřenými průtoky může tentýž mikroprocesor s týmž programenra týmž obsahem paměti vyhodnocovat tlakové spády měřené různými tryskami nebo jinými příbuznými průřezovými měřicími orgány. Mikroprocesorový řídicí systém protom může být výrazně levnější.

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny v popise příkladu jeho prováděni podle připojených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno schematicky zařízení pro způsob vyhodnocování průtoku tekutin podle vynálezu.

Konkrétní příklad měření je nyní vysvětlen za pomoci připojeného obr. 1. jedná se o měření stacionárního průtoku vzduchu v potrubí 1., které je znázorněno v horní části obrázku, a sice tlakoměrnými čidly: Diferenčním čidlem 20, které měří tlakový spád na trysce 10 a absolutním čidlem 30., sloužícím především k určení vlastností protékajícího vzduchu. Signál tlakoměrných čidel je zpracováván elektronickým přístrojem 100 v dolní části obrázku, který jednak udává okamžitou velikost průtoku vzduchu na zobrazovací 112, jednak na svém výstupu 113 generuje elektrický signál, podávájící informaci o vyhodnoceném průtoku pro další využití v navazujícím řídicím systému.

Potrubí 1. je přerušeno přírubovým spojem, kde mezi přírubami 2 je vložena a upevněna tryska 10. V daném případě je tryska 10 montována do potrubí 1. s relativně velkým' průměrem, takže rychlosti proudění vzduchu před tryskou 10 i ve větších vzdálenostech za ní jsou malé a při měření není nutné brát v úvahu to, že část energie vzduchu je přeměněna v energii kinetickou, postačí pracovat pouze s tlakovou složkou energie. Tlak před tryskou 10 je odebírán z dutiny potrubí 1. předním odběrem 12. Podobně zadní odběr 13 vyvádí tlak z prostoru za tryskou 10. Diferenční číslo 20 je membránového tenzometrického typu, což ovšem pro popiso3.

CS 272 838 81 vanou metodu není nijak důležité a právě tak by mohlo jit o čidla jiných typů. Rozdílem tlaků .mezi přední komůrkou 22 a zadní komůrkou 23 je deformována membrána diferenčního čidla 21. Tenzometrický snímač potom generuje elektrický výstupní signál úměrný tlakovému spádu na trysce 10; tento tlakový spád je označen Δ P [PaJ. Podobně docházf k deformaci membrány absolutního čidla 31 v absolutním čidle 30 rozdílem tlaků mezi tlakovou komůrkou 32 a vakuovou komůrkou 33. V tlakové komůrce 32 působí tlak za tryskou 10, přivedený sem ze zadního odběru 13. Z vakuové komůrky 33 je vzduch vyčerpán, takže deformace membrány absolutního čidla 31 jsou úměrné velikosti tlaku za tryskou, který je označen PyfPaj . Vzhledem k velkým sílám, které by vznikaly velkým rozdílem tlaků mezi hodnotou Py a vakuem a příliš by membránu absolutního čidla 31 namáhaly, takže by nemohla dostatečně citlivě reagovat na malé změny Ρ_γ, je ve vakuové komůrce 33 pružina 34 působící proti účinku tlaku Py na membránu absolutního čidla 31. Proti ústí 11 trysky 10 je umístěno teplotní čidlo 4; v daném příkladě se využívá teplotní citlivosti křemíkové diody, ovšem teplotním čidlem 4_ může jinak být například termistor. Signály čidel, převedené na elektrickou formu, jsou zavedeny do elektronického přístroje 100.

Difei^ičním tlakovým vstupem 101 je přiveden signál podávající informaci o hodnotě P, absolutním tlakovým vstupem 102 je připraven signál s informací o hodnotě Py a teplotním vstupem 103 je přiveden signál s informací o velikosti teploty Ty za tryskou 10. V prvé řadě jsou z hodnot Ρ_γ a Ty vypočítány vlastnosti vzduchu za ústím 11 a sice specifický objem vzduchu v [m^/kgj podle vztahu kde r = 288 3/kg K je plynová konstanta vlhkého vzduchu. Viskozita vzduchu V [m^/s] je například vyhodnocena podle vztahu l,45á.l0~⁶ T_v ^1,5 v-1—Ty + 110

V následující fázi vyhodnocování naměřených údajů se ze spádu tlaku vypočítá spád specific9 9 ké hodnoty energie takutiny Δ e [3-kg = m /s ]. U kapalin se zanedbatelnou stlačitelností lze vypočítat tento spád ze vztahu

Δε = v Δ.Ρ a tento vztah lze použít i v případě plynů, jedná-li se o velmi malé tlakové spády na trysce ΔΡ. U plynů je však vhodnější použít přesnější vztah r T,

KV¹) - κ kde kromě výše uvedených veličin vystupuje poměr specifických tepel X, který má u vzduchu hodnotu X = 1,4.

