Co przepływa przez tę rurę? Co naprawdę mówi ci przepływomierz?
W większości zastosowań do oznaczenia ilości płynu przepływającego przez rurę wykorzystuje się pomiar wolumetryczny. Będą to prawdopodobnie jednostki objętości na jednostki czasu, np. litry na minutę, jeśli dany płyn jest cieczą. Jeśli jest gazem, należy dodać dodatkowe kwalifikatory. Gdy mówimy: metr sześcienny normalny na godzinę (Nm3/H), istnieje określony zbiór temperatur i ciśnień roboczych.
Zdarzają się jednak sytuacje, gdy potrzebujemy, by wynik pomiaru podawany był w jednostkach masy. Chcemy znać liczbę kilogramów na jednostkę czasu, a nie objętości. Podczas np. pompowania paliwa do zbiorników samolotu ilość paliwa mierzy się w kilogramach, ponieważ objętość paliwa do silników odrzutowych w dużym stopniu zależy od temperatury i ciśnienia.
Większość przepływomierzy mierzy objętość, wykorzystując jedną z trzech metod:
- pomiar objętości, jak to ma miejsce w przypadku przepływomierza wypornościowego,
- pomiar prędkości, jak w przypadku przepływomierzy magnetycznych, gdzie prędkość strumienia mnoży się przez jego przekrój,
- wnioskowanie, gdy na podstawie innego pomiaru ? na przykład różnicy ciśnienia przy znanej przeszkodzie ? oblicza się faktyczną objętość.
Wszystkie te metody mogą się sprawdzać w odpowiednich warunkach, jednak mają też swoje wady.
Jeśli potrzebny jest nam pomiar masowy, mamy do wyboru dwie główne technologie: Coriolisa i pojemność termiczną. Technologia Coriolisa jest jedną z bardziej skomplikowanych i polega na obserwacji, jak przepływający płyn powoduje przesunięcie fazowe w wibrującej rurce. Dostępne w handlu urządzenia Coriolisa mogą podawać odczyt przepływu masowego, temperatury i gęstości. Mogą podać natywną wartość masy lub odczyt wolumetryczny na podstawie masy i gęstości (patrz schemat).
Przepływomierze wykorzystujące pojemność termiczną ogrzewają dane ciało i określają przepływ na podstawie szybkości, z jaką ciepło jest przesyłane do płynu i przez niego absorbowane. Prędkość przenoszenia ciepła zależy od masy, nie od objętości.
Przepływomierze masowe działają równie dobrze z gazami, jak z cieczami… w teorii. W praktyce przepływomierze wykorzystujące pojemność termiczną rzadko stosuje się do płynów, chyba że są bardzo małe. Przy większych ilościach cieczy przenoszenie ciepła jest zbyt skuteczne, a jego ilość, jaką trzeba byłoby dostarczyć do strumienia cieczy, musiałaby być ogromna.
Kiedy więc potrzebna jest nam objętość, a kiedy masa? Objętość będzie prawdopodobnie potrzebna w większości sytuacji, dlatego właśnie większość urządzeń zalicza się do tej kategorii. Jeśli próbujecie monitorować proces, substancja przepływająca przez rurę nie powinna ulegać większym zmianom. Jeśli warunki są stosunkowo stabilne, prawdopodobnie nie wystąpią większe wahania prędkości przepływu, temperatury czy gęstości. Jeśli można kontrolować czynniki destabilizujące odczyty, takie jak turbulencje spowodowane przez nieprawidłowy skonstruowany rurociąg, przepływ dwufazowy itp., to odpowiedni przepływomierz objętościowy może być bardzo dokładny.
Zastosowania wymagające odczytu masy faktycznej zazwyczaj związane są z płynami o dziwnych charakterystykach, paliwami ciekłymi (patrz przykład z paliwem do silników odrzutowych), krytycznymi stosunkami stechiometrycznymi lub gazami. Przepływomierze Coriolisa mogą powiedzieć wam, jaka jest zawartość cukru w soku lub alkoholu w piwie poprzez obliczenie ciężaru właściwego. Mogą także pomóc określić zawartość energetyczną ropy naftowej i gazu ziemnego, ale to raczej wyspecjalizowane zadania.
Prawdziwe zalety pomiaru przepływu masowego ujawniają się w przypadku gazów. Pomiar wolumetrycznego przepływu czegoś, co jest ściśliwe, zależy od zrozumienia leżących u podstaw warunków temperatury i ciśnienia. Dlatego właśnie mamy specyfikacje takie jak Nm3/H. Można przeprowadzać pomiary przepływu wolumetrycznego, ale wymaga to pomiaru ciśnienia i temperatury, który dostarczy korekt do odczytu wolumetrycznego. W przypadku korzystania z rotametru konieczny może się okazać więcej niż jednorazowy pomiar ciśnienia. Da się to zrobić, ale jest to skomplikowane. Odczyt masy jest o wiele prostszy i można go przeliczyć na objętość.
Peter Welander jest kierownikiem ds. treści współpracującym z Control Engineering.
CE