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.

Wojciech Wydra

Introl Sp. z o.o.

Na tle licznych metod i technik pomiaru przepływu płynów, największy potencjał rozwojowy zaobserwować można w obszarze trzech różnych technologii – przepływomierzy termicznych masowych do gazów, przepływomierzy wirowych do pary wodnej i przepływomierzy ultradźwiękowych. Na przestrzeni kilku ostatnich lat notujemy szereg udoskonaleń konstrukcyjnych i zmian w kalibracji przepływomierzy termicznych.

Wprowadzane modyfikacje pozwalają na stosowanie „termików” w coraz większej ilości aplikacji, co determinuje powolne wypieranie innych metod pomiarowych. Dla tego typu przepływomierzy niezmiernie ważne jest kalibrowanie przepływomierzy w rzeczywistych warunkach przepływu. W tym celu konieczne jest posiadanie stanowisk pozwalających stworzyć odpowiednie mieszanki gazowe, przepuścić gaz o wysokiej temperaturze, itp.

To właśnie poprawna, dokładna kalibracja oraz konstrukcja przepływomierzy umożliwiająca ich stosowanie w rurociągach i kanałach o dużych przekrojach pozwoliły między innymi na zatwierdzenie przepływomierzy do rozliczeń emisji gazów cieplarnianych zgodnie z QAL-1. Dodatkowym powodem popularności przepływomierzy termicznych jest łatwość instalacji (montaż przez króciec nawet „pod ciśnieniem”) i niewrażliwość na zanieczyszczenie.

Kolejną, otwierającą nowe możliwości zastosowania cechą jest potwierdzona testami obiektowymi odporność na zawilgocenie. Pozwala ona na stosowanie „termików” do pomiaru przepływu biogazu – tak popularnego w ostatnich czasach w związku ze zwiększonym popytem na zieloną energię. Drugą interesującą metodą pomiaru są przepływomierze wirowe pozwalające na pomiar mediów o bardzo wysokiej temperaturze i wysokich ciśnieniach.

Ta własność oraz łatwość instalacji predysponuje je do zastępowania układów spiętrzających w zakresie pomiaru przepływu pary wodnej. W przeciwieństwie do układów spiętrzających, które składają się z kilku/kilkunastu elementów, przepływomierze wirowe mierzą masę i energię w parze wodnej bez dodatkowego oprzyrządowania. Dostępne są wersje przepływomierzy do montażu „pod ciśnieniem” przez króciec pomiarowy.

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.

Aplikacja pomiarowa: Przepływ pary wodnej

Pomiary przepływu pary wodnej wykorzystywane są m.in. w procesie produkcji energii, gdy para wodna uzyskana w kotle zasila np. turbinę parową napędzającą generator. Ze względu na specyfikę takich instalacji, w których używana jest para wodna o bardzo wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, pomiar przepływu nie jest zadaniem łatwym do zrealizowania.

Uwzględnić należy np. fakt, że para wodna występować może w różnych postaciach, np. jako para nasycona, para mokra, która zawiera krople wody, czy para przegrzana. Każda z tych postaci ma swoje specyfi czne właściwości, które mogą wpływać na pracę przepływomierza, np. powodując jego szybsze zużycie lub korozję.

Ponadto warto pamiętać, że w instalacjach przesyłu pary zazwyczaj występują ograniczenia przestrzenne, które mogą utrudnić montaż czujnika. Z powyższych powodów w pomiarach przepływu pary wodnej najczęściej wykorzystuje się przepływomierze zwężkowe z dyszą, a rzadziej przepływomierze z kryzą oraz turbinowe i Coriolisa.

W wypadku przepływomierzy zwężkowych z kryzą na przeszkodzie stoi np. fakt, że krawędź otworu w przegrodzie pod wpływem wilgoci może z czasem ulec erozji, w związku z czym bez regularnej konserwacji i częstej wymiany przegrody dokładność pomiarów przepływomierzem tego typu szybko zmaleje.

Ponadto pamiętać należy, że przepływomierze zwężkowe wprowadzają w systemie stały spadek ciśnienia, a każde dodatkowe ograniczenie w rurociągu w instalacji przesyłu pary wodnej zasilającej jakikolwiek proces prowadzi do strat i obniżenia sprawności energetycznej całego systemu. Dlatego alternatywą dla przepływomierzy zwężkowych w pomiarach przepływu pary wodnej często okazują się czujniki wirowe, w przypadku których starta ciśnienia w elemencie pomiarowym jest minimalna.

W przypadku czujników Coriolisa i turbinowych z kolei w największym stopniu ich wykorzystanie w pomiarach przepływu pary wodnej ogranicza możliwość wystąpienia kondensacji, która może obniżyć dokładność pomiaru. Zalety przepływomierzy obu tych typów, np. wysoką dokładność pomiaru, można by wykorzystać w pomiarach przepływu suchej pary wodnej, jednak należy pamiętać o tym, że właściwości tego medium szybko zmieniają się w momencie zmiany warunków, np. ciśnienia lub temperatury, i nigdy nie można wykluczyć, że kondensacja jednak wystąpi. Innym problemem, w związku z wysoką temperaturą pary wodnej, jest też przegrzewanie się przetwornika przepływomierza, co dotyczy np. urządzeń ultradźwiękowych z tzw. sondą szpulową.

Dobór przepływomierza – wskazówki

W zakresie doboru przepływomierza do konkretnej aplikacji podać można kilka praktycznych rad, które pozwolą na optymalny dobór urządzenia. Jedną z nich jest zalecenie, aby dobierając przepływomierz i ogólnie tworząc instalację nie przewymiarowywać rurociągów. Przykładem są oczyszczalnie ścieków, zazwyczaj projektowane w ten sposób, aby były w stanie radzić sobie z dużymi wartościami przepływów przez wiele lat, przy założeniu, że w tym czasie wewnątrz rur powstanie osad.

Z tego powodu projektanci często przewymiarowują rury dla przepływów z wczesnych faz cyklu życia systemu. Osad może pojawić się także w wewnętrznej części mierników. Ponieważ większość przepływomierzy to urządzenia pracujące z założonym stałym przekrojem poprzecznym, w takim wypadku dadzą one niepoprawny odczyt. Inną ważną kwestią, o której należy pamiętać, jest fakt, że duże znaczenie przy określaniu warunków turbulencji panujących w rurze jest materiał, z którego jest ona wykonana.

W związku z tym w równaniach, w których korzystamy z liczby Reynoldsa, uwzględniać należy też np. chropowatość rur. Wybierając przepływomierz na podstawie specyfikacji katalogowej, warto zwrócić uwagę na kilka kwestii łatwych do przeoczenia, a które w praktyce mają bardzo duży wpływ na dokładność pomiarów.

Przykładem jest parametr przepływomierzy turndown, który określa stosunek maksymalnego do minimalnego natężenia przepływu, które może być zmierzone z okreś loną dokładnością. Na przykład przepływomierz przeznaczony do pomiaru przepływów w zakresie do 100 l/min mający turndown 10:1 zapewni dokładne odczyty w zakresie powyżej 10 l/min. Poniżej tego progu jego dokładność będzie niższa.

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.

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