Odmierzanie cieczy – przepływomierze

Water Flow Rig-Zrodlo_Internet_m 

W wielu procesach technologicznych wykorzystuje się pomiary przepływu. Każda ze stosowanych obecnie metod pomiaru i dozowania ma swoje zalety i wady. Wybór właściwego przepływomierza do danego zastosowania nie jest sprawą łatwą. Wymaga wiedzy, kompetencji i rozeznania w ofercie urządzeń dostępnych na rynku.

W zależności od konstrukcji i zasady działania wyróżnić trzy główne typy przepływomierzy. Są to przepływomierze mechaniczne różnej konstrukcji, wykorzystujące zjawiska falowe ultradźwiękowe i optyczne oraz elektromagnetyczne. Wśród konstrukcji mechanicznych wymienia się: manometryczne, zwężkowe (kryza, dysza, zwężka Venturiego), inne wykorzystujące różnicę ciśnień na przykład: rurka Pitota, rurka Prandtla, wykorzystujące efekt Coandy. Kolejne to rotametry (o zmiennym przekroju), tachometryczne, turbinowe i łopatkowe, komorowe, oscylacyjne, wirowe, Coriolisa itp. Obecnie popularne są też przepływomierze: elektromagnetyczne, ultradźwiękowe, termiczne i kalorymetryczne. Funkcjonują też inne podziały i klasyfikacje w ramach wymienionych powyżej podstawowych grup. Jednak w praktyce liczą się charakterystyki przepływomierzy.

micromotion_elites-2200s_hires_Zrodlo_Emerson Process Management_m

Zdjęcie: Emerson Process Management

 

Jak łatwo się zorientować – nie ma idealnego, który nadawałby się do każdej aplikacji. Każdy ma swoje ograniczenia i powinno przeanalizować się wszystkie aspekty użycia ich w danej instalacji i rodzaju przepływającego medium. Różnorodność wykorzystywanych technologii i konstrukcji na pewno utrudnia wybór. Jeśli zna się charakterystyki głównych typów przepływomierzy, to w zasadzie można trafnie dobrać odpowiedni model do wymagań. Jak uważa Paweł Olszak z firmy Siemens, z reguły optymalne rozwiązanie to takie, które spełnia wymagania techniczne czyli będzie działać poprawnie w danej aplikacji i jest najtańsze. Oczywiście, żeby wybrać prawidłową metodę pomiarową, trzeba znać właściwości fizyczne medium (lepkość, gęstość, przewodność itp.), warunki pomiaru (ciśnienie, temperatura, materiał rurociągu, odcinki proste przed i za przepływomierzem itp.) oraz wymagania, czyli wymaganą dokładność, zakres mierzony, wyjścia sygnałowe itd. W praktyce 80% aplikacji to aplikacje powtarzalne, a jedynie pozostałe 20% wymaga głębszego zastanowienia, dodaje Paweł Olszak.

Firma badawcza MarketsandMarkets prognozuje, że światowy rynek mierników przepływu osiągnie w 2019 roku wartość 7,9 mld USD, a skumulowany roczny wskaźnik wzrostu w latach 2014–2019 osiągnie wartość 7,2%. Oczywiście znaczna część rynku to przepływomierze do wody i ścieków. Według ocen MarketsandMarkets najpopularniejsze są (ponad 22,5% wartości rynku) przepływomierze elektromagnetyczne. Jednak do 2019 roku oczekuje się szybkiego wzrostu w zakresie sprzedaży przepływomierzy ultradźwiękowych i Coriolisa stosowanych w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, produkcji żywności i napojów oraz farmaceutycznym. Czołowi światowi producenci, których się wymienia to: ABB Ltd. (Szwajcaria), Emerson Electric Co. (USA), Endress + Hauser AG (Szwajcaria), Yokogawa Electric Co. (Japonia), Siemens AG (Niemcy). Na pewno o każdym rodzaju przepływomierzy dostępnych na rynku warto coś napisać, pojawiają się nowe rozwiązania i materiały, z których się je wykonuje. Coraz częściej do zbierania wyników, kalibracji wykorzystuje się techniki cyfrowe. To otwiera drogę do nowych zastosowań. Jednak w zastosowaniach przemysłowych niektóre sposoby pomiaru mają więcej zalet w stosunku do innych.

