Fluometro: Malsamoj inter versioj

Fluometro, aŭ debitsentilo, aŭ ankoraŭ debitmezurilo, estas mezurilo por taksi "materikvanton dum tempounuo fluantan tra donita surfaco" (neologisme: por mezuri la "debiton").

Tradicie debitmezuriloj estas dividitaj en du aroj. Unue la aro de masdebito kaj due la aro de volumendebito. Inter ambaŭ ekzistas simpla rilato en kazo de malkunpremeblaj fluidoj. En kazo de kunpremeblaj gasoj la rilato inter ambaŭ estas pli kompleksa.

En la unua kazo la masdebito Q_m havas la mezurunuon kg/sec, kaj la volumendebito Q_v havas la unuon m³/sec.

Por fluidoj kun konstanta denso, oni uzas la sekvajn rilatojn:

m = ρV
Q_m = ρQ_v ,

kie:
m = maso en kg
ρ = denso en kg/m³
V = volumeno en m³ .

Pro la fakto ke gasoj estas kunpremeblaj faliĝas tiu simpla rilato, kiu ekzistas por fluidoj. La ŝanĝo de premo kaj temperaturo ŝanĝas la volumenon de difinita gaskvanto. Tial ĉiam estas necese mencii la staton (P kaj T) de la gaso aŭ rekalkuli la debiton al normaj kondiĉoj (P = 1 baro kaj T = 273 K), per uzado de la ekvacio de ideala gaso:

PV/T = nR ,

kie:
n = kvanto de moloj
R = universala gaskonstanto
.

La viskozeco de ia fluido estas mezuro por la reciproka influo de fluidpartikloj. La bremsado de difinita fluidtavolo kaŭzas la malakceladon de ĉirkaŭaj fluidtavoloj. Ju pli alta la reciproka influo des pli alta la koeficiento de la viskozeco. Tiel oleo havas pli altan koeficienton de la viskozeco ol akvo.

La dinamika viskozeco η estas esprimata en Pa.s aŭ Ns/m². La teĥnika unuo estas la Poise (P), 1 Poise = 0,1 Pa.s = 0,1 N.s/m² aŭ 1 centiPoise = 0,001 Pa.s

La viskozeco estas tre temperaturdependa.
La sekva tabelo donas kelkajn valorojn por oleo kaj akvo.

Temperaturo [oC]	Oleo [Poise]	Akvo [centiPoise]
0	53	1.8
20	9.9	1
40	2.3	0.66
60	0.8	0.47
80	0.3	0.36
100	0.17	0.28

La kinematika viskozeco υ estas elkondukata el la dinamika viskozeco per aldoni de la denso ρ tiel:
υ = η / ρ ,
ĝia teĥnika unuo estas la Stokes (St). 1 Stokes = 10⁻⁴ m²/s

Osborne Reynolds montris, ke ekzistas du tutaj diferencaj flureĝimoj, per injektado de kolorfluido preter la akslinio de la fluo kun la intenco videbligis la fluliniojn. Ĉe debito, kiam la rapideco en la tubo havas malaltan valoron, la kolorfluido formas rektan linion. La kolorfluido ne miksiĝas kun la ĉirkaŭa fluido. Ĉi tiu signifas ke la fluo en la tubo fluas en paralelaj fluidtavoletoj sen miksiĝas. Tia fluo estas nomata flulinia movo. Ĉe rapidigi de la debito (kun pli alta valoron de rapideco) la kolorfluidaj linioj ne plu estas rektaj sed ili komencas oscili. Tamen la kolorfluido ankoraŭ ne miksiĝas kun la ĉirkaŭa fluido. Nur kun altegaj valoroj de rapideco la kolorfluido tute miksiĝas kun la fluido en la tubo. Tia fluo estas nomata turbula fluo.

Ne nur la valoro de averaĝa rapideco en la tubo difinas la flureĝimon sed ankaŭ la tubdiametro kaj la fluidviskozeco havas influojn. Ju pli granda la tubdiametro D kaj ju pli alta la averaĝa rapideco v, des pli rapide estigas la turbula flureĝimo. Plue, malaltigado de la valoron de viskozeco (υ aŭ η) ankaŭ plirapidigas la formigado de turbula flureĝimo. La nombro de Reynolds grupigas ĉi tiujn tri parametrojn:

Re = vD/υ = vDρ/η .

