NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ

... konulu sunumlar: "NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ"— Sunum transkripti:

1 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Akışkan akışları sonlu büyüklükteki bir algılama hacmindeki akış hızının ölçümlerini yapmak suretiyle elde edilir. Burada algılama hacmi belli bir alana sahip ve kararlı akış biçimi meydana getirebilecek kadar yeterli bir uzunluktaki açık veya kapalı bir kanalın kesitidir. Burada ölçülen hız kesitteki ortalama hızı verir. Hız bilindikten sonra hacimsel debi hesaplama yolu ile bulunur. Bu teknikte kullanılan en basit işlem, akışkan içine gaz kabarcıkları veya boya gibi maddeler enjekte edilip bunların akışkan içindeki ilerleyişini gözlemlemek şeklindedir. Bu şekilde belirli bir referans noktasından itibaren akışkanın katettiği yolun ne kadar zamanda aldığını ölçerek hız bulunmuş olur. En yaygın nokta hız ölçüm aletleri pitot tüpleri, sıcak tel anemometreleri ve geçici zaman hız ölçerleri sayılabilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

2 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Pitot Tüpü İle Hız Ölçümü Akış halindeki bir akışkanın basıncı, Ptop=Pstatik+Pdinamik olarak verilir. Bernoilli’ye göre hız, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

3 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Bu teknikte ortaya çıkabilecek hata kaynaklarını şu şekilde sıralayabiliriz. 1. Pitot tüpünün akışkanın akım çizgisine paralel olmaması, 2. Kanal veya boru boyunca akışkan akışının üniformluluğunun bozulması, 3. Düşük Reynolds sayılarında viskozite değişiminin etkisi, 4. Sıkıştırılabilir akışkanlarda düşük Mach sayıları dışında hız ifadesinin modifiye edilmesi gerekir. 5. Büyük tüp çapları statik basınç değerlerinde düşmelere neden olur. Tüp çapının kanal çapına oranının çok küçük olması gerekir. Pitot tüpünün en önemli avantajı, akışkan akışına kolaylıkla uygulanmasıdır. Çıkışı bir fark basınç sinyali olarak çeşitli basınç algılama elemanları ve teknikleri yoluyla değerlendirilebilir. En önemli dezavantajı ise, meydana getirdiği basınç sinyalinin çok küçük olmasıdır. Görsel okumalarda okuma hassasiyetini arttırmak için eğik manometreler kullanılır. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

4 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Sıcak Tel Anemometre İle Hız Ölçümü Bir direnç elemanı üzerinden akışkanın soğutucu etkisinin bilinmesi olayıdır. Bu etki sıcaklıkla direnç değişimini algılamak suretiyle akışkan hızının ölçümünde kullanılır. Soğutucu etki veya direnç elemanın ısı kaybı akışkanın kütlesel hızına, özgül ısısına, direnç elemanının ısı iletim katsayısına, akışkanın basıncına ve sıcaklığına bağlıdır. Sabit akım ve sabit gerilim (sıcaklık) olmak üzere iki temel teknik, tel ve film olmak üzere iki temel yapı (duyar eleman) mevcuttur. Her iki teknikte de duyar elemanın direncini belirlemek için aynı fiziksel ilke kullanılır. Bu teknikte duyar eleman akışkan sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Duyar eleman üzerinden taşınım (konveksiyon) yoluyla meydana gelen kayıplar bir denge koşulunda, elektriksel kaynaktan üretilen ısı miktarı ile kaybı eşitlenir. Bu durum ya akımı sabit tutup gerilim değişimi ölçülür ya da gerilim sabit tutulup akım değişimi ölçülür. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

5 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Bir akış içine yerleştirilmiş elektrikle ısıtılan elemanlara verilen elektriksel gerilim ile akışkan hızı arasında bir değişim mevcuttur. Denge koşulunda, elektriksel direnç elemanında oluşan elektriksel enerji ısı transferi yoluyla akışkana olan ısı geçişi için, bağıntısı yazılabilir. Burada, i: Duyar (°C) elemandan geçen akım şiddeti (A) R: Duyar elemanın direnci (ohm) h: Duyar elemandan akışkana olan ısı transfer katsayısı (J/m2 °C) A: Duyar elemanın akışkanla temas eden yüzey alanı (m2) Td: Duyar elemanın sıcaklığı (°C) Ta: Akışkanın sıcaklığı Duyar elemandan akışkana olan ısı transfer katsayısı için, yazılabilir. Burada C0 ve C1 birer sabit, v akışkanın hızıdır. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

