Traductoare de debit Debitul de fluid este cantitatea de fluid care trece în unitatea de timp printr-o secţiune transversală a unui tub de curent delimitat de linia sa de transport (conductă sau canal deschis). Debitul unui fluid poate fi definit ca: debit masic debit volumic. Prin debitul masic Q m se înţelege masa de fluid m [Kg] care trece în intervalul t [s] prin secţiunea S a unui tub de curent dintro conductă: Q m m t [Kg/s] (1)
Aplicând legea conservării masei de-a lungul unei linii de transport (fără ramificaţii şi acumulări) dintre o sursă şi consumator rezultă că debitul masic este acelaşi prin orice secţiune a unui tub de curent. Prin debitul volumic Q 3 v se înţelege volumul de fluid V [ m ] care trece printr-o conductă în intervalul t [s] prin secţiunea S a unui tub de curent dintr-o conductă: Q v V t [m 3 /s] () Debitul volumic Q v poate fi exprimat şi în funcţie de viteza de scurgere a fluidului v [ m / s ] şi secţiunea de trecere S [ m ]a tubului de curent dintr-o conductă: Q v v S [m 3 /s] (3)
În cazurile în care de-a lungul liniei de transport au loc variaţii ale parametrilor de stare ai fluidului cât şi ale regimului de curgere, debitul volumic Q v diferă de la o secţiune la alta în raport cu aceste variaţii. În funcţie de valoarea intervalului de timp de referinţă debitele Q m şi Q v pot fi: t, - debite medii, când t 0, - debite instantanee, când t 0. În raport cu debitul, cantitatea de fluid este o mărime primară utilizată pentru deducerea directă a noţiunii de debit (1), (). În aplicaţiile practice determinarea cantităţii pentru fluidele aflate în regim dinamic se bazează pe măsurarea debitului.
Masa m a unui fluid cu debitul masic instantaneu Q m care trece printr-o secţiune a unui tub de curent într-un interval t t1 este m t t1 Q m ( t ) dt (4) Cantitatea de fluid exprimată volumic V a unui fluid cu debitul volumic instantaneu Q v care trece printr-o secţiune a unui tub de curent într-un interval t t1 este V t t1 Q v ( t ) dt (5) Pentru măsurarea cantităţilor de fluide se utilizează traductoare de debit care au ataşate sau incluse dispozitive integratoare sau totalizatoare.
Măsurarea debitelor de fluide în procesele tehnologice este de cea mai mare importanţă, atât pentru alcătuirea bilanţurilor de materiale cât şi pentru conducerea propriu-zisă a acestor procese. La efectuarea unei măsurări de debit, trebuie să se aleagă întotdeauna metoda de măsurare cea mai adecvată şi care să asigure precizia de măsurare cea mai ridicată pentru cazul respectiv. După procedeul de măsurare, traductoarele de debit, numite şi debitmetre, pot fi clasificate în următoarele categorii: - cu diferenţă de presiune variabilă; - de trecere; - cu mişcare continuă a dispozitivelor receptoare; - electrice; - cu ultrasunete; - cu radiaţii nucleare.
Debitmetrele cu diferenţă de presiune variabilă sunt traductoare al căror principiu de funcţionare se bazează pe măsurarea diferenţei de presiune la un dispozitiv de ştrangulare care se găseşte montat în conducta de curgere a fluidului respectiv. Această diferenţă de presiune serveşte drept măsură a debitului de fluid. Debitmetrele de trecere se bazează pe sesizarea presiunii dinamice a fluidului care trece prin conductă de către traductorul aparatului (plutitor, piston, tub pneumometric, etc.), introdus în jetul de fluid. Drept rezultat, traductorul se deplasează, mărimea deplasării servind ca măsură a debitului.
