İnsan atardamarlarındaki kan debisinden Bir roketteki sıvı oksijen debisine kadar

Transkript

1 AKIŞ ÖLÇÜMLERİ

2 AKIŞ ÖLÇÜMÜ Akışkanların herhangi kesitli kanallar içinde akması durumunda hızlarının veya debilerinin ölçülmesi, birçok biyolojik, meteorolojik olayların incelenmesi, endüstrinin çeşitli işlemlerinde ve laboratuarlardaki çeşitli deneylerin gerçekleştirilmesi için çok önemlidir. İnsan atardamarlarındaki kan debisinden Bir roketteki sıvı oksijen debisine kadar o Pratikle hız ve debinin veya genel olarak akış olaylarının ölçülmesi için, birbirlerine göre çeşitli üstünlük ve sakıncaları olan değişik cihaz, ve yöntemler geliştirilmiştir. Herhangi bir akış ölçme işleminde, ölçme cihazı ve yönteminin seçiminde hassasiyet, kapasite aralığı ve fiyat başta olmak üzere çeşitli etkenler rol oynar.

3 AKIŞ ÖLÇÜMÜ Akım hız ölçüm cihazları alet çıktısını hesaplayabilmek için doğru bir şekilde sıcaklık ve basınç ölçümü gerektirir. Kullanılan debi birimleri 1 galon/dk (gpm) = 31 inc 3 /dk = 63,09 cm 3 /sn 1 litre = 0,64 galon 1 ft 3 = 0,083 m 3 Ticari gaz akım ölçüm cihazları, akım hızlarını 1 atm ve 0 o C standart şartlardaki standart akım hızı olarak belirlerler. o Akışkanlar mekaniğinin temel prensiplerinden biri olan kütlenin korunumu prensibine göre, kuyu veya kaynağın bulunmadığı bir sistem içinde, sürekli rejim halinde bu sisteme giren ve çıkan kütle için; m! = M Δt giren = M Δt çııka = sabit m=kütlesel debi [kg/sn] M=akışkanın kütlesi [kg] Δt= zaman [sn] 3

4 AKIŞ ÖLÇÜMÜ Birim alandan birim zamanda geçen kütle ise kütlesel akıdır ve aşağıdaki tanımlanır. m! ( kg / m s) = m A o M kütlesi yerine akışkanın yoğunluğu (ρ (kg/m 3 ) ve akışkan hacmi V (m 3 ) olmak üzere ρv yazılırsa; ρv Δt giriş ρv = Δt çııkı 4

5 AKIŞ ÖLÇÜMÜ Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi belirli bir Δt zaman aralığında, verilen bir alanı geçen hacim miktarı veya hacimsel debi; Q v V Δx = = da = Δ Δ vpda t t Qv=hacimsel debi (m 3 /s) Vp=hehangi bir noktadaki akışkan hızı (m/s) o Birçok uygulamada ortalama hız kullanılması daha uygundur. v = v p A da 5

6 5. KÜTLESEL VE HACİMSEL DEBİ ÖLÇERLER Belirli bir zaman aralığında akan akışkanın kütlesinin tartılarak tespiti en basit ve en hassas yöntemdir. Atmosferik şartlarda buharlaşmayan sıvılar için oldukça kolay bir yöntem olmasına rağmen, buharlaşabilen sıvılar ve gazlar için bu yöntemi kullanırken özel önlemler alınmalıdır. Aşağıda su gibi buharlaşmayan bir sıvı için kütlesel ve hacimsel debi ölçme düzenekleri görülmektedir 6

7 Kütlesel debi ölçme düzeneği Kütlesel debi ölçme düzeneğinde akış, bir kol yardımıyla aniden tartı cihazının üzerindeki kaba akıtılır. Bu kolun döndürülmesi esnasında aynı anda kronometre ile zaman aralığı tespiti yapılır. Buharlaşabilen sıvıların ölçülmesinde ise kabın atmosfer ile irtibatı kesilmelidir. Tartı sistemine olumsuz etkilerini önlemek için boru ile kap arasındaki bağlantının elastik yapılması uygundur. Kütlesel debi ölçme düzeneği 7

