Przepływ. Czym mierzyć przepływ? Jak rozwiązywać problemy z przepływomierzami?

Za pomocą przepływomierzy kryzowych mierzy się objętościowe natężenie przepływu cieczy i gazów. Konstrukcja oraz zasada działania tego typu czujników jest prosta: płytka z kryzą jest umieszczana w przekroju rurociągu, na zwężeniu, które w nim wprowadza, powstaje spadek ciśnienia, a na podstawie zmierzonej różnicy ciśnień przed i za otworem w płytce można obliczyć objętościowe natężenie przepływu. Przepływomierze kryzowe są popularne ze względu na precyzję pomiaru i niską cenę. Ich instalacja wymaga jednak ingerencji w rurociąg. Ponadto nie sprawdzają się w pomiarach mediów z cząstkami stałymi, bo ich działanie ścierające powoduje erozję kryzy. Jeżeli zmieni się kształt i rozmiar tego otworu, wyniki pomiarów będą zafałszowane.

Zwężki i zębatki

Do tej samej grupy co przepływomierze kryzowe zaliczane są te ze zwężką Venturiego. Mają one podobną konstrukcję, z tym że kryzę zastępuje zwężka, i zasadę działania. W porównaniu z nimi wyróżnia je jednak mniejsza wrażliwość wyników pomiarów na występowanie cząstek stałych w medium.

Przepływomierze zębate także wyznaczają objętościowe natężenie przepływu cieczy. W przyrządach tego typu mierzone medium przepływa w komorze pomiarowej między dwoma kołami zębatymi, powodując ich obracanie się. Ponieważ przy każdym obrocie przepływa stała, określona objętość cieczy, wystarczy zliczać liczbę obrotów w jednostce czasu, by wyznaczyć objętościowe natężenie przepływu. W tym celu wykorzystuje się czujnik pola magnetycznego i magnesy wbudowane w zębatki. Dzięki solidnej konstrukcji przepływomierze zębate nadają się szczególnie do cieczy o dużej lepkości.

Co wyróżnia przepływomierze elektromagnetyczne?

Zasada pomiaru w tytułowych przyrządach opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Przewodzący płyn, przepływając przez rurociąg, w otoczeniu którego istnieje pole magnetyczne wytworzone przez cewki przepływomierza, indukuje między elektrodami sensora napięcie. Jego wartość jest proporcjonalna do prędkości przepływu medium. Przyrządami tego typu mierzy się tylko media przewodzące prąd elektryczny, ale pomiar z ich wykorzystaniem jest nieinwazyjny, można je montować w rurociągach o małej średnicy, zaś brak ruchomych części podatnych na uszkodzenie i zużycie zapewnia długą żywotność. Przyrządy elektromagnetyczne sprawdzają się również w aplikacjach wymagających umieszczenia czujnika w środowisku korozyjnym, w pomiarach przepływu ścieków, cieczy chemicznie aktywnych. Są niedrogie i dokładne.

Przepływomierze turbinowe

W tytułowych przyrządach ruch medium napędza umieszczoną w rurze w osi przepływu turbinę, której prędkość obrotowa jest proporcjonalna do prędkości płynu. Sprawdzają się przy dużych przepływach, natomiast przy mniejszych turbina może się obracać za wolno, żeby możliwy był precyzyjny pomiar. Generalnie jednak są dokładne i mają krótki czas reakcji na zmianę wartości wielkości mierzonej. Ważne jest, by pamiętać, że na precyzję pomiarów w przepływomierzach turbinowych wpływa lepkość płynu – dlatego zaleca się kalibrować je dla konkretnej substancji, której przepływ będzie mierzony. Ponadto, ponieważ lepkość zależy od temperatury, ta powinna być monitorowana, a jej zmienność musi być kompensowana. Zaletą przyrządów tego typu jest kompaktowa konstrukcja, ułatwiająca instalację, jeżeli występują ograniczenia przestrzenne. Z drugiej strony turbina jako część ruchoma podlega nieuniknionemu zużyciu eksploatacyjnemu i wymaga regularnej konserwacji.