Debitmetrele cu mişcare continuă a dispozitivelor receptoare sunt aparate a căror traductor efectuează, prin acţiunea eforturilor dinamice ale jetului de fluid, o mişcare de rotaţie sau oscilaţie, viteza de mişcare a traductorului servind drept măsură a debitului. Debitmetrele electrice se bazează pe măsurarea parametrilor electrici ai sistemului format din fluidul măsurat şi traductorul aparatului, parametrii care variază în funcţie de mărimea debitului. Valoarea parametrului electric ales serveşte ca o măsură a debitului. Debitmetrele cu ultrasunete se bazează pe măsurarea parametrilor oscilaţiilor ultrasonice care se propagă în jetul de fluid măsurat. Traductoarele de debit cu radiaţii nucleare se bazează pe atenuarea radiaţiilor gamma emise de o sursă de radiaţii la trecerea prin materialul transportat.
Din punctul de vedere al modului de transmitere a indicaţiilor, debitmetrele se clasifică în două categorii: - debitmetre cu indicaţia locală a rezultatului măsurării; - debitmetre cu transmisie la distanţă a rezultatului măsurării, metoda de transmitere putând fi pneumatică, electrică sau hidraulică.
Traductoare de debit cu diferenţă de presiune variabilă Principiul de funcţionare al acestor traductoare constă în dependenţa dintre căderea de presiune pe care o suferă un fluid când traversează într-o conductă o secţiune ştrangulată şi viteza sa. Conform relaţiei (3), Q v v S [m 3 /s], măsurarea debitului unui fluid într-o conductă se poate realiza simplu prin măsurarea vitezei fluidului într-o secţiune dată constantă. Căderea de presiune, sesizată de un traductor cu dispozitiv de strangulare corespunzător, constituie o măsură a debitului de fluid care circulă prin conductă. Conform legii continuităţii, debitul unui fluid care curge printro conductă este acelaşi în toate punctele.
Deci în timpuri egale curg cantităţi egale. Dacă într-un loc secţiunea conductei este micşorată, în acest loc viteza de scurgere trebuie să crească. Conform legii lui Bernoulli, presiunea totală a unui fluid care curge (compusă din presiunea statică, presiunea dinamică şi presiunea de poziție) este constantă. Creşterea vitezei fluidului se compensează prin scăderea presiunii statice. În figura 1 sunt prezentate câteva din cele mai uzuale dispozitive de strangulare: diafragmă simplă, duză, stăvilar şi tub Venturi. Traductoarele de acest fel dau rezultate bune în măsurarea debitului fluidelor monofazice omogene, care curg în regim turbulent stabilizat.
Fig. 1. Tipuri uzuale de dispozitive de strangulare a) diafragmă simplă; b) duză; c) stăvilar; d) tub Venturi. Pentru buna funcţionare trebuie ca, înainte şi după traductor, conducta să aibă un sector rectiliniu fără obstacole sau deviaţii, care să fie de 10-0 ori mai lung decât diametrul conductei sau să se monteze un redresor care să liniarizeze liniile de curent.
Pentru traductorul de debit cu diafragmă prezentat în figura corespondenţa dintre căderea de presiune pe diafragmă şi debitul Q se stabileşte aplicând legea lui Bernoulli şi legea continuităţii la secţiunea 1 înainte de ştrangulare şi la secţiunea după ştrangulare, unde vâna de fluid are secţiunea minimă. Fig.. Traductor de debit cu diafragmă MD manometru diferenţial
Neglijând pierderile prin frecare şi curenţii turbionari din jurul diafragmei, avem: p ' v1 ' 1 1 p v (1) 1v1S1 vs () unde, - p 1, v 1, 1, şi S 1 sunt presiunea statică, viteza medie de curgere, densitatea şi suprafaţa în secţiunea de trecere 1 înainte de diafragmă, - p, v,, şi S presiunea statică, viteza medie de curgere, densitatea şi suprafaţa, după diafragmă în secţiunea de trecere.
Experimental, se dovedeşte că S (3) S 0 unde - μ este un factor de proporţionalitate care depinde de dimensiunile dispozitivului de strangulare şi se găseşte tabelat; - S0 este secțiunea diafragmei. Ţinând cont de aceasta, din relaţia (1) se obţine: v 1 1 m 1 p ' 1 1 p ' 1 (4) unde S0 / S1 m.