 

Przepływomierze masowe Coriolisa

Tego typu przepływomierze są najopularniejsze w przemyśle. Nie wchodząc w szczegóły, w porównaniu z innymi zasadami pomiaru przepływu nie korzysta się tu z pomiaru prędkości, ilość lub różnicy ciśnienia, a zatem nie potrzebna jest korekcja gęstości i/lub temperatury oraz ciśnienia do wyznaczenia masy przepływu określonego strumienia płynu. Bezpośredni pomiar przepływu masy jest na ogół dokładniejszy. Na przykład w przepływomierzach termicznych, w których pomiar polega na zmierzeniu efektu schładzania podgrzewanego czujnika przez opływające go medium, to ich kalibracja jest zależna od wartości pojemności cieplnej czynnika. Odczyty mogą być zakłócane przez media o dużej wilgotności (na czujniku pomiarowym kondensuje się woda). To nie ma znaczenia w przypadku liczników przepływu wykorzystujących efekt Coriolisa. Jak mówi Jerzy Nagrodzki z firmy ZACH Metalchem, przepływomierze Coriolisa są bardzo dokładne, ale należą też do górnej półki cenowej. Prezentuje na przykład miniaturowy przepływomierz miniCori wyposażony w zawór odcinający. Nadają się one do odmierzania bardzo małych ilości cieczy, ale trzeba mieć na uwadze, że ze względu na małą średnicę rurki pomiarowej, ciecze o większej lepkości wymagają stosunkowo wysokiego ciśnienia na wlocie dla pokonania oporów przepływu.

mini_CORI-FLOW_MFM_white_zrodlo_Bronkhorst High-Tech_m

Zdjęcie: Bronkhorst High-Tech

Kompaktowe przepływomierze masowe Coriolisa firmy Bronkhorst High-Tech (przedstawicielem producenta jest Zach Metalchem) charakteryzują się bardzo niskimi zakresami pomiarowymi i przeznaczone są do pomiarów przepływu gazów i cieczy. Wykorzystano w nich opatentowany przetwornik optyczny, który zapewnia dokładny pomiar w zmieniających się warunkach, przy różnych mediach, ciśnieniach, lepkości i gęstości. Seria miniCORI-FLOW dostępna jest w wykonaniach ze zintegrowanymi zaworami regulacyjnymi, pompkami albo zaworami odcinającymi do dozowania. Ich zalety to – poza już wymienionymi – funkcja regulatora przepływu, funkcja dozowania, szybka odpowiedź i wysoka dokładność (± 0,2% odczytu). Obudowa IP65 z opcjonalnym certyfikatem ATEX do strefy 2 oraz dostępne wykonanie ATEX do strefy 1. Urządzenie komunikuje się analogowo oraz cyfrowo zgodnie ze standardami Profibus-DP, Modbus i DeviceNet. Inne cechy to: programowa zmiana zakresu pomiarowego, pomiar gęstości medium i temperatury.

Z kolei Krzysztof Sieminski z Emerson Process Management zwraca uwagę na przepływomierze masowe Coriolisa Micro Motion, a zwłaszcza na ich funkcję weryfikacji i diagnostyki przepływomierzy, która umożliwia użytkownikowi sprawdzenie stanu technicznego przepływomierza bez potrzeby jego demontażu z instalacji i zatrzymania procesu technologicznego. Jest to funkcja dodatkowa, bardzo praktyczna i ceniona przez klientów w przemyśle petrochemicznym. Taką funkcję mają przepływomierze serii CM i F. Jak mówi Sieminski, możliwość jednoczesnego wskazania pomiaru przepływu masowego, objętościowego, gęstości i temperatury plasuje przepływomierz Micro Motion w grupie nowoczesnych urządzeń wieloparametrowych. Od lat 90. pojawiły się wykonania przepływomierzy mniej kosztowne, które zaczęły zastępować tradycyjne przepływomierze (mechaniczne, turbinkowe, vortexy, magnetyczne, kryzowe, termiczne i inne) montowane w instalacjach przemysłowych.

Jak podaje firma Emerson, obecne stosowane metody sprawdzenia przepływomierzy wymagają wykorzystania sprzętu: miernika wzorcowego, przenośnego stanowiska kalibracyjnego (compact prover), wagi, wykwalifikowanych operatorów do obsługi, demontażu urządzenia i czasu. System zastosowany przez firmę upraszcza weryfikację przepływomierza Coriolisa, nie wymaga demontażu urządzenia, a porównanie aktualnych wskazań z ustawieniami fabrycznymi w trakcie pracy urządzenia trwa tylko 5 minut. Weryfikacja poprawności działania wykorzystuje lokalny wyświetlacz zamontowany na urządzeniu, oprogramowanie AMS Suite: Intelligent Device Manager lub program ProLink II. Wyniki testu sprawdzającego można przechowywać, śledzić i wyznaczać trendy w sposób ciągły oraz na przykład wygenerować raport.

