Przepływomierze - diabeł tkwi w szczegółach

| Technika

Przepływomierze odgrywają krytyczną rolę wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba kontroli przepływu cieczy i gazów. Ich działanie, a w szczególności dokładność w konkretnej instalacji, jest funkcją wielu zmiennych, z których część jest często pomijana. Celem artykułu jest zwrócenie uwagi na to, o czym nie powinniśmy zapominać, jeśli chcemy, aby przepływomierz w praktyce działał zgodnie z naszymi oczekiwaniami.

Przepływomierze - diabeł tkwi w szczegółach

PÓŁ PROCENT Z CZEGO?

Zacznijmy od tego, że podawana przez producenta dokładność urządzenia nie zawsze dotyczy wartości odczytu. Równie dobrze może ona odnosić się do pełnej skali. Dlatego jest to pierwsza rzecz, na którą powinniśmy zwrócić uwagę - szczególnie w przypadku pomiarów przepływów o wartościach znacznie mniejszych niż zakres maksymalny.

Weźmy przykładowo urządzenie pracujące przy typowej dla oczyszczalni wartości przepływu 2 m/s, dla którego producent podał dokładność ± 0,5%, ale dotyczy ona pełnego zakresu. Przyjmijmy, że zakres ten wynosi 15 m/s. Jak łatwo policzyć, przy założonych przez nas warunkach pracy rzeczywista dokładność urządzenia to (0,005 × 15) / 2 = ±3,75%.

Jak widać, różnica w porównaniu z tym, czego mogliśmy spodziewać się na pierwszy rzut oka, jest dość znaczna. Warto tutaj podkreślić, że czytając dane techniczne w języku angielskim, łatwo tu o pomyłkę, gdyż dokładność odnosząca się do pełnej skali jest oznaczana jako "of full range" (pełnej skali), a ta odnosząca się do wartości odczytu to "over full range" (na pełnej skali).

OCZYSZCZALNIE GENERUJĄCE ŚCIEKI

Rys. 1. Diagram Moody’ego

Częstym źródłem problemów jest stosowanie w oczyszczalniach dwóch różnych rodzajów czujników, z których jeden to na przykład bardzo dokładny przepływomierz magnetyczny monitorujący przepływ przy wejściu do oczyszczalni, a drugi - umieszczony przy ujściu - to przepływomierz Dopplera, którego dokładność zmniejsza się wraz ze spadkiem szybkości przepływu.

Tego typu rozwiązania prowadzą do sytuacji, gdzie bazując na odczytach mierników, można dojść do wniosku, że oczyszczalnia generuje ścieki lub że ich część w jakiś sposób wyparowuje wewnątrz oczyszczalni (w zależności od tego, która z wartości jest większa). Jest to oczywiście absurd.

Prawdziwym wytłumaczeniem jest tu właśnie duża niedokładność przepływomierza Dopplera przy małych szybkościach przepływu. Szczególnie niekorzystna jest sytuacja, gdy przetworniki tego typu wykorzystywane są do dozowania odpadów chemicznych wprowadzanych do ścieków, doprowadzając często do ich przedawkowania lub, co również jest niekorzystne, wprowadzenia mniejszej ilości niż zakładana.

Cechą charakterystyczną dla przepływów występujących w oczyszczalniach są niskie średnie wartości dziennego przepływu oraz wysokie wartości szczytowe. Jako że w przypadku wielu rodzajów przepływomierzy dokładność spada wraz ze zbliżaniem się do dolnej granicy zakresu, kluczowy jest tutaj wybór odpowiedniego miernika.

Niewłaściwe dawkowanie chemikaliów prowadzi m.in. do korozji urządzeń. Stanowi też zagrożenie dla środowiska naturalnego, a w skrajnych przypadkach również dla ludzi.

