Objętościowe natężenie przepływu płynu jest jednym z najważniejszych parametrów przy monitorowaniu procesów technologicznych i sterowaniu ich przebiegiem w wielu gałęziach przemysłu. Jak zatem dokonać wyboru właściwej dla danej aplikacji technologii pomiaru przepływu?
Natężenia przepływów muszą być utrzymywane w bezpiecznych granicach. Monitorowanie ich wartości pozwala zaobserwować sytuacje, gdy przepływ jest zbyt wysoki lub zbyt niski. W systemach monitorujących takie odchylenia są często sygnalizowane operatorom jako alarmy. Przy sterowaniu w czasie rzeczywistym sygnał natężenia przepływu może być wykorzystany jako element sprzężenia zwrotnego dla systemu sterowania, np. do włączenia pompy odśrodkowej przed całkowitym opróżnieniem zbiornika lub naczynia.
Być może najważniejszym zastosowaniem informacji z przepływomierzy jest optymalizacja procesów ciągłych, tak jak w przypadku zmiennej procesowej w układzie z regulatorem proporcjonalno–różniczkująco-całkującym (PID). Na przykład pomierzona wartość przepływu może być wykorzystana jako sygnał sprzężenia zwrotnego zmiennej procesowej w pętli pozycjonowania zaworu regulacyjnego do utrzymywania punktu nastawy równego wartości żądanej lub w jej pobliżu.
Technologie pomiaru
Obecnie głównymi technologiami pomiaru objętościowego natężenia przepływu lub prędkości przepływu płynów są technologie zastosowane w przepływomierzach:
-> manometrycznych (differential pressure flowmeter – dP),
-> wirowych (vortex flowmeter),
-> elektromagnetycznych (magnetic flowmeter, mag flowmeter).
Decyzja o wyborze metody pomiaru do konkretnej aplikacji jest często oparta na doświadczeniach praktycznych – wybierana jest ta technologia, która sprawdziła się już w podobnych warunkach. Dodatkowych informacji może dostarczyć konsultacja ze specjalistą od pomiarów przepływu z firmy inżynierskiej lub zajmującej się integracją systemów albo z zaufanym dostawcą aparatury pomiarowej. Taka konsultacja może dostarczyć informacji na temat różnych możliwości wyboru aparatury lub ostatnich innowacji, które mogą przyczynić się do polepszenia procesu pomiaru przepływu, jego dokładności i w rezultacie wydajności procesu oraz całego zakładu.
Problemy techniczne z realizacją pomiaru przepływu za pomocą przepływomierzy manometrycznych, wirowych i elektromagnetycznych mogą być rozwiązane dzięki wykorzystaniu nowoczesnych technologii.
Przepływomierze manometryczne
Pomiar przepływu na podstawie różnicy ciśnień (stąd angielska nazwa differential pressure, dP – przyp. tłum.) jest najbardziej rozpowszechnioną i sprawdzoną techniką tego pomiaru, stosowaną od wielu dekad. Wykorzystanie przepływomierza manometrycznego to niedroga opcja realizacji pomiaru natężenia przepływu, szczególnie przy dużych średnicach rur – zwykle 8″ (203,2 mm) i większych, takich jak wykorzystywane w liniach doprowadzających wodę i spustowych. W odróżnieniu od innych technologii, manometryczny pomiar przepływu może być stosowany w przypadku zarówno płynów przewodzących, jak i nieprzewodzących, co pozwala na wykorzystanie go dla szerokiego zakresu gazów i cieczy.
Podstawowy element przepływomierza manometrycznego (zwężka) powoduje spadek ciśnienia przez wprowadzenie elementu spiętrzającego wewnątrz rury. Ten spadek ciśnienia jest następnie mierzony przez drugi komponent – czujnik różnicy ciśnień (dP), który wysyła odczytane wartości do systemu sterowania. W zależności od dokładności przepływomierza manometrycznego pozostałe komponenty tego miernika mogą obejmować rurki impulsowe i złącza, doprowadzające ciśnienie z rury – przed elementem spiętrzającym i za nim – do czujnika pomiarowego.
Umieszczając wewnątrz rury specjalnie zaprojektowany element spiętrzający, którym zwykle jest wspomniana już zwężka (kryza), rurka Pitota (mierząca różnicę między ciśnieniem statycznym a zmiennym ciśnieniem płynu wewnątrz rury) albo Annubar (uśredniająca rurka Pitota, która pobiera wiele próbek z przekroju poprzecznego rury), można wykorzystać równanie Bernoulliego do obliczenia natężenia przepływu, ponieważ pierwiastek kwadratowy ze spadku ciśnienia na elemencie spiętrzającym jest proporcjonalny do tej właśnie wielkości.