La nombro de Reynolds donas la rilaton inter la inertecaj fortoj (en proporcio kun vDρ) kaj la viskozecaj fortoj (en proporcio kun η)

Ĉe malaltaj valoroj de Re la fluo estas flulinia. Ĉe altaj valoroj de Re ĝi estas turbula. La transiro de flulinia al turbula fluo ne ĉiam okazas ĉe la sama ekzakta Re-nombro. Ekzistas transirreĝimo ĉe kiu la fluo ne plu estas laminera nek ekzakta turbula. La kritika valoro de la Re-nombro Re_c,ĉe kiu regas la transirreĝimo, ne povas esti difinata ekzakte. Por la fluo en tuboj 2000 < Re_c < 4000. Ju pli alta la valoro de Re, des pli unuforma la rapidecdividado. Ja, ĉe linia fluo, la fluidtavoleto ĉe la tubvando, sub influo (frotado) de ĉi tiu tubvando, preskaŭ estas senmova. Sed irante en la direkto de la tubcentro la fluidtavoletoj rapidiĝis. La averaĝa rapideco en la tubo estas v_max / 2.

Se la viskozecvaloro estas malalta kaj Re do pli alta, la fluidtavoletoj malpli bremsiĝas, tiel ke la maksimuma rapideco jam ekzistas apud la tubvando. Nun la averaĝa rapideco estas 0.8v_max. Praktike la fluo estas preskaŭ ĉiam turbula.

Diferencpremaj mezuriloj

La teoremo de Bernoulli
Ĉi tiu teoremo baziĝas sur la konservado de energio. Se fluido kun denso ρ fluidas tra tubo kun malsamaj diametroj A₁ kaj A₂, la energidenso de fluido estos egala, kun neglekto de frotado, ĉe la diametroj A₁ kaj A₂. Ĉi tiu fakto donas la teoremo de Bernoulli kiu rilatas la diferencajn premgrandecojn al la diametroj 1 kaj 2:

p₁ + 0.5ρv₁² + ρgh₁ = p₂ + 0.5ρv₂² + ρgh₂ ,

kie:
p = la premo en la fluido
v = la averaĝa flurapideco
h = la alto
A = la tubdiametro .

Se la du diametroj estas sur la sama alto, h₁ = h₂. Uzante la kontinuecekvacio A₁v₁ = A₂v₂ sekvos el la ekvacio de Bernoulli, rilato kiu esprimas la debiton tra la tubo kiel funkcio inter ambaŭ diametroj:

Q = A₂k√(Δp)

kun

k = √(2 / ρ(1 - A₂²/A₁²)) .

La premdiferenco kvadrate pligrandiĝas kun la volumdebito. Per mezuri la premdiferencon kaj kondukas la rezulton tra radikkonektado estas trovata liniara volumdebitindiko.

Mezurflanĝo aŭ diafragmo

Aplikado de la leĝo de Bernoulli ĉe horizontala tubo kun tre granda malplivastiĝo donas la plifrumencian rilaton inter la debito kaj la premdiferenco. La malplivastiĝo ĉi tie estas disko kun ronda truo. Apud la diafragmo la statika premo plimalaltiĝis ĉar la rapideco plialtiĝis. Malantaŭ la diafragmo la rapideco plimalaltiĝis kaj la statistika premo restariĝis. Tamen certa premperdo restas pro frotadperdoj dum la fluado tra la diafragmo. Ĉi tiu premperdo estas maldezira kaj devus esti limitata kiom eble. Mezuri la premon antaŭ la diafragmo kaj direkte malantaŭ ĝi kaj la uzado de la suprestarantan formulon donas la mezuratan fluon. Tamen la teoria formulo ne tute sufiĉiĝis. Restas parasitaj fenomenoj:

-frotadperdoj de fluido apud la tubvando, la vando devu esti plej glata kiel eble;

-la truo de disko estas ne tute sama kiel la plej malgranda truo en la fluvojeto.

