Pomiar przepływu jest nieodzownym elementem wielu procesów technologicznych. Zastosowanie znajduje przynajmniej kilka metod, pozwalających na przeprowadzenie takiego rodzaju pomiaru. Każda z nich ma swoje wady i zalety.
Jak podkreśla Wojciech Wydra, kierownik działu pomiaru przepływu w firmie Intron – Wybór metody pomiarowej powinien zaczynać się od odpowiedzi na kilka podstawowych pytań: jakie to medium, czy jest to pomiar rozliczeniowy czy technologiczny, jaką dokładność pomiaru chcemy uzyskać i jakiej potrzebujemy informacji wyjściowej. Każda z tych informacji zawęża nam pole wyboru.
Jeżeli potrzebujemy dokładnie dozować przepływającą masę (np. produkcja i pakowanie jogurtu), to tu na pewno sprawdzi się przepływomierz masowy Coriolisa. Przepływomierze Coriolisa są przyrządami o dużej dokładności, mierzącymi bezpośrednio masę i z tej przyczyny główną gałęzią stosującą te przepływomierze jest przemysł spożywczy. W przypadku pomiaru innych mediów przepływomierze Coriolisa mogą się nie sprawdzić – wymagają wycięcia kawałka instalacji i montażu przepływomierza w jej ciągu, powodują one duży spadek ciśnienia, który w wielu przypadkach generuje dodatkowe koszty. Kluczowymi ograniczeniami są także: zakres średnic – maksymalnie DN250, i bardzo wysoka cena.
Chcąc zmierzyć ilość energii w parze wodnej, wybieramy przepływomierze wirowe. Jest to bardzo uniwersalna metoda pomiarowa, która pozwala na stosowanie zarówno do cieczy, gazów, jak i pary wodnej dla temperatur do 400ºC. To ostatnie zastosowanie wydaje się najciekawsze, bo w znaczący sposób redukuje liczbę urządzeń potrzebnych do pomiaru, w porównaniu z innymi rozwiązaniami dedykowanymi parze wodnej (np. kryza, rurka spiętrzająca itp.). Zastosowanie przepływomierza wirowego ogranicza koszt montażu, eksploatacji i konserwacji oraz redukuje do minimum liczbę potencjalnych punktów przecieku. Oferowane przepływomierze wirowe mogą mieć wbudowany pomiar ciśnienia i temperatury, co pozwala na pomiar energii pary przy użyciu tylko jednego przyrządu i przy wykonaniu tylko jednego otworu w rurociągu. Dodatkowo zastosowanie w przepływomierzach czujnika temperatury i ciśnienia pozwala również na pomiar przepływu gazu z pełną kompensacją oraz otrzymanie ciągłej informacji o gęstości medium.
Chcąc wiedzieć, ile medium płynie w rurociągu, nie mogąc jednocześnie ciąć rurociągów – wybieramy przepływomierze ultradźwiękowe. Ich charakterystyka pozwala na stosowanie do pomiarów przepływu gazów i cieczy. Przepływomierze tego typu mają jedną unikatową cechę, która daje wielką przewagę nad innymi metodami pomiarowymi – pozwala mierzyć przepływ bezinwazyjnie (przez ściankę rurociągu). W ten sposób możemy mierzyć przepływ zarówno gazów, jak i cieczy w szerokim zakresie temperatur (nawet do 550ºC) i bez ograniczeń ciśnieniowych. Jest to w ostatnim czasie coraz częściej stosowana metoda, szczególnie w gałęziach przemysłu o różnego typu ograniczeniach lub utrudnieniach w montażach tradycyjnych (petrochemia, chemia, górnictwo węglowe i gazowe, duże średnice rurociągów itp.). Przepływomierze tego typu są również szeroko stosowane jako przepływomierze kontrolne.
Dodatkowym zastosowaniem przepływomierzy ultradźwiękowych jest układ rozliczeniowy dostaw energii cieplnej – przepływomierze niektórych firm mają stosowne zatwierdzenie zgodne z wymaganiami dyrektyw europejskich. W układach rozliczeniowych stosuje się głównie przepływomierze ultradźwiękowe inwazyjne (dostarczane z kawałkiem rurociągu).
