Dobór przepływomierza ? zasady ruchu

Wybór odpowiedniego urządzenia dla konkretnej aplikacji zwykle wymaga poświęcenia mnóstwa czasu, co bezpośrednio i pośrednio przekłada się na pieniądze. Nie inaczej jest w przypadku doboru przepływomierza przeznaczonego do pomiaru płynów, to znaczy cieczy lub gazów. Korzystając z dużej wiedzy i solidnej praktyki, pokażemy, jak dobrać przepływomierz, by zaoszczędzić czas i ustrzec się błędów. 

W katalogach producentów najczęściej podawane są podziały przepływomierzy ze względu na zasadę działania, natomiast użytkownika bardziej interesuje, czy może go zastosować do konkretnego medium oraz jaki wynik uzyska się w konkretnych warunkach zastosowania.

"Dla użytkownika przepływomierza mniej istotna jest zasada działania, natomiast bardziej istotna jest reprezentatywność pomiaru"

Przyszły użytkownik przepływomierza wie, jakie medium chce mierzyć i jaka jest żądana dokładność pomiaru, by wynik pomiaru był adekwatny do dalszego przetwarzania. Nie wie, jaki przepływomierz spełni te wymagania i jednocześnie sprawdzi się w konkretnych warunkach aplikacyjnych. Jakie są typowe podejścia do tego zagadnienia?

Podstawowym kryterium często stosowanym jest minimalna cena. Zwykle jednak bierze się pod uwagę tylko cenę zakupu przepływomierza, nie zwracając uwagi na koszty związane z instalowaniem, eksploatacją, usuwaniem ewentualnej awarii i stratami technologicznymi.

 W wielu przypadkach kupowany jest przepływomierz tego samego typu, który już jest stosowany w danym zakładzie. Zaletą tego rozwiązania jest to, że personel jest przygotowany do obsługi, napraw, znane są niepewności pomiaru. Jeżeli jednak nowy przepływomierz ma być zakupiony do obsługi nowej lub zmodyfikowanej technologii, to po bardziej szczegółowej analizie może okazać się, że lepszy byłby inny typ.

W innym przypadku, gdy chcemy np. ograniczyć straty na pompowanie związane ze stosowaniem przepływomierza zwężkowego, należy wybrać przepływomierz bezkontaktowy, dla którego strat tych nie będzie.

Gdy uruchomiana jest nowa technologia lub pojawia się nowe zadanie, wybierany jest przepływomierz, jaki jest w tym czy innym zakładzie stosowany do tego typu zadania. Wychodzi się tu z założenia, że skoro gdzieś przyrząd sprawdził się, to bez głębszej analizy u nas też będzie działał prawidłowo ? i to wystarczy.

Również czasami korzysta się z gotowego diagramu, gdzie na podstawie warunków pomiaru wybiera się przepływomierz uważany za odpowiedni. Tu trzeba pamiętać, że nawet najstaranniej przygotowany diagram czy nawet bardzo złożony system ekspertowy nie jest pisany z myślą o wszystkich użytkownikach, a co najwyżej o pewnym zakresie użytkowników. Diagram taki stanowi duże wsparcie we wstępnym rozeznaniu się, ale konkretne warunki wymagają bardziej szczegółowego podejścia.

Stosowany jest także dobór optymalny intuicyjny (heurystyczny), który na podstawie znanych wymagań i ofert rynkowych może być z powodzeniem dokonany przez doświadczonego specjalistę, jednak brak będzie ilościowego uzasadnienia dokonanego doboru.

Jeszcze innym podejściem jest dobór optymalny ze sformułowaniem funkcji celu, która będzie optymalizowana, np. funkcja kosztów, które będą minimalizowane, lub funkcja zysków z zastosowania przepływomierza w określonym miejscu, które będą maksymalizowane.

Aby przyszły pomiar był reprezentatywny, trzeba starannie dobrać urządzenie pomiarowe. Dobór przepływomierza jest zdecydowanie trudniejszy niż wybór czujnika temperatury czy ciśnienia, dlatego przeprowadza się go w kilku etapach, które poniżej prezentujemy.

Eliminacja ze względu na medium

Pierwszym etapem jest analiza, która prowadzi do eliminacji tych przepływomierzy, które ze względu na zasadę działania nie nadają się do pomiaru danego medium, a której można dokonać za pomocą tabeli 1.

