wersja mobilna
Online: 361 Środa, 2016.09.28

Temat miesiąca

Jak skutecznie mierzyć przepływy?

czwartek, 13 maja 2010 07:32

Przepływomierze to jedne z najczęściej wykorzystywanych urządzeń pomiarowych w przemyśle. Mierzą one parametry przepływu różnych cieczy czy gazów, co jest istotne dla przebiegu rozmaitych procesów produkcyjnych i nie tylko. W artykule charakteryzujemy najczęściej używane rodzaje omawianych urządzeń oraz podpowiadamy na jakie cechy warto zwrócić uwagę, wybierając przepływomierz do konkretnego zastosowania.

Spis treści » Zwężki i przegrody
» Przepływomierze masowe
» Zalety przepływomierzy ultradźwiękowych
» Pokaż wszystko

Rys. 1. Przepływomierz zwężkowy z kryzą – różnica ciśnień p1 i p2 jest proporcjonalna do natężenia przepływającego medium

Przyrządy do pomiaru przepływu dzieli się zasadniczo na kilka grup, wyróżniając m.in. przepływomierze zwężkowe, mechaniczne, masowe oraz przepływomierze elektromagnetyczne, ultradźwiękowe i wirowe. W ramach niektórych z tych grup wprowadza się dalszą klasyfikację. Na przykład przepływomierze zwężkowe to najczęściej czujniki z kryzą lub zwężką Venturiego, do grupy mechanicznych zaliczane są m.in. przepływomierze turbinowe i łopatkowe, a przepływomierze masowe to z kolei przede wszystkim przepływomierze termiczne i Coriolisa.

Każdy z wymienionych typów przepływomierzy ma unikalne cechy, w tym wady i zalety związane z zastosowaniami w konkretnych aplikacjach. Ze względu na różnorodność technologii i konstrukcji czujników przepływu czasem trudno od razu wybrać właściwy przyrząd. W praktyce jednak, znając charakterystykę głównych typów tych przyrządów można bez problemu dobrać przepływomierz odpowiednio do wymagań danej instalacji.

ZWĘŻKI I PRZEGRODY

Przykładowo już z ogólnej zasady działania przepływomierzy zwężkowych wnioskować można o ich wadach, które związane są głównie z inwazyjnością tej metody pomiaru i bezpośredniego kontaktu elementów przyrządu z mierzonym medium. W przepływomierzach zwężkowych wykorzystuje się bowiem zjawisko, w którym na skutek wbudowania na prostym odcinku wewnątrz rurociągu elementu spiętrzającego między jego stroną dopływową i odpływową powstaje różnica ciśnień proporcjonalna do natężenia przepływu.

Stąd użytkując przepływomierze tego typu, należy liczyć się ze stałym spadkiem ciśnienia oraz koniecznością montażu dodatkowego czujnika, który tę różnicę ciśnień zmierzy. W zależności od tego, jaki element spiętrzający zostanie w nich wykorzystany, wyróżnia się m.in. wspomniane wcześniej przepływomierze z kryzą lub zwężką Venturiego, ale także np. z dyszą lub rurką Pitota.

Rys. 2. Zwężka Venturiego

W pierwszym z wymienionych typów przepływomierzy zwężkowych w rurociągu, prostopadle do kierunku przepływu, wstawia się płaską płytkę (tzw. kryzę) z otworem, którego średnica nie powinna być większa od średnicy przekroju poprzecznego kanału (rys.1). Zaletą takiego rozwiązania jest stosunkowo niski koszt oraz prosta instalacja.

Wadą, oprócz tych wymienionych wcześniej, jest z kolei to, że kryza z biegiem czasu zużywa się, a ponadto może zostać wytrącona z ustalonej pozycji przez zanieczyszczenia występujące w przepływającym medium. W związku z tym przepływomierze zwężkowe z kryzą należy okresowo kalibrować, by mieć pewność, że pomiar przez nie wykonywany wciąż jest jednakowo precyzyjny.

Innym chętnie wykorzystywanym rozwiązaniem jest włączenie do istniejącego rurociągu tzw. zwężki Venturiego, czyli elementu o zmiennej wartości średnicy przekroju poprzecznego, osiągającej minimum w środku zwężki (rys. 2). Zaletą przepływomierzy tego typu jest m.in. bezproblemowy pomiar zarówno cieczy czystych, jak i zanieczyszczonych.

