Przepływomierze masowe

PRZEPŁYWOMIERZE MASOWE

Rys. 6. Przepływomierz masowy Coriolisa

Jednym z powodów, dla których przeprowadza się pomiary masowego natężenia przepływu, jest możliwość uzyskania dokładniejszych wyników. Na precyzję pomiarów objętościowych wpływ mają bowiem rozmaite czynniki, w tym lepkość, gęstość, temperatura lub ciśnienie mierzonego płynu, które zmieniać się mogą w nieprzewidziany sposób w związku np. ze zmianą warunków, w jakich realizowany jest sam monitorowany proces.

W pomiarach masowego natężenia przepływu czynniki te nie mają bezpośredniego wpływu na wynik pomiarów. Ponadto informacja o masie jest w niektórych przypadkach bardziej użyteczna – np. tam, gdzie dawkuje się substancje chemiczne do przeprowadzenia reakcji lub gdzie na podstawie masy wycenia się sprzedawany towar.

Ponadto istnieje bezpośredni związek między objętościowym a masowym natężeniem przepływu i można przeliczyć jedną wartość na drugą, o ile znana jest gęstość mierzonego płynu. Najbardziej znanym przykładem czujników masowych są przepływomierze Coriolisa. Urządzenia te nazwę swą zawdzięczają efektowi wywołanemu tzw. siłą Coriolisa, która sprawia, że tor ruchu ciała poruszającego się ze stałą prędkością względem obracającej się Ziemi będzie zakrzywiony.

W podstawowej konstrukcji przepływomierza Coriolisa wykorzystuje się zakrzywioną rurę, którą wprawia się w drgania (rys. 6). Na skutek przepływu badanej cieczy rurka ulega skręceniu w stopniu proporcjonalnym do masowego natężenia przepływu, a jej odchylenie jest mierzone przez odpowiednio rozmieszczone czujniki.

Andrzej Langowski

Nivus

Wielość typów przepływomierzy wskazuje, że każde medium ma swoją specyfikę. O ile opomiarowanie układów przemysłowych jest oczywiste samo przez się, to w gospodarce komunalnej, a w szczególności w systemach oczyszczania i odprowadzania ścieków temat ten dopiero nabiera rozpędu. Tu kryje się olbrzymi potencjał optymalizacyjny – zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym!

W dziedzinie dokładności pomiaru przepływu ścieków oraz wygody montażu i eksploatacji tych urządzeń w ciągu ostatniej dekady doszło do prawdziwej rewolucji. Przykładowo w oczyszczalniach mniej dokładne zwężki i przelewy zastępowane są przepływomierzami ultradźwiękowymi, które nie ingerują w układ wysokościowy oczyszczalni (brak syfonów, redukcji, progów).

Coraz więcej miast decyduje się na kontrolę hydraulicznego obciążenia swoich kanałów ściekowych – czy to ze względów eksploatacyjnych (kontrola i zapobieganie podtopieniom) czy ekonomicznych (rozliczenia z dostawcami ścieków). Do takich celów nadają się przede wszystkim przepływomierze ultradźwiękowe, gdyż nie wymagają zmian budowlanych w samym kanale.

Wśród samych przepływomierzy ultradźwiękowych wraz z rozwojem metod pomiarowych zaszły w ostatnich latach ważne zmiany rozszerzające ich zakres zastosowań. Oprócz znanych od lat „dopplerów”, których dokładność jest ograniczona przy dużej zmienności przepływów, od kilku lat na rynku są tzw. profilery (wyznaczanie rzeczywistego profilu prędkości). Pozwalają one na utrzymanie wysokiej dokładności pomiaru również w trudnych warunkach, jak np. kanały podpiętrzane, z cofkami czy kanały deszczowe o bardzo zmiennym natężeniu przepływu.

Taniejące przepływomierze ultradźwiękowe stanowią również coraz poważniejszą konkurencję dla królujących dotąd na rurociągach wypełnionych dla wersji elektromagnetycznych. Są one wyjątkowo lekkie i proste w montażu – przez króciec na już istniejącej lub nowej rurze, bez konieczności jej opróżniania, a cena urządzenia niewiele różni się w zależności od średnicy rurociągu (w zakresie 100–800 mm).

KALORYMETRYCZNE CZUJNIKI PRZEPŁYWU

Chociaż przepływomierze termiczne również mierzą masowe natężenie przepływu, zasada ich działania jest całkowicie inna niż w przypadku zaliczanych do tej samej grupy przepływomierzy Coriolisa. W wypadku czujników cieplnych do określenia natężenia przepływu wykorzystuje się właściwości termiczne, a dokładnie przewodność cieplną przepływającego medium.