Chcąc zorientować się, jak wygląda rozpływ sprężonego powietrza w zakładzie i wykonać bilans, nie sposób nie wybrać przepływomierzy termicznych masowych. Jest to metoda pomiarowa, która w ostatnim czasie zaczyna być najczęściej używaną metodą pomiaru przepływu gazu. Ze względu na ściśliwość gazu jedynym sensownym sposobem pomiaru ciągłego jest pomiar masy lub objętości skompensowanej (w warunkach referencyjnych). Metoda ta pozwala na bezpośredni pomiar przepływu masowego (lub objętości skompensowanej) gazu, bez konieczności używania jakichkolwiek dodatkowych urządzeń. Przepływomierze tego typu pozwalają mierzyć przepływ w rurociągach o średnicach od 3 mm do kilkunastu metrów, a ich coraz większe znaczenie potwierdza zatwierdzenie w Unii Europejskiej modelu MT91 firmy FCI jako przepływomierza do rozliczeń emisji gazów cieplarnianych zgodnie z wymaganiami dyrektywy QAL-1.
Przepływomierze wirowe
Przepływomierze wirowe (Vortex) stanowią przyrządy pomiarowe, które mierzą, jaka ilość medium przepływa przez daną powierzchnię prostopadłą do kierunku przepływu. Urządzenia te bazują na teorii ścieżki wirowej Karmana. Opisuje ona zjawisko powstawania wirów za ciałem nieopływowym. W przepływomierzach tego typu przegroda umieszczona w strudze przepływającego płynu generuje zawirowania, które naprzemiennie odrywają się od jej boków i unoszą wraz ze strumieniem. Częstotliwość odrywania wirów jest wprost proporcjonalna do średniej prędkości przepływu, czyli do strumienia objętości. Istotne jest, że podczas odrywania wirów, po dwóch stronach przegrody powstają naprzemienne chwilowe pola niskiego ciśnienia. Są one wykrywane za pomocą czujnika umieszczonego za przegrodą. Oprócz tego czujnik odpowiedzialny jest za zliczanie pól niskiego ciśnienia, a także przetwarzanie na liniowy sygnału cyfrowego, proporcjonalnego do prędkości przepływającego płynu.
Do zalet wynikających ze stosowania takiego rozwiązania zalicza się przede wszystkim wysoką dynamikę pomiaru. Kluczową rolę odgrywa także wysoka stabilność długoterminowa, brak płynięcia zera (z uwagi na wysoką stabilność) oraz wysoka niezależność pomiaru od zmian ciśnienia, temperatury i lepkości. Zwraca się uwagę na uniwersalność rozwiązania zarówno w procesach związanych z pomiarem cieczy, pary i gazów. Do zalet zalicza się również pomijalny spadek ciśnienia w rurociągu oraz brak części ruchomych. Podkreśla się niezmienne parametry w całym okresie późniejszego użytkowania. Kluczową rolę odgrywa również brak części ruchomych. Jako wadę wirowej metody pomiaru przepływu podaje się bardzo małą częstotliwość odrywania się wirów przy dużych przekrojach rurociągów, a także wrażliwość na zdeformowane profile prędkości.
Przepływomierz wirowy INLINE VA40 znajduje zastosowanie w procesach związanych z pomiarem przepływu gazów jednofazowych, takich jak powietrze, mieszaniny gazów z powietrzem, tlenem lub azotem jako głównym składnikiem oraz metanu, gazu ziemnego, gazów technicznych, emisyjnych, biogazu oraz pary nasyconej. Jako zaletę wymienia się przede wszystkim mało inwazyjną zabudowę „wpustową” w rurociągach czy przewodach kominowych, których wymiary geometryczne nie stanowią ograniczeń. Zwraca się uwagę na dobre parametry metrologiczne, czyli przede wszystkim dokładność, powtarzalność oraz stabilność. Oprócz tego do zalet zalicza się minimalne straty ciśnienia i samoczyszczącą konstrukcję mechaniczną bez efektów bezwładnościowych. Nie mniej istotna pozostaje odporność na korozję i przeciążenia. Urządzenie to dobrze sprawdza się w przypadku konieczności opomiarowania szczególnie trudnych aplikacji. Mogą to być na przykład miejsca, w których czujniki termiczne nie są zalecane ze względu na zmiany nie tylko wilgotności gazu, ale również jego składu.