Post la mezurflanĝo la fluado malplimastiĝis. La premperdkoeficiento C, kiu donas la rilaton inter la efektiva debito kaj la ideala debito el la teoria kalkulo, atentas pri la ambaŭ fenomenoj. La efektiva debito tiamaniere estas:

Q = CA₂k√(Δp)

ISO-normoj (ekz. ISO 5167) kaj aliaj normoj donas eksperimentajn valorojn de premperdkoeficiento C por diversaj debitmezuriloj en vasta aro da flukondiĉoj kaj konataj diafragmodiametroj kaj denso ρ

Bartubo

Por mezuri grandaj debitoj estas pli bone uzi bartubojn. Ĉe samaj diametrorilato d/D kaj premdiferenco la bartubo tralasas 65% pli multe da debito ol mezurflanĝo en la samaj kondiĉoj. Ĉi tio signifas ke la premdiferenco kune kun la premperdeco trans la mezurelemento estas pli malalta por la bartubo ol por la mezurflanĝo. La konstruado de bartubo estas pli fortika kaj pli egala kaj plie rezistas erozio ol la mezurflanĝo.

Venturtubo

La termino venturtubo rilatas al la itala fizikisto Giovanni Battista Venturi.

Se estas postulo, ke la premperdeco devas esti malalta aŭ se la fluido aŭ la gaso enhavas multe da partikloj, estas pli bone uzi venturtubon, ĉar ĉi tie malfacile estiĝis amasigo. Estas ankaŭ facile ĉesi iom da kondensaĵo de tempo al tempo. Ankaŭ por fluidoj kun alta viskozeco estas pli bone uzi la venturtubon ĉar viskozecŝanĝoj malpli influas la mezuron.

Venturtuboj estas konstruintaj laŭ la teoria ĝusta profilo por elfluo de debitoj, kio kaŭzas minimumon de turniĝoj kaj, sekvante, premperdeco. Ju malpli alta la valoro de forigangulo des malpli ĉi tiu premperdeco. Venturtuboj estas multekostaj instrumentoj.

Dalltubo

La Dalltubo estas ankaŭ premdiferencmezurilo, kiu estas kombinato de lastaj mezuriloj. Ĝi kombinas altan mezurintan premdiferencon, kiel ĉe la diafragmo, kun daŭra malalta premperdeco. (eĉ pli bone ol la Venturtubo kun sama malfermangulo)

Rapidecsondiloj por gas- kaj fluidmezuroj

Pitottubo

La principo de Pitottubo estas bazita sur mezuri la rapideco en unu punkto de tubo. Por difini la totalan debiton estas necese koni la rilaton inter la rapideco en la mezurita punkto kaj la averaĝa rapideco. Ĉi tiu fakto estas la malfacileco: la rilato inter la averaĝa rapideco kaj la maksimuma rapideco (en la tubcentro) ja diferencas, dependante de la flureĝimo. Por laminera fluo, la rilato estas 0.5, por tuta turbula fluo ĉirkaŭ 0,8. Ĉiu intervaloro estas ebla. La faro de Pitottubo estas tiamaniere dependata de la ĝusta taksado de ĉi tiu korektfaktoro.

La rapidecmezuro elsekvas el la leĝo de Bernoulli por horizontala fluo (h₁= h₂):

P + 0.5ρv² = konstanto ,

kie P estas la statika premo kaj 0.5ρv² la dinamika premo. Sumo de ambaŭ estas la totala premo.La diferenco inter la totala- kaj la statika premoj, ambaŭ mezuritaj sendepende, donas la dinamikan premon, el kiu sekvas la flurapideco. La mezuranta debito estas proporcia kun la radiko de mezurita premdiferenco. La statika premo estas mezurata per truo preter la fludirekto, por ke la orta rapideckomponanto sur la truo estas nulo. Por la mezuro de la totala premo, la truo staras rekta en la fluo.