Za główne wady tej konstrukcji uważa się natomiast wysokie koszty jej precyzyjnego wykonania oraz problemy z instalacją, jakie czasem występują ze względu na to, że zwężki te zajmują dużo miejsca. Rozwiązaniem pośrednim, łączącym w sobie zalety dwóch wcześniej omówionych typów, są przepływomierze z dyszą (rys. 3). Ten typ instrumentów pomiarowych powszechnie wykorzystuje się np. w pomiarach przepływu pary wodnej.

PRZEPŁYWOMIERZE ELEKTROMAGNETYCZNE

Rys. 3. Przepływomierz zwężkowy z dyszą

Działanie przepływomierzy tego typu opiera się na wykorzystaniu indukcji elektromagnetycznej Faradaya – przewodzący płyn, przepływając przez rurociąg, w otoczeniu którego istnieje pole magnetyczne wytworzone przez cewki przepływomierza i indukuje między elektrodami przyrządu napięcie, którego wartość jest proporcjonalna do prędkości przepływu płynu (rys. 4).

Podobnie jak poprzednio, również w przypadku przepływomierzy elektromagnetycznych można od razu wyeliminować pewną grupę aplikacji. Przepływomierze te nadają się bowiem do mierzenia przepływu jedynie cieczy przewodzących prąd, chociaż w obecnie stosowanych urządzeniach wymagane minimalne przewodnictwo substancji to zaledwie setne części μS.

Chociaż fakt, że omawiane przyrządy mogą mierzyć jedynie przepływ cieczy przewodzących, wyklucza przepływomierze elektromagnetyczne ze stosowania w pewnych branżach – np. w przemyśle naft owym i petrochemicznym, które są generalnie jednymi z największych odbiorców przepływomierzy, przyrządy te mają poza tym wiele zalet. Pomiar z ich wykorzystaniem jest nieinwazyjny, można je montować w rurociągach o małej średnicy, a ponadto brak w nich ruchomych części podatnych na uszkodzenie lub zużycie.

Dodatkowo do zasilenia omawianych urządzeń nie trzeba dużych ilości energii, a same czujniki mogą mierzyć zarówno przepływy o bardzo dużym, jak i bardzo małym natężeniu, i to w obu kierunkach. Przepływomierze elektromagnetyczne sprawdzają się też w aplikacjach wymagających umieszczenia czujnika w środowisku korozyjnym oraz do pomiarów przepływu ścieków lub cieczy chemicznie aktywnych.

Wojciech Wydra

Introl Sp. z o.o.

Na tle licznych metod i technik pomiaru przepływu płynów, największy potencjał rozwojowy zaobserwować można w obszarze trzech różnych technologii – przepływomierzy termicznych masowych do gazów, przepływomierzy wirowych do pary wodnej i przepływomierzy ultradźwiękowych. Na przestrzeni kilku ostatnich lat notujemy szereg udoskonaleń konstrukcyjnych i zmian w kalibracji przepływomierzy termicznych.

Wprowadzane modyfikacje pozwalają na stosowanie „termików” w coraz większej ilości aplikacji, co determinuje powolne wypieranie innych metod pomiarowych. Dla tego typu przepływomierzy niezmiernie ważne jest kalibrowanie przepływomierzy w rzeczywistych warunkach przepływu. W tym celu konieczne jest posiadanie stanowisk pozwalających stworzyć odpowiednie mieszanki gazowe, przepuścić gaz o wysokiej temperaturze, itp.

To właśnie poprawna, dokładna kalibracja oraz konstrukcja przepływomierzy umożliwiająca ich stosowanie w rurociągach i kanałach o dużych przekrojach pozwoliły między innymi na zatwierdzenie przepływomierzy do rozliczeń emisji gazów cieplarnianych zgodnie z QAL-1. Dodatkowym powodem popularności przepływomierzy termicznych jest łatwość instalacji (montaż przez króciec nawet „pod ciśnieniem”) i niewrażliwość na zanieczyszczenie.

Kolejną, otwierającą nowe możliwości zastosowania cechą jest potwierdzona testami obiektowymi odporność na zawilgocenie. Pozwala ona na stosowanie „termików” do pomiaru przepływu biogazu – tak popularnego w ostatnich czasach w związku ze zwiększonym popytem na zieloną energię. Drugą interesującą metodą pomiaru są przepływomierze wirowe pozwalające na pomiar mediów o bardzo wysokiej temperaturze i wysokich ciśnieniach.

Ta własność oraz łatwość instalacji predysponuje je do zastępowania układów spiętrzających w zakresie pomiaru przepływu pary wodnej. W przeciwieństwie do układów spiętrzających, które składają się z kilku/kilkunastu elementów, przepływomierze wirowe mierzą masę i energię w parze wodnej bez dodatkowego oprzyrządowania. Dostępne są wersje przepływomierzy do montażu „pod ciśnieniem” przez króciec pomiarowy.