Najczęstsze miejsca zastosowania tego przepływomierza to stacje uzdatniania wody i oczyszczalnie ścieków, a także systemy w układach dystrybucji gazów oraz wentylacyjnych, przy wytwarzaniu energii elektrycznej, a także w produkcji papieru, płyt wiórowych, czy też cementu.
Model M22-VTP jest przepływomierzem wirowym wieloparametrowym. W urządzeniu znajdują zastosowanie czujniki temperatury i ciśnienia. Dzięki nim możliwy jest natychmiastowy odczyt skompensowanego, masowego natężenia przepływu gazów, cieczy oraz pary. Należy zwrócić również uwagę na możliwość użycia trzech wyjść analogowych 4~20 mA. Za ich pomocą mogą być przekazywane informacje dotyczące objętościowego natężenia przepływu, masowego natężenia przepływu, ciśnienia, temperatury czy gęstości.
Przepływomierz MV 82 znajduje zastosowanie przede wszystkim przy pomiarze przepływu paliw i pary wodnej, stąd też dużą popularnością cieszy się w energetyce, w przemyśle petrochemicznym i w rozdzielniach energii cieplnej. Interesujące jest, że przepływomierz ten może być montowany i demontowany bez konieczności przerywania pracy rurociągu. Z pewnością przydatne, w niektórych zakładach przemysłowych, okażą się wersje ATEX. Urządzenie pozwala na pomiar większości gazów, cieczy oraz pary wodnej bez potrzeby ponownej kalibracji u klienta. Dodatkowo istnieje możliwość zdalnego monitorowania i integracji z systemami DCS przy użyciu protokołów HART i Modbus.
Przepływomierze z serii VTX-2 cechują się dobrą kompensacją wibracji, a także odpornością na pulsacje, uderzenia temperatury i ciśnienia. Pomiar mediów może odbywać się nawet przy ich wysokiej temperaturze. W budowie uwzględniono przetwornik piezoelektryczny. W przepływomierzach kluczową rolę odgrywa elektronika. W przypadku tego modelu charakteryzuje się ona dwuprzewodowym podłączeniem oraz dodatkowym wyjściem impulsowym wg NAMUR. Do wymiany danych z użytkownikiem przeznaczony jest 8-pozycyjny wyświetlacz.
Przepływomierz Coriolisa
Przepływomierze Coriolisa nazywane są także przepływomierzami masowymi Coriolisa. Nazwa przyrządu pochodzi od efektu Coriolisa, będącego podstawą działania urządzenia. Zgodnie z prawami mechaniki jednoczesnemu występowaniu ruchu obrotowego i postępowego ciała towarzyszy powstawanie siły bezwładności zwanej siłą Coriolisa. Powstała siła cechuje się kierunkiem działania wyznaczonym przez iloczyn wektorowy jego prędkości liniowej i obrotowej. W urządzeniach tego typu ruch obrotowy zastąpiono oscylacyjnym (drganiami) rury pomiarowej. Wartość siły jest proporcjonalna do masy poruszającego się ciała oraz iloczynu wektorowego wspomnianych prędkości. Bezwładności powodują opóźnienie fazy drgań rury w części dolotowej, a także jej przyspieszenie na odcinku wylotowym. Układ elektroniczny, mierząc przesunięcie fazowe, określa wartość strumienia masy. Oprócz tego dzięki mierzonej częstotliwości rezonansowej drgań możliwe jest bezpośrednie wyznaczenie gęstości produktu.
Bardzo często mierzona jest również temperatura rur pomiarowych, potrzebna w obliczeniach kompensacyjnych (odpowiada ona temperaturze medium).