Debitul volumic în secţiunea este: Q v S v S 0 1 m 1 p ' 1 p 1 ' 1 (5) În această relaţie presiunile p 1 şi p corespund secţiunilor 1, respectiv. În practică, este mai comod ca aceste presiuni să fie măsurate în imediata vecinătate a diafragmei, unde ele au valorile p 1 şi respectiv p, iar prizele de presiune să fie practicate pe însuşi dispozitivul de strangulare. Pentru a ţine seama de această situaţie, precum şi de pierderile de presiune prin frecări şi turbioni, se introduce un coeficient de corecţie β.
În cazul fluidelor incompresibile debitului devine foarte simplă: 1, iar expresia p p S K (6) Qv 0 unde: - p p 1 p - K S0 reprezintă presiunea diferenţială; ; iar 1 - m este un coeficient de debit care depinde de forma şi dimensiunile dispozitivului de strangulare, de vâscozitatea fluidului, de poziţia prizelor de presiune, de viteza de curgere, de rugozităţile conductei, ş.a. Debitul masic este exprimat de relaţia: Qm 0 Qv S p K p (7)
Pentru fluidele compresibile ar trebui aplicată relaţia (5) care este destul de complicată. De aceea, în practică se preferă o relaţie asemănătoare cu (7), dar care să ţină seama şi de compresibilitatea fluidului, adică o relaţie de forma: Qm 1 S0 p (8) unde ε este un coeficient a cărui valoare depinde de forma şi de dimensiunile dispozitivului de strangulare, de coeficientul adiabatic al fluidului şi de raportul presiunilor p şi p1 din avalul şi amontele dispozitivului de strangulare. În cazul gazelor valoarea coeficientului ε se determină din tabele sau grafice sau se calculează cu ajutorul următoarei relaţii: 1 0,3707 0,3184m 1 p p 0, 935 1 1 (9)
Densitatea ρ1 poate fi exprimată prin parametrii de stare normală ( T N 73,1 K şi P 1,013 dan / cm ) prin expresia: N 1 K N 1 p T 1 1 T P N N (10) unde K 1 este un coeficient de compresibilitate. Pe baza relaţiilor (7) şi (8) au fost stabilite formule practice pentru determinarea debitului diverselor tipuri de fluide cu diverse tipuri de dispozitive de strangulare. În aceste formule apar coeficienţi de transformare care ţin seama de unităţile de măsură adoptate pentru diversele mărimi care intră în formulă. Astfel, dacă debitul trebuie exprimat în kg / h şi se introduc lungimile în mm, presiunile în dan / cm, temperatura în K şi densitatea în kg / 3 m, relaţia (8) devine:
Q m K p1 p T 1 (11) unde K 0, 76 m D N care este montat dispozitivul de strangulare. K 1, iar D este diametrul conductei pe În mod asemănător, pentru aceleaşi unităţi de măsură relaţia (7) pentru fluide incompresibile capătă forma: Q m K p (1) unde K 1,64 m D.
Observaţie: Pentru măsurarea debitului unui fluid cu traductor de tip diafragmă trebuie utilizat un traductor de presiune diferenţial. Deoarece între căderea de presiune pe diafragmă p şi debitul de fluid Q m este o relaţie pătratică pentru liniarizarea dependenţei mai este necesar un echipament de tip extractor de radical.
Pentru măsurarea debitelor foarte mici, drept dispozitiv de ştrangulare se poate folosi un tub capilar. Fig. 3. Traductor de debit cu tub capilar
În regim de curgere laminar, la un astfel de dispozitiv dependenţa dintre debit şi căderea de presiune este exprimată de relaţia Hagen-Poiseuille: Q 4 d p 18 l (13) unde - d este diametrul tubului capilar, - l este lungimea acestuia, - η este vâscozitatea dinamică a fluidului, iar p p 1 p căderea de presiune pe tubul capilar. - Presiunea diferenţială Δp se măsoară cu micromanometrul diferenţial având dimensiuni şi un volum interior extrem de mici. De asemenea, conductele MD, de legătură trebuie să fie cât mai scurte şi cu diametru cât mai mic, pentru a nu introduce o inerţie prea mare în transmiterea presiunii diferenţiale.