W tabeli ujęto wszystkie podstawowe cechy medium, każde jednak może mieć swoją specyfikę. Dla przykładu, przy korzystaniu z przepływomierzy ultradźwiękowych, trzeba uważać na obecność pęcherzyków gazu lub cząsteczek ciał stałych. Stosowanie przepływomierza ultradźwiękowego z pomiarem czasu przejścia impulsu ultradźwiękowego może okazać się nieefektywne ze względu na zwiększone tłumienie fali ultradźwiękowej i w konsekwencji zbyt małą amplitudę sygnału dochodzącego do odbiornika. Z kolei stosowanie przepływomierza ultradźwiękowego z wykorzystaniem zjawiska Dopplera wymaga istnienia cząstek rozpraszających falę ultradźwiękową ? czyli tzw. posiewu.

Ważne cechy medium wzięte pod uwagę przy tworzeniu tabeli 1.:

• Gęstość ? określana jako stosunek masy do objętości (kg/m³). Ta wielkość jest istotna w przypadku, kiedy w wyniku pomiaru chcemy określić wielkości masowe przepływającej cieczy, to znaczy strumień masy lub masę, jaka przepłynęła w określonym czasie (dozowanie, rozliczanie, mieszanie w odpowiednich proporcjach wagowych). Ponieważ gęstość zmienia się pod wpływem temperatury, to w przypadku, gdy nie można zapewnić stałej temperatury, należy stosować układy kompensujące zmieniającą się gęstość.
• Temperatura ? jest bardzo ważnym parametrem, bowiem powoduje zmianę gęstości i lepkości płynu. Z kolei lepkość wpływa na liczbę Reynoldsa i tym samym na kształt rozkładu prędkości.
• Ciśnienie ? parametr ten ma inne znaczenie w przypadku cieczy, natomiast większe w przypadku gazów. Ciecze zazwyczaj są nieściśliwe, dlatego wpływ ciśnienia na wynik pomiaru jest pomijalny. Inaczej jest w przypadku gazów, gdzie ma ono zasadniczy wpływ na gęstość gazu, co w konsekwencji prowadzi do zmiany objętości. Nieuwzględnienie tego czynnika w przypadku przepływomierzy mierzących strumień objętości (np. ultradźwiękowe) sprawia, że pomiar jest niewiarygodny. Jak można temu zapobiec? Potrzebny jest pomiar odniesienia lub dodatkowy pomiar ciśnienia i temperatury, pozwalający na sprowadzenie wyników do warunków normalnych ? szczególnie ważne ze względu na rozliczenia.
• Lepkość ? ma bardzo duży wpływ na wynik pomiaru (np. w przypadku przepływomierza turbinowego) i dlatego przepływomierz należy wzorcować dla takiej lepkości, w jakiej ma pracować. W przypadku, gdy mamy do czynienia ze zmienną temperaturą, a tym samym zmienną lepkością, należy stosować odpowiednie układy kompensujące wpływ zmiennej lepkości na wynik pomiaru. Są one proste i sprowadzają się do wprowadzenia odpowiedniej korekty wyniku pomiaru wyliczonej na podstawie znanej temperatury ? temperaturę trzeba zmierzyć. Lepkość zmienia się także w przypadku zmiany składu płynu. Trzeba na to uważać, szczególnie dlatego, że kompensacja w tym przypadku już nie jest taka prosta.
• Liczba Reynoldsa ? określa w sposób jednoznaczny charakter przepływu wiążąc ze sobą: gęstość, lepkość, prędkości przepływui rozmiar rurociągu. Dowolny stan przepływu czynnika jest zawsze jednoznacznie określony przez liczbę Reynoldsa. Mała liczba oznacza przewagę sił lepkości nad siłami bezwładności, duża zaś przewagę sił bezwładności nad siłami lepkości. Należy przyjmować, że dla Re < 2320 mamy do czynienia z przepływem laminarnym, a dla Re > 3 000 do 10 000 z przepływem turbulentnym.