Anubaro

La rapidecmezuro ĉe la anubaro estas, kiel la Pitottubo, bazita sur mezuri de premdiferenco inter la totala- kaj la statika premoj. La Pitottubo mezuras la rapidecon en unu punkto, el kiu, per uzado de korektkoeficiento, elsekvas la averaĝa rapideco. Tamen la Anubaro rekte donas averaĝan valoron por la totala premo, tiel el tiu rekte estas kalkulata la averaĝan rapidecon. La Anubaro konsistas el mezurtubo kiu precize staras en la diametro de flutubo kaj en kiu troviĝas kvin premmezurpordegoj. Kvar pordegoj estas kontraŭfluturnataj kaj ili estas distribuitaj trans la tranĉosurfaco kiel, tiel kune ili mezuras la averaĝan totalan premon. En la mezurtubo troviĝas interpolanta tubo, kiu mezuras la averaĝan premon de la kvar mezurpordegoj kaj kiu transportas la premon al la altpremflankon de premdiferencmezuro. La kvina mezurpordego troviĝas al la malantaŭflanko de mezurtubo. La statika premo, kiu regis ĉi tie, transportigas al la malaltpremflankon.

Anemomezurilo

La anemomezurilo (anemometro) konsistas el rezistdrato, kiu havas konstantan temperaturon per variabla kurento. Se la debito ŝanĝiĝas, la rezistdrato pli malpli malvarmiĝas, tiel ke la variabla kurento ankaŭ ŝanĝiĝas. La kurento tiamaniere estas mezuro por la flurapideco en la mezurita punkto.

Rotacimezuriloj

La rotacimezuriloj estas uzita jam longe de tempo en la mezurteĥniko. La mezurilo rekte donas indikon de la debito. La rotacimezurilo konsistas el konika tubo kiu foje estas travidebla. En la tubo troviĝas rotacianta flosisto kiu, dependita de fluo, establiĝas sur difinita alta. Se la fluido fluas tra la sulkoj de flosisto, ĝi komencos rotacii kaj tiamaniere ĝi stabiliĝis.

Turbinonumeratoroj

La turbinonumeratoroj mezuras, helpe de propulsita turbino, la flurapidecon de la fluido. La rotacio de turbino estas en proporcio kun la flurapideco. Multiplikita per difinita mezursekcio ĉi tio donas la mezuron de fluidkvanto.La movado de turbino estas kaŭzita per masfortoj de fluido dum ĝi deviĝis de la originala fludirekto. Ekzistas multe da tipoj. Ĉi tie estas nur klarigita la ĝeneralan laborprincipon per ekzemplo.

La figuro montras turbinonumeratoron por gaso. Per jetdirektilo (1) kiu eliminas eventualan turbulon, la gaso iras, kun homogena distribuo, tra la flukanalo (2). Ĉar la transformado de kineta energio de la gaso estas la propulsforto de turbino, la flukanalo estas konstruita tiamaniere, ke sur la loko de turbino la flurapideco plialtiĝis. La gasfluo aktivigas aksialan lagritan turbinon (3) kies rotacirapideco estas praktike en proporcio kun la averaĝa gasrapideco, kiu agadas en la mezurringo (4). La rotacia movado de turbino estas transdonita per vermo-dentrado konstruaĵo (5) al gasfermita magnetkuplo (6). Ĉi tiu magnetkuplo propulsas integrita rolnumeratoron (7).

Vorteksaj aŭ naturaj hidrodinamikaj oscilataj debitmezuriloj

Jam dum multe da tempo la hidrodinamikaj oscilatoroj estas konataj kaj investigitaj. Tamen, la praktika uzato en la debitmezurteĥniko de ĉi tiu fenomeno estas nur dum kelkaj jardekoj. La nuntempe uzataj debitmezuriloj laŭ ĉi tiu fenomeno estas dividataj en du aroj.

• kun natura oscilado
• kun devigita oscilado

Strouhal faris la unuan investigadon de hidrodinamika oscilado en 1878, kaŭze de sono, kiu estiĝis kiam la vento blovis ĉirkaŭ streĉitaj telefondratoj. Se fluido ĉirkaŭfluas obstaklon, la fluido nur ĝis difinita loko povas sekvi la vandon de obstaklo. De ĉi tiu loko la fluido ŝiriĝas kaj senaktiva zono formiĝas en kiu la fluoj rulvolviĝas dum formado de kirloj. (vidu la figuron)

Ĉi tiu fenomeno estas bone videbla en tre rapide fluita akvoflueja. Estas rimarkinde ke la kirloj formiĝas alternitaj duaflanke de obstaklo, rulvolviĝas kaj en simetria vico kun la fluido forfluas. Ĉi tiu fenomeno estas nomita la Karmana kirlostrato de la fizikisto von Karman kiu esploris ĉi tiun fenomeno unue. La frekvenco per kiu la kirloj formiĝas estas la kirlofrekvenco f, ĉi tiu leviĝis lineare kun la flurapideco.

f = S ( ν₁ / d ) ,

kie:
ν₁ = la averaĝa rapideco en loko de la obstaklo.
d = la larĝo de obstaklo.
S = la sendimensia Strouhal-nombro.

