Jeżeli ostatnio nie oglądali Państwo przepływomierzy, możecie być zdziwieni, jak dalece rozwinęło się w ostatnich latach wiele technologii czujników i przetwarzania sygnałów.
Podczas gdy niektóre przepływomierze zmieniły się niewiele w ciągu ostatnich 50 lat, to w innych dokonano istotnych ulepszeń. Niektóre najważniejsze zmiany dotyczą elektroniki i zaawansowanej diagnostyki, czyniąc przepływomierze o wiele bardziej użytecznymi w układach automatyki i sterowania procesami technologicznymi.
Duża część rynku aparatury pomiarowej w ciągu ostatnich dwóch lat jest dosyć płynna z powodu skomplikowanych warunków ekonomicznych, dlatego przewidywania, które typy czujników przepływowych zyskają, a które stracą na praktycznym znaczeniu bardzo się różnią. Jednak analitycy tego rynku wydają się mieć zgodną opinię, że te typy, w których wystąpiły ulepszenia technologiczne ? takie jak przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe, ultradźwiękowe, Coriolisa i wirowe ? stają się bardziej popularne, podczas gdy niektóre inne tradycyjne czujniki przepływu ? takie jak turbinkowe i wyporowe ? tracą popularność. Przyjrzyjmy się pewnej grupie przepływomierzy, przeanalizujmy ich ogólne charakterystyki i zobaczmy niektóre najnowsze ulepszenia.
Różnicowo-ciśnieniowe to standard
Wszystkie przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe działają na tej samej prostej zasadzie: spadek ciśnienia na zwężeniu jest wprost proporcjonalny do natężenia przepływu. Mogą być projektowane ze specjalnymi charakterystykami, aby zapewnić jak najlepsze wyniki w szerokim zakresie zastosowań, włącznie z pomiarami przesyłu do celów rozliczeniowych, sterowanie procesami i monitoring. Przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe są łatwe do kalibracji, co zmniejsza koszty konserwacji, często na tyle, że uzasadnia to wymianę starych na nowsze ? bardziej wyrafinowane.
Postępy w dziedzinie technologii przepływomierzy różnicowo-ciśnieniowych obejmują zarówno czujnik pomiarowy, jak i przetworniki. Nawet w podstawowych kryzach pomiarowych, stanowiących od dawna standardowe rozwiązanie w przemyśle, wprowadzono szereg udoskonaleń:
- Kryzy pomiarowe kondycjonujące strumień wymagają krótszego prostoliniowego odcinka przed i za miernikiem, nadal zapewniając pierwszorzędne osiągi pomiarowe.
- Ulepszone technologicznie kryzy ułatwiają montaż bezpośrednio w przetworniku oraz w istniejących kołnierzach z wysuniętym do góry czołem.
- Uśredniające rurki Pitota, dzięki technologii wkładkowej i niskiemu spadkowi ciśnienia, uczyniono bardziej dokładnymi.
Postępy dotyczące przetworników obejmują bardziej wyrafinowaną diagnostykę, możliwość stosowania w sieciach bezprzewodowych oraz wielowymiarowość:
- Wbudowana diagnostyka przetwornika może wykraczać poza jego wewnętrzną weryfikację; przy użyciu statystycznego monitorowania procesu możliwe jest wykrywanie sytuacji anormalnych, jak np. zmiany składu przepływającej cieczy lub zatykanie się rurek impulsowych.
- Staranne zarządzanie energią może zmniejszyć jej zużycie aż do punktu, w którym praktyczne staje się stosowanie zasilania bateryjnego i komunikacji bezprzewodowej. Może to obniżyć koszty montażu i umożliwić prowadzenie pomiarów w niedostępnych lokalizacjach.
- Wielowymiarowe przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe mogą obliczać przepływy masy i energii przy penetracji tylko jedną rurką, eliminując konieczność instalowania aż do 10 oddzielnych przyrządów.
Dzięki powyższym udoskonaleniom przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe nadal reprezentują technologię wzrostową i pozostają standardem stosowanym w przemyśle.
Przepływomierze magnetyczne ? do ?trudnych? cieczy
Przepływomierze magnetyczne działają na zasadzie prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya, które mówi, że w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym generowane jest napięcie proporcjonalne do jego szybkości poruszania się. W przepływomierzu magnetycznym tym przewodnikiem jest ciecz przepływająca przez czujnik, a wzajemne relacje między generowanym napięciem, siłą pola magnetycznego i szybkością przepływu są ustalane przez kalibrację.
