Zalety przepływomierzy ultradźwiękowych

ZALETY PRZEPŁYWOMIERZY ULTRADŹWIĘKOWYCH

W grupie przepływomierzy ultradźwiękowych wyróżnić można dwa typy urządzeń: Dopplera oraz przepływomierze, w których mierzy się czas przejścia impulsu ultradźwiękowego między nadajnikiem i odbiornikiem (w tzw. konfiguracji transittime). Elementy te umieszczone są na rurociągu i na przemian wysyłają i odbierają impulsy (rys. 7).

Rys. 8. Przepływomierz ultradźwiękowy Dopplera

Różnica czasu transmisji impulsów w obu trybach jest proporcjonalna do natężenia przepływu płynu. W przepływomierzach Dopplera (rys. 8) także jest wysyłany impuls ultradźwiękowy, który po odbiciu od cząstek przepływającego medium wraca do odbiornika. Na tej podstawie wyznaczana jest częstotliwość odebranego sygnału, którą porównuje się z częstotliwością sygnału nadanego.

Ich różnica jest związana zależnością z natężeniem przepływającego medium. Przepływomierze ultradźwiękowe oprócz tego, że zapewniają wysoką dokładność pomiaru, mają też szereg innych zalet, które decydują o przewadze urządzeń tego typu nad wcześniej omawianymi miernikami przepływu. Przykładowo w odróżnieniu od przepływomierzy Coriolisa czujniki ultradźwiękowe zazwyczaj bardziej nadają się do zastosowania w rurociągach o dużych rozmiarach.

W czujnikach masowych Coriolisa powyżej pewnej średnicy instalacja staje się kłopotliwa, a tym samym pociąga za sobą większe koszty, natomiast w przypadku przepływomierzy ultradźwiękowych im większy rurociąg, tym lepsze warunki propagacji sygnału. Inną, bardzo ważną zaletą czujników ultradźwiękowych jest ich nieinwazyjny charakter.

Stąd unika się w tym wypadku takich problemów, jak wytrącenie czujnika z ustalonej pozycji oraz szybkie zużywanie się komponentów na skutek kontaktu z medium, co jest poważną wadą przepływomierzy wirowych i zwężkowych z kryzą. W przepływomierzach ultradźwiękowych nie ma też ruchomych części, które skracają czas użytkowania – np. turbinowych czujników przepływu.

Bogdan Sikora

Newtech Engineering

Pomiar przepływu w procesie technologicznym jest jednym z ważniejszych pomiarów. Właściwa „porcja” materiału, jak i jego automatyczne dozowanie w odpowiednim czasie, często jest decydujące o jakości i wysokim standardzie produktu końcowego. Powszechne na rynku przepływomierze cieczy i gazów znacznie ewaluowały przez ostatnie kilkanaście lat. Na dzień dzisiejszy tylko niektóre rozwiązania zaskakują innowacyjnością nowatorskim podejściem do zagadnienia.

Najczęściej jest to nowy rodzaj interfejsu wyjściowego, szerszy zakres temperatur medium z jakim mogą być stosowane, itp. Oferowane od niedawna na rynku przepływomierze materiałów sypkich są jednak cały czas udoskonalane i już teraz doskonale spełniają wymagania, jakie niesie za sobą monitorowanie przepływów w procesach technologicznych.

Decydującym kryterium wyboru danego rozwiązania powinny być zarówno parametry techniczne urządzenia, jak i dokładność, powtarzalność pomiaru oraz jego prostota. Niestety w polskich realiach decydującym kryterium jest tylko i wyłącznie cena urządzenia. Monitorowanie przepływu materiałów sypkich najczęściej znajduje zastosowanie w przemyśle ciężkim (m.in. pomiar domieszek dodawanych podczas produkcji stali), przemyśle samochodowych (dodatki do farb i lakierów), przemyśle spożywczym oraz w cementowniach, betoniarniach, elektrowniach i elektrociepłowniach (pomiar transportowanego surowca).

Rynek przepływomierzy cieczy i gazów na dzień dzisiejszy jest bardzo stabilny. Nowi producenci, którzy chcą zaistnieć na rynku nie są w stanie przebić się przez stereotyp „stare i dobre”. Inżynierowie utrzymania ruchu niechętnie chcą wprowadzać jakiekolwiek zmiany w dobrze pracującej „maszynie”, nawet jeśli zmiany takie mogłyby wpłynąć na jakość procesu.

Jednak pomiar przepływu materiałów sypkich w Polsce jest na tyle nowatorskim rozwiązaniem, że dotychczas żadna z firm nie stała się monopolistą. Wymagania klientów końcowych stają się jednak coraz wyższe, tak więc monitorowanie przepływu materiałów sypkich w najbliższej przyszłości stanie się również standardem w naszych lokalnych zakładach produkcyjnych.

ROTAMETRY

Odpowiednio dobrany przepływomierz decyduje nie tylko o dokładności pomiarów, ale też często o tym, czy ich wyniki będą w ogóle użyteczne. Istotne są kwestie takie, jak precyzja i ich powtarzalność oraz cena przyrządu, jednak wybierając przepływomierz, należy przede wszystkim dobrze poznać specyfikę procesu, w którym przepływ będzie monitorowany.