6 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

7 NOKTA HIZ ÖLÇÜMLERİ VE TEKNİKLERİ
Sıcak Tel Anemometresinde Dikkat Edilecek Hususlar: 1. Duyar eleman akış çizgisine paralel olmalıdır. 2. Akışkan temiz olmalı, aksi takdirde tel eleman üzerine biriken pislikler elemanın bozulmasına veya deforme olmasına neden olur. 3. Yüksek hızlarda titreşimden kaçınılmalıdır. 4. İletken akışkan elektroliz olayını başlatabilir. Bu nedenle duyar eleman yalıtılmalı ya da alternatif akımla uyarılmalıdır. Sıcak tel anemometreleri ile 750 °C sıcaklığa kadar, 0,1 m/s den 500 m/s ye kadar gaz hızları ölçülebilir. Sıvı hızları ise tel tipi elemanlarla 0,1 m/s den 5 m/s ye kadar, film tipi elemanlarla 25 m/s ye kadar çıkabilir. Doğruluk derecesi %1 den daha fazladır. 50 Hz’e kadar dinamik ölçümler yapılabilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

8 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Hız ölçümü yoluyla akış ölçüm tekniklerinden farklı olarak toplam hacim ölçümü, verilen bir noktadan geçen hacme etki etmek suretiyle gerçekleştirilir. Burada kullanılan en yaygın yöntem akış hattı boyunca basınç farkını ölçmektir. Bu tip akış algılayıcıları, orifis plakası, lüle, ventüri ve Dall tüpü gibi engelleyicileri akış hattına bağlamaktır. Toplam akış miktarını ölçen diğer tip algılayıcılar ise türbin, pozitif yerdeğiştirme, elektromiknatıs, ultrasonik, Laser-Doppler ve vorteks yöntemleridir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

9 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Sabit Alan Değişken Basınç Düşümlü Akış Ölçerler Bu tip akış ölçerler için, orifis plakaları, lüleler, venturi ve Dall sayılabilir. Orifis, akış yolu üzerinde ortasın çok küçük bir delik bulunan plakadır. Bu plaka, önü ile arkası arasında bir basınç farkı oluşturur. Basınç farkı ölçüldüğünde, bu delik içinden geçen akışkan miktarı (debi) için yazılır. Burada, A0: Orifis kesit alanı (m2) Ap: Borunun kesit alanı (m2) DP: Orifisin önü ve arkası arasındaki basınç farkı (N/m2) Cd: Orifis boşalım katsayısı Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

10 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

11 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Sabit Basınç Değişken Alan Akış Ölçerler (Rotometreler) Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

12 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Sabit Basınç Değişken Alan Akış Ölçerler (Rotometreler) Bazı debi ölçerlerde orifis alanı ayarlanabilir ve basınç düşümü sabittir. Bu durum sabit boyutlarda bir şamandıranın kesit alanı büyüyen bir tüp içerisine yerleştirilmesiyle sağlanabilir. Burada yer alan şamandıra verilen bir debi miktarında basınç farkı, yerçekimi kuvveti, viskozite ve akışkan kaldırma kuvveti altında denge durumundadır. Şamandıranın her bir konumu belli bir debi miktarına karşılık gelir. Sistemin çalışma ilkesi, sabit bir kesit alanında basınç farkının debinin karesi ile değişim göstermesi prensibine dayanır. Q2=K.DP Buna gör sabit bir basınç sağlayabilmek için akış alanının değiştirilmesi gerekir. Bu durum Q=K(At-Af) bağıntısı ile gösterilebilir. Burada K bir sabit, At boru kesit alanı, Af Şamandıra kesit alanıdır. Şamandıranın yerdeğiştirme miktarı ile debi arasındaki ilişki ise, Q=K1+K2x ile verilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

13 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Türbin Tipi Akış Ölçerler Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