Traductoare de debit cu tub Pitot Pentru măsurarea debitului de fluide din conductele mari şi foarte mari de orice formă se utilizează traductoare cu tub Pitot. Traductoarele de debit cu tub Pitot dau rezultate bune numai în cazul fluidelor curate care circulă cu viteze apreciabile. Principiul de funcţionare al traductoarelor cu tub Pitot se bazează pe presiunea dinamică pe care o exercită un fluid în mişcare. Conform legii lui Bernoulli, presiunea dinamică Δp (diferenţa dintre presiunea totală p şi presiunea statică ps) este dependentă de viteza de circulaţie v a fluidului prin relaţia: p p p s v (14)
Pe baza relaţiei (14), cunoscând secţiunea S a conductei, se obţine debitul masic: Q m S v S p K p (15) unde K S este un coeficient ce depinde de forma şi dimensiunile conductei. MD MD W p s W p Conductă p p s Fig. 4. Traductor de debit cu tub Pitot
Pentru a nu perturba liniile de curent, diametrul tubului Pitot trebuie să fie de cel puţin zece ori mai mic decât diametrul conductei. De asemenea, pentru redresarea liniilor de curent este oportun ca în faţa tubului Pitot să se monteze un redresor de curent, sau să se monteze mai multe tuburi Pitot pentru a determina o viteză medie de circulaţie. Traductoare de debit cu strangulare variabilă (rotametre) Funcţionarea acestor traductoare, numite şi traductoare de debit de trecere sau rotametre, se bazează pe dependenţa dintre poziţia h pe verticală a unui imersor într-un tub tronconic şi debitul de fluid ce străbate tubul de jos în sus (figura 5).
Vi Fa Si Fg Q Fig. 5. Traductor de debit cu strangulare variabilă - rotametrul.
De obicei tubul este confecţionat din material transparent iar imersorul este prevăzut cu şanţuri sau aripioare elicoidale pentru stabilirea poziţiei sale prin efect giroscopic în centrul tubului, de unde şi denumirea de rotametru. În regim staţionar, forţa gravitaţională a imersorului F g V i( i )g (16) este echilibrată de o forţă ascensorială F a provocată de o cădere de presiune constantă la o poziţie h ce depinde de debit Fa Si( p1 p ) (17) unde V i, i, şi S i sunt volumul, densitatea şi respectiv, secţiunea transversală a imersorului, ρ este densitatea fluidului, iar p p 1 p este căderea de presiune provocată de trecerea fluidului prin spaţiul inelar dintre imersor şi tub.
Din condiţia de echilibru rezultă: i i i 1 S V g p p h (18) Pe de altă parte, între presiunea hidrostatică (de poziţie) şi viteza de curgere există relaţia lui Toricelli: h g v (19) Prin urmare, debitul de fluid poate fi determinat pe baza secţiunii de trecere S, care se deduce după poziţia h a imersorului şi a vitezei de curgere v: h S K h S S V g v h S Q i i i m (0) unde K reprezintă valoarea radicalului.
Pentru a ţine seama de efectul de antrenare prin frecare a imersorului, ca şi unele particularităţi de construcţie ale traductorului, coeficientului K i se pot aduce corecţiile necesare, îndeosebi cele legate de variaţia densităţii cu temperatura. Cu astfel de aparate se măsoară debite mici. În cazul fluidelor netransparente, pentru determinarea poziţiei imersorului se folosesc diverse mijloace de transmitere în afară a poziţiei pe verticală a acestuia. O metodă constă în ataşarea la imersor a unui magnet permanent. Magnetul permanent interacţionează cu un alt magnet permanent, aflat în exteriorul tubului rotametrului. Deplasările magnetului permanent din exterior sunt sesizate de către un traductor de deplasare corespunzător.