8 Hacimsel debi ölçme düzeneği Pratikte kullanılan diğer bir yöntem, hacimsel debi ölçmesidir. Bu yöntemde de kütlesel debi ölçülmesinde olduğu gibi belirli zaman aralığında akan akışkan, hacmi belirlenebilen bir kapta toplanarak veya hacmi belirli kaptan, belirli zaman aralığında bu akışkanın kullanılması ile hacimsel debi bulunabilir. Örnek olarak içten yanmalı motorların veya brülörlerin yakıt sarfiyatlarının deneysel tespitinde kullanılmak üzere şekildeki gibi değişik çaplı cam kürelerden oluşan bir sistem kullanılabilir. Bu cam kürelerin sayısı ve hacimleri istenen hassasiyete göre seçilebilir. Cam kürelerin hacimlerinin geometrik dzi şeklinde düzenlenmesi oldukça hassas sonuç verir. Hacimsel debi ölçme düzeneği 8

9 Pozitif yer değiştirme Metodu: Döner Kanatlı Debiölçer Su gibi uçucu olmayan bir sıvının akım hızı doğrudan tartma metoduyla bu şekilde ortalama akım hızı kolaylıkla hesaplanır. Zamanla ölçülen sıvı miktarı fazla tutularak ve hassas ölçümler yapılarak doğruluk artırılabilir. Bu metot su ve diğer sıvı akım metrelerin kalibrasyonu için sıkça kullanılır. Bu metot geçici ölçümler için uygun değildir. Dönme sayısı* Bir dönmedeki hacim/ zaman Ölçme hassasiyeti %0.5 tir. 9

10 o Pervane Tipi Debiölçer Aşağıda ise iki mil üzerine yerleştirilen iki sürücü eleman hem birbirlerine hem de gövdenin cidarlarına tatlı bir şekilde alıştırılmış olup çok küçük sürtünmeye sahiptir. Bu sistem sıvılarda kullanılabilmesine rağmen daha çok gazlarda tercih edilmektedir. 10

11 Akım Blokaj Teknikleri Akım kesit alanının kısmen bloke edilmesinden dolayı meydana gelen hidrodinamik özellik değişimlerinden faydalanılarak yapılan akım ölçümlerine akım blokaj teknikleri adı verilir. Böylece cihazlar bazen yükseklik ölçerler veya diferansiyel basınç ölçerler diye adlandırılır. Genel bir boyutlu akış sistemi 11

12 = C Q Q ideal gerçek deşarj katsayısı P P u u > > Süreklilik denklemi A u u A m ρ = ρ =! ρ ρ ρ = = 1 Bernoulli denklemi = A A g u P P c ρ Q = u.a ξ ρ ρ + Σ = + + Q w P g u g g z P g u g g z c c c c ( ) = A A P P g A Q c ρ Bu ifade sıkıştırılamayan akışkanlar içindir.

13 Pratikte en çok kullanılan akım blokaj sistemleri oritismetre, venturimetre nozuldır. ve a.) Venturimetre b.) Nozul (lüle) c.) Orifismetre (diyafram) 13

14 14

15 Venturimetre D? giriş ve çıkış borusu çapı d? boğaz çapı a 10cm D 15cm a = 0,5D 0, 75D b = d, 15cm D 80cm a = 0,5D 0, 50D o o α 1 = 1, c = d, δ = 0,48 1,5cm, r 3,5d 3, 75d =, r1 = 0 1, 38d, α o = 5 15 o C deşarj katsayıları akış hızı ve venturi kesitine bağlı Reynolds sayısına bağlı olarak pratikler halinde verilmiştir. 15

16 Nozul (lüle) D t mm mm t d L d r d r için D d 0, ,6 ( / 3), 0,5 / 1 1 = = = < = β D t mm mm d D t D dveyal L d D r d r için D d 0,15 3 ) 3 / 3) (1/ 0,6 ) )( (1/, ) (1/ 0,5 / = = > = β 16