Przepływomierze magnetyczne mogą zapewnić bardzo dokładny pomiar przepływu objętościowego, nie powodują spadku napięcia na czujniku i mogą być skalowalne do średnicy rurociągu od 2,5 do 3050 mm. Przepływomierz magnetyczny nadaje się do pomiaru przepływu agresywnych zawiesin występujących w górnictwie oraz materiałów o konsystencji pulpy, tzn. do zastosowań, które są bardzo trudne dla innych typów czujników.
Jednak występują też praktyczne ograniczenia w stosowaniu przepływomierzy magnetycznych. Na przykład: ciecz procesowa musi być przewodząca, nie mogą też być one używane do pomiarów przepływu gazu lub pary wodnej.
Precyzja przepływomierza Coriolisa
Przepływomierz Coriolisa opiera się na zasadzie, że podczas przepływu cieczy przez oscylującą rurkę pomiarową (wibrującą ze swoją częstotliwością rezonansową) indukowane są siły powodujące skręcanie się tej rurki. Wielkość tego skręcenia jest wprost proporcjonalna do masowego natężenia przepływu cieczy przepływającej przez rurkę. Gęstość jest mierzona w tym samym czasie, gdy masa na jednostkę objętości cieczy w ustalonej objętości rurek zwiększa się lub zmniejsza proporcjonalnie do częstotliwości rezonansowej. Dzieląc gęstość przez masę, otrzymujemy bardzo dokładne wyliczenie przepływu objętościowego.
Dzięki temu, że zapewniają wysoce dokładne wielowymiarowe pomiary w szerokim zakresie regulacyjności, przepływomierze Coriolisa udowodniły, że idealnie nadają się do szerokiej gamy zastosowań, takich jak: sterowanie procesami i jakością, pomiary przesyłu rozliczanego do celów fiskalnych, dozowanie, bilanse masowe i innych. Ponieważ na pomiar masy nie wpływają zmiany ciśnienia, temperatury, gęstości i lepkości, są one coraz szerzej stosowane zamiast przepływomierzy wolumetrycznych. Ponadto możliwa jest skomplikowana analiza charakterystyki danej cieczy, między innymi jej lepkości i ciężaru właściwego.
Dzięki temu, że mogą one przynieść większe oszczędności i zapewnić wyższą sprawność, przepływomierze Coriolisa są jedną z nielicznych technologii, których sprzedaż zwiększyła się w ciągu ostatnich dwóch lat. Najnowsze osiągnięcia, w tym możliwość dokładnego pomiaru w obecności porywanego gazu oraz nadejście przepływomierzy Coriolisa zasilanych z dwuprzewodowej pętli zwiększają użyteczność tej technologii.
Przepływomierz wirowy (Vortex) ? ?wół roboczy?
Przepływomierze wirowe (typu Vortex) działają na zasadzie efektu von Karmena, który polega na tym, że ciało nieopływowe lub przegroda umieszczona w strudze przepływającej cieczy generuje zawirowania za tym ciałem lub przegrodą. Częstotliwość tych zawirowań jest proporcjonalna do prędkości przepływu. Z czujnikiem wirowym jest zazwyczaj stosowany przetwornik do wykrywania częstotliwości wirów i przekazywania sygnału przepływu.
Przepływomierze wirowe są dokładnym i niezawodnym przyrządem pomiarowym, stosowanym jako ?wół roboczy?. Mogą one być stosowane do pomiarów przepływu cieczy, pary wodnej lub gazu, zapewniając dobrą dokładność, wysoką niezawodność, dużą zakresowość oraz atrakcyjny poziom cen w porównaniu z innymi czujnikami, zwłaszcza dla rurociągów o średnicy do 150 mm. Ich stosowanie ciągle rozszerza się, w miarę jak użytkownicy doceniają zalety tej technologii pomiarów.
Wadą przepływomierzy wirowych jest ich niezdolność do mierzenia bardzo małych przepływów. Do wytworzenia wirów możliwych do zmierzenia konieczna jest pewna minimalna prędkość przepływu. Konkretny próg zależy od parametrów danego przyrządu i danej cieczy.