Traductoare de debit volumetrice Principiul de funcţionare al acestor traductoare constă în măsurarea volumului de fluid vehiculat în unitatea de timp cu ajutorul unor camere etalonate pe care fluidul le umple succesiv în trecerea sa prin aparat, punând în acelaşi timp în mişcare un sistem de numărare a volumelor traversate. În figura 6 este prezentat un traductor volumetric cu roţi dinţate eliptice. Fig. 6. Traductor volumetric cu roţi dinţate eliptice
Sub acţiunea fluidului, fiecare din cele două roţi dinţate eliptice devin pe rând roată conducătoare, apoi roată condusă în funcţie de poziţia lor faţă de rotor. La fiecare tură se transferă patru volume Vc cuprinse între o roată şi stator. Pentru determinarea debitului de fluid trebuie determinată şi frecvenţa f de rotaţie a roţilor dinţate. Dacă N=cst rotaţii ale roţilor dinţate sunt efectuate în intervalul de timp t i [s], atunci frecvenţa f i, i=1,, 3,...,n, este f i N t i [rot/s] (1) Debitul de fluid se determină cu relaţia Q i 4 Vc fi [m 3 /s] ()
Traductoare de debit de viteză (anemometre) Măsurarea debitului cu un traductor anemometric se bazează pe efectul de antrenare al unui rotor de către fluidul ce trece prin traductor pe baza impulsului de rotire imprimat de fluid în funcţie de viteza de curgere a acestuia. După forma paletelor rotorului sunt traductoare de debit cu palete elicoidale şi traductoare de debit cu palete radiale (fig.7). Fig. 7. Traductor de debit anemometric cu palete radiale
Turaţia rotorului este proporţională cu viteza medie de curgere a fluidului, însă depinde şi de alţi factori cum sunt: vâscozitatea şi densitatea fluidului, particularităţile de construcţie ale traductorului. Ea este transmisă în afară prin intermediul unui angrenaj adecvat care pune în mişcare un generator de semnal al debitului şi/sau un contor de debit. Traductoarele de acest fel au o precizie satisfăcătoare numai pentru debite staţionare ce depăşesc o anumită limită, specifică traductorului utilizat.
Traductoare de debit electromagnetice Pentru măsurarea debitului pe cale electromagnetică se folosesc două metode: În cadrul primei metode se utilizează debitmetre magnetoelectrice, care constau dintr-un rotor cu palete (la fel ca la anemometre) cuplat rigid cu un magnet permanent. Prin rotirea magnetului permanent în faţa unei bobine, în aceasta din urmă se induc tensiuni electromotoare proporţionale cu viteza de rotire, deci cu debitul respectiv. Metoda a doua, se utilizează pentru măsurarea debitelor lichidelor cu o rezistivitate electrică mai mică decât 100.
În aceste cazuri traductoarele de debit electromagnetice sunt constituite dintr-un bloc primar (numit detectorul electromagnetic de debit) înseriat conductei, prin el trecând fluidul de măsurat şi un bloc secundar care este montat la distanţă (pe un panou) faţă de traductorul primar, cele două blocuri fiind conectate electric între ele. În figura 8 este prezentată schema de principiu a blocului primar al unui traductor electromagnetic de debit. Lichidul de măsurat trece prin tronsonul cilindric traversând perpendicular câmpul magnetic de inducţie B generat de bobinele a şi b conectate electric între ele (în serie sau în paralel).
