1 Czujniki przepływu Czujniki natężenia przepływu (przepływomierze) można podzielić na: przepływomierze masowe rejestrujące strumień masy dm/dt przepływomierze objętościowe rejestrujące strumień objętości dV/dt Natężenie przepływu Masowe natężenie przepływu dla przekroju A Dla rury o całkowitym przekroju A:
2 W ogólności istnieje rozkład prędkości v(r) w przekroju rurociągu, co musi być brane pod uwagę w konstrukcji przepływomierzy (wyznacza się wart. lokalną lub średnią dla pewnego obszaru). W zal. od stosunku sił bezwładności do tarcia (liczba Reynoldsa) mamy: a) przepływ laminarny (Re < 2300) R – promień rurociągu b) przepływ przejściowy (krytyczny), dla 2300
3 Profile prędkości dla różnych rodzajów przepływów1 – przepływ laminarny 2 – przepływ turbulentny (szorstkie ścianki) 3 – przepływ turbulentny (gładkie ścianki)
4 Sensory z przewężonym przepływemMierzone jest ciśnienie różnicowe istniejące w wyniku przepływu przez przewężenie. Sensor ze zwężką Venturiego ciśnienie dynamiczne ciśnienie statyczne prawo Bernoulliego równanie ciągłości Rozwiązując układ równań otrzymuje się: Strumień objętościowy: Strumień masowy:
5 Czujnik z kryzą
6 Czujnik z dyszą
7 Czujnik mikroprzepływówW przemyśle farmaceutycznym czy inżynierii biomedycznej często istnieje potrzeba pomiaru mikroprzepływów gazów. Różnica ciśnień p1 – p2 spowodowana jest ograniczeniem przepływu gazu do mikrownęki przez wąski kanał. Membrana krzemowa pod wpływem różnicy ciśnień zmienia pojemność Cx z rozdzielczością 1mTr/1fF przy ciśnieniu ok. 4 Tr. Warstwa dielektryka zabezpiecza przed zwarciem a podłoże szklane zabezpiecza membranę przed pęknięciem. Czujnik w wersji mikromechanicznej z detekcją pojemnościową1. 1. S.T. Cho i in., Transducers’91, Int. conf. on solid-state sensors and actuators
8 Czujnik mikroprzepływów,układ pomiarowy Mierzone zmiany pojemności rzędu femtofaradów wymuszają integrację sensora z układem pomiarowym. Układ pomiarowy w technologii CMOS wytworzony w płytce krzemowej w wersji z przełączanymi pojemnościami. Jest to konwerter różnicowej pojemności na napięcie, gdzie Cx to poj. mierzona a Cr to poj. odniesienia. Monolityczne przełączniki MOS 1 – 4 są sterowane przez impulsy zegarowe F1 i F2 w przeciwfazach. Źródło napięcia stałego VPM dostarcza ładunek, który we wspólnym węźle pojemnościowym jest proporcjonalny do Cx – Cr . Kondensator całkujący w obwodzie sprzężenia zwrotnego wzmacniacza jest resetowany przez przłącznik 5 i na wyjściu pojawiają się impulsy napięciowe.
9 (przepływomierz z ciałem unoszonym)Rotametr (przepływomierz z ciałem unoszonym) War. równowagi statycznej nurnika: Z prawa Bernoulliego: Prędkość w przewężeniu jest zatem równa: Natężenie przepływu:
10 Przepływomierz turbinowyCzęstość obrotów zależna liniowo od prędkości medium. Ilość impulsów w jednostce czasu na wyjściu cewki mag. jest prop. do strumienia objętościowego. Dokładny pomiar szczególnie dla cieczy o małych lepkościach.
11 Przepływomierze ultradźwiękoweStosowane głównie do pomiaru strumienia objętości, w większości w cieczach. Metoda pomiaru czasu przejścia Czas przejścia sygnału z prądem: Czas przejścia sygnału pod prąd: Prędkość: c – prędkość fali ultradźwiękowej w cieczy nieruchomej vs – prędkość średnia cieczy po drodze fali ultradźwiękowej
12 Można również mierzyć lokalną wartość prędkości cieczy v(r)Aby uniezależnić się od wpływu temperatury na c wyznacza się: Strumień objętościowy jest równy: gdzie K zależy od r/R a vx jest odp. prędkością
13 Przepływomierz dopplerowskiStosowany do pomiaru strumienia przede wszystkim cieczy niejednorodnych, zawierających cząstki stałe lub pęcherzyki gazu. Jeżeli częst. fali wysyłanej wynosi f, to w wyniku rozpraszania na cząstkach ruchomych pojawią się również częst. f1 oraz f2. Przy rozpraszaniu przez cząstki oddalające się: Zbliżające się: Prędkość wyznacza się ze związku:
14 Przepływomierz dopplerowskiPrzepływomierze dopplerowskie umożliwiają również pomiar profilu prędkości. Wysyłane są impulsy o czasie trwania 0.1 – 1 ms a odległość z jakiej odbiera się impulsy określana jest przez wybór czasu początku otwarcia odbiornika. Taką metodą określa się zmiany profilu prędkości w aorcie w cyklu pracy serca.