17 Orifismetreler: En basit imalatı olan akım blokaj aletidir. D d o Basınç bağlantıları dört şekilde yapılabilir. 1. Köşe bağlantılı orifismetre. Flanş bağlantılı orifismetre 3. D-D/ orifismetre 4. Vena contracta orifismetre: 1. basınç ölçümünün yeri D mesafesinde ikinci kesitin en düşük olduğu yerden alındığı orifismetre 17

18 v Vena Contractanın oluştuğu yer bu grafikten tespit edilir. 18

19 Boru bağlantılı orifismetreler için C (deşarj) katsayısı grafiklerden bulunabilir. Oritismetreler için C nin hesabı için bağıntılar verilmiştir. C = 0, ,031β,1 8 0,184β + 0,009β, Re o 0,75 ( 4 ) 3 1 β 0, L + 0,090L β 4 1β 0337 o L1,L orifis bağlantısının tipine göre belirlenen katsayılardır. 19

20 Sürükleme Etkisiyle Akım Ölçümü o 1-Rotametreler Tıpaya etkiyen kuvvetler Sürükleme kuvveti F d Tıpanın ağırlığından kaynaklanan kuvvet Yüzdürme (kaldırma kuvveti) F d + Kal. kuv = Ağ. kuv o olduğu zaman tıpa dengede kalır. Tıpanın sabit kaldığı yükseklik akım hızının bir göstergesidir. 0

21 Rotametrelerin yapıldığı malzeme akışkanın özelliğine, hızına vs göre değişebilir. Sürükleme katsayısı Re ve akışkan vizkozitesine bağlıdır. Bununla beraber vizkoziteden bağımsız ölçüm verebilen özel tıpalar dizayn edilmiştir. Yani bu tıpalar için sürükleme katsayısı sabittir. Aynı zamanda genişleyen alanın lineer bir davranış gösterdiği kabul edilirse aşağıdaki ifade yazılabilir. m = C i. y ( ρ ) h ρ a ρ a! Ci : Rotametrenin katsayısı y : yükseklik 1

22 Aynı zamanda bu ifadenin akışkan ρ dan bağımsız olması bir rotametrenin çok daha geniş amaçlı kullanımına imkan verir.

23 -Türbinmetre Dönel kanatları döndüren akım içerdeki mıknatısta manyetik alan oluşturur ve frekanslar ölçülür. Q = f K f: (frekans) s -1 K: Türbinmetre katsayısı ( µ U) K = f, µ : viskozite A: Dönel kanatlar B: Giriş ve çıkış akış düzenleyici C: Sinyal sensör bağlantısı U : hız d %0,5 o ğ r u l u k t a s o n u ç v e r i r. 3

24 Vortex Yayıcı Flowmetreler: Vortexlerin frekansı akım hızıyla orantılıdır. Uygun kalibrasyonla akım ölçer olarak kullanılır. Cismin şekli aerodinamik olmamalı, keskin hatlı olmalıdır. Ticari olarak ölçüm cihazı (sensör) ile birlikte imal edilir. Böyle bir sistemle 10 4 <Re<10 6 arasında ölçüm yapılabilir. Bu cihaz vizkozitesi yüksek sıvılar için ölçüm yapmaya uygun değildir. 4

25 HOT-WİRE VE HOT-FİLM ANEMOMETRELERİ Hot-wire anomemetreleri hızlı şekilde değişen akım şartlarını incelemek için yaygın şekilde kullanılan bir cihazdır. Bu metodla ince bir tel elektriksel olarak ısıtılır ve akım fazı içine yerleştirilir. Fazdan daha sıcak olan bu telden ısı transferi olur. Isı transfer hızının aşağıdaki şekilde olduğu bulunmuştur. q ( 0,5 a + b. u )( T ) = T w T w Tek sıcaklığı T Gaz fazı sıcaklığı u akışkan hızı a,b Kalibrasyon katsayıları telin direnci bilinirse q = i R = i R α w o ( 1+ ( T T )) w o i elektrik akımı R w T w deki tel direnci R o T o deki direnç 5