Zapewnienie wymagań pomiarowych

Drugim etapem jest wybranie tych przepływomierzy, które zapewnią wymagania pomiarowe: dokładność, niezawodność, możliwość współpracy z układem automatyki w danych warunkach pomiarowych. Ustalenie warunków pomiarowych oznacza jednoznaczne określenie: jaka jest wielkość mierzona (prędkość, strumień objętości, strumień masy, objętość, masa), jakimi cechami charakteryzuje się przewód (częściowo wypełniony, całkowicie, poziomy, pionowy, skośny, jaka jest dostępność do przewodu) oraz jakie są cechy procesu (temperatura, ciśnienie, wymagania sanitarne, wybuchowe, jaka jest wymagana częstotliwość wykonywania pomiaru ? czy przetwornik nadąży? Jaka jest dynamika procesu, jaki jest zakres wskazań: min. ? max). Wskazanie zakresu jest ważne z uwagi na dobranie odpowiedniej klasy dokładności przyrządu.

Określenie wielkości przepływu może być wykonane prostymi metodami bez większego wysiłku przed zakupem przepływomierza. Gwarantuje to prawidłowy dobór urządzeń, zapewnia ich prawidłową późniejszą pracę oraz zapobiega powstawaniu sytuacji, kiedy, po zamontowaniu przepływomierza, okazuje się, że przepływ jest zbyt mały, aby można go mierzyć zakupionym urządzeniem.

Spełnienie wymagań zależy od sposobu działania przepływomierza, od wersji i sposobu wykonania konkretnego urządzenia; a do tego etapu doboru przepływomierza można posłużyć się stworzonym narzędziem, w postaci tabeli 2.

Analiza ta prowadzi do określenia metody pomiarowej, co znów zawęża liczbę typów przepływomierzy branych pod uwagę w dalszych etapach, a od dokładności tej analizy zależy zapewnienie przyszłej reprezentatywności pomiaru. Dla przypomnienia reprezentatywność to sposób oceny pomiaru ze względu na ilość i jakość informacji, jaką przekazuje on o wielkości mierzonej. Reprezentatywność nie jest cechą stałą urządzenia pomiarowego, ponieważ zależy zarówno od cech wielkości mierzonej, jak i od warunków, w jakich wykonywany jest pomiar.

Tak jak w przypadku pomiaru temperatury w pokoju ? rozkład prędkości w przewodzie zamkniętym lub otwartym nie musi być równomierny. Gdy zastosujemy przepływomierz zwężkowy lub elektromagnetyczny, sygnał wyjściowy będzie mniej lub bardziej odpowiadał temu, co dzieje się w całym przekroju przepływowym. Dla zwężki o dużym przewężeniu (stosunek średnicy otworu do średnicy rurociągu) struga nie będzie miała odpowiedniej kontrakcji i wynik pomiaru strumienia objętości na podstawie zmierzonego ciśnienia różnicowego będzie zaniżony ? sygnał ciśnienia różnicowego będzie niereprezentatywny dla strumienia objętości w rurociągu.

Podobnie dla przepływomierza elektromagnetycznego ze stałą wartością indukcji w przekroju przepływowym ? napięcie mierzone na elektrodach będzie bardziej zależne od prędkości strug, które są bliżej średnicy, w której są umieszczone elektrody, niż od prędkości strug położonych dalej od tej średnicy. Aby zapewnić reprezentatywność sygnału wyjściowego stosuje się pole niejednorodne ? im dalej od średnicy z elektrodami indukcja pola magnetycznego jest większa.

Wybór dostawcy

Na tym etapie powinniśmy mieć już określone warunki konieczne, ale nie są to zwykle warunki wystarczające. Z pośród całej gamy przepływomierzy pozostał jeden lub kilka typów i teraz trzeba wybrać dostawcę, który dostarcza ten typ przepływomierza w wersji najbardziej dla nas odpowiedniej, tzn. przystosowanej do pracy w istniejącej sieci i wygodny w obsłudze.

Cechy wygody obsługi i utrzymania to np.: wymiana, montaż, kalibracja, interfejs użytkownika i wewnętrzna pamięć danych. Cechami przystosowania do istniejącej sieci mogą być np. dostępne interfejsy cyfrowe lub sposób zasilania urządzenia.

Należy także rozważyć kwestie instalacyjne ? szczególnie istotna jest średnica rurociągu, gdyż parametr ten decyduje o średnicy nominalnej czujnika pomiarowego. Montaż układu pomiarowego zależy od lokalizacji urządzenia pomiarowego względem rurociągu, pozycji montażowej przepływomierza, drgań rurociągu i sposobu zasilania.