DOKŁADNOŚĆ PRZEPŁYWOMIERZA A DOKŁADNOŚĆ POMIARU

Należy też pamiętać, że dokładność przetwornika pomiarowego, to nie to samo co dokładność całego systemu pomiarowego. W celu uzyskania tej ostatniej należy policzyć błąd średniokwadratowy, uwzględniając dokładności wszystkich elementów składowych. Weźmy dla przykładu przepływomierz magnetyczny, który rejestruje wartości przepływu przesyłając sygnał analogowy do stacji operatora przy użyciu sterownika PLC.

Na całościową dokładność takiego systemu wpływ będzie mieć dokładność samego przepływomierza (± 0,5%), przekaźnika (±0,5%), połączenia kablowego do rejestratora (± 0,01%), połączenia kablowego do bloku terminala panelu sterującego (± 0,01%) oraz karty wejścia/wyjścia PLC (± 0,4%). Korzystając z metody średniego błędu kwadratowego RMS (Root Mean Square), łatwo obliczyć, że ogólna dokładność naszego systemu wyniesie ± 0,81% a nie 0,5%.

NIC DWA RAZY SIĘ NIE ZDARZA...

Innym parametrem, na który należy zwrócić uwagę przy wyborze przepływomierza, jest powtarzalność. Jest to szczególnie ważne w przypadku urządzeń, które nie działają na zasadzie równowagi sił. Postępujący spadek powtarzalności wskazuje na to, że z urządzeniem dzieje się coś złego.

Nie wolno zapominać, że powtarzalność, sama w sobie, nie gwarantuje dokładności. Tak więc jeśli na urządzeniu nie podano informacji o dokładności, a jedynie o powtarzalności pomiarów, powinniśmy zachować szczególną ostrożność. Warto tu podkreślić, że nie ma dwóch urządzeń o identycznej dokładności.

TURNDOWN

Kolejną rzeczą, o której powinniśmy pamiętać, jest to, że informacja przykładowo o tym, iż dany przepływomierz jest w stanie dokonywać odczytów w zakresie do 100 mln litrów dziennie, nie oznacza wcale, że daje on dokładne pomiary w całym zakresie.

Tym, czego się często nie podaje, a jest to kluczowe, to tzw. turndown, czyli stosunek maksymalnej wielkości przepływu, która może być mierzona z podaną dokładnością, do minimalnej wielkości przepływu, która może być mierzona z podaną dokładnością.

Tak więc przepływomierz przeznaczony do pomiaru przepływów w zakresie do 100 mln litrów dziennie, mający turndown na poziomie 10:1, da dokładne odczyty w zakresie powyżej 10 mln litrów dziennie. Poniżej tego progu jego dokładność będzie mniejsza.

Typowa wartość współczynnika turndown dla zwężek Venturiego to nie więcej niż 8:1. Niektórzy producenci podają dużo wyższe wartości (nawet około 200:1) dla samych różnicowych przekaźników ciśnienia. Należy tu pamiętać, że wartości te odnoszą się do samego przekaźnika, a nie do przekaźnika zainstalowanego w zwężce Venturiego.

Jak działają przepływomierze magnetyczne?

Zasada działania tego typu przetworników bazuje na pierwszym prawie Faradaya. Przepływomierze te nadają się do mierzenia przepływu jedynie substancji przewodzących prąd. W obecnie stosowanych urządzeniach wymagane minimalne przewodnictwo substancji to zaledwie setne części mikrosimensa.

Przewodzący płyn przepływa przez rurę o średnicy D przez pole magnetyczne o gęstości B wytworzone przez cewki, w wyniku czego między elektrodami przepływomierza powstaje napięcie. Jego wartość, zgodnie z prawem Faradaya, jest proporcjonalna do prędkości przepływu płynu.

Jako że gęstość pola magnetycznego i średnica rury są wartościami stałymi, równanie opisujące wartość tego napięcia można przedstawić jako E=K•V, gdzie K jest współczynnikiem określanym przez producenta.

Równanie jest prawdziwe dla wszystkich rodzajów płynów przewodzących oraz liniowe w całym zakresie pracy przepływomierza. Przepływomierze magnetyczne mogą mierzyć przepływ w obu kierunkach, gdyż odwrócenie kierunków wpływa jedynie na polaryzację, a nie na wielkość sygnału.