Jako zalety wymienia się przede wszystkim pomiar niezależny od profilu przepływu medium oraz bardzo wysoką dokładność pomiaru. Nie bez znaczenia pozostaje także jednoczesny, bezpośredni pomiar strumienia masy, gęstości i lepkości. Zwraca się uwagę na uniwersalną zasadę pomiaru dla cieczy i gazów oraz niezależność od fizycznych właściwości produktu. Podkreśla się brak konieczności stosowania przez układ prostych odcinków przed i za przepływomierzem. Istotny jest niższy koszt całkowity w porównaniu z systemami wagowymi. Do kluczowych zalet należy zaliczyć również łatwą instalację oraz szeroki zakres pomiarowy i dużą dokładność. Wymienia się także wady takich rozwiązań. Przede wszystkim utrudnienie mogą stanowić problemy z kalibracją.
Zwraca się uwagę na rurę przepływomierza, która musi być w całości wypełniona cieczą. Podkreśla się ograniczoną odpowiedź dynamiczną oraz problemy z pomiarami cieczy z gazami.
Modele Promass 80/83 I są przepływomierzami jednorurowymi z układem autobalansu TMB (Torsion Mode Balanced System). Ich montaż nie wymaga żadnych podpór i dodatkowych elementów mocujących. Przepływomierz ten może być czyszczony chemicznie i sterylizowany parą. Obudowa wykonana jest z aluminium lub ze stali szlachetnej o stopniu ochrony IP67. Cechy te decydują o tym, że model ten znajduje zastosowanie w rurociągach przeznaczonych na przykład do transportowania jogurtów z kawałkami owoców, syropów, miazgi owocowej czy czekolady z orzechami. Zwraca się uwagę na dużą funkcjonalność dzięki jednoczesnemu pomiarowi przepływu masowego, objętościowego, gęstości i temperatury. W procesie związanym z wymianą danych zastosowanie znajdują interfejsy komunikacyjne, takie jak HART, PROFIBUS-PA/-DP, FOUNDATION Fieldbus. System pomiarowy bazuje na czujniku przepływu i przetworniku pomiarowym. Urządzenie to jest dostępne w dwóch wersjach. Pierwsza, kompaktowa, w której czujnik przepływu połączony jest mechanicznie z przetwornikiem, zaś druga, stanowi konstrukcję z przetwornikiem montowanym w innym miejscu niż czujnik przepływu.
Przepływomierze Coriolisa ELITE firmy Micro Motion przeznaczone są do pomiarów przepływu masowego cieczy, gazów i zawiesin. Mierniki te są w stanie przeprowadzić precyzyjny pomiar przy bardzo małym spadku ciśnienia. Urządzenia nie wymagają stabilizacji profilu przepływu ani odcinków prostoliniowych.
Konstrukcja zapewnia dokładność i powtarzalność w szerokim zakresie natężeń przepływu. Podstawowe parametry techniczne przepływomierzy tej serii to:
- dostępne wielkości: od 1/10” do 10” (od 2 mm do 250 mm),
- materiały konstrukcyjne: stal nierdzewna 304L, 316L lub C-22,
- zakres ciśnienia: od 100 barów do 413 barów,
- zakres temperatury: od -240°C do 350°C.
Przepływomierz RHM 80 znajduje zastosowanie w procesach związanych z pomiarem przepływu dużych ilości transportowanego medium. W razie potrzeby nabyć można wersje spełniające wymagania dyrektywy ATEX. Maksymalna wartość prędkości przepływu wynosi do 8000 kg/min. Ciśnienie pracy nie przekracza 100 barów, jednak opcjonalnie można je zwiększyć do 160 barów. Przepływomierz ten w zależności od modelu może pracować w następujących temperaturach:
- model NT: od -20 do 120°C,
- model ET: od -45 do 120°C,
- model ET1: od -200 do 50°C,
- model ET2: od -45 do 210°C,
- model HT: od 0 do 350°C.
Dokładność pomiaru przepływu prędkości wynosi od 0,2% wskazań przy powtarzalności ±0,05% wskazań.