Ta kwestia jest tu tylko zasygnalizowana, gdyż jest to temat właściwie na osobny artykuł.

Analiza kosztów

Czwartym etapem jest wstępna analiza kosztów ? zarówno zakupu przepływomierza, jak i jego zainstalowania oraz eksploatacji. Waga kosztu eksploatacji rośnie wraz z przewidywaną długością okresu użytkowania. Inaczej się go liczy, jeżeli producent gwarantuje niezawodną pracę przepływomierza przez 5 lat, inaczej w przypadku 25 lat. Jaka jest żywotność przepływomierzy danego producenta? Jaki serwis gwarantuje dostawca? Kosztem proporcjonalnym do czasu eksploatacji jest koszt związany z trwałą stratą ciśnienia na urządzeniu pierwotnym przepływomierza, co ma miejsca np. w przypadku przepływomierzy zwężkowych, turbinowych, a nie dotyczy przepływomierzy elektromagnetycznych czy ultradźwiękowych.

Ponadto trzeba zwrócić uwagę na cały szereg czynników implikujących koszt. Decyzję o wyborze metody pomiarowej można przeliczyć na złotówki. Przepływomierze całoprzewodowe mierzą dokładniej, ale w ich przypadku trzeba liczyć się z większymi kosztami instalacji, konserwacji i napraw poawaryjnych. Należy więc zastanowić się, jaka dokładność jest wymagana. Może lepiej zdecydować się na przepływomierz próbkujący, który nie jest tak dokładny, ale tańszy w eksploatacji? A jaka powinna być dokładność przepływomierza? Wcale nie największa ? ale najmniejsza, jaka jest wystarczająca.

Kolejnym pytaniem, jakie należy sobie zadać to: czy wymagany jest pomiar ciągły? Dla potrzeb regulacji na przykład, czy wystarczy wykonywać pomiary sporadycznie, np. za pomocą metod bezinwazyjnych? Czy w przypadku awarii przepływomierza trzeba zatrzymać przepływ, a co gorsza opróżnić rurociąg z cieczy (przepływomierze elektromagnetyczne, zwężkowe i turbinowe)? Czy trzeba wyciągnąć sondę z rurociągu (turbinowe, elektromagnetyczne, spiętrzające)? Czy wystarczy zdjąć z rurociągu głowice (niektóre przepływomierze ultradźwiękowe)? Jakie są wymagania co do długości prostych odcinków przewodu przed i za przepływomierzem? Uwaga: wymagania co do długich odcinków mogą wiązać się z koniecznością przebudowy instalacji. Jaka jest charakterystyka niepewności?Czy niepewność jest stała w całym zakresie pomiarowym, czy jest mniejsza na początku zakresu pomiarowego? Odpowiedź na każde z postawionych tu pytań ma konsekwencje finansowe.

Etap piąty

Na tym etapie powinny już pozostać dwa, trzy rodzaje przepływomierzy i aby dokonać wyboru pomiędzy nimi należy dokonać analizy porównawczej według zaproponowanego wskaźnika, analizy, która pozwoli podjąć ostateczną decyzję.

W celach porównawczych do oceny przepływomierzy należy zastosować wskaźnik: 

gdzie: i ? i-ta cecha j-tego przepływomierza, kij ? ocena i-tej cechy przepływomierza, wij ? współczynnik wpływu wyrażający ważność danej i- -tej cechy w określonych warunkach, aij ? współczynnik przyjmujący wartość 1, gdy j-ty przepływomierz może być w danych warunkach stosowany ze względu na daną cechę, oraz wartość 0, gdy nie może być stosowany.

Cechy przepływomierza, jakie powinny być brane pod uwagę, zależą od warunków pomiaru, w jakich przepływomierz ma być stosowany. Inne cechy będą istotne dla pomiaru w rurociągu, inne w przypadku pomiaru w kanale otwartym.