Transmitter TRANSMAG2 with sensor 911E_Zrodlo_Siemens_m

Zdjęcie: Siemens

Warto wspomnieć, że pierwsze przepływomierze Coriolisa dla zastosowań przemysłowych wprowadziła na rynek światowy w 1977 roku firma Micro Motion (w skład grupy Emerson weszła w 1984 roku) i była wtedy jedyną firmą produkującą tego rodzaju przepływomierze na świecie. Można podkreślić, że przepływomierze Coriolisa w przeciwieństwie do tradycyjnych nadają się do wielu mediów, które nie mogłyby być mierzone tradycyjnymi metodami lub wskazania byłyby obarczone zbyt dużymi błędami. Chodzi o takie ciecze jak: aceton, amoniak, asfalt, atrament, benzen, czekolada, dwutlenek tytanu, gaz naturalny, glikol, masło orzechowe, mleko, olej opałowy, paliwo do silników odrzutowych, piwo, polimery i monomery, sok pomarańczowy, solanka, syrop, tlenek etylenu i woda (solanka).

 

Przepływomierze ultradźwiękowe

Kolejną grupą przepływomierzy, które systematyczne zyskują na świecie na popularności, to przepływomierze ultradźwiękowe. Przepływ mierzy się, porównując różnicę czasów przejścia fali ultradźwiękowej emitowanej naprzemiennie pomiędzy dwoma czujnikami zamontowanymi na rurociągu. W tej grupie można wyróżnić dwa typy urządzeń. Działające na zasadzie wykorzystania efektu Dopplera oraz takie, w których mierzy się czas przejścia impulsu ultradźwiękowego pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Zalety to pomiar bezkontaktowy nieingerujący w przepływ cieczy i łatwość montażu na istniejącej instalacji. Urządzenie pomiarowe nie ma części ruchomych, co podnosi trwałość. To dobre rozwiązanie na przykład tam, gdzie w instalacjach jest wysokie ciśnienie i ciecze są agresywne. Przepływomierze ultradźwiękowe zapewniają wysoką dokładność pomiaru i łatwiej je stosować nawet w dużych rurociągach, w których przepływomierze Coriolisa są kłopotliwe do zainstalowania i droższe. Równocześnie w dużych rurociągach warunki do wykonania pomiaru czujnikiem ultradźwiękowym są lepsze. Nieinwazyjny montaż to również brak oddziaływania cieczy na czujnik co na przykład ma miejsce w przypadku przepływomierzy turbinowych, zwężkowych (z kryzą) i wirowych.

MPP630_Zrodlo_ENKO-POMIAR_m

Zdjęcie: ENKO-POMIAR

Na rynku jest duży wybór modeli takich przepływomierzy. Na przykład firma ENKO-POMIAR (między innymi specjalizuje się w produkcji przepływomierzy ultradźwiękowych) ma w ofercie serię przepływomierzy Transit-Time (pomiar czasu przejścia) typu DMTF wykorzystującymi technologię MultiPulse. Jest to metoda cyfrowego przetwarzania sygnału zapewniająca dokładność pomiaru, wielofunkcyjność, oraz niezawodność. Jak podaje producent, przepływomierze mogą być stosowane do opomiarowania przepływu cieczy czystych, ale również zawierających niewielkie ilości ciał stałych oraz pęcherzyków powietrza. Zastosowanie to między innymi: inżynieria sanitarna, przemysł spożywczy, nadzór zużycia energii, gospodarka zasobami wodnymi, produkty petrochemiczne, chemikalia, przemysł farmaceutyczny itp. Często producenci przepływomierzy dodają do nich dodatkowe funkcjonalności. Tak jest też w tym przypadku. W omawianym to między innymi: wbudowana pamięć wewnętrzna o dużej pojemności oraz złącze USB do przenoszenia danych, funkcja ciepłomierza, konfigurowana z parą czujników temperatury Pt1000.

Fluxus F608 Zrodlo Flexim_m

Zdjęcie: Flexim

 

Z kolei firma Introl ma w ofercie przenośny przepływomierz do cieczy Fluxus F608 Ex (firmy Flexim), którego wykonanie dopuszcza stosowanie urządzenia w drugiej strefie zagrożenia wybuchem (certyfikat ATEX). Jak podaje firma, jest to aktualnie jedyny na rynku przenośny przepływomierz dający możliwość pracy bezpośrednio w strefie. Natomiast stacjonarne przepływomierze ADM8107 (Flexim) dedykowane są do pracy w strefach zagrożenia wybuchem (głównie strefa pierwsza) i w niekorzystnych warunkach otoczenia (obudowy ze stali nierdzewnej o podwyższonej odporności na korozję) na przykład w wiertnictwie morskim lub w kopalniach. Porty komunikacji HART, ModBus i RS485 pozwalają na połączenie przepływomierzy Fluxus z systemem sterowania lub regulacji. To oczywiście tylko wybrane przykłady z oferty rynkowej.