15 fD - przesunięcie dopplerowskiePrzepływomierz dopplerowski laserowy fD - przesunięcie dopplerowskie
16 Przepływomierze termiczneSą to przepływomierze dające informację o przepływie masy. Masowe natężenie przepływu: Gdy utrzymuje się stałe DT (zmiana masy wymaga dostarczenia ciepła): Do utrzymania stałego DT potrzebna jest duża moc. Umieszczenie grzejnika na zewnątrz (przy małych przepływach) zmniejsza pobór mocy. Można również stosować bajpasy.
17 Z powyższych równań wyzn. predkość przepływu płynu vfAnemometry Moc grzania równa jest mocy chłodzenia rezystora drutowego (Tw – temp. rezystora, Tf – temp. płynu) Współcz. przejmowania ciepła: Z powyższych równań wyzn. predkość przepływu płynu vf drut: PtRh, W, Pt średnica: 4 – 10 mm długość: 1 mm warstwy: Ni, Pt
18 Anemometry Praca ze stałą temperaturą (Tw i Rw stałe):Praca ze stałym prądem:
19 Anemometry w układzie pomiarowymUkład ze stałym prądem (R2 - wstępne ustawienie równowagi, rezystor źródła – wstępne ustawienie temperatury) Układ ze stałą temperaturą Uwyj ~ vgaz
20 Przepływomierz elektromagnetycznyMa zastosowanie do przepływu cieczy przewodzących. Siła działająca na płynący ładunek q F = q v B jest równoważona przez siłę ze strony powstałego prostopadłego pola elektrycznego qU/2a = q v B, stąd v = U/2Ba Gdy przepływ jest niejednorodny ale symetryczny względem osi rurociągu, wygenerowana SEM jest taka jak powyżej ale w miejsce v należy wstawić prędkość średnią vavg L - strumień objętościowy Napięcie na elektrodach zbierających jest więc równe Wygenerowane napięcie jest funkcją strumienia objętościowego dla danej średnicy rurociągu i pola magnetycznego a nie zależy od przewodności cieczy ani profilu prędkości.
21 Przepływomierz korelacyjnyUkład realizuje funkcję korelacji: Rxy osiąga maksimum dla: Mając L i t wyznaczana jest prędkość. Używany przy wstrzykiwaniu cieczy fizjologicznych w medycynie. Brak kontaktu z medium transportowanym.
22 Przepływomierz CoriolisaAktuator powoduje drgania rurek w przeciwfazie. Przy braku przepływu drgania są symetryczne. Częstość drgań jest rzędu kilku setek Hz. Podczas przepływu cieczy siła Coriolisa powoduje, że istnieje przesunięcie fazowe między obu drganiami. Przesunięcie to jest miarą przepływu masowego.
23 Czujniki poziomu Czujnik pływakowyDziała na zasadzie pomiaru siły wyporu. Przetwornik P może być typu potencjometrycznego lub reluktancyjnego.
24 Czujnik przewodnościowyStosowany w przypadku cieczy przewodzących. Pomiar – mostek AC. SS – Stainless Steel Ti – tytan Wada – częsta wymiana elektrod. Przykładowe zastosowanie w motoryzacji (Citroen C5): - pomiar poziomu paliwa w zbiorniku (komputer mierzy rezystancję podczas uruchomienia auta: R małe – zbiornik pełny, R duże – pusty). Wskaźnik poziomu paliwa w kabinie sterowany po magistrali VAN/CAN na podstawie wyliczenia komputera…
25 Czujnik pojemnościowyCr – poj. odniesienia w układzie mostka (komp. zmiany własności cieczy). Dla cieczy o dużym e zbiornik może być drugą elektrodą.
26 Fotoelektryczny czujnik poziomuCzujnik o działaniu dyskretnym. Dla kąta padania promieni: następuje całkowite wewnętrzne odbicie w pryzmacie. Kąt graniczny wyznacza warunek:
27 Izotopowy czujnik poziomuPomiar dyskretny (wąski stożek promieni) Czujniki izotop. stos. zwłaszcza wtedy, gdy: niemożliwe jest umieszczenie czujnika w zbiorniku utrudnione jest mocowanie czujnika na zbiorniku Czasy połowicznego zaniku wybranych źródeł: Pomiar ciągły