Uwzględnić należy też cały system, w ramach którego przepływomierz będzie działał. Na tej podstawie od razu można wyeliminować konkretne typy przepływomierzy, które mimo takich zalet, jak wysoka dokładność lub niska cena, w danej aplikacji się nie sprawdzą. Jako przykład podać można przepływomierze pływakowe, czyli tzw. rotametry.

Rys. 9. Przepływomierz pływakowy

Są to urządzenia, których głównym elementem jest pływak, a jego pozycja przy określonym natężeniu przepływu ustala się w momencie, gdy siła wyporu i grawitacji oddziałujące na pływak równoważą się (rys. 9). Jednym z powodów, dla których dawniej w procesach zautomatyzowanych ten typ przepływomierzy był praktycznie wykluczony, jest fakt, że większość z nich nie generowała mierzalnego sygnału wyjściowego i wynik pomiaru należało odczytywać „ręcznie” ze skali naniesionej na przyrządzie.

Obecnie jednak, oprócz przepływomierzy w wersjach w pełni mechanicznych, standardem są rotametry wyposażone w moduły generujące sygnał elektryczny, które mogą bez problemu współpracować z pozostałymi elementami systemu automatyki. Za zastosowaniem przepływomierzy pływakowych w niektórych aplikacjach może przemawiać koszt, znacznie niższy w porównaniu do innych, bardziej skomplikowanych przyrządów.

Zaleta ta jest jednak istotnie równoważona przez niską dokładność pomiarów, która w zastosowaniach wymagających dużej precyzji może nawet przeważyć na niekorzyść przyrządów tego typu. Ponadto problemem są pomiary cieczy o dużej lepkości. W miarę użytkowania płyn taki oblepia pływak, tworząc na nim warstwę, która negatywnie wpływa na dokładność pomiarów, zawyżając prawidłowe wyniki nawet kilkukrotnie.

Dlatego w przypadku pomiaru przepływu cieczy lepkich lub takich, których lepkość może się zmienić np. na skutek wahań temperatury, ten typ mierników przepływu lepiej jest wykluczyć. Innym przykładem są pomiary przepływu pary, w których trudność wyboru przepływomierza wynika ze specyfiki mierzonego medium (patrz ramka). W tym wypadku również na podstawie wstępnej analizy warunków, w jakich realizowany jest pomiar, można z pewnych grup czujników od razu zrezygnować.

Bogdan Szutowski

Krohne Polska

Jedną ze zmian w technologiach przepływomierzy jest dążenie do łączenia pomiarów w obrębie jednego urządzenia – np. przepływomierz masowy Coriolisa oferuje dziś jednoczesny pomiar strumienia masy i objętości, gęstości, temperatury i stężenia, wirowy – mierzy przepływ pary z jednoczesną kompensacją ciśnienia i temperatury, a elektromagnetyczny – mierzy także przewodność elektryczną cieczy.

Wiedza o procesach przemysłowych, ogólne zwiększenie mocy obliczeniowej układów, rozwój wyrafinowanych – często chronionych patentem – rozwiązań sprzętowych oraz algorytmów analizy i obróbki sygnału umożliwiają wyposażanie urządzeń w dodatkową funkcjonalność. Przepływomierze oferują dziś pełną diagnostykę urządzenia i środowiska punktu pomiarowego, np. ultradźwiękowe – wizualizację profilu przepływu i możliwość analizy różnych typów zanieczyszczeń rurociągu.

Z kolei nowoczesna inżynieria materiałowa – poprzez zmiany w konstrukcji i oferowanie nowych wykonań materiałowych – podnosi walor odporności urządzenia na warunki procesu i środowiska, umożliwiając realizację pomiaru w miejscach dotychczas niedostępnych. Wzrost stopnia scalenia podzespołów, postępująca standaryzacja w zakresie sprzętu i oprogramowania, modułowa konstrukcja – umożliwiają stopniowe obniżanie kosztu wytworzenia urządzenia i jego późniejszej obsługi oraz optymalizację doboru do aplikacji.

Zmianom technologicznym w zakresie przepływomierzy sprzyja także szybki rozwój interfejsów komunikacyjnych, w tym bezprzewodowej łączności z urządzeniem za pośrednictwem standardu telefonii komórkowej GSM, a możliwość wieloletniej pracy przy autonomicznym zasilaniu bateryjnym – otwiera nowe obszary zastosowań leżące poza tradycyjnym przemysłem.

Rozwój globalnej infrastruktury sieciowej zaowocował pierwszymi propozycjami włączenia pewnych klas przepływomierzy w światowy system nadzoru serwisowego – automatycznego diagnozowania i prognozowania: awarii, okresowych prac konserwatorskich i okresu żywotności konkretnego urządzenia.

PODSUMOWANIE

Przedstawione przykłady oraz charakterystyki różnych przepływomierzy pokazują, że nie ma idealnego przepływomierza, który nadawałby się do każdej aplikacji. Ponadto oprócz ograniczeń samych przepływomierzy problemy z wyborem odpowiedniego przyrządu wynikają też np. z trudności z właściwą interpretacją danych katalogowych oraz z łatwych do przeoczenia kwestii w zakresie konstrukcji instalacji, w której pracować ma dany przepływomierz. Dlatego przed dokonaniem wyboru urządzenia zawsze warto przeanalizować różne możliwości, co pozwala uniknąć późniejszych problemów.

Monika Jaworowska,
Marek Krajewski