PRZEWYMIAROWANE RURY

Inny powszechny problem pojawia się podczas wymiarowania sprzętu. W branży wodociągowo-kanalizacyjnej często przyjmuje się, że substancje stałe w ściekach będą osadzać się przy prędkości około 0,6 m/s lub mniejszej.

Często stosowane tu przepływomierze magnetyczne dają dokładne odczyty, jeśli minimalna szybkość jest powyżej 0,6 m/s, ale poniżej tej wartości jest prawdopodobne gromadzenie się osadów i trudno wtedy powiedzieć, jaka jest efektywna dokładność.

Oczyszczalnie są zazwyczaj projektowane w ten sposób, aby mogły sobie radzić z dużymi wartościami przepływów nawet przez kilka dekad. Z tego powodu projektanci często przewymiarowywują rury dla przepływów, zakładając powstawanie osadów wewnątrz rury.

Osady te mogą pojawić się też na wewnętrznej części mierników. Ponieważ wiele stosowanych tu przepływomierzy to urządzenia wykrywające prędkość z założonym stałym przekrojem poprzecznym, dadzą one z czasem fałszywy odczyt.

Rozwiązaniem może być zmniejszenie rozmiaru miernika w celu zwiększenia prędkości przepływającego płynu poprzez zastosowanie reduktora przy wlocie i sekcji rozszerzającej przy wylocie miernika.

W miarę możliwości należy unikać bezpośredniego łączenia reduktora i rozszerzenia z miernikiem. Producenci zalecają, by przy redukcji rury istniało przynajmniej sześć do dziesięciu średnic przed kolanem lub zaworem i przynajmniej dwie średnice rury za kolanem lub zaworem. Zapewnia to mniej zniekształcony profil przepływu.

Należy tutaj również upewnić się, czy możemy sobie pozwolić na spadek ciśnienia związany z redukcją miernika. Maksymalne prędkości nie powinny przekraczać 4-5 metrów na sekundę. Minimalizacja szorowania wewnątrz rury pozwala na zmniejszenie gromadzenia się osadów wewnątrz rur i zainstalowanego w linii sprzętu, co z kolei pomaga w uniknięciu błędów pomiarowych i kosztownych przerw potrzebnych na konserwację.

WARUNKI LABORATORYJNE A WARUNKI RZECZYWISTE

Instalacje - np. w systemach uzdatniania wody - są często umieszczane w ograniczonej przestrzeni, przez co również ułożenie rur nie jest optymalne. Dzieje się tak szczególnie w przypadku starych systemów rozbudowywanych o nowe zbiorniki, gdzie potrzebne jest nowe orurowanie.

Projektanci starają się zapewnić jak najlepszą lokalizację dla przepływomierza. Nierzadko jednak zarówno użytkownicy, jak i projektanci systemu zakładają błędnie, że dane podane w dokumencie certyfikacyjnym urządzenia odnoszą się bezpośrednio do ich instalacji.

Powszechnie używane, czułe na profile przepływu zwężki Venturiego są w wielu przypadkach otoczone przez kolana, trójniki, rozszerzacze, reduktory i zawory. Wszystkie one, w zależności od odległości od przepływomierza, mają wpływ na dokładność pomiarów.

Jednocześnie podawana przez producenta dokładność zwężek Venturiego jest przeważnie dokładnością otrzymaną w laboratorium przepływu. Wiele osób nie zdaje sobie sprawy z faktu, że przeprowadzany tam pomiar odbywa się zazwyczaj w idealnych warunkach z gładką rurą i niezakłóconym profilem przepływu. Warunki te mogą nie odpowiadać (i często nie odpowiadają) tym, w jakich będzie potem pracował przepływomierz w praktyce.