14 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Türbin Tipi Akış Ölçerler Türbin tipi debi ölçerler, akışkanın akış hattı içinde yeralan dönebilir kanatçık takımlarından ibarettir. Türbin kanatçıklarının hızı akışkan debisi ile orantılı değişmektedir. Bu değer ise kanatçık hareketini algılayan manyetik pick-up yardımıyla değerlendirilmektedir. Bu sistemin çıkışı dijital darbeler şeklinde olup gerektiğinde frekans-voltaj çeviriciler ile analog sinyaller elde etmek mümkündür. Türbin tipi debi ölçerler, gazlar için 0,01 m/s den 500 m3/dak, sıvılar için 0,05 lt/dak ile lt/dak debi ölçebilmektedirler. Genellikle en küçük ölçme miktarı ile en büyük ölçme miktarı arasında 1/10 oranı mevcuttur. Doğruluk dereceleri %0,25 civarında olup cevap hızları 2-10 ms arasındadır. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

15 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Pozitif Yerdeştirmeli Akış Ölçerler Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

16 TOPLAM HACİM AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Pozitif Yerdeştirmeli Akış Ölçerler Bu tip debi ölçerler, belli bir zaman aralığında verilen bir hacmi, verilen zaman sayısı olarak ölçerler. Çeşitli biçimde pozitif yerdeğiştirmeli debi ölçerler mevcuttur. Bunlar yarı döner piston, vargel, döner disk, döner vana sıvı ve gazlar için, diyafram ve döner yerdeğiştirmeli olanlar ise gazlar için kullanılır. Bu sistemler pompaların tersi bir etkiyle çalışmaktadır. Burada ölçülen akışkan miktarı akışkan basıncı etkisi altında giriş ve çıkış ağızları arasında hapsedilir. Bu akışkan çıkış ağzından çıkabilmek için kanatçıkları veya pistonu döndürmeye çalışır. Bu dönme sayısı debi ile orantılı olarak gerçekleşir. Debi ölçme oranları ve doğruluk dereceleri çeşitli tiplere göre çok değişken olup doğruluk derecesi iyi bir kalibrasyon ile ±%2 mertebesinde sağlanabilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

17 TOPLAM KÜTLESEL AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Pratik akış ölçümünde akışkan hacmi yerine kütlesi ve ağırlığının belirlenmesi istenebilir. Özellikle bu durum yakıt hacminden çok, ağırlığının önem kazandığı uzay taşıtı uygulamalarında kullanılmaktadır. Hacim ölçümünün etkileşimli yöntemlerinde geçen akış miktarı kütleyi belirlemek için kullanılır. Yalnız bu yöntemlerde hacimsel debi ölçerlerden elde edilen hacim miktarının yoğunluk, viskozite, basınç, sıcaklık ve hızdaki değişimlere göre yeniden düzenlenmesi gerekir. Bu durum sayısal hesaplama donanımlarının mevcut olduğu yerlerde pek fazla problem getirmez. Bu yöntemlerin dışında ayrıca kütlesel akış ölçümünde bazı doğrudan ölçme yöntemleri de mevcuttur. Bu yöntemler, direkt yöntemler ve indirekt yöntemler olarak ikiye ayrılabilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

18 TOPLAM KÜTLESEL AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
A. Direkt Yöntemler: 1.1 Momentum Tipi Akış Ölçerler: Hareketli bir akışkanın momentum kuvvetini ölçmek oldukça basit olmakla beraber yoğunluk değişimlerine karşı oldukça duyarlıdırlar. Yoğunluk değişimlerinin etkisi, hızı bilinen bir akışkan akışının akış hattına sokmakla giderilebilir. Şekilde görülen pervaneli tipteki akış ölçerde motor uzun bir pervaneyi sabit bir açısal hızla (w=sabit) döndürmekte ve sonuçta da teğetsel hız bileşeni sabit kalmaktadır. Bu durumda kütlesel debiye karşılık gelen tork miktarı, ifadesi ile verilebilir. Burada w açısal hız ve r yarıçap sabit olduğuna göre kütlesel debi ile tork arasında oransal bir ilişki mevcuttur. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