Rozwój przyrządów ultradźwiękowych
Od czasu ich wprowadzenia po raz pierwszy w 1963 roku przepływomierze ultradźwiękowe uległy tak dalece idącym udoskonaleniom w ciągu ostatnich 50 lat, że są one przez niektórych analityków rynku nadal zaliczane do przyrządów ?wysokiej technologii?.
Istnieją dwie główne koncepcje techniczne oparte na: efekcie Dopplera i czasie przelotu sygnału:
- Przepływomierz dopplerowski wysyła sygnał ultradźwiękowy w poprzek rury, mierzy sygnał odbity od cząsteczek znajdujących się w przepływającej cieczy i oblicza prędkość przepływu przez pomiar przesunięcia dopplerowskiego.
- Przepływomierz oparty na czasie przelotu sygnału przekazuje dwa sygnały ultradźwiękowe do odbiornika znajdującego się po drugiej stronie rury: jeden sygnał ? w kierunku przepływu i jeden sygnał ? w kierunku przeciwnym. Mierzy on różnicę czasów przelotu tych dwóch sygnałów w celu obliczenia przepływu.
Ostatnie postępy w dziedzinie przepływomierzy ultradźwiękowych obejmują m.in. możliwość pomiarów gazu oraz przepływów powolnych, a także możliwość konfiguracji mierzących zarówno przesunięcie Dopplera, jak też czas przelotu sygnału. Najszybciej rosnącym zastosowaniem przepływomierzy ultradźwiękowych są pomiary rozliczeniowe cieczy w petrochemii.
Termiczne przepływomierze masowe do pomiarów gazu
Przepływomierze termiczne mierzą przepływ przez wykrywanie ilości ciepła przekazywanego przez konwekcję z ogrzewanej powierzchni do cieczy płynącej nad tą powierzchnią. Przepływomierze termiczne są niemal całkowicie stosowane do pomiarów gazu.
Stosowane są dwie metody ? kapilarna i zanu-rzeniowa:
- W czujniku kapilarnym niewielka część danego gazu jest odprowadzana do małej podgrzewanej rurki kapilarnej posiadającej dwa oporowe czujniki temperatury (RTD) owinięte dookoła zewnętrznej powierzchni rurki. Czujniki te mierzą prędkość odprowadzania ciepła przez dany gaz.
- Czujnik zanurzeniowy jest całkowicie umieszczony w danej rurze, zazwyczaj w postaci sondy. Dzięki temu możliwe jest jego stosowanie w szerokom zakresie średnic rury oraz strumieni masowych. Dla rur o bardzo dużych średnicach sonda może mieć więcej niż jeden punkt pomiarowy.
Rozwiązania mechaniczne
Czujniki bazujące na rozwiązaniach mechanicznych są stosowane od stuleci i ciągle jest ich bardzo dużo w istniejących instalacjach, jednak ich pozycja na rynku w większości dziedzin ulega erozji wobec rozwiązań opartych na elektronice ? bez żadnych części ruchomych. Większość dostępnych obecnie czujników opartych na rozwiązaniach mechanicznych wykorzystuje jakąś formę przetwarzania sygnału elektronicznego, jednak nadal są one uzależnione od elementu obracającego się w łożyskach.
Przepływomierze turbinkowe są obecne na rynku od około 1790 roku i bazują na wirującym wirniku, którym może być koło łopatkowe, śmigło lub podobne urządzenie. Przepływ wyprowadza się z prędkości wirnika, obracającego się w przepływającej cieczy.
Przepływomierze wyporowe są również starym rozwiązaniem. Mierzą przepływ, powodując przesunięcie przez daną ciecz takiego urządzenia, jak np. tłok, przekładnia, dysk nutacyjny, wirująca łopatka lub membrana. Przepływomierze wyporowe bywają wyjątkowo precyzjne i mają bardzo dużą zakresowość, mogą jednak powodować duży spadek ciśnienia, a uzyskanie dokładnych przesunięć jest kosztowne.
To nie jest przetwornik twojego ojca
Przez 50 lat w przepływomierzach stosowano przetworniki, tzn. urządzenia przetwarzające rodzimy sygnał z czujnika przepływu na sygnał analogowy w standardowym formacie, zazwyczaj albo prąd