B a 1 D Qv(v) D 3 (B) b 4 E Fig. 8. Schema blocului primar al traductorului electromagnetic de debit 1 conductă; a, b bobine; 3 electrozi; 4 cablu electric; E tensiune indusă
Cei doi electrozi 3 plasaţi diametral opus la distanţa D pe tronsonul cilindric fiind în contact nemijlocit cu lichidul, culeg tensiunea electromotoare E ce se induce în liniile curentului de lichid care succesiv unesc cei doi electrozi (aceste linii de lichid sunt replica hidraulică a unui conductor ce traversează câmpul electromagnetic). Blocul primar modelează relaţia corespunzătoare legii inducţiei a lui Faraday, care stabileşte cantitativ valoarea tensiunii electrice E (V), induse într-un conductor electric cu lungimea L e (mm) care traversează cu viteza medie v med (m/s) un câmp magnetic cu inducţia B (T), sub forma E c B L e v med (3) unde c este o constantă depinzând de unghiurile formate de e vmed şi inducţia B. L,
Debitul volumic de fluid trecut prin blocul primar cu secţiune circulară de diametru D are expresia: vmed (4) Q D v 4 Deoarece L e D rezultă următoarea ecuaţie caracteristică a traductorului electromagnetic de debit: Q v D E K E 4cB (5) În relaţia (5) K este coeficientul de debit al traductorului electromagnetic de debit având o valoare constantă dată de relaţia D K 4 cb (6)
Măsurarea debitului prin metoda electromagnetică impune asigurarea unui nivel minim pentru conductibilitatea electrică a fluidului, deoarece conductorul în mişcare este însuşi fluidul ce trece printr-un câmp magnetic B generat din exterior. De aceea pot fi măsurate numai debitele lichidelor cu o conductibilitate de minim 100...00 S/m. Tensiunea indusă E este culeasă prin cabluri şi apoi transmisă blocului secundar spre prelucrare. Conectarea blocului primar faţă de cel secundar trebuie realizată simetric faţă de pământ, fluidul măsurat având contact electric cu pământul prin conductele prin care este vehiculat. Tensiunea indusă E este simetrică faţă de pământ, cei doi electrozi 3 şi cablurile fiind izolate electric.
Pentru reducerea la minimum a semnalelor parazite induse în cabluri, acestea se răsucesc între ele prevenindu-se efectul inductiv şi se ecranează electrostatic pe toată lungimea lor. Pentru evitarea polarizării electrozilor, care apare în cazul câmpului magnetic continuu, se utilizează un câmp magnetic alternativ, generat de bobinele a şi b alimentate la tensiunea alternativă a reţelei. Câmpul magnetic alternativ va produce şi o tensiune perturbatoare, defazată la 90, care se elimină prin realizarea adecvată a adaptorului. Componenta în cuadratură faţă de semnalul util este generată conform legii lui Faraday datorită faptului că prin intermediul cablurilor de legătură se formează o spiră care fiind traversată de fluxul magnetic alternativ al bobinelor detectorului, devine sediul unei tensiuni induse în cuadratură cu fluxul.
Debitul volumic măsurat este independent faţă de vâscozitatea şi densitatea lichidului şi faţă de distribuţia vitezelor în tronsonul cilindric al blocului primar. Traductoarele electromagnetice pot măsura debite pulsatorii fără inerţie, fiind larg utilizate la măsurarea atât a lichidelor agresive fizico-chimice, cât şi a celor cu particule solide în suspensie, profilul tronsonului de măsurare al blocului primar trebuind astfel adaptat ca să evite depunerile de sedimente. Traductoarele electromagnetice sunt utilizate şi pentru măsurarea debitelor de metal topit. Ca dezavantaje ale traductoarelelor electromagnetice de debit pot fi menţionate: - consumul mare de cupru aferent bobinelor de mari dimensiuni; - consumul mare de oţel inoxidabil necesar realizării tronsonului de măsurare;
- consumul mare de teflon sau cauciuc poliuretanic din care se realizează căptuşeala electroizolantă a tronsonului; - consumul mare de energie electrică necesar realizării excitaţiei (aproximativ 0000 KWh/an pentru un traductor Dn800); - greutatea mare la diametre nominale mari (1...t pentru Dn800). Principalele dezavantaje ale traductoarelor electromagnetice de debit sunt deci: - spectrul limitat de fluide măsurabile, - dimensiunile mari de gabarit, - consumul destul de mare de energie electrică, cât şi - unele probleme de exploatare puse de întreţinerea detectorului (în special a electrozilor). Tubul de măsurare al detectorului este realizat din materiale nemagnetice (oţel inoxidabil, oţel emailat, cauciucat, teflon, poliester armat cu fibre de sticlă sau din materiale plastice).