26 6 ( ) ( ) = = b T T T T R i b a T T q u w o w o w α

27 L = 0, 015mm o Hot-wire özellikle türbülans sıçrama ölçümlerinde yaygın şekilde kullanılır. Özellikle inch lik platin veya tungten telin hava içindeki yaklaşık zaman sabiti 1 millisaniyedir. o İki şekilde kullanılır. Sabit akımda veya sabit sıcaklıkta bu tür cihazlarda yaklaşık olarak L/D=50 olmalıdır. 7

28 AKIŞ GÖRÜNTÜLEME Temelde optik prensiplere dayanan akışı görünür hale getiren yöntemler, akışkanlar mekaniği, ısı ve kütle transferindeki araştırmalarda diğer ölçme aletlerinden farklı bulgular verebilmektedir Prop tipi ölçme aletlerinden farklı olarak, akışın görünür hale getirildiği yöntemlerde, olayı tedirgin etmeden, bir gecikmeye neden olmadan sistemin bütün noktalarında ayni anda, sıcak, asidik ve bazik ortamları homojen yapabilmesi bu yöntemlerin Üstünlükleri olarak belirtilebilir. 8

29 Akışı görünür hale getirmek için esas olarak iki prensip vardır. Birinci prensipte akış içine farklı fazda bir madde ilave etmektir. Bu ilave edilen yabancı maddenin esas akışı takip edebilmesi için mümkün olduğu kadar küçük, izlenebilmesi için de mümkün olduğu kadar büyük olması gerekir. Bu prensipte çok kullanılan birkaç yöntem, hava ve gaz akışında duman veya sis ilave etmek, su ve sıvıların akışında ise gaz kabarcıkları, küçük alüminyum, polisten gibi parçacıklar veya boya ilave etmektir. 9

30 İkinci prensip ise akış esnasında, akışkanın optik özelliklerinin değişimine dayanır. Örnek olarak akışkanın yoğunluk, basınç veya sıcaklığındaki değişim kırılma indisinde değişime neden olur. Interferometre, schlieren veya gölge yöntemleri bu değişimleri kolayca görünür hale getirir. Özellikle bu yöntemlerin akışı tedirgin etmemesi, akış içine ilave bir maddenin verilmemesi en büyük üstünlükleridir. 30

31 31

32 boya 3

33 duman 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 Laser Doppler Anemometresi Özellikle türbülans ve sınır tabakası içindeki hız ölçümlerinde hot-wire ile birlikte LDA da çok kullanılır. Sıcak tel ve ya film probları üzerinde zamanla kir ve gaz kabarcıkları birikeceği için probun ısıl kapasitesi etkilenir ve kalibrasyon değişir. Ayrıca sıcak tel problarının ömürleri sınırlıdır. 38

39 Optik prensiplere göre çalıştığı için akışı tedirgin etmez. Ölçme noktası oldukça küçüktür Ani hız değişimlerini ölçebilir. Kalibrasyona ihtiyacı yoktur. 0.1 mm/sn den 600 m/sn kadar ölçebilir. o Belli başlı elemanları; n Laser, n n Optik elemanlar Frekans değişimini ölçen foto-dedektör 39

40 PIV- Parçacık Görüntü Hız Ölçeri Akışkan içinde hareket eden küçük parçacıkların hızının ölçülmesine dayanır. Laserde bir noktaya odaklanılıp o noktadaki hız ölçülürken, PIV de belirli bir düzlem aydınlatılarak bu düzlemdeki hız dağılımı tespit edilebilir. Önce düzlemsel bir ışık tabakası içindeki hareket eden parçacıkların görüntüsü t zaman farkı içinde iki poz halinde kaydedilir. t zamanında parçacıklar L yolunu kat etmiş olur. İkinci olarak bu fotoğraflar değişik dijital yöntemlerle değerlendirilerek bütün ölçme alanındaki hız dağılımı çıkarılır. En büyük avantajı ölçme alanının tamamında hız dağılımının bulunabilmesidir. 40

41 41

42 4

43 43

44 Kaynaklar Prof. Dr. Osman F. Genceli, Ölçme Tekniği Doç. Dr. Abdürrahim Bölükbaşı, Ders Notları 44