Metoda manometryczna pomiaru natężenia przepływu ma wiele zastosowań. Jednak w zależności od danej aplikacji mogą się pojawić wyzwania, z których głównym jest rozwiązanie problemu pęcherzyków powietrza w cieczy, tzw. problemu mokrej nogi.
„Mokra noga” (wet-leg) to określenie używane w stosunku do połączenia za pomocą rurek impulsowych czujnika różnicy ciśnień i podstawowego elementu miernika, umieszczonego w rurze z płynem. Gaz, np. powietrze, może zostać uwięziony w tym połączeniu i wpłynąć na dokładność pomiaru natężenia przepływu. Ponadto „mokre nogi” mogą się zapchać albo ciecz w nich może zamarznąć.
Dostępna obecnie technologia pozwala na bezpośrednie połączenie integralnie montowanego czujnika ciśnienia z podstawowym elementem miernika przepływu, eliminując rurki impulsowe i związany z nimi problem „mokrej nogi”. Montaż takich przepływomierzy jest łatwy i szybki, ponieważ rurki te nie są już potrzebne. Ponadto koszty konserwacji zostają obniżone ze względu na mniejszą liczbę punktów ewentualnego przecieku.
Inny problem w przepływomierzach manometrycznych powodują tradycyjne zwężki (kryzy), ponieważ wymagana jest instalacja miernika na prostym odcinku rurociągu, aby zredukować wpływ zawirowań przepływającego płynu. Długość tego odcinka wynosi do 44 średnic rury po stronie dolotowej i do 7 średnic rury po stronie wylotowej. Oznacza to, że dla rury o średnicy 12″, czyli 1 stopy (304,8 mm), długości te wynoszą odpowiednio 44 stopy (13,41 m) i 7 stóp (2,13 m).
W wielu przypadkach zagięcia rur wewnątrz tych odcinków mogą powodować niedokładności pomiaru przy użyciu tradycyjnych zwężek. W takich sytuacjach można zastosować zwężki kondycjonujące przepływ. Taka zwężka wymaga prostego odcinka rurociągu o długości tylko dwóch średnic rury po stronie dolotowej i wylotowej, co w bardzo dużym stopniu zwiększa liczbę aplikacji przepływomierzy manometrycznych.
Przepływomierze wirowe
W przepływomierzach wirowych wykorzystany jest efekt Von Karmana, polegający na tym, że płyn uderzający w przeszkodę (nieopływową, zaburzającą) powoduje tworzenie się za tą przeszkodą zmiennych wirów lub stref niskiego ciśnienia, o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości przepływu tego płynu. Częstotliwość odrywania się wirów jest mierzona i przekształcana na prędkość przepływu objętościowego.
Przemysłowe przepływomierze wirowe zostały wprowadzone w 1968 r. i od tego czasu są z powodzeniem stosowane do pomiaru przepływu pary, gazów i czystych cieczy. Tak jak w przypadku wszystkich metod pomiaru przepływu, także i przy wykorzystywaniu przepływomierzy wirowych istnieje wiele problemów, ale też i sposobów ich rozwiązywania.
Konstrukcja typowego przepływomierza wirowego ma małe wolne przestrzenie lub szczeliny dookoła czujników albo przeszkód nieopływowych, umożliwiające ruch wymagany do tworzenia się wirów. Zanieczyszczenia obecne w płynie mogą zapchać te szczeliny i hamować ruch czujników, co spowoduje niedokładny pomiar przepływu. Konstrukcje przepływomierzy wirowych odlewanych w całości (all–cast design) eliminują potrzebę swobodnego ruchu czujników, są więc niewrażliwe na zanieczyszczenia obecne w płynie, a zatem mogą być używane do niezawodnego mierzenia przepływu brudnych płynów, które zapchałyby czujniki mierników tradycyjnych.
Do tworzenia się wirów wymagane jest minimalne natężenie przepływu płynu, określane mianem „dolnego przepływu odcięcia pomiaru” (low-flow cutoff). Wartości natężenia przepływu w dolnym zakresie żądanego zakresu pomiarowego mogą spaść poniżej granicy tego zakresu, co spowoduje brak możliwości realizacji pomiaru. Często wymaga to zmniejszenia wymiarów przepływomierza i średnicy rurociągu w celu zwiększenia prędkości przepływu płynu.
Przepływomierze wirowe z reduktorami mają koncentryczne elementy redukujące, które zostały specjalnie zaprojektowane i wbudowane w korpus miernika. Reduktory te umożliwiają pomiar niższych wartości natężenia przepływu bez konieczności wykonania kosztownych i wstrzymujących pracę rurociągu modyfikacji. Fabryczna kalibracja przepływomierza wirowego z reduktorem zapewnia wymaganą dokładność pomiaru i eliminuje potrzebę instalowania w terenie dodatkowego orurowania w kierunku dolotowym i wylotowym.
