Jak skutecznie mierzyć przepływy?

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.

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.