Měření průtoku a výšky hladiny

Měření průtoku a výšky hladiny již po několik staletí patří mezi nejfrekventovanější úkoly měřicí a regulační techniky v průmyslové i laboratorní praxi. Proteklé množství a výška hladiny je nejčastěji měřenou veličinou v průmyslových podnicích (41 %), dalšími v pořadí jsou teplota a tlak. Průtokoměry, dávkování množství suroviny a měření výšky hladiny patří mezi přístroje nejčastěji užívané pro fakturační měření a stanovení hmotnostní bilance materiálových toků podniku. Metrologické vlastnosti (nejistoty) průtokoměrů a hladinoměrů se tedy přímo promítají do cenových a nákladových relací podniku. Rozsah použití průtokoměrů je velmi široký: od měření průtoku krve až po měření rychlosti proudění říčných toků nebo mořských proudů. Vývojem, výrobou a distribucí průtokoměrů nejrůznějších rozsahů (od 0,1 g/h do 5000 t/s), rozměrů (pro průměry potrubí od 0,1 mm do 15 m) fyzikálních principů a konstrukcí, se zabývá více než tisícovka společností rozptýlených po celém světě s roční produkcí dosahující několik milionů kusů. Rozmanitost pracovních podmínek průtokoměrů je neobyčejně široká a to jak z hlediska složení a vlastností měřených látek (od čistých tekutin až po agresivní třífázové směsi nenewtonovského charakteru), rozsahu teplot proudícího média (od kryogenických teplot do teplot tekutých kovů),tak i rozsahu tlaků proudící tekutiny (od vakua do několik tisíců barů). Situaci dále komplikuje nutnost respektovat vlastnosti kanálů v nichž tekutina proudí (uzavřené potrubí nebo otevřené kanály, vlastnosti stěn potrubí apod.). I když v posledním období se projevuje silný odklon od průtokoměrů a metod měření výšky hladiny založených na tradičních mechanických principech k metodám s elektrickou výstupní veličinou (indukční, ultrazvukové) a k hmotnostním průtokoměrům Coriolisovým nebo tepelným, bude zachován převážně encyklopedický přístup publikace podáním celkového přehledu metod měření průtoku a výšky hladiny. Perspektivní metody a senzory (např. radarové hladinoměry typu FMCW a TDR) budou ovšem preferovány rozsahem a hloubkou výkladu. Výběr, správná instalace a provoz průtokoměrů vyžadují důkladné pochopení nejen jejich fyzikálních principů, ale také zákonů proudění tekutin a termodynamiky. Rozvoj moderních metod číslicového zpracování signálů a mikropočítačové techniky podstatně zasahuje do vyhodnocení výstupních signálů průtokoměrů a hladinoměrů. Tím se dále rozšiřuje objem znalostí nutných i pro pouhý výběr typu a provoz průtokoměrů a to již na úrovni technického úředníka a provozního technika. Je proto logické, že průtokoměrům je věnována řada obecně a firemně orientovaných publikací, mnohé informace lze najít také na internetu, avšak souborné, přehledné a stručné pojednání o průtokoměrech v naší literatuře schází. S průtokoměry přichází do styku pracovníci s různým základním vzděláním a to jak co do oboru (strojírenství, elektrotechnika, chemické, stavební a ekonomické inženýrství), tak i do hloubky (od absolventů učňovských škol, techniků až po vysokoškolsky vzdělané kádry). Je proto nutné poskytnout výklad principů průtokoměrů tak, aby se respektovaly rozdíly v odborných zaměřeních uživatelů. Záměrem publikace je tedy přístupný výklad fyzikálních principů metod a senzorů pro měření průtoku a výšky hladiny vedený tak, aby získané teoretické poznatky byly použitelné při výběru průtokoměru a zdůvodnění podmínek jejich instalace a správného provozu. Kniha je koncipována s ohledem na sjednocení, doplnění a fyzikální podstatu informací, uváděných v dokumentaci (instalace, manuály a provozní pokyny) dodávané výrobci průtokoměrů. Výklad bude doplněn množstvím názorných obrázků. Zde autoři využijí své dlouholeté zkušenosti s výukou měření neelektrických veličin - senzoriky na technických vysokých školách doma i v zahraničí a publikační činností v odborných časopisech a na konferencích. Publikace je určena pro širokou technickou veřejnost zabývající se měřením průtoku, může posloužit konstruktérům strojů a projektantům, inženýrům útvarů obchodně-technických služeb a technickým pracovníkům výroby. Navíc lze očekávat, že v publikaci uvedené poznatky poslouží také při řešení nestandardních úkolů z oblasti měření průtoku a výšky, přinejmenším alespoň jako inspirační materiál. Je vhodná také jako učební pomůcka pro studenty středních odborných škol a příp. i pro studenty vysokých škol technických. Předpokládají se základní znalosti středoškolské matematiky a fyziky a elektrotechniky. Avšak pro získání přehledných znalostí encyklopedického charakteru lze vystačit pouze se znalostí elementárních zákonů fyziky a matematiky. Stručný obsah V každé kapitole je kromě principu popsána konstrukce, měřicí obvod, základní pokyny pro instalaci a provoz, návod k řešení možných poruch správné činnosti 1. Úvod 2. Základní pojmy a definice 3. Rozdělení senzorů průtoku 4. Průřezové průtokoměry 5. Rychlostní průtokoměry 6. Průtokoměry s proměnným průřezem (plováčkové průtokoměry, rotametry) 7. Turbínové a lopatkové senzory průtoku 8. Objemové průtokoměry 9. Deformační průtokoměry 10. Ultrazvukové senzory průtoku 11. Indukční senzory průtoku 12. Hmotnostní průtokoměry na principu Coriolisovy síly 13. Průtokoměry se značením tekutiny (směšovací) 14. Fluidikové průtokoměry 15. Tepelné průtokoměry 16. Úvod k měření hladiny 17. Jednoduché indikátory hladiny 18. Plovákové hladinoměry 19. Mechanické hladinoměry 20. Vážní systémy 21. Tlakové hladinoměry 22. Elektrické hladinoměry 23. Optické hladinoměry 24. Ultrazvukové hladinoměry 25. Radary 26. Radiační hladinoměry 27. Přílohy a tabulky (anglické zkratky užívané v literatuře o průtokoměrech, převody mezi jednotkami měření průtoku, seznam základních norem průtokoměrů a hladinoměrů, metrologické vlastnosti jednotlivých typů průtokoměrů, průvodce výběrem průtokoměrů a hladinoměrů, převodní tabulky objemový průtok - rychlost proudění, frekvence vírů v plynech a kapalinách), nomogram vztahu mezi Reynoldsovým číslem, rychlosti proudění a viskozitou, nomogram pro určení tlakových ztrát v potrubí, hodnoty koeficientů drsnosti pro různé materiály a potrubí, apod.) 28. Seznam literatury a internetových stránek z oblasti průtokoměrů a hladinoměrů, anglicko-český slovníček základní terminologie průtokoměrů a hladinoměrů.