19 TOPLAM KÜTLESEL AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
1.2 Açısal Momentum Tipi Akış Ölçerler: Şekilde verilen sistem daha iyi bir yöntem olup akışkanda meydana gelen iç enerjinin ortaya çıkarılması şeklindedir. Bu yöntemde sabit hızlı pervane akışkan akış hattına açısal bir momentum girişi verir. Bu enerji ise hareketi bir yay ile karşı yönde zorlanan uzun bir türbin ile sistemden çıkarılır. Yaya karşı hareketlenen bu türbinin açısal yerdeğiştirmesi kütlesel debi ile orantılı olmaktadır. Momentum tipi debi ölçerler -30°C ile 50°C sıcaklık arasında 10 MPa’lık statik basınç altındaki akışkanları ölçmek için kullanılır. %1 doğruluk derecesinde 1/10 ölçme kademesi mevcuttur. Tipik ölçme kademeleri sıvılarda 0,1-50 kg/s, gazlarda 0,01-10 kg/s mertebelerindedir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

20 TOPLAM KÜTLESEL AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
2. Isıl Tip Akış Ölçerler: Isıl tip akış ölçerlerin çalışma prensibi, bir akışkan içersine belli bir miktar ısı enjekte etmek ve kısa bir algılama mesafesi içerisinde sıcaklık farkını belirlemeye dayanır. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

21 TOPLAM KÜTLESEL AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Şekilde verilen sistemde bir akışkanla çevrelenmiş ısıtıcı (ısı değiştiricisi) görülmektedir. A ve B noktalarına iki adet sıcaklık algılayıcı yerleştirilmiş olup bunlardan birisi akışkanın ısıtıcıya girişinden önce diğeri çıkışından sonraki noktada yer alır. Bu yönteme göre kütlesel debi, olarak verilir. Burada, Ph: Isıtıcının gücü DT: Sıcaklık farkı K: Isı transferi katsayıları, akışkanın özgül ısısı, akışkanın yoğunluğu ve akışkanın ısı iletkenliğinden çıkan bir sabit Bu yöntemde ölçme kademesi içerisinde bu karakteristiklerin sabit kaldığı kabul edilmekte ve bunun sonucu olarak kütlesel debi elde edilmektedir. Bu sistem esas olarak gaz akışkanlar için kullanılmakta olup ölçme kademesi 10-9 kg/s ile 10-3 kg/s arasındadır. Doğruluğu ise 2 MPa çalışma basıncı ve 100°C sıcaklık koşulları altında ±%2 mertebesindedir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

22 TOPLAM KÜTLESEL AKIŞ ÖLÇÜMÜ VE TEKNİKLERİ
Hacimsel debi ölçümünde kullanılan herhangi bir teknik, yoğunluğun belirlenebildiği durumlarda kütlesel debi ölçümünde de kullanılabilir. Diferansiyel basınç ve pitot tüpü teknikleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekilde görüldüğü gibi eğer akışkanın basınç ve sıcaklığı biliniyorsa akışkanın yoğunluğu elde edilir. Bu elde edilen yoğunluk kütlesel debinin hesabında kullanılır. Yoğunluk ve kütlesel debinin hesabı için basit bir mikrobilgisayar sistemi kullanılabilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

23 AÇIK KANALLARDA DEBİ ÖLÇÜMÜ
Sıvıların nehir, kanal içinde akması veya bir boru içinde akarken aktığı kesiti tamamen doldurmadığı ve akan sıvının bir yüzeyinin serbest, diğer yüzeylerinin ise katı cidarlar olduğu durumlar, açık kanallarda akış olarak adlandırılır. Bu tip kanallardaki akış halinde debi ölçümü, kanalın herhangi bir yerine yerleştirilen ve savak adı verilen kanal kesitinden daha küçük daraltma elemanları yardımıyla yapılır. Bu elemanlar dikdörtgen, üçgen veya trapez kesitlerde olabilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN

24 AÇIK KANALLARDA DEBİ ÖLÇÜMÜ
Serbest yüzeyden h kadar aşağıda dh kesitindeki dikdörtgen kesitli serbest bir savaktaki hacimsel debi ifadesi Bernoulli denklemine göre, şeklinde yazılabilir. Burada K debi katsayısı, L savağın eni, g yerçekimi ivmesidir. K debi katsayısının savakta sabit olduğu kabulü için savaktan geçen debi, elde edilir. Debi katsayısı savağın geometrisi ile ilgili birçok değişken etki etmektedir. Yaklaşık bir değer olarak, keskin kenarlı diyaframa ait olan K=0,613 değeri savaklar için de kabul edilir. Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Görükle Kampüsü/Bursa Öğr. Gör. Dr. Mesut ŞENGİRGİN