Měření a regulace hmotnostního průtoku plynu a kapalin pomocí průtokoměrů na tepelném principu

Jaký je rozdíl mezi objemovým průtokem a hmotnostním průtokem

Boyleův zákon – součin tlaku a objemu plynu je stálý – obr. 1

Vztah hmotnostního průtoku a objemového průtoku je popsán Boyleovým zákonem, který jej definuje rovnicí P1 × V1 = P2 × V2. Z rovnice vyplývá, že při změně tlaku dochází ke změně objemu, ovšem skutečné množství média zůstává stejné. Tento jev je patrnější při měření plynů než při měření kapalin. Pokud bychom tedy měli například 1 litr vzduchu při tlaku 1 bar (a), při stlačení vzduchu na 2 bary (a) se nám objem zmenší na polovinu, ovšem jeho hmotnost (množství) zůstává stejná (viz obr. 1).

Měření hmotnostního průtoku je tedy udáváno v jednotkách hmotnosti za jednotku času (g/s, kg/h). Nicméně pro měření plynu jsou více používané jako jednotky průtoku litr normal za minutu (ln/min) nebo litr standard za minutu (ls/min).

Jednotka litr normal udává množství plynu při normovaných podmínkách, což je teplota 0 °C a tlak 1 013,25 hPa (a).

Jednotka litr standard udává množství plynu při standardních podmínkách, což je teplota 20 °C a tlak 1 013,25 hPa (a).

Princip měření tepelných průtokoměrů

Baypassový filtr – princip měření tepelných průtokoměrů – obr. 2

Senzor termického průtokoměru se skládá z topného tělesa, které mírně ohřívá médium, a ze dvou vinutí snímajících teplotu (viz obr. 2 a video). Pokud médium neprotéká, teploty T1 a T2 jsou si rovny. Pokud médium senzorem protéká, dojde vlivem proudění k ochlazení T1 a naopak ke zvýšení teploty T2. Informace o rozdílu těchto teplot je zpracována PC-deskou průtokoměru a je z ní vyhodnocena hodnota aktuálního průtoku.

Průtok lze měřit přímou měřicí metodou, kdy je senzor umístěn přímo v proudu průtoku, nebo tzv. bypassovou metodou, kdy je snímána část plynu, která je z hlavního proudu oddělena.

Průběh plynu přes termický průtokoměr Bronkhorst EL-FLOW Select – obr. 3

Na obr. 3 vidíme průběh plynu přes termický průtokoměr Bronkhorst EL-FLOW Select, který měří metodou bypassovou. Plyn po příchodu do přístroje naráží na laminární usměrňovač (Laminar Flow Element–LFE), který jej usměrňuje z turbulentního proudění na laminární a současně také odděluje přesně danou část plynu k oběhu přes bypass na senzor průtokoměru. LFE se skládá z malých disků, jež jsou naskládány na sebe; každý z nich má v sobě vyryt 1, 6 nebo 36 kanálů. Počet disků a kanálů, které obsahují, je vypočítán z požadovaného rozsahu měření průtokoměru.

Pokud se podíváme na přesnosti měření obou metod, termické průtokoměry Mass-Stream (obr. 4), kde je použita přímá metoda, měří s maximální chybou 1,5 % z rozsahu stupnice. Oproti tomu termické průtokoměry EL-FLOW Select, kde je použita bypassová metoda, měří s maximální chybou 0,5 % z odečtu plus 0,1 % z rozsahu stupnice.

MASS-STREAM s vestavěným displejem – obr 4.

Připojením vhodného regulačního ventilu k hmotnostnímu průtokoměru získáme regulátor průtoku. Ventil může být buď přímo integrován na kostce průtokoměru, nebo připojen za průtokoměr. Ventil je elektronicky přímo propojen s PC-deskou, která vyhodnocuje průtok média a porovnává ho s nastavením set-point. Pokud se informace o aktuálním průtoku liší od nastavení, pošle PC-deska signál regulačnímu ventilu a ten průtok upraví na požadovanou hodnotu.

Vzhledem k rozdílným vlastnostem různých plynů a kapalin vyžadují přístroje na tepelném principu nastavení (kalibraci) přesně na provozní médium. Ne vždy je však vhodné kalibrovat přímo provozním médiem, zejména při kalibrování přístrojů pro měření plynů výbušných či jedovatých. Proto se standardně ustálilo u výrobců průtokoměrů kalibrování dusíkem nebo vzduchem (u kapalinových přístrojů vodou) a uvádění přepočítávacích koeficientů pro jiné plyny a kapaliny. V současné době je u nejnovějších modelů plynových průtokoměrů možnost uložení až 25 konverzních křivek a přístroj tak lze používat k měření až 25 různých plynů. Jednotlivé křivky plynů si uživatel může přepínat sám pomocí softwaru bez nutnosti odpojení přístroje od potrubí, příkladem takového přístroje je EL-FLOW Prestige.

Kam dál?

Můžete se podívat na naše další články, případně si projít kategorie související s tímto článkem (Měření a regulace průtoku, Průtokoměry a regulátory průtoku plynu, Průtokoměry a regulátory průtoku kapalin, Kalibrátory malého hmotnostního průtoku), nebo si prohlédnout relevantní produkty (EL-FLOW Select, hmotnostní průtokoměr plynu, EL-FLOW Prestige, všestranný hmotnostní průtokoměr, EL-FLOW Base, regulátor hmotnostního průtoku plynu, IN-FLOW Select, hmotnostní průtokoměr, MASS-STREAM, průmyslový hmotnostní průtokoměr, IQ+ FLOW průtokoměr v miniaturním provedení, MASS-VIEW, hmotnostní průtokoměr s displejem, EX-FLOW, hmotnostní průtokoměr do ATEX zóny 1). Bližší informace a výpis všech výrobků najdete na stránkách výrobce Bronkhorst.

Pokud budete potřebovat více informací, nebo byste nám rádi něco sdělili, neváhejte kontaktovat přímo našeho specialistu, ať už přes formulář, nebo emailem.