-
5. M��ení hydraulického rázu
5. M��ení hydraulického rázu 5.1. Úvod
P�i neustáleném proud�ní kapaliny v potrubí odpovídají všem
zm�nám pr�toku i zm�ny
tlaku. Zm�ny tlaku vyvolané hydraulickým rázem mohou dosahovat
zna�ných hodnot a
mohou poškodit jak potrubí, tak za�ízení instalované na n�m.
Tyto poruchy mohou vy�adit
celý hydraulický systém a zp�sobit tak zna�né materiálové a
ekonomické ztráty.
Hydraulický ráz je simulován nejsnadn�ji na proud�ní vody v
dlouhém potrubí,
p�ipojeném k nádrži, kdy se náhle uzav�e ventil. To zp�sobí
náhlé zvýšení tlaku o �p, které
se pohybuje jako tlaková vlna od místa uzav�ení A sm�rem k
nádrži B (obr. 5.1) rychlostí
zvuku as a prob�hne po délce potrubí l a zp�t k ventilu za dobu
rovnou dob� b�hu vlny T.
Tlaková vlna se nebude dále ší�it do nádrže, kde je volná
hladina. U nádrže je nyní rozhraní
stla�ené a nestla�ené kapaliny, a proto kapalina za�ne
expandovat do nádrže B. Kapalina se
odpruží a za�ne se pohybovat nazp�t sm�rem k bodu A, za
odraženou vlnou je tlak jako
p�ed rázem. P�i expanzi posledních �ástic v míst� uzav�ení
armatury je snížení tlaku o
hodnotu �p v celé délce potrubí l. Mimo pokles na p�vodní tlak
p�ed rázem dojde ješt�
v míst� uzav�ení ventilu k poklesu o hodnotu �p. Tento podtlak
se op�t ší�í od armatury
k nádrži. Zde se op�t vlna odrazí a vyrovnává tlak na p�vodní
hodnotu. P�i návratu odražené
vlny do bodu A dojde op�t k po�áte�ní hodnot� tlaku p�ed rázem v
celé délce potrubí l. Tento
proces se periodicky opakuje s periodou rovnou dvojnásobku doby
b�hu vlny T, viz obr. 5.1,
obr. 5.2.
U skute�ných kapalin se vlivem vnit�ního t�ení tlakové vlny
utlumí až nakonec zaniknou.
Doba b�hu rázové vlny pohybující se od armatury k nádrži a zp�t
se vypo�ítá ze vztahu:
[s]2
sal
T =
l [m] délka potrubí
as [m.s-1] skute�ná rychlost zvuku v kapalin�
-
5. M��ení hydraulického rázu
0=t
tlak ustáleného proudu
20
Tal
ts
=��
zvýšený tlak
2T
al
ts
==
zvýšený tlak
Ta
lt
al
ss=�� 2
zvýšený tlak
Ta
lt
s== 2
tlak ustáleného proudu
Ta
lt
al
ss 2332 =��
snížený tlak
Ta
lt
s 233 ==
snížený tlak
Ta
lt
al
ss2
43 =��
snížený tlak
Ta
lt
s2
4 ==
tlak ustáleného proudu
tlak ustáleného proudu snížený tlak zvýšený tlak
obr. 5.1 Pr�b�h hydraulického rázu
obr. 5.2 Tlak v bod� A p�i totálním rázu
a
a
aa
a
-
5. M��ení hydraulického rázu
5.2. Popis m��ícího za�ízení
Zkušební m��icí obvod je tvo�en t�mito prvky: nádrž na vodu (N),
�erpadlo (HG),
clona (C), U – trubice (UTC) pro m��ení rozdílu tlakové ztráty
na clon�, hadice (H), ventil (V),
p�evodník (P), po�íta� (PC), sníma�e tlaku (p1 – p4).
Princip funkce obvodu je následující: �erpadlo nasává vodu z
instalované nádrže a
vhání ji do systému. Na clon� za �erpadlem se m��í ztrátová
výška pomocí U-trubice. Na
konci hadice je umíst�ný ventil, jehož poloha charakterizující
uzavírání nebo otvírání, je
snímána do po�íta�e. Celková délka trat� od �erpadla k ventilu
je l = 48,4m. V systému jsou
umíst�ny sníma�e tlaku, jejichž výstupní analogový signál je
p�evád�n p�es analogov�-
digitální p�evodník (karta AD 612 firmy Humusoft) do po�íta�e.