 

Inne

Labo-XF Zrodlo_ GHM Honsberg_m

Zdjęcie: GHM Honsberg

Każdy sposób pomiaru przepływu ma zastosowaniach przemysłowych swoje zalety i wady. Nie wszędzie potrzebujemy dużych dokładności i wyjątkowej trwałości urządzenia. Czasem priorytetem jest dla nas cena. Jako przykład urządzenia z tzw. dolnej półki cenowej Jerzy Nagrodzki podaje znajdujący się w ofercie firmy ZACH Metalchem przepływomierz Labo-XF, głównie do wody, produkowany przez GHM Honsberg. Działa na zasadzie odchylania elastycznej przesłony umieszczonej w strumieniu przepływającej wody. Stopień odchylenia mierzony jest elektronicznie. To urządzenie raczej do pomiaru małych wartości przepływu. W przypadku przepływomierzy zwężkowych ich podstawowym ograniczeniem jest inwazyjność metody pomiaru. W rurociągu umieszczony jest element spiętrzający i mierzy się różnicę ciśnień pomiędzy stroną dopływową i odpływową. W przepływomierzach z kryzą, zanieczyszczenia zawarte w mierzonej cieczy mogą wpływać na jej szybsze zużycie. Poza zwężeniem średnicy rury umieszczone w nim czujniki też narażone są na działanie cieczy. Problemem jest dokładność wykonania i montaż oraz związane z tym koszty.

GoH-f887-151308_Zrodlo Siemens_m

Zdjęcie: Siemens

Z kolei przepływomierze elektromagnetyczne mogą mierzyć przepływ cieczy przewodzących prąd. Jest to ograniczenie, choć przewodnictwo cieczy może być na poziomie setnych części μS. Zalety to brak zależności pomiaru od ciśnienia, gęstości, temperatury i lepkości medium. Nie ma w nich części ruchomych oraz brak ingerencji w rurociąg. Można instalować je nawet na rurociągach o małej średnicy. Często stosuje się je w aplikacjach, w których występuje środowisko korozyjne na przykład produkty chemiczne, ścieki. Ostatnio więcej mówi się o przepływomierzach kalorymetrycznych, w których pomiar prędkości odbywa się przez pomiar różnicy temperatur mierzonych po obu stronach grzejnika umieszczonego na rurociągu. Przykładem takiego urządzenia jest Siemens Sitrans FM MAG 1100 do zakresu średnic DN10 – 100. Zalecany również do mediów agresywnych. Wykonanie (wykładzina, elektrody) to ceramika/platyna lub PFA/Hastelloy C276. Wyposażony jest w duży wybór złączy procesowych.

Przepływomierze termiczne (tak jak Coriolisa) mierzą masowe natężenie przepływu. Jednak są od nich mniej dokładne. Wykorzystuje się je praktycznie raczej w pomiarach przepływu gazów. Z kolei, jeśli chodzi o przepływomierze pływakowe, czyli tzw. rotametry (opatentowane przez niemieckiego producenta Rota – obecnie Rota-Yokogawa – stad nazwa rotametr) ważne jest właściwe dobranie. Zasada pomiaru: w pionowej szklanej rurze rozszerzającej się ku górze umieszczony jest pływak. Medium wprowadza się od dołu, co powoduje unoszenie pływaka do położenia, w którym zrównoważą się siły ciężkości pływaka, siła tarcia o pływak przepływającego płynu i siła wyporu. Dlatego trzeba poznać proces, w którym zamierzamy monitorować przepływ w ten sposób. Zaletą rozwiązania jest niska cena, ale też ograniczona dokładność pomiarów. W przypadku takiego sposobu pomiaru dla cieczy o dużej lepkości wynik może być zawyżony, bo ciecz oblepia pływak. Obecnie nawet w tego rodzaju urządzeniach można pobierać sygnał elektryczny informujący o wartości odczytu, co pozwala na wprowadzenie automatyki.

 

Wybór przepływomierzy jest duży. Przy czym nawet stosunkowo proste konstrukcje są uzupełniane obecnie o dodatkowe funkcje. Coraz częściej standardem są urządzenia z autodiagnostyką i diagnostyką środowiska, w jakim pracuje czujnik miernika. Na przykład ultradźwiękowe pozwalają wizualizować profilu przepływu oraz analizować rodzaje zanieczyszczeń. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów i technologii cyfrowych (wyposażenie w interfejsy do komunikacji) są nie tylko trwalsze i odporne na uszkodzenia, ale można je wykorzystać w systemach automatyzacji procesów produkcyjnych.

 

Autor: Bohdan Szafrański

 

Artykuł pochodzi z dodatku Ważenie, Odmierzanie, Dozowanie, który ukazał się z czasopismem Główny Mechanik 2/2015

Okladka GM2 i Dodatek 600x417

Authors

Related posts

Góra
English