Przepływomierze ultradźwiękowe

Wyróżnia się dwa typy przepływomierzy ultradźwiękowych: dopplerowskie i mierzące czas przejścia impulsu ultradźwiękowego między nadajnikiem i odbiornikiem umieszczonymi na rurociągu i na przemian wysyłającymi i odbierającymi impulsy. Różnica czasu ich transmisji jest proporcjonalna do natężenia przepływu. W przepływomierzach dopplerowskich także jest wysyłany impuls ultradźwiękowy, który po odbiciu od cząstek przepływającego medium wraca do odbiornika. Na tej podstawie wyznaczana jest częstotliwość odebranego sygnału i porównywana z częstotliwością sygnału nadanego. Ich różnica jest związana zależnością z natężeniem przepływu medium. Tytułowe czujniki są bardzo dokładne. Ponadto im większy rurociąg, tym lepsze warunki propagacji sygnału. Ich montaż jest nieinwazyjny. Nie mają też kontaktu z mierzonym płynem i nie mają ruchomych części, co wydłuża żywotność. Z drugiej strony przepływomierze ultradźwiękowe są drogie, nie nadają się do małych przepływów ani nie są zalecane do cieczy o dużej lepkości.

Jak działają przepływomierze wirowe?

Zasada działania przepływomierzy wirowych opiera się na zjawisku ścieżki wirowej, w którym nieopływowa przegroda umieszczona na drodze przepływającego płynu powoduje powstawanie wirów i ich naprzemienne odrywanie się od jej boków z częstotliwością, która jest proporcjonalna do prędkości przepływu. Do zliczania wirów generowanych przez przegrodę wykorzystuje się różne metody, najczęściej czujniki piezoelektryczne, pojemnościowe, ultradźwiękowe. Przepływomierze wirowe to jedne z bardziej uniwersalnych urządzeń do pomiaru przepływu – mierzą przepływ pary wodnej, gazów, cieczy, w tym tych z cząstkami stałymi, chociaż wówczas konieczna jest regularna konserwacja. Nie dotyczą ich też ograniczenia odnośnie do ciśnienia i temperatury monitorowanych płynów, ponieważ nawet przy wysokich wartościach tych parametrów zapewniają niezawodność i precyzję. Ten typ przepływomierzy jest odpowiedni dla dużych przepływów. Jeśli są zbyt małe, takie też powstają wiry, a przez to pomiar jest niemożliwy albo niedokładny.

Przepływomierze masowe

Jak wspomnieliśmy we wstępie, mierzy się również masowe natężenie przepływu. Zasadniczo można wówczas uzyskać dokładniejsze wyniki, na precyzję pomiarów objętościowych wpływ mają bowiem rozmaite czynniki, w tym: lepkość, gęstość, temperatura i ciśnienie mierzonego płynu, pozostające bez wpływu na wynik pomiaru masowego natężenia przepływu. Poza tym informacja o masie jest często bardziej użyteczna, na przykład w dawkowaniu surowców lub wycenie produktów.

Do tytułowej grupy zaliczane są przepływomierze termiczne, w których wykorzystuje się właściwości cieplne (przewodność termiczną) mierzonego medium. Zasada ich działania jest następująca: strumień płynu podgrzewa się, a potem mierzy za pomocą jednego albo kilku czujników temperatury, jak szybko ciepło to rozprasza. Wyróżnia się dwa podejścia. W pierwszym grzejny element pomiarowy jest utrzymywany w stałej temperaturze i mierzy się moc elektryczną, jaką w tym celu należy do niego dostarczyć. W drugim wyznacza się różnicę temperatur między dwoma czujnikami umieszczonymi przed i za elementem grzejnym o stałej temperaturze – pierwszy jest przez medium chłodzony, zaś drugi ogrzewany. Im większy strumień masy medium, tym większa intensywność chłodzenia w pierwszym podejściu i większa różnica temperatur między czujnikami w drugiej konfiguracji. Zalety przepływomierzy tego typu to: brak części ruchomych, niewielkie zakłócenia przepływu, kompaktowość.