Prvnim ovládacím prvkem 104 je do elektronického přístroje 100 zadána hodnota průměru d ústi 11 trysky 10. Druhým ovládacím prvkem 105 se podobně do elektronického přístroje 100 manuálně zadává informace o hodnotě charakterízační konstanty Cy. Z těchto údajů se vypočítá hodnota parametru k c_T a dále se vyhodnotí velikost kritického průtoku oM_r podle vztahu oM„

Vesměs jsou poměry při běžných průtocích v potrubí takové, že vlastnosti tekutiny v a se mění s časem jen velmi pomalu, takže s parametry k a oM_c lze pracovat při výpočtech po dlouhý časový úsek jako s konstantami a jen čas od času jsou velikosti konstant korigovány.

4v

CS 272 838 Bl

Konečně posledním z předběžných výpočtů je vyhodnocení veličiny

V/Te m = .

Následuje potom vlastní výpočet průtočné hmotnosti vzduchu nebo obecně jiné tekutiny, ze vztahu

Vyhodnocená průtočná hmotnost je v daném přikladu indikována na čtyřmístném digitálním zobrazovači 112 a sice v jednotkách g/s, tedy tisíckrát menších, než je základní jednotka průtočné hmotnosti kg/s. Elektrický signál přenášející informaci o vyhodnoceném průtoku je potom k dispozici na výstupu 113.

Uvedený příklad je ovšem spíše ilustrativní, prakticky důležité aspekty jako je zesílení eventuální linearizace a hlavně digitalizace signálů přiváděných do diferenčního tlakového vstupu 101, absolutního tlakového vstupu 102 a teplotního vstupu 103 zde nejsou popisovány, protože se předpokládá, že se dějí běžnými standardními postupy, popřípadě se neprovádějí v každém z těchto vstupů nezávisle, ale postupně po sobě v jediném ústrojí, do kterého jsou vstupní signály postupně zaváděny elektronickým přepínačem. Také manuální nastavování točítky jako ovládacími prvky 104, 105 je zde spíše jen pro ilustraci, ve skutečnosti u mikroprocesorového systému by údaje byly zadávány v digitální formě.

Z diagramu podle obr. 2 vyplývá velmi názorně, jak se řídí i nejodlišnější tvarované trysky společnou zákonitostí, na které je způsob vyhodnocování průtoku tekutin podle vynálezu založen. Rovnice (Γ57-Ό⁴ je inverzní ke vztahu oM = oM^,(m + řirm y z popisu přihlášky.

Předpokládá se, že způsob vyhodnocování průtoků podle tohoto vynálezu najde uplatnění v celé řadě průmyslových oborů, například při měření průtoku plynů, kapalin, suspenzí a jiných tekutin v chemickém, potravinářském nebo jaderném průmyslu. Může ale také být důležitý například pro měření průtoku vzduchu, paliva, zplodin hoření, oleje nebo chladicího vzduchu u vozidel, například automobilů s mikroprocesorovým řízením chodu pohonné jednotky.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Způsob vyhodnocování průtoku tekutin, při kterém se změří tlakový spád na trysce nebo na jí příbuzném průřezovém měřicím orgánu a změří se také teplota a tlak, vyznačující se tím, že signál, obsahující informaci o velikosti tlakového spádu na trysce a z něj vyhodnoceného spádu specifické hodnoty energie tekutiny, která tryskou nebo jí příbuzným průřezovým měřicím orgánem protéká, se podrobí transformaci, při které velikost zjišťovaného průtoku je úměrná součinu kritické hodnoty signálu a korekčního faktoru signálu, který je jednoznačně závislý na spádu specifické hodnoty energie tekutiny, přičemž výsledkem té informace je signál, obsahující informaci o okamžité hodnotě průtočné hmotnosti tekutiny. ¹