Ponadto same procedury testów w laboratorium przepływu zazwyczaj nie są dobrze udokumentowane, co uniemożliwia projektantowi czy użytkownikowi końcowemu zweryfikowanie, czy dany przepływomierz nadaje się do zastosowania w warunkach istniejących w zakładzie.

Problem ten można na szczęście stosunkowo łatwo ominąć, podając producentowi wszystkie parametry naszego systemu włącznie z rodzajem substancji przemieszczającej się w rurach. Przy projektowaniu zawsze warto konsultować się z producentem w celu przejrzenia specyfikacji przepływomierza.

Jeśli damy producentowi zbyt wiele niewiadomych, dostaniemy urządzenie, którego dokładność w naszej instalacji również będzie niewiadomą. Nie jest dobrze dopuścić do sytuacji, gdy dopiero po uruchomieniu całej instalacji okaże się, że mamy niewłaściwy przepływomierz.

Przepływomierze wirowe

Działanie przepływomierza wirowego bazuje na wykorzystaniu teorii ścieżki wirowej Karmana, zgodnie z którą nieopływowa przegroda umieszczona na ścieżce przepływającego płynu powoduje tworzenie się wirów i ich naprzemienne odrywanie się od jej boków. W konsekwencji wokół przeszkody powstają proporcjonalne do szybkości przepływu płynu oscylacje wartości ciśnienia, które są wykrywane przez czujniki przepływomierza.

Ostatnie badania wykazały, że zjawisko, na którym oparte jest działanie przepływomierzy wirowych, wykorzystują także niektóre owady - np. pszczoły. Pożyczają one energię z wirów, które tworzą się wokół ich skrzydeł podczas lotu, co pozwala im na poprawę szybkości i manewrowości.

Owady obracają skrzydło przed rozpoczęciem powrotnego uderzenia, dzięki czemu jest ono unoszone przez krawędzie powietrza wytworzonego przy uderzeniu w dół. Wysoka częstotliwość oscylacji skrzydeł owadów oznacza, że w każdej sekundzie odrywa się kilkaset lub więcej wirów.

LICZBA REYNOLDSA A CHROPOWATOŚĆ RURY

Jednym z czynników ograniczających zakres (dokładnego) działania przepływomierzy Venturiego jest wartość liczby Reynoldsa. Przypomnijmy, że, najprościej mówiąc, określa ona stosunek łącznej wartości wszystkich sił powodujących przepływ płynu przez rurę do sumy wszystkich sił hamujących ten ruch.

Liczba ta wyraża również związek między warunkami przepływu laminarnego i turbulentnego (poniżej pewnej wartości występuje jedynie przepływ laminarny; powyżej zaczyna pojawiać się również, a następnie dominować, przepływ turbulentny). Przepływomierze Venturiego dla prawidłowego działania potrzebują warunków przepływu turbulentnego.

Oznacza, to, że są one w stanie dać dokładny odczyt jedynie wtedy, gdy liczba Reynoldsa przekracza pewną krytyczną wartość podaną przez producenta przepływomierza. Teoretycznie pozwala to na oszacowanie minimalnej wartości szybkości przepływu, którą są w stanie dokładnie mierzyć. Jednak tylko teoretycznie, co zilustrowano na poniższym przykładzie.

Załóżmy że mamy dostarczyć 18-calowy "wpływowy" przepływomierz Venturiego dla oczyszczalni ścieków. Minimalna szybkość przepływu, która ma być monitorowana, to 500 gpm (około 31,5 litra na sekundę), a maksymalna - 5000 gpm (około 315 litrów na sekundę). Dodatkowo przepływomierz ma być zainstalowany na rurze rozciągliwej. Załóżmy, że minimalna wartość liczby Reynoldsa dla takiego przepływomierza to 75 tys., co jest typową wartością.