Przykład

Dla przykładu posłużymy się zestawieniem cech branych pod uwagę w procesach hutniczych i wyglądałoby ono następująco:

1) niezawodność,

2) dokładność,

3) zakresowość (dynamika zakresu), czyli stosunek możliwej maksymalnej wartości wielkości mierzonej do wartości minimalnej,

4) powtarzalność wskazań,

5) rodzaj płynu (ciecz jednorodna lub z wtrąceniami ciała stałego lub gazu, gaz czysty lub gaz zawierający pył),

6) wielkość mierzona (wymagana lub niewymagana znajomość gęstości płynu przy pomiarze strumienia objętości lub strumienia masy),

7) wartość trwałego spadku ciśnienia,

8) wpływ temperatury na urządzenie pierwotne (czujnik) i urządzenie wtórne (przetwornik pomiarowy) przepływomierza,

9) wpływ zanieczyszczeń na urządzenie pierwotne (czujnik) i urządzenie wtórne (przetwornik pomiarowy) przepływomierza,

10) wpływ drgań (odporność mechaniczna),

11) zakres średnic rurociągu, dla jakiego dany przepływomierz może być stosowany,

12) wpływ rozkładu prędkości na błąd przepływomierza,

13) wymagania okresowego wzorcowania,

14) wymagania obsługi,

15) możliwość instalowania i napraw bez zatrzymywania pracy rurociągu,

16) przenośność.

Cechy charakteryzujące przepływomierze zgodnie ze swoją naturą są określane za pomocą skali ciągłej lub skwantowanej. Na przykład niezawodność, której miarą może być średni czas pracy między naprawami, jest wielkością ciągłą, natomiast dokładność charakteryzowana klasą dokładności jest wyrażona wartościami skwantowanymi: 0,2; 0,5; 1. W poradnikach (np. Flow Measurement: practical guides for measurement and control, D. W. Spitzer; editor ISA, Research Triangle Park, 1991; Process Measurement and Analysis, volume I, Béla G. Lipták Editor ? in ? Chief, ISA, Boca Raton, London, New York, Waschington D. D., 2003) cechy podawane są opisowo: słaby, wystarczający, średni, dobry.

Aby móc porównywać przepływomierze liczbowo, należy cechom kij przypisać wartości liczbowe od 0 do 3, co praktycznie jest wystarczająco różnicujące. Wartość 3 oznacza cechę pozytywną na maksymalnym poziomie. Wartości współczynników wagowych wij są dobierane przez potencjalnego użytkownika przepływomierza (technolog, automatyk, pomiarowiec, handlowiec sprzedający produkt) i przyjmują wartości tym większe, im dana cecha jest ważniejsza dla użytkownika. Na przykład dla dokładności w przypadku stosowania przepływomierza do rozliczeń materiałowych współczynnik wagi będzie miał największą wartość, natomiast gdy chodzi o zastosowanie przepływomierza w układzie regulacji poziomu cieczy w zbiorniku, dokładność przepływomierza nie będzie tak istotna. Skala wartości współczynników wij może być dwustopniowa (0, 1), trójstopniowa (0, 1, 2) lub jeszcze bardziej zróżnicowana ? np. pięciostopniowa. Wartość wij = 0 oznacza, że ta cecha nie jest wcale ważna dla użytkownika. Współczynniki aij przyjmują wartość 1, gdy ze względu na daną cechę przepływomierz może być stosowany i 0, gdy to jest niemożliwe; np. przepływomierz elektromagnetyczny ze względu na cechę 6 (wielkość mierzona) nie może być stosowany dla gazu i dla cieczy nieprzewodzącej prąd elektryczny. Mimo że ma szereg cech korzystnych, jeden z czynników iloczynu będzie 0, co oznacza, że dla danego zastosowania nie nadaje się.

Współczynniki aij są wprowadzone w celu wyeliminowania tego przepływomierza, który nie spełnia choćby jednej z pożądanych przez użytkownika cech. Na przykład gdy potrzebujemy przepływomierza przenośnego, to zarówno zwężkowy, jak i elektromagnetyczny, które są przepływomierzami całoprzewodowymi (turbina wbudowana w rurociąg i obejmująca cały przekrój przewodu, elektromagnetyczny wbudowany jako segment rurociągu), nie mogą być stosowane. Natomiast sonda z czujnikiem elektromagnetycznym może być stosowana, gdy medium jest przewodzące. Gdy medium jest nieprzewodzące (benzyna, gaz), to może być stosowana sonda z czujnikiem turbinowym. Przyporządkowanie punktów cechom jest takie, aby pozytywnym ocenom odpowiadały większe dodatnie liczby. Wobec tego im wskaźnik przyjmie większą wartość, tym dany przepływomierz dla określonych warunków stosowania jest lepszy. Porównywać można przepływomierze na podstawie różnicy wartości miedzy wskaźnikami, ale lepsze jest porównywanie ilorazów. W przypadku, gdy wiele cech nie jest ważnych i współczynniki wagi będą wynosiły 0, to wartości wskaźników Qj będą małe, a więc różnice też małe, natomiast stosunek wartości wskaźników będzie lepiej oddawał to, który (w tym przypadku ? ile razy) przepływomierz jest lepszy.