Ke zpracování signálu se
používá software Matlab-Simulink. V pr�b�hu m��ení i po jeho
skon�ení lze zobrazit pr�b�hy
tlak� a polohu ventilu.
obr. 5.3 Hydraulické schéma trati pro m��ení hydraulického
rázu
pozn. tlak p1 není vyhodnocován
-
5. M��ení hydraulického rázu
obr. 5.4 Realizovaný obvod
5.3. Specifikace uvedených prvk� a sníma��
Nádrž (N)
Objem nádrže: 42 dm3
Výrobce: Valter Špalek-plexi
�erpadlo (HG)
Typ: cirkula�ní �erpadlo
WILO RS 25/4 230 V PN 10
Maximální tlakový spád: 10 kPa
Jmenovité otá�ky: 1200/1650/2000 ot.min-1
Výrobce: WILO
Sníma�e (p1 – p4)
Typ: TMG 518 Z3G, použit 3x
Rozsah: (0; 1.105) Pa
Typ: TMVG 567 Z3G
Rozsah: (-1.105; 5.105) Pa
Výstup: (0÷20) mA
Napájení: (12÷36) V
Závit: M12x1,5
N
UTC HG
C
H P
V
PC
-
5. M��ení hydraulického rázu
Výrobce: CRESSTO Rožnov pod
Radhošt�m
Uzavírací ventil (V)
Typ: kulový kohout DN25
Tlaková t�ída: ANSI 800
- na ventilu jsou uchyceny 2 mechanické spína�e
s kladi�kou
- výrobce: MARTECH Hradec Králové
Clona (C)
Vnit�ní pr�m�r clony: 20 mm
Vnit�ní pr�m�r potrubí: 25,4 mm
Výrobce: VŠB
Zdroj nap�tí (slouží pro napájení sníma��)
Typ: BK125 (školní stabilizovaný
zdroj)
Napájení: 220V/50Hz
Hadice (H)
Typ: MP 20 EPDM
Pracovní tlak 2 MPa
Pr�m�r 25/35 mm
Hmotnost 0,6 kg.m-1
Výrobce: KONEKT Hradec Králové
U – trubice (UTC)
Výrobce: VŠB
CD-ROM 5-Hydraulický_ráz_popis.wmv
-
5. M��ení hydraulického rázu
5.4. Cejchovní k�ivka clony
P�i m��ení rychlosti proud�ní kapaliny pomocí clony (obr. 5.5)
je nutné znát tzv. cejchovní
k�ivku clony, pomocí které lze ze ztrátové výšky na clon� ur�it
pr�tok kapaliny v potrubí.
Rychlost proud�ní je úm�rná tlakovému spádu na clon�.
y = 0,2424x0,433
R2 = 0,9987
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
∆ h c [mm]
Qv [
m3 h
-1]
obr. 5.5 Cejchovní k�ivka clony z obvodu na m��ení hydraulického
rázu
5.5. Postup m��ení a vyhodnocení hydraulického rázu
Postup m��ení
P�i m��ení hydraulického rázu postupujeme následovn�:
1. Seznámíme se s tratí, na které bude probíhat m��ení.
2. P�ipojíme PC a �erpadlo do elektrické sít� a otev�eme
uzavírací ventil. Zapneme
zdroj sloužící k napájení sníma�� tlaku.
3. Zapneme PC, spustíme program Matlab 6.5.1 a nastavíme
adresá�
C:\MATLAB6p5p1\work\raz.
4. V programu Matlab spustíme Simulink a otev�eme soubor
raz.
5. V programu Excel otev�eme soubor data.xls pro zápis m��ených
tlak� na sníma�ích.
6. Spustíme �erpadlo.
7. Na U-trubici ode�teme rozdíl hladin �hc a zapíšeme do tab.
5.1.
8. V souboru ráz spustíme m��ení ikonou �. M��ení trvá 10s.
Provedlo se m��ení
ustáleného stavu proud�ní p�i otev�eném ventilu.
-
5. M��ení hydraulického rázu
9. V programu Matlab do okna command window napíšeme p�íkaz
„razgraf”
(dohromady), vykreslí se graf pr�b�hu hydraulického rázu pro t�i
sníma�e (p2, p3, p4)
a graf doby uzavírání ventilu. V Excelu jsou zárove� ve
sloupcích vypsané hodnoty v
po�adí: doba m��ení, tlaky p2, p3, p4 a signály polohy ventilu.
Pomocí zoomu ( )
ode�teme dobu uzavírání z grafu tu.
10. Grafy lze uložit: File – Export – zvolíme adresá�, kde
chceme grafy uložit, zvolíme
p�íponu obrázku, tzn. *.bmp nebo *.jpg.