Pentru a nu se scurtcircuita tensiunea generată, tubul de măsurare este acoperit la interior cu un strat izolant (teflon, fibre de sticlă, email etc.). De asemenea electrozii sunt foarte bine izolaţi electric faţă de tubul de măsurare. Montarea detectorului de debit se poate face în orice poziţie pe conducte în permanenţă pline de lichid, asigurându-se sensul de curgere conform săgeţii imprimate pe corpul său. Montarea pe conducte verticale se recomandă pentru lichide cu suspensii solide abrazive, distanţa dintre flanşa din amonte a detectorului şi cotul proxim din amonte existent pe conductă să fie de 5...10 Dn (uzual 10 Dn). Când nu se poate asigura un asemenea montaj, se introduc reducţii cu unghi mai mic de 8 faţă de axa conductei.
Traductoare de debit cu ultrasunete Debitele de fluide pot fi măsurate cu traductoare cu ultrasunete prin două metode: - pe baza efectului Doppler; - prin măsurarea timpului de parcurgere al undelor ultrasonice. Traductoarele de debit cu ultrasunete care funcţionează pe baza efectului Doppler utilizează unde ultrasonice reflectate de fluidele în mişcare pentru măsurarea vitezei acestora. Fig. 9. Măsurarea debitului cu ultrasunete pe baza efectului Doppler
Sursa S emite trenuri de unde de ultrasunete, cu frecvenţa f 1, înclinate cu unghiul faţă de direcţia fluidului care circulă prin conductă cu viteza v. Fasciculele de ultrasunete sunt reflectate de particulele fluidului în mişcare şi se reîntorc la sursa emiţătoare având frecvenţa f. Modificarea frecvenţei undelor recepţionate faţă de frecvenţa undelor emise poartă numele de efect Doppler. Prin măsurarea diferenţei dintre frecvenţa f a undelor ultrasonice recepţionate de sursa S, după reflectarea lor de particulele fluidului şi frecvenţa f 1 a undelor ultrasonice emise de sursa S se poate măsura viteza medie v a fluidului din conductă. Viteza medie a fluidului se calculează cu relaţia v c( f f 1 f1 ) cos (7)
în care c este viteza sunetului în fluidul din conductă. Metoda presupune că fluidul conţine particule care reflectă undele sonore. Din această cauză prin acest procedeu nu pot fi măsurate debitele pentru fluide transparente, limpezi. Traductoarele de debit pe baza efectului Doppler pot fi utilizate acolo unde alte debitmetre nu pot funcţiona. De exemplu pot fi măsurate debitele pentru lichide murdare, lichide aerate sau lichide care conţin o cantitate mai mică sau mai mare de particule solide în suspensie.
Traductoarele de debit cu ultrasunete pe baza efectului Doppler au următoarele avantaje: - Pot fi instalate în exteriorul conductelor; - Căderea de presiune pentru fluidul măsurat este egală cu cea de pe lungimea echivalentă a unei conducte liniare; - Permit măsurarea debitelor mici; - Rezistente la coroziune; - Consum mic de energie electrică. Traductoarele de debit cu efect Doppler au următoarele dezavantaje de utilizare: - Performanţele lor sunt puternic dependente de proprietăţile fizice ale fluidelor cum sunt: conductivitatea sonică, densitatea particulelor şi profilul de curgere; - Distribuţia neuniformă a particulelor din suspensie în secţiunea transversală a conductei poate conduce la calculul eronat al vitezei medii a fluidului;
- Precizia debitmetrului este sensibilă faţă de variaţiile de profil ale vitezei şi faţă de distribuţia particulelor care reflectă undele acustice în secţiunea de măsură; - Sunt sensibile la modificările vitezei sunetului în lichid; - Sunt sensibile la modificarea densităţii şi temperaturii fluidului. Datorită acestor dezavantaje traductoarele de debit cu efect Doppler nu pot fi utilizate pentru măsurări de precizie înaltă. Traductoarele de debit care funcţionează prin măsurarea timpului de parcurgere al undelor ultrasonice, prezentate în fig. 10, au în componenţa lor două surse emiţătoare/receptoare de ultrasunete 1 şi, amplasate de o parte şi de alta în exteriorul unei conducte.