Przepływomierze masowe MASSFLO znajdują głównie zastosowanie w ciepłownictwie, a także przemyśle spożywczym, energetycznym i chemicznym. Bardzo często urządzeń tych używa się w ważeniu proporcjonalnym, dozowaniu, kontroli i w systemach sterowania. W tym modelu czujnik montowany jest poziomo celem zapewnienia samoodpływu. Rury pomiarowe są umieszczane w szczelnej obudowie ze stali nierdzewnej. Podstawowe zastosowanie tych przepływomierzy to przede wszystkim:
- ważenie tłuszczu zwierzęcego,
- mieszanie w produkcji tworzyw sztucznych,
- odważanie masy orzechowej i roztworu cukru w produkcji czekolady,
- sterowanie procesem destylacji alkoholu,
- kontrola i sterowanie zużyciem olejów w silnikach okrętowych,
- pomiar i ciągłe sterowanie zużyciem oleju w ciepłowniach,
- odważanie w produkcji środków czystości,
- kontrola zużycia paliwa w stanowiskach badania silników lotniczych,
- odważanie w produkcji farb,
- pomiar zużycia wody w elektrowniach atomowych,
- odważanie w produkcji trucizn,
- napełnianie beczek piwem,
- odmierzanie smoły w produkcji asfaltu itp.,
- odważanie w produkcji olejów smarownych,
- pomiary, kontrola i sterowanie w wyparkach itp., w cukrowniach (pomiar Brix).
Przepływomierz ultradźwiękowy
Przepływomierze ultradźwiękowe są przyrządami pomiarowymi, które mierzą prędkość przepływu medium przez daną powierzchnię prostopadłą do kierunku przepływu. Zasada działania przepływomierza ultradźwiękowego bazuje na pomiarze różnicy czasów przejścia fali ultradźwiękowej wywołanej efektem Dopplera. Fala emitowana jest naprzemiennie pomiędzy dwoma czujnikami pomiarowymi zamontowanymi na rurociągu. W przypadku braku przepływu czasy przejścia fali w obu kierunkach są jednakowe. Gdy fala rozchodzi się przeciwnie do kierunku płynącej cieczy, prędkość propagacji jest mniejsza niż w kierunku zgodnym z ruchem cieczy. Mierzona przez system różnica czasów przejścia jest proporcjonalna do prędkości cieczy w rurociągu i po uwzględnieniu profilu i pola przekroju poprzecznego rury pozwala wyznaczyć objętość strumienia.
Do zalet tej metody zalicza się przede wszystkim bezkontaktowy pomiar zewnętrzny (idealne rozwiązanie dla pomiaru przepływu cieczy silnie agresywnych lub w przypadku wysokich ciśnień). Oprócz tego zwraca się uwagę na wysoką trwałość oraz na bezpośredni montaż na istniejącej instalacji. Tym sposobem zyskuje się możliwość wdrożenia układu pomiarowego bez przerywania procesu. Pomiar tą metodą jest nieinwazyjny i nie wprowadza spadku ciśnienia.
Przepływomierz ultradźwiękowy SITRANS FUS380/FUE380 składa się z czujnika przepływu FUE 380, przetwornika sygnału FUE080 z wyświetlaczem oraz kompletem przewodów łączących te dwa elementy. Dostępna jest również wersja kompaktowa, prędkość przepływu kształtuje się w zakresie od 0,02 do 6 m/s. Sondy wykonane są ze stali nierdzewnej i mosiądzu. Materiał, który uwzględniono w konstrukcji czujnika, to stal węglowa i mosiądz. Obudowa cechuje się stopniem ochrony IP 67. Temperatura medium powinna się kształtować w zakresie od 2 do 200°C. W urządzeniu zastosowanie znajduje wyjście impulsowe oraz port IrDA z protokołem MODBUS RTU. Czujnik jest dwuścieżkowy, kołnierzowy ze zintegrowanymi sondami.