11. Dále zjistíme ustálený stav p�i uzav�eném ventilu
12. Poté provedeme m��ení pro uzavírání ventilu, tj. otev�eme
uzavírací ventil, spustíme
m��ení a asi po 2 sekundách uzav�eme ru�n� ventil a vy�káme,
dokud neprob�hne
m��ení
13. Výsledkem jsou 2 m��ení pro ustálený stav, tj. otev�ený
ventil a uzav�ený ventil a
minimáln� 2 m��ení pro postupné uzav�ení ventilu, tj pro rychlé
uzavírání ventilu a
pro pomalé uzavírání ventilu (cca 2 s).
Nam��ené hodnoty stav ventilu Vypo�ítané hodnoty tab. 5.1
M��ení �hc
[m]
tu
[s]
tp
[s] -
�pc
[Pa]
Q
[m3h-1]
v
[ms-1]
as
[ms-1]
�p
[Pa]
ustálený stav
1 - - otev�en - -
2 - - uzav�en - -
neustálený stav
3 - uzavírání
rychlé
4 - uzavírání
rychlé
5 - uzavírání
pomalé
pozn.: pro výpo�ty použijeme m�rnou hmotnost vody: � = 1000
kg.m-3.
Vyhodnocení m��ení
Pro výpo�et hydraulického rázu je nutné znát rychlost proud�ní v
hadici. Tu lze vypo�ítat
z pr�toku potrubím Qv, který je úm�rný ztrátové výšce �hc
(rozdílu tlak� �pc) na clon�.
-
5. M��ení hydraulického rázu
Vyhodnocení nam��ených hodnot a dopln�ní tab. 5.1 lze tedy
shrnout do následujícího
postupu:
1. Do rovnice cejchovní k�ivky 433,02424,0 xy = (viz obr. 5.5)
dosadíme za prom�nnou
x rozdíl ztrátových výšek na clon� �hc [mm] a výpo�tem této
rovnice získáme
hodnotu pr�toku Qv [m3h-1].
2. Rychlost proud�ní kapaliny v hadici vypo�ítáme z rovnice
kontinuity:
24dQ
SQ
vSvQ vvv π==�=
3. Z grafu pr�b�hu tlaku p�i hydraulickém rázu ode�teme hodnotu
periody jako
vzdálenost dvou sousedních maximálních nebo minimálních výchylek
tlaku (pokud
jsme si uložili také soubor nam��ených dat do Excelu, lze ur�it
periodu tp z tabulky, tj.
najdeme nejnižší tlak v první vln� a ur�íme dobu pro tento tlak
t1. Pro druhou vlnu a
nejmenší tlak je ode�tená doba t2. Rozdíl ode�tených �as� udává
hodnotu periody tp):
12 ttt p −=
Doba b�hu vlny je dána polovinou periody, tj. 2ptT =
4. Rychlost ší�ení tlakové vlny vypo�ítáme z délky potrubí l a z
doby b�hu vlny:
T
las
.2exp =−
5. Vypo�ítáme zvýšení tlaku �p p�i hydraulickém rázu pomocí
Žukovského vztahu:
vap s ∆ρ∆ .. exp−=
kde 0vvv −=∆ je rychlostní diference, v je rychlost proud�ní
kapaliny p�i
otev�eném ventilu, 0v je rychlost proud�ní p�i uzav�eném ventilu
(zpravidla nula)
a modul pružnosti ze vztahu
ρ2 exp−= saK
6. Pro teoretické ur�ení stoupnutí tlaku p�i hydraulickém rázu
najdeme v literatu�e
rychlost ší�ení tlakové vlny v um�lohmotné trubici s kapalinou v
rozmezí:
( ) 1m.s80020 −− ÷=litsa
a modul pružnosti ur�íme ze vztahu
-
5. M��ení hydraulického rázu
ρ2 litsaK −=
Doba b�hu jedné vlny je:
litsal
T−
= .2
Do Žukovského vztahu pro hydraulický ráz dosadíme:
vap lits ∆ρ∆ .. −=
7. Výpo�et prove�te pro krajní hodnoty rychlosti ší�ení tlakové
vlny, tj. 20ms-1 a 800ms-1.
8. Srovnejte nam��ené a vypo�tené hodnoty.
experiment literatura
doba uzavírání ventilu tu [s] - -
skute�ná rychlost zvuku as [ms-1]
doba b�hu vlny T [s]
modul pružnosti K [Pa]
tlak pro hydraulický ráz �p [Pa]
CD-ROM 5-Hydraulický_ráz.wmv
5.6. P�íklad m��ení hydraulického rázu
Po provedení m��ení hydraulického rázu dostaneme graf pr�b�h�
tlak�, který je na obr.
5.6 a graf uzavírání ventilu tu = 4,2102 - 3,7047 = 0,5055s;
obr. 5.7:
-
5. M��ení hydraulického rázu
obr. 5.6 Hydraulický ráz
obr. 5.7 Doba uzavírání ventilu tu = 0,5055