Akustyczne czujniki przepływu

W tego typu aplikacjach bardzo dobrze sprawdzają się akustyczne czujniki przepływu, które są jednocześnie o wiele tańsze niż przepływomierze dla substancji sypkich. Inwestycje w monitoring i automatyzację procesów produkcyjnych prowadzą zazwyczaj do wzrostu ich wydajności, oszczędności surowców i zmniejszają możliwości występowania awarii. To tylko niektóre korzyści, jakie przynosi monitorowanie procesów przez układy automatyczne bądź operatorów. Niestety instalacja dodatkowych urządzeń zawsze wiąże się z kosztami. W wielu przypadkach okazuje się również, że najbardziej opłacalne są rozwiązania proste i tanie, a stosowanie wyszukanych systemów pomiarowych mija się z celem.

Czujniki bezkontaktowe

Fot. 1. Przykład instalacji czujnika akustycznego, na łączeniu rury doprowadzającej miał węglowy do kotła

Dotychczas w przypadku prostych rozwiązań umożliwiających łatwe wykrywanie zaburzeń procesu produkcyjnego dostępne były dla przemysłu wyłącznie czujniki inwazyjne, które wymagały zazwyczaj bezpośredniego kontaktu przetwornika z substancją. Do tej grupy zaliczyć można różnego rodzaju płyty pomiarowe, koła łopatkowe, łączniki dźwigowe lub technologie oparte o czujniki zbliżeniowe, optyczne i pojemnościowe. Niestety transportowana substancja może zablokować rurę lub szyb, jak również skutecznie zablokować sam czujnik. Z tego powodu rozwiązania umożliwiające pomiar bezkontaktowy wydają się być w takich przypadkach najkorzystniejsze, umożliwiając długotrwałą, praktycznie bezobsługową pracę. Redukują one konieczność okresowego czyszczenia czujników oraz zużywanie się elementów na wskutek tarcia i korozji.

Jednymi z ciekawszych tego typu urządzeń pomiarowych są bezkontaktowe akustyczne czujniki przepływu, które do swojego działania wykorzystują zjawisko piezoelektryczne. Technologia ta została pierwotnie stworzona do zupełnie innych celów i służyła do określania poziomu zużycia turbin wielkiej mocy. Obecnie znajduje ona zastosowanie w bezinwazyjnych pomiarach drgań wysokiej częstotliwości, jakie wywołuje w ścianach rur i szybów przemieszczający się materiał. Zaletą ich stosowania, oprócz niskiej ceny i prostoty konstrukcji, jest wysoka trwałość. Na dodatek ich montaż nie wymaga praktycznie żadnej ingerencji w strukturę instalacji i przeważnie możne zostać przeprowadzony bez przerywania jej pracy.

Zasada działania

Fot. 2. Czujnik akustyczny zainstalowany w układzie odzyskiwania pyłu monitorujący przepływ przez linię transportującą cement. Optymalnym miejscem dla jego instalacji jest zagięcie przewodu pneumatycznego około 1m od odpylacza cyklonowego

Fale akustyczne powstają w sposób naturalny podczas, gdy materia drga z częstotliwością w zakresie do około 600kHz. Zakres pomiędzy 20Hz a 20kHz przyjmuje się jako umowne pasmo dźwięku słyszalnego, czyli drgań akustycznych wykrywalnych przez ludzkie ucho. Im mniejsza częstotliwość drgań, tym dłuższy jest czas tłumienia fali w ośrodku.

W akustycznych czujnikach przepływu wykorzystywane są kryształy, które pod wpływem naprężeń mechanicznych wytwarzają w swoich ściankach ładunki elektryczne. Powoduje to powstawanie napięcia elektrycznego i przepływ prądu. Zastosowany w czujniku specjalny typ kryształów reaguje tylko na wybrane pasmo drgań o wysokiej częstotliwości, znacznie wyższych od częstotliwości słyszalnych, wytwarzając możliwy do zmierzenia sygnał elektryczny. Poddawany jest on następnie wzmocnieniu przez układy elektroniczne w czujniku i zmieniany przez układ kondycjonujący na dedykowany sygnał napięciowy lub prądowy taki jak z zakresu 0-10vdc lub 4-20mA.

Omawiane czujniki pozwalają na monitorowanie jedynie bardzo wąskiego pasma częstotliwości ultradźwiękowych – zazwyczaj pomiędzy 75kHz a 175kHz. Większość drgań, które rozchodzą się wzdłuż szkieletu konstrukcji instalacji przemysłowych, to drgania o niskich częstotliwościach, średnio prawie tysiąc razy mniejszych niż te, na które reaguje czujniki. Co prawda w obrębie przestrzeni produkcyjnej występują też źródła dźwięków o dużo wyższych częstotliwościach, jednak dzięki temu że ich propagacja w powietrzu jest bardzo niska, nie ma ryzyka iż spowodują one zakłócenia w pracy czujnika. Tak więc za pobudzanie prawidłowo zainstalowanego przetwornika odpowiedzialne są tylko i wyłącznie wibracje wysokoczęstotliwościowe, które wywoływane mogą być tarciem i uderzaniem cząsteczek transportowanej substancji o metal.