Szacując liczby Reynoldsa dla minimalnych i maksymalnych przepływów, uzyskamy wartość około 88 tys. dla minimalnego przepływu i 887 tys. dla maksymalnego przepływu. Problem polega na tym, że chociaż przy minimalnym przepływie uzyskana wartość liczby Reynoldsa wynosi więcej niż progowe 75 tys., to najprawdopodobniej okaże się, że minimalna prędkość, którą będziemy w stanie dokładnie zmierzyć, nie będzie wcale mniejsza niż zakładane 0,19 m/s (odpowiadające przepływowi 500 gpm przez nasz przepływomierz).

Dlaczego tak się dzieje? Otóż użycie samej tylko liczby Reynoldsa, nie uwzględniając w równaniu względnej chropowatości rury, może nie dać - i przeważnie nie da - właściwej oceny zdolności dokładnego pomiaru minimalnego przepływu. Wynika to z przytaczanego już wcześniej faktu, że laboratoria przepływu często używają gładkich rur w procedurach testowych.

Rury używane w praktyce mogą być natomiast np. rozciągliwe. Duże znaczenie przy określaniu warunków turbulencji panujących w rurze jest materiał, z którego jest ona wykonana. Dobrze obrazuje to diagram Moody’ego będący właściwie ilustracją wpływu względnej chropowatości na warunki przepływu.

Przy korzystaniu z liczby Reynoldsa zalecane jest stosowanie równania względnej chropowatości. W praktyce jest to często postrzegane jako mało istotne i ignorowane. Nie wolno jednak zapominać, że omawiany tutaj typ przepływomierza jest używany do różnych zastosowań, takich jak dozowanie chemikaliów, gdzie dokładność staje się krytyczna.

Pomiary metodą Dopplera

Rys. 2. Przepływomierz ultradźwiękowy Dopplera

Przepływomierz Dopplera mierzy szybkość cząsteczek w przemieszczającym się płynie. Urządzenie to generuje sygnały akustyczne o danej częstotliwości, które po odbiciu od cząsteczek i/lub pęcherzyków w płynie są zbierane przez odbiornik. Odebrany sygnał jest analizowany pod kątem przesunięć częstotliwości, których średnia wartość jest bezpośrednio zależna od średniej wartości prędkości cząsteczek przemieszczającego się płynu.

Na działanie przepływomierza Dopplera znaczny wpływ mają właściwości fizyczne, takie jak przewodnictwo akustyczne płynu, gęstość cząstek i profil przepływu. Niejednorodny rozkład cząstek w przekroju poprzecznym rury powoduje nieprawidłowo wyważoną obliczoną średnią wartość prędkości. Dlatego też dokładność miernika jest czuła na wariacje profilu prędkości i rozkład reflektorów akustycznych w sekcji pomiaru.

Przepływomierze Dopplera są także czułe na zmiany gęstości i temperatury. Ze względu na wszystkie te problemy ten typ urządzeń przeważnie nie za bardzo nadaje się do zastosowań, gdzie potrzebna jest bardzo wysoka dokładność. Pełnią one jednak bardzo użyteczną funkcję, jeśli chodzi o pewne zastosowania, gdzie większość innych mierników nie będzie działać. Mowa tu np. o różnego rodzaju maziach, płynach zapowietrzonych oraz zawiesinach.

NIEPRAWIDŁOWA KALIBRACJA

Kolejnym powszechnym błędem są niewłaściwe procedury kalibracji przepływomierzy. Dobrym przykładem są zwężki Venturiego. Konkretnie chodzi tutaj o przyjmowanie nieprawidłowego założenia, że użytkownik końcowy może z powodzeniem dokonać kalibracji zwężek za pomocą cyfrowego manometru.

Tak jednak nie jest, gdyż cyfrowy manometr patrzy jedynie na diafragmy przekaźnika ciśnienia różnicowego, a nie na rurkę przepływową. Operator instalacji kalibrujący przepływomierz potrzebuje wyzerować przekaźnik ciśnienia różnicowego (odczyt 4 mA).

Ogólnie mówiąc, robi się to, pozwalając na wyrównanie 3- lub 5-stronnego rozgałęzienia zarówno z górnej, jak i z dolnej strony. W razie potrzeby dokonuje się regulacji rozpiętości aż do wyzerowania odczytu. W ten sposób operator może nieświadomie wyeliminować błąd, który mógł być spowodowany przemieszczeniem się diafragm.