W tabeli 3 dokonano praktycznego porównania dwóch przepływomierzy, jakie mogą być zastosowane do pomiarów strumienia masy gazów odlotowych w procesie tlenowo- konwertorowym w hucie, gdzie średnica rurociągu wynosi 2 metry, gaz po oczyszczalni jest bardzo wilgotny i nie zawsze wystarczająco odpylony. Wzięto pod uwagę kryzę segmentową i uśredniającą rurkę spiętrzającą.

Gdyby zsumować wartości cech kij dla kryzy segmentowej, to otrzymamy 33, natomiast dla uśredniającej rurki spiętrzającej ? to wartość ta wynosi 30, a wiec stosunek tych sum wynosi 1,1. Można wiec powiedzieć, że kryza segmentowa jest 1,1 razy lepsza, niż uśredniająca rurka spiętrzająca. Obliczając wskaźnik uwzględniający warunki pracy przepływomierza (czyli według wzoru) otrzymuje się odpowiednio 59 i 49, co daje iloraz 1,2, czyli dla tych konkretnych warunków kryza segmentowa jest jeszcze lepsza.

Uwaga na znaki

Zasady ruchu zostały określone precyzyjnie, ale podobnie jak z zasadami ruchu drogowego, które nie mówią, jak i gdzie jechać, a jedynie pozwalają na swobodne poruszanie się w ramach tych zasad. Nie jest to algorytm ? czasami trzeba będzie wrócić się iteracyjnie do któregoś z punktów. Ważne jest, by uważać na znaki i uwzględnić wszystkie czynniki: wielkość i parametry mierzonego medium, konfigurację odcinka pomiarowego i warunki pomiaru. Niezbędna jest także wiedza, do czego potrzebny jest wynik pomiaru, ponieważ ma to ogromny wpływ na wymagania wobec urządzenia pomiarowego. Uwaga: jeden fałszywy ruch? i wyrzucimypieniądze w błoto.

ce

Kilka słów o autorach

Dr hab. inż. Stanisław Waluś

Ukończył Wydział Automatyki Politechniki Śląskiej, uzyskując dyplom inżyniera elektryka automatyka. Obecnie pracuje w Zakładzie Systemów Pomiarowych Instytutu Automatyki na Politechnice Śląskiej.

Jest współautorem opracowania przepływomierza ultradźwiękowego produkowanego przez firmę SONIX oraz głównym współautorem Polskiej Normy PN-M-42370: 1998 Pomiar strumienia ob- jętości w przewodach. Przepływomierze ultradźwiękowe.

Jako inżynier brał udział przy wdrożeniach:

• automatyzacja procesu tlenowo-konwertorowego w Hucie im. Lenina w Krakowie,
• projekt układu sterowania systemu wodno-gospodarczego GOP.

Jako pracownik naukowy: autor i współautor ponad stu publikacji naukowych i dydaktycznych oraz podręcznika akademickiego ?Przepływomierze ultradźwiękowe. Metodyka stosowania?, monografii ?Optymalizacja metrologiczna pomiaru strumienia płynu za pomocą przepływomierzy próbkujących? ? wydanych w 1997 i 2003 roku przez Wydawnictwo Politechniki Śląskiej.

Mgr inż. Witold Krieser

Obecnie odbywa studia doktoranckie na Politechnice Śląskiej z zakresu przepływomierzy próbkujących. Ukończył Wydział Automatyki Politechniki Śląskiej, uzyskując dyplom magistra inżyniera automatyka ? specjalność systemy pomiarowe. Jest redaktorem i właścicielem pierwszego w Polsce serwisu energoelektroniki:

www.energoelektronika.com.pl