Fig. 10. Traductor de debit cu ultrasunete cu măsurarea timpului de parcurgere al undelor ultrasonice
Sursele emiţătoare/receptoare de ultrasunete 1 şi sunt amplasate la distanţa L, de-a lungul unei axe înclinată cu unghiul θ faţă de direcţia fluidului, care se deplasează cu viteza relativă v. Sursa emiţătoare 1 trimite un tren de ultrasunete cu o frecvenţă prestabilită spre receptorul, după care sursa trimite un tren de ultrasunete cu aceeaşi frecvenţă spre receptorul 1. Prin acest procedeu se măsoară timpul t 1 necesar pentru un tren de unde sonore să parcurgă, în sensul de deplasare a fluidului, distanţa de la sursa 1 la receptorul, şi timpul t necesar pentru un tren de unde sonore să parcurgă, în sens contrar deplasării fluidului, distanţa de la sursa la receptorul 1. Această metodă nu este dependentă de prezenţa unor particule în fluidul care se deplasează în conductă.
Viteza medie a fluidului se calculează cu relaţia v ( t t t 1 t1 )L cos (8) Traductoarele de debit cu ultrasunete cu măsurarea timpului de parcurgere al undelor ultrasonice au următoarele avantaje: - Căderea de presiune pentru fluidul măsurat este egală cu cea de pe lungimea echivalentă a unei conducte liniare; - Nu depind de modificările temperaturii, densităţii sau vâscozităţii fluidelor; - Sunt bidirecţionale, măsoară debitele pentru ambele sensuri de curgere a fluidelor; - Permit măsurarea debitelor mici; - Rezistente la coroziune; - Precizia este de 1% din viteza medie a fluidului; - Consum mic de energie electrică.
Principiul de funcţionare al traductoarele de debit cu ultrasunete cu măsurarea timpului de parcurgere al undelor ultrasonice presupune trimiterea unor pulsuri de unde sonore cu o frecvenţă foarte mare şi constantă într-o secţiune transversală a conductei. Lichidele care au înglobate particule solide în exces sau gaze dizolvate pot bloca pulsurile de ultrasunete. Traductoarele de debit cu ultrasunete cu măsurarea timpului de parcurgere al undelor ultrasonice nu sunt recomandate pentru măsurarea debitelor în cazul lichidelor cu sedimente şi gaze în suspensie.
Traductoare de debit masic cu radiaţii nucleare Traductoarele de nivel cu radiaţii nucleare, pot fi utilizate pentru măsurarea debitului masic al materialelor solide transportate cu benzi conveioare. În figura 11 este prezentat un traductor cu radiaţii nucleare utilizat pentru măsurarea masei de material solid transportat de banda conveiorului tip WEIGHTRAC, produs de firma VEGA. Sursa radioactivă de putere mică, montată pe rama superioară a cadrului traductorului, emite radiaţii gamma care sunt atenuate la trecerea prin materialul transportat. Detectorul de radiaţii nucleare, situat la baza cadrului recepţionează radiaţiile gamma. Intensitatea radiaţiilor este proporţională cu densitatea materialului transportat.
Traductorul cu radiaţii nucleare calculează debitul masic (pentru viteza v=cst de deplasare a benzii conveiorului) şi determină masa de material transportată. Fig. 11. Măsurarea debitului masic de material solid cu traductor cu radiaţii nucleare tip WEIGHTRAC (VEGA),
Acest tip de traductor prezintă următoarele avantaje: - Măsurare fără contact; - Montare simplă prin intermediul cadrului de măsură; - Calibrare simplă.