Na rynku nabyć można również przenośne urządzenia przeznaczone do pomiaru przepływu cieczy. Właśnie takim urządzeniem jest model PT878. Pozwala on na pomiar przepływu bez konieczności ingerowania w rury. Zwraca się uwagę na opatentowane algorytmy korygujące, pozwalające na pomiar przepływu nie tylko czystych, ale także bardzo zanieczyszczonych cieczy, takich jak ścieki czy szlam. Akumulator zapewnia nieprzerwaną pracę od 9 do 11 godzin bez ładowania. Do wymiany danych z komputerem może być użyty port podczerwieni. Urządzenie pracuje z rurami o średnicy od 12,7 mm do 7,6 m przy grubości ścianki do 76,2 mm. Do wymiany danych z użytkownikiem przeznaczony jest podświetlany wyświetlacz LCD o rozdzielczości 240×200 pikseli. Klawiatura bazuje na 25 gumowych klawiszach. Sygnałem wejścia/wyjścia może być pętla prądowa 0/4 ÷ 20 mA, łącznie z wyłączanym zasilaczem pętli dla przetworników temperatury. Oprócz tego uwzględniono konfigurowalne wyjście impulsowe (maks. 5 V) lub częstotliwościowe (prostokąt 5 V, 100 ÷ 10 000 Hz). Wyniki są zapisywane w pamięci do 100 tys. punktów pomiarowych. Oprócz tego funkcjonalność urządzenia pozwala na programowanie jednostek, częstotliwości, czasu rozpoczęcia i zakończenia pomiaru. Wyniki mogą być prezentowane zarówno w sposób graficzny, jak i cyfrowy.
Przepływomierz ultradźwiękowy Portaflow C cechuje się systemem pomiaru prędkości dźwięku, co pozwala na pomiary w płynach o nieznanej prędkości. Istnieje również możliwość pomiaru energii cieplnej. W modelu tym uwzględniono port USB i slot SD. Urządzenie może być używane z różnymi rodzajami sensorów dla małych i dużych średnic (13 do 6000 mm) oraz do niskich i wysokich temperatur (-40 do 200°C).
Jerzy Gorzkiewicz z Zakładu Aparatury Kontrolno-Pomiarowej „DI-BOX” zwraca uwagę na pomiar przepływu na obiektach gospodarki wodno-ściekowej. Według niego: – W świetle obowiązujących przepisów każdy obiekt gospodarki wodno-ściekowej zobligowany jest do rozliczania się z ilości odprowadzanych ścieków. Problematyka tego typu rozliczeń i związanych z nimi układów pomiarowych wymieniana jest w kilku obowiązujących aktach prawnych – m.in.: w ustawie „Prawo wodne”, „Prawo ochrony środowiska”, „Zbiorowe zaopatrzenie w wodę i zbiorowe odprowadzanie ścieków” oraz Rozporządzeniach Rady Ministrów „w sprawie opłat za korzystanie ze środowiska” i Zarządzeń Prezesa Głównego Urzędu Miar.
Aktualnie znanych jest ponad kilkadziesiąt metod dokonywania pomiarów natężenia przepływu na obiektach gospodarki wodno-ściekowej. Jednym z bardziej ekonomicznych i sprawdzonych rozwiązań jest pomiar w kanałach otwartych w oparciu o metody piętrzeniowe. W metodzie tej pomiar natężenia przepływu cieczy dokonywany jest na podstawie wskazań aktualnego poziomu (spiętrzenia) cieczy w elemencie pomiarowym (korycie lub przelewie mierniczym), mierzonego przez czujnik ultradźwiękowy, i przeliczenia go przez przetwornik pomiarowy na wielkość natężenia przepływu.
Pomiaru poziomu cieczy w elemencie spiętrzającym dokonuje się za pomocą czujnika ultradźwiękowego poprzez pomiar czasu przelotu wiązki ultradźwiękowej między czujnikiem a powierzchnią cieczy, której poziom ma być mierzony. Wielkość ta służy – po uwzględnieniu zależności poziomu od przepływu dla danej aplikacji – do wyznaczania aktualnej wartości natężenia przepływu cieczy.
Stosując odpowiednio dopasowany do warunków przepływu element piętrzący, metodą tą można mierzyć wartości natężenia przepływu od ok. jednego do kilku lub nawet kilkunastu tysięcy metrów sześciennych na godzinę z błędem pomiarowym nie większym niż 3–5%, przy zachowaniu niezbędnych warunków przypisanych tym metodom pomiarowym.
Autor: Damian Żabicki