URZĄDZENIA WIROWE I TURBINOWE

Rys. 4. Zasada działania przepływomierzy elektromagnetycznych

Dwa kolejne, często wykorzystywane przepływomierze to wersje turbinowe i wirowe. Pierwsze z wymieniowych przyrządów (rys. 5) stanowią dość liczną grupę urządzeń, które różnią się głównie konstrukcją wirnika, elementu wspólnego dla wszystkich przepływomierzy tego typu. Wirnik jest poruszany przez przepływające medium, a prędkość jego obrotów jest proporcjonalna do natężenia przepływu.

W związku z tym niezbędny jest element umożliwiający pomiar tej prędkości, którym w przepływomierzach turbinowych najczęściej jest czujnik magnetyczny lub optyczny, przetwarzający obroty wirnika na sygnał elektryczny. Znaczący wpływ na dokładność pomiarów w przepływomierzach tego typu ma lepkość monitorowanego płynu.

Dlatego zaleca się kalibrować czujnik dla konkretnej substancji, której przepływ będzie mierzony. Należy też pamiętać, że na lepkość wpływ ma temperatura, która w związku z tym powinna być monitorowana, a jej zmienność kompensowana. Zaletą przepływomierzy turbinowych jest natomiast m.in. kompaktowa konstrukcja, ułatwiająca instalację urządzeń tego typu np. tam, gdzie występują ograniczenia przestrzenne (np. w maszynach).

Działanie przepływomierza wirowego bazuje z kolei na teorii ścieżki wirowej Karmana, zgodnie z którą nieopływowa przegroda umieszczona na drodze przepływającego płynu powoduje powstawanie wirów i ich naprzemienne odrywanie się od jej boków z częstotliwością proporcjonalną do prędkości przepływu. Do zliczania wirów generowanych przez przegrodę wykorzystuje się różne metody, przy czym najczęściej stosuje się czujniki piezoelektryczne, pojemnościowe lub ultradźwiękowe.

Rys. 5. Przepływomierz turbinowy

Przepływomierze wirowe uważane są za jedne z bardziej uniwersalnych urządzeń do pomiaru przepływu. Mogą mierzyć przepływ zarówno gazów, cieczy, jak i pary wodnej. W porównaniu do innych typów przepływomierzy nie dotyczą ich też ograniczenia odnośnie do ciśnienia i temperatury monitorowanych płynów, gdyż nawet przy wysokich wartościach tych parametrów przepływomierze wirowe zapewniają wysoki poziom niezawodności i dokładności.

Mimo tego przez długi czas, od momentu wprowadzenia w latach 70. ubiegłego wieku, technologia ta pozostawała w cieniu innych przepływomierzy. Składało się na to kilka kwestii, które zniechęcały użytkowników, np. problem z zapewnieniem dokładności pomiarów w zakresie przepływów o małym natężeniu.

Ponadto czujniki tego typu charakteryzowała skłonność do generacji przypadkowych sygnałów, np. skutkiem wstrząsów i wibracji występujących w otoczeniu przepływomierza. Problem ten udało się z czasem rozwiązać wykorzystując np. specjalne układy elektroniczne oraz odpowiednie algorytmy przetwarzania sygnałów umożliwiające eliminację niepożądanych sygnałów.

Aplikacja pomiarowa: Przepływ pary wodnej

Pomiary przepływu pary wodnej wykorzystywane są m.in. w procesie produkcji energii, gdy para wodna uzyskana w kotle zasila np. turbinę parową napędzającą generator. Ze względu na specyfikę takich instalacji, w których używana jest para wodna o bardzo wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, pomiar przepływu nie jest zadaniem łatwym do zrealizowania.

Uwzględnić należy np. fakt, że para wodna występować może w różnych postaciach, np. jako para nasycona, para mokra, która zawiera krople wody, czy para przegrzana. Każda z tych postaci ma swoje specyfi czne właściwości, które mogą wpływać na pracę przepływomierza, np. powodując jego szybsze zużycie lub korozję.

Ponadto warto pamiętać, że w instalacjach przesyłu pary zazwyczaj występują ograniczenia przestrzenne, które mogą utrudnić montaż czujnika. Z powyższych powodów w pomiarach przepływu pary wodnej najczęściej wykorzystuje się przepływomierze zwężkowe z dyszą, a rzadziej przepływomierze z kryzą oraz turbinowe i Coriolisa.