Jak działają przepływomierze Coriolisa?

Do grupy przyrządów do pomiaru masowego natężenia przepływu zalicza się też przepływomierze Coriolisa. Zasada ich działania opiera się na efekcie wywołanym siłą Coriolisa, która sprawia, że tor ruchu ciała poruszającego się ze stałą prędkością względem obracającej się Ziemi zostanie zakrzywiony. W wersji podstawowej tytułowy przepływomierz obejmuje zakrzywioną rurę, którą wprawia się w drgania. Na skutek przepływu badanej cieczy rurka ulega skręceniu w stopniu proporcjonalnym do masowego natężenia przepływu. Jej odchylenie jest mierzone przez odpowiednio rozmieszczone czujniki. Przepływomierze Coriolisa nie są zalecane do mediów lepkich, przewodzących albo wielofazowych. Są drogie, duże, zaś ich montaż jest inwazyjny.

Nawet jeśli wybierzemy przyrząd pomiarowy najlepszy do wymagań danej aplikacji, nie można wykluczyć wystąpienia problemów uniemożliwiających wiarygodny i dokładny odczyt. Dalej na przykładzie czujników turbinowych, elektromagnetycznych oraz Coriolisa przedstawiamy ich wybrane przyczyny i rozwiązania.

Przepływomierze – rozwiązywanie problemów

W przypadku przepływomierzy turbinowych największym problemem są zanieczyszczenia, przez które odczyty będą zafałszowane albo w ogóle niemożliwe do uzyskania. Można tego uniknąć, zabezpieczając przyrząd sitkiem albo filtrem – to zalecane rozwiązanie, jeżeli w strumieniu medium mogą znajdować się cząstki stałe. W razie braku odczytu w pierwszej kolejności należy sprawdzić, czy nie ma zanieczyszczeń, które uniemożliwiają obracanie się turbiny, natomiast jeśli wyniki pomiaru są zbyt niskie względem oczekiwanego przepływu, a nie stwierdzono obecności zanieczyszczeń obciążających łopatki turbiny, należy sprawdzić: wirnik i wał pod kątem uszkodzenia, stopień zużycia łożysk, czynniki zewnętrzne, które faktycznie zmniejszają przepływ, jak zawory. Gdy z kolei odczyty są zawyżone, powodem może być m.in.: niewspółosiowość przepływomierza lub uszczelek i linii przepływu oraz przepływ wsteczny, którego źródłem jest nieszczelny zawór zwrotny. Generalnie również występowanie pęcherzyków powietrza w mierzonym płynie lub kropli w mierzonym gazie zafałszowuje wyniki i może uszkodzić przepływomierz turbinowy.

W przypadku przyrządów elektromagnetycznych brak prawidłowego uziemienia grozi awarią oraz powoduje niespójne odczyty. Dodatkowo nie należy ich instalować w pobliżu transformatorów. Chociaż są popularne ze względu na dokładność bez względu na specyfikę medium, można się jednak spodziewać wyników obarczonych błędami pomiarowymi, jeżeli: ciśnienie płynu bardzo się zmienia, występują w nim pęcherzyki powietrza, pulsacje i nieregularne wzorce przepływu.

Jeśli z kolei wyniki pomiarów przepływu przepływomierzem Coriolisa są niedokładne, powodem zazwyczaj są wibracje rurociągu, ponieważ dodatkowe źródło drgań i wibracje czujnika, nakładając się na siebie, wywołują rezonans. W przypadku odnotowania niestabilności odczytów powodem może natomiast być dwufazowość medium (gaz-ciecz) lub zablokowana rurka pomiarowa.

Monika Jaworowska