W efekcie nie będzie on w stanie stwierdzić, czy diafragmy są w granicach tolerancji standardu fabrycznego, czy któraś powinna zostać wymieniona. Problemem jest tutaj też brak znajomości prawdziwej dokładności systemu przepływu.

Prawidłowo przetestowana dla warunków istniejących w instalacji rurka przepływowa powinna mieć właściwy współczynnik przepływu i skalibrowaną zależność ciśnienia różnicowego od krzywej przepływu. Bez sprawdzenia ciśnienia różnicowego przy użyciu manometru (napełnionego rtęcią lub olejem) względem udokumentowanej krzywej przepływu operator instalacji nie będzie miał pojęcia, czy jest problem z samą rurką przepływową.

Mogą występować problemy związane z zapchaniem rur statycznych (wysokiej i niskiej), czy nalotem na wewnętrznej części rurki. Nalot ten może tworzyć się w wyniku tuberkulacji lub powstawania osadu. Większość osadów pojawia się w wyniku wytrącania się z zawiesiny części stałych przy małych prędkościach przepływu.

WODA PLUS ELEKTRYCZNOŚĆ

Wady i zalety różnych wybranych rodzajów przepływomierzy

Na zakończenie wspomnijmy o bezpieczeństwie - podstawową zasadą jest niełączenie prądu z wodą. Owa zasada niestety jest nie zawsze przestrzegana. Jednym z najbardziej jaskrawych tego przykładów są instalacje z pompami wykorzystujące przekaźnik ciśnienia dystrybucji wypływowej oraz przełącznik wysokiego i niskiego ciśnienia zamontowane na panelu ze stali nierdzewnej z rurką ciśnieniową, zasilaniem doprowadzonym do przekaźnika ciśnienia i zdalnymi źródłami zasilania podłączonymi do bloków końcowych przełączników ciśnienia.

Istnieje wówczas ryzyko wystąpienia przecieku z rurki ciśnieniowej na panel. Woda kapiąca na panel, który ma wyłączniki automatyczne, źródła zasilania lub zdalne źródła zasilania podłączone do bloków końcowych, stwarza olbrzymie zagrożenie bezpieczeństwa.

Zaleca się sprawdzenie, czy w instalacji nie występują panele tego typu i w razie konieczności natychmiastowe podjęcie akcji eliminujących zagrożenie. Należy przenieść wszelkie przekaźniki i przełączniki ciśnienia, które są podłączone do rurki ciśnieniowej poza panele mające zasilanie i podłączone bloki końcowe.

Przekaźnik, przełączniki ciśnienia i linie ciśnienia mogą być zamontowane na specjalnych stojakach. Jeśli istnieje potrzeba umieszczenia takiego stojaka na zewnątrz, należy wyposażyć go w osłonę przed słońcem. Powinno się też zastosować oddzielny panel elektryczny, aby zapewnić wodoszczelny kanał do urządzeń sterujących. Teraz potencjalny wyciek z rurki ciśnieniowej nie powinien stanowić problemu.

Kompendium pomiarów przepływu

"Jak skutecznie mierzyć przepływy?" to nazwa kompendium dotyczącego przepływomierzy.

W RAMACH PODSUMOWANIA

Przy wyborze metody pomiarów przepływu należy uważnie przeanalizować dane producenta dotyczące dokładności, zakresu, powtarzalności, współczynnika turndown i ograniczeń naszej instalacji. Powinno się też wybierać urządzenia podobnych typów i stosować metodę średniego błędu kwadratowego do obliczania dokładności całego systemu, a przy korzystaniu z liczby Reynoldsa do szacowania minimalnego przepływu - uwzględniać również względną chropowatość rury. Nie wolno też zapominać o prawidłowych procedurach kalibracji. Dzięki temu unikniemy zbędnych rozczarowań.

Zobacz również