En la aro de flurapidecoj kie S estas konstanta, la kirlofrekvenco estas rekta mezuro por la flurapideco kaj sekve la debito. La subestaranta figuro montras ekzemplon de vorteksa debitmezurilo.

Koriolis-masdebitmezurilo

La Koriolis-masdebitmezurilo rekte mezuras la trafluitan mason, sendependita de la masdenso de la fluido. La mezurilo konsistas el hermeta fermita kesto kiu enhavas unu aŭ du paralela(j)n U-forma(j)n aŭ rekta(j)n tubo(j)n. La laborprincipo estas bazita sur kontrolita formado de Koriolis-fortoj. Ĉi tiuj fortoj estiĝis kiam difinita maso kaj translaciĝas kaj rotaciiĝas.

F_c = 2 m (ω x ν) (vektorproduto)

Kie:
F_c = la amplitudo de Koriolis-forto (vektoro)
m = la maso
ω = la rotacirapideco (vektoro)
ν = la radiala rapideco en rotaciita kaj oscilita sistemo (vektoro)

La figuro montras eblan konstruaĵon.

La du tuboj estas vibrigita en kontraŭfazo sur ilia natura memfrekvenco per magneta propulsbobeno muntita en la mezo. La tubkonstruaĵo estas komparanta kun malplena sonforketo. La natura memfrekvenco varias inter 80 ĝis 110 Hz kaj la maksimuma amplitudo estas malpli 2 mm. Se maso fluas tra la tuboj, ĝi estas devigita fluas kun vertikala rapideco sekve de sinusoidala rotacio ĉirkaŭ la rotaciakso. Se la tubo faras altkreskan movadon dum la duona vibrociklo, la maso en la tubo faras reakciforton kiu puŝas la enfluan kruron malsupren kaj la elfluan kruron supren. Ĉi tiuj samgrandaj kaj kontraŭaj fortoj turnigas la tubon. Pro ĉi tio estiĝas senprokrasta angultordo θ en proporcio kun la rapideco ν, la maso m kaj la rotacirapideco ω. Per difinita prilaborado de la mezursignalo de la du sensiloj (la dekstra kaj la maldekstra) oni akiras signalon en proporcio kun la masdebito Q_m.

Elektromagnetaj debitmezuriloj (E.M.F. sentiloj)

Debitmezurilo devus doni rektan indikon de la volumen- aŭ masdebito, kiu fluas tra difinita procezlinio. La multaj debitmezuriloj tamen donas mezuron de debito per nerekta mezurmetodo. Kelkaj procezoj aŭ fluoj estas tre agresivaj. Ili ne estas mezureblaj kun la klasikaj mezurmetodoj. Ankaŭ fluoj, kiuj enhavas ŝargitajn partiklojn kaj kiuj eble povas kaŭzi obstrukcon, ne estas mezureblaj tiamaniere. Por tiaj mezuroj estas i.a. uzata la elektromagnetaj debitmezurilo Ĝi estas konstruita ĉirkaŭ la leĝo de Faraday; trans la konektoj de elektra konduktanto estiĝis tensio se ĉi tiu konduktanto troviĝas en magneta kampo kaj moviĝas perpendikulare je la fortlinioj de ĉi tiu kampo:

E = Blν ,

kie:
E = la elektra tensio (elektromova forto, emf) dependita de
B = la magneta kampforto kaj
l = la longo de konduktanto kaj
ν = la rapido per kiu la konduktanto moviĝis en la kampo.

Ĉe la elektromagneta debitmezurilo la konduktanto estas konduktanta fluido kun averaĝa rapideco ν. Elektrodoj en la vando, perpendikulare je la kampo mezuras la tension. Ĉar la fluido praktike estas la konduktanto, ĝi devas havi difinitajn ecojn. Tiel ĝi devas havi elektran konduktecon. Do, ne estas eble mezuri gasojn, dampilojn ktp.