Rys. 1. Schemat blokowy budowy czujnika akustycznego. Impulsy elektryczne wytwarzane przez kryształ piezoelektryczny są wzmacniane i zamieniane są przez układy elektroniczne na standardowy sygnał napięciowy lub prądowy

Omawiane czujniki sprawdzają się w aplikacjach, w których z jakichś powodów może dojść np. do zablokowania kanałów lub szybów dostarczających materiał sypki. Wczesne wykrycie tego typu sytuacji stanowi istotny czynnik umożliwiający uniknięcie poważniejszej awarii. Dotyczy to w szczególności przemysłu ciężkiego, takiego jak hutnictwo, produkcja cementu, ale też energetyki. Detektor przemieszczenia materiału stosowany może być np. w instalacji odpylającej w elektrowniach, której zablokowanie grozi poważnymi konsekwencjami dla zakładu oraz otaczającego go środowiska.

Miejscem w którym czujniki wibracyjne spisują się doskonale są układy dostarczania paliwa dużych pieców lub kotłów przemysłowych, którymi do paleniska wprowadzany jest sproszkowany węgiel. Kotły takie pracują w temperaturach rzędu 1200°C i wszelkie zaburzenia w układzie paliwowym mogą mieć bardzo poważne konsekwencje. Zbyt mała prędkość dostarczania miału spowoduje spadek temperatury i drastyczne obniżenie efektywności całego procesu. Tymczasem nagły wzrost ilości mieszanki w palenisku może spowodować groźne w skutkach przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy i w konsekwencji poważną w skutkach awarię.

W przedstawionym przykładzie, w celu zapewnienia poprawnej pracy pieca i monitorowania ilości dostarczanego do paleniska proszku węglowego, na każdym z kanałów doprowadzających instaluje się czujnik przepływu. Mierzy on emisję akustyczną wywołaną przez przemieszczający się w jego wnętrzu węgiel. Każde zaburzenie w postaci zablokowania przepływu lub jego nagłego wzrostu jest natychmiast wykrywane. Bezpośrednie sygnały napięciowe z czujnika (0-10V) są stale monitorowane przez sterownik PLC. W przypadku zablokowania kanału lub wykrycia niejednorodnego przepływu niezwłocznie uruchamiany jest alarm, dając obsłudze niezbędny czas na usunięcie usterki, zanim zdoła ona wywołać poważne zaburzenia w przebiegu procesu.

Innym miejscem, w którym pomocne okazały się akustyczne detektory przepływu są instalacje do odzyskiwania pyłu w cementowniach. Podczas procesu produkcji może zdarzyć się, że wskutek nawarstwienia się cementowego pyłu dochodzi do powstania zatoru w rurze prowadzącej do odpylacza cyklonowego. Sytuacja taka powoduje, że cała instalacja odpylająca przestaje spełniać swoja funkcję. Jako że ze względów bezpieczeństwa nie ma możliwości umieszczenia otworu kontrolnego przy wylocie instalacji, praktycznie niemożliwe jest jednoznaczne zdiagnozowanie takiej awarii bez zatrzymywania całej produkcji. To natomiast wiąże się niestety ze znacznymi stratami finansowymi i spadkiem wydajności. Umieszczenie czujnika akustycznego na rurze co prawda nie zapobiega wystąpieniu zatoru, ale daje to obsłudze niezbędne dane, umożliwiające szybkie podjęcie stosownych działań. Każda anomalia w działaniu, taka jak fluktuacje przepływu, blokada lub brak obecności materiału wewnątrz instalacji jest natychmiast sygnalizowana.

Instalacja

Fot. 3. Akustyczny czujnik przepływu Senaco AS100 (Siemens Milltronics)

Czujnik akustyczny może być zainstalowany w ciągu dosłownie kilku minut, w tym na większości powierzchni płaskich takich jak zewnętrzna strona metalowego kołnierza rury. Instalacja nie wymaga ingerencji w proces produkcyjny – detektor można przykręcić za pomocą śrub, przymocować do przyspawanego elementu, albo nawet przykleić. Czujnik, który wyposażony jest w hermetyczny korpus ze stali nierdzewnej i pozbawiony jakichkolwiek części ruchomych, jest całkowicie bezobsługowy i nie wymaga praktycznie żadnych zabiegów konserwacyjnych.

Akustyczne detektory przepływu są urządzeniami stosunkowo nowymi i wyspecjalizowanymi. Pomimo tego zdążyły już zdobyć uznanie dzięki niskiej cenie, bezawaryjności i stosunkowo dużym możliwościom. Warto zwrócić na nie uwagę podczas prac modernizacyjnych w zakładzie, chociażby dlatego, że ich instalacja nie wymaga przebudowy instalacji, co często wiąże się z dużymi kosztami ogólnymi.

Wiktor Naruszewicz