W wypadku przepływomierzy zwężkowych z kryzą na przeszkodzie stoi np. fakt, że krawędź otworu w przegrodzie pod wpływem wilgoci może z czasem ulec erozji, w związku z czym bez regularnej konserwacji i częstej wymiany przegrody dokładność pomiarów przepływomierzem tego typu szybko zmaleje.

Ponadto pamiętać należy, że przepływomierze zwężkowe wprowadzają w systemie stały spadek ciśnienia, a każde dodatkowe ograniczenie w rurociągu w instalacji przesyłu pary wodnej zasilającej jakikolwiek proces prowadzi do strat i obniżenia sprawności energetycznej całego systemu. Dlatego alternatywą dla przepływomierzy zwężkowych w pomiarach przepływu pary wodnej często okazują się czujniki wirowe, w przypadku których starta ciśnienia w elemencie pomiarowym jest minimalna.

W przypadku czujników Coriolisa i turbinowych z kolei w największym stopniu ich wykorzystanie w pomiarach przepływu pary wodnej ogranicza możliwość wystąpienia kondensacji, która może obniżyć dokładność pomiaru. Zalety przepływomierzy obu tych typów, np. wysoką dokładność pomiaru, można by wykorzystać w pomiarach przepływu suchej pary wodnej, jednak należy pamiętać o tym, że właściwości tego medium szybko zmieniają się w momencie zmiany warunków, np. ciśnienia lub temperatury, i nigdy nie można wykluczyć, że kondensacja jednak wystąpi. Innym problemem, w związku z wysoką temperaturą pary wodnej, jest też przegrzewanie się przetwornika przepływomierza, co dotyczy np. urządzeń ultradźwiękowych z tzw. sondą szpulową.

 

Dobór przepływomierza – wskazówki

W zakresie doboru przepływomierza do konkretnej aplikacji podać można kilka praktycznych rad, które pozwolą na optymalny dobór urządzenia. Jedną z nich jest zalecenie, aby dobierając przepływomierz i ogólnie tworząc instalację nie przewymiarowywać rurociągów. Przykładem są oczyszczalnie ścieków, zazwyczaj projektowane w ten sposób, aby były w stanie radzić sobie z dużymi wartościami przepływów przez wiele lat, przy założeniu, że w tym czasie wewnątrz rur powstanie osad.

Z tego powodu projektanci często przewymiarowują rury dla przepływów z wczesnych faz cyklu życia systemu. Osad może pojawić się także w wewnętrznej części mierników. Ponieważ większość przepływomierzy to urządzenia pracujące z założonym stałym przekrojem poprzecznym, w takim wypadku dadzą one niepoprawny odczyt. Inną ważną kwestią, o której należy pamiętać, jest fakt, że duże znaczenie przy określaniu warunków turbulencji panujących w rurze jest materiał, z którego jest ona wykonana.

W związku z tym w równaniach, w których korzystamy z liczby Reynoldsa, uwzględniać należy też np. chropowatość rur. Wybierając przepływomierz na podstawie specyfikacji katalogowej, warto zwrócić uwagę na kilka kwestii łatwych do przeoczenia, a które w praktyce mają bardzo duży wpływ na dokładność pomiarów.

Przykładem jest parametr przepływomierzy turndown, który określa stosunek maksymalnego do minimalnego natężenia przepływu, które może być zmierzone z okreś loną dokładnością. Na przykład przepływomierz przeznaczony do pomiaru przepływów w zakresie do 100 l/min mający turndown 10:1 zapewni dokładne odczyty w zakresie powyżej 10 l/min. Poniżej tego progu jego dokładność będzie niższa.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Stałoprądowe zasilacze 300-600 W EVS do systemów magazynowania energii

2016-09-28   |
Stałoprądowe zasilacze 300-600 W EVS do systemów magazynowania energii

Stałoprądowe zasilacze nowej serii EVS zostały zaprojektowane do zastosowań w systemach magazynowania energii i innych wymagających zasilania stałym prądem, np. oczyszczania wody czy powlekania galwanicznego. W zależności od wersji mogą być chłodzone przez naturalny obieg powietrza (wersje 300 W) lub za pomocą wbudowanego wentylatora (wersje 600 W).
czytaj więcej

Huby USB do zastosowań przemysłowych

2016-09-28   | Conrad Electronic Sp. z o.o.
Huby USB do zastosowań przemysłowych

Conrad Business Supplies wprowadził do oferty nowe huby (rozdzielacze) USB 2.0 marki renkforce. Urządzenia z czterema lub siedmioma portami są przeznaczone do zastosowań przemysłowych i innych, gdzie wymagana jest wysoka stabilność mechaniczna oraz bezpieczeństwo instalacji.
czytaj więcej

Nowy numer APA