W niektórych przypadkach preferowany jest pomiar przepływu masowego zamiast objętościowego. Na przykład w obliczeniach wydajności pary technologicznej preferowaną jednostką natężenia przepływu pary nasyconej jest funt na godzinę (w Polsce kg/h – przyp. tłum.), w odróżnieniu od natężenia przepływu objętościowego (najczęściej mierzonego w m3/s). Aby przepływomierz wirowy mógł mierzyć natężenie przepływu masowego płynów, można wykorzystać układ kompensacji temperaturowej lub ciśnieniowej. Integracja takich układów w miernikach redukuje koszty i złożoność instalacji.
Przepływomierze wirowe są często używane do pomiaru najważniejszych wartości natężenia przepływu agresywnych substancji chemicznych. Tradycyjne konstrukcje czujników mogą być źródłem nieszczelności i wycieku płynów technologicznych. Ponadto serwisowanie czujników tego typu jest niemożliwe bez wyłączenia linii technologicznej i ewentualnego narażenia pracowników na kontakt z chemikaliami. Wykorzystanie mierników o konstrukcji odlewanej w całości, z izolowanymi czujnikami do pomiaru tych kluczowych dla realizacji procesu technologicznego wartości natężenia przepływu, eliminuje punkty ewentualnego przecieku, zaś mierniki mogą być serwisowane bez przerywania realizacji procesu.
Przepływomierze elektromagnetyczne
Zasada działania przepływomierzy elektromagnetycznych wykorzystuje prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya, zgodnie z którym przepływ płynu przewodzącego w polu magnetycznym powoduje indukowanie się napięcia. Wartość tego napięcia jest proporcjonalna do natężenia tego pola magnetycznego, długości przewodnika i prędkości przewodnika, według równania:
U = k · B · l · v
gdzie:
U – napięcie na elektrodach pomiarowych,
k – stała miernika,
B – gęstość (natężenie) pola magnetycznego,
l – długość przewodnika (ścieżki przewodzącej pomiędzy elektrodami),
v – prędkość przewodnika (przepływu cieczy przewodzącej).
Z tego wzoru można obliczyć prędkość przepływu, a następnie wartość przepływu objętościowego.
Mierniki elektromagnetyczne wprowadzono na rynek w 1952 r. i są one wykorzystywane do pomiaru prędkości przepływu wielu płynów przewodzących. Ponieważ mierniki te nie wprowadzają żadnych przeszkód na drodze strumienia płynu, unika się w ten sposób wielu problemów dotyczących przepływomierzy inwazyjnych – z elementami montowanymi wewnątrz rurociągów (insert type flowmeter), takich jak spadek ciśnienia lub zużywanie się elementów miernika i ich korozja na skutek działania przepływającego płynu.
Przepływomierze elektromagnetyczne mogą być stosowane do pomiaru przepływu ścieków zawierających elementy ścierne i duże cząsteczki stałe. Ponadto można dobrać odpowiednie elementy zanurzone (wkładki izolacyjne lub elektrody) dla danego płynu, agresywnego chemicznie lub zawierającego cząsteczki ścierne. Elementy miernika pracujące jako zanurzone w płynie można dobrać na podstawie właściwości płynu technologicznego, przedłużając tym samym żywotność przyrządu. Wykorzystanie przepływomierzy o jednolitej konstrukcji spawanej (all-welded design) i z izolowanymi przedziałami zabezpieczającymi przed wilgocią i zanieczyszczeniami, może zwiększyć niezawodność pomiaru.
Kalibracja i rozwiązywanie problemów wysokich poziomów zakłóceń
Wykładziny izolacyjne rur pomiarowych o zwiększonej odporności na temperaturę, zmniejszonej przenikalności i odporności na ropę naftową, mają dłuższy czas eksploatacji w takich aplikacjach, jak pomiar przepływu wody wypychającej ropę na polach naftowych (produced water – jest to zwykle solanka – przyp. tłum.). Tak samo jest w przypadku wykładzin produkowanych z utwardzonych materiałów, co przedłuża ich żywotność, zabezpieczając przed cząsteczkami ściernymi. Praktyki instalacyjne mogą obejmować regulację prędkości przepływu płynu, co dalej redukuje zużycie na skutek ścierania albo regulację gradientów temperaturowych, co zmniejsza stopień przenikania.
Wymagania dotyczące jakości oraz określone przepisami często obejmują okresową kalibrację przepływomierzy, która potwierdza, że realizowany pomiar przepływu jest odpowiednio dokładny. To zwykle wymaga demontażu miernika z linii i kalibracji go w laboratorium lub wykonania kalibracji na miejscu za pomocą specjalnego sprzętu. Akceptowaną metodą jest inteligentna kalibracja miernika – taki miernik ma wbudowany układ samokalibracji, który może sprawdzać dokładność pomiaru bez konieczności demontażu z linii i użycia specjalnego sprzętu.
Inteligentna kalibracja miernika obejmuje walidację sprzętu, oprogramowania, cewek, elektrod i przewodów łączących.
Kalibracja może być realizowana w sposób ciągły i inicjowana za pomocą interfejsu lokalnego operatora lub zdalnego polecenia programowego. Zwykle oznacza to dużą redukcję czasu przestoju dzięki wyeliminowaniu konieczności kalibracji po demontażu miernika oraz błędów związanych z odłączeniem i ponownym podłączeniem mierników funkcjonalnych. Ponadto inteligentna kalibracja miernika pozwala prosto i łatwo potwierdzić poprawność instalacji początkowej, dostarczając natychmiastowej odpowiedzi na pytanie, czy zainstalowany miernik działa tak, jak powinien.
Płyny często zawierają zanieczyszczenia, które mogą spowodować zakłócenia pomiaru przepływu. Przykładami są tu zawiesiny kopalin, szlamy papiernicze i woda wypychająca ropę naftową, zawierająca dużą ilość unoszonego piasku. Cząsteczki zanieczyszczeń, uderzając w elektrody, powodują duże zakłócenia (podobne do tych przy stukaniu w mikrofon), które mogą być powodem niskich wartości współczynnika sygnał-szum, zmniejszenia dokładności pomiaru i kiepskiego działania pętli regulacji.
Tradycyjne metody rozwiązywania problemów wysokich poziomów zakłóceń technologicznych obejmują dodanie elementów tłumiących, które mogą zredukować odpowiedź pętli regulacji na nieakceptowalne poziomy zakłóceń. Do dostarczania bardziej dokładnego i odpowiedniego sygnału pomiaru przepływu mogą być wykorzystane nowoczesne technologie ograniczania zakłóceń. Technologie te obejmują diagnostykę, która dynamicznie monitoruje wartości współczynnika sygnał-szum, regulację częstotliwości zasilania cewek, co umożliwia przejście na częstotliwości mniej podatne na zakłócenia, oraz przepływomierze elektromagnetyczne wysokosygnałowe – o zwiększonej mocy sygnału wyjściowego.
Opcja bezprzewodowa
Przepływomierze manometryczne, wirowe i elektromagnetyczne są również oferowane w wersjach bezprzewodowych. Nadajniki w miernikach manometrycznych są dostępne w wersjach ze zintegrowanym modułem bezprzewodowym, podczas gdy mierniki wirowe i elektromagnetyczne oferowane są z adapterami, które konwertują ich sygnał wyjściowy na sygnał bezprzewodowy i wysyłają go do odbiornika. Pierwotny sygnał w opcji bezprzewodowej jest dostarczany z każdą konfiguracją.
Instalacje bezprzewodowe transmitują dane procesowe oraz informacje diagnostyczne drogą bezprzewodową, co eliminuje potrzebę instalowania przewodów i kabli sygnałowych do paneli wejścia/wyjścia (I/O) systemu sterowania i monitoringu. Eliminacja oprzewodowania pozwala na szybszą i tańszą instalację, ponieważ nie trzeba prowadzić przewodów i kabli, oraz redukuje czynności konserwacyjne.
Urządzenia bezprzewodowe łączą się z sieciową bramą bezprzewodową, która może być zlokalizowana w bezpośrednim ich sąsiedztwie i połączona z systemem sterowania już przewodowo. Technologia bezprzewodowa eliminuje także potrzebę istnienia dodatkowych punktów wejść analogowych, odbierających od urządzeń sygnały przenoszone przewodowo, które mogą być bardzo drogie, szczególnie gdy trzeba dodać kartę wejść analogowych.
Podsumowanie
Omówione w artykule technologie zastosowane w przepływomierzach manometrycznych (dP), wirowych i elektromagnetycznych obecnie dominują w aplikacjach pomiaru objętościowego natężenia przepływu lub prędkości przepływu płynów. Trzeba jednak mieć świadomość, że z każdą z nich wiążą się korzyści, ale i wyzwania.
Pierwszą ważną decyzją, którą należy podjąć, jest dobór właściwej technologii pomiaru przepływu do danej aplikacji – to zadanie, przy którego realizacji może pomóc zaufany dostawca lub integrator systemów. Następnym krokiem jest zapewnienie, że dla danej aplikacji zostanie dobrany właściwy typ miernika, posiadający wymagane cechy i funkcje, które powinny rozwiązywać problemy związane z pomiarem przepływu w danej aplikacji.
Wally Baker jest kierownikiem ds. marketingu urządzeń do pomiaru ciśnienia w firmie Emerson Process Management.