Rys. 7. Przepływomierz ultradźwiękowy w konfiguracji transit-time

Nie jest to jednak jedyna cecha różniąca przepływomierze termiczne, inaczej określane też jako kalorymetryczne, i przepływomierze Coriolisa. Oba rozwiązania różnią się też pod względem dokładności – na korzyść tego drugiego rozwiązania i ceny, która z kolei jest znacznie niższa w przypadku przepływomierzy termicznych.

Ponadto przepływomierze termiczne są wykorzystywane prawie wyłącznie w pomiarach przepływu gazów. Zasada działania przepływomierza kalorymetrycznego polega na podgrzaniu przepływającego strumienia płynu, a następnie zmierzeniu za pomocą jednego lub kilku czujników temperatury, jak szybko strumień ciepło to rozprasza.

Wyróżnia się dwie zasadnicze metody pomiaru. W pierwszej grzejny element pomiarowy utrzymuje się w stałej temperaturze, mierząc moc elektryczną, jaką w tym celu należy do tego elementu dostarczyć. W drugiej natomiast wyznacza się różnicę temperatur między dwoma czujnikami umieszczonymi przed i za elementem grzejnym o stałej, określonej temperaturze.

W takim wypadku pierwszy czujniki będzie chłodzony przez przepływający płyn, natomiast temperatura drugiego sensora będzie rosnąć wskutek ciepła przenoszonego w jego kierunku przez płynące medium. Dla obu metod wspólna jest sama idea, zgodnie z którą im większy strumień masy medium, tym większa intensywność chłodzenia w pierwszym wypadku lub większa różnica temperatur między czujnikami w drugiej konfiguracji. Wykorzystując odpowiednie zależności, na podstawie wskazań czujników temperatury wyznacza się masowe natężenie przepływu.

Arkadiusz Rachwalski

Controlmatica ZAP-PNEFAL

Istnieje duża różnorodność metod pomiaru przepływu. Najbardziej znane to pomiar masowy, wirowy, metoda termiczna, elektromagnetyczna, ultradźwiękowa oraz metoda zwężkowa. Wybór metody zależy od rodzaju medium, parametrów, ukształtowania rurociągu, itp. Trudno więc wskazać metodę uniwersalną, a każda ma swoje zalety i ograniczenia.

Chcę się skupić na metodzie zwężkowej, gdyż mamy tu największe doświadczenia, ponadto cechuje się ona szerokim spektrum zastosowań. Metoda zwężkowa nadaje się szczególnie do zastosowań w energetyce zawodowej i ciepłownictwie, a konkretnie do pomiarów przepływu pary i wody o wysokich parametrach.

Między innymi budowane obecnie nowoczesne bloki energetyczne na tzw. parametry nadkrytyczne to właściwe miejsce do zastosowania zwężkowych pomiarów przepływu. Spośród kilku rodzajów zwężek najwłaściwszymi do wysokich parametrów są dysze (ISA 1932, Venturiego oraz dysza o dużym promieniu). Zjawisko erozji, będące wadą kryz, w dyszach występuje w stopniu minimalnym. Pomiary zwężkowe mogą służyć też do rozliczeń dostawcy określonego medium z klientami.

W takich przypadkach potrzebny jest pomiar ilości ciepła. Za pomocą pomiarów trzech parametrów (przepływu, ciśnienia statycznego oraz temperatury) odpowiedni licznik określa ilość ciepła przenoszonego przez medium. Nasi klienci mają wysokie wymagania jakościowe. Dla instalacji kwasu tereftalowego we Włocławku wykonywaliśmy kryzy i dysze Venturiego, które musiały spełniać normy ASME i NACE.

Dla dużego międzynarodowego koncernu budującego elektrownie, na potrzeby nowych bloków w Pątnowie, Łagiszy i Bełchatowie wykonaliśmy m.in. dysze ISA 1932 na wysokie parametry, ze specjalnych stali wysokostopowych, takich jak 15NiCuMoNb9. Niektóre z nich kalibrowane były w laboratorium w Holandii. Z kolei dla pomiaru przepływu mieszanki parowo-gazowej dla instalacji amoniaku w dąbrowskiej koksowni wykonaliśmy kryzy z materiału typu Hastelloy.

Kończąc, wskazałbym na rosnące dla nas rynki. Należy do nich polska energetyka, która wymaga budowy nowych bloków oraz znacznej modernizacji czy przebudowy istniejących kotłów węglowych np. na kotły na biomasę. Istnieją plany dużych nakładów oraz konkretne już lokalizacje nowych bloków. Rynek energetyki zawodowej i ciepłownictwa potrzebował będzie wielu pomiarów przepływu różnymi metodami. Dla nas jest to motywacja do ciągłej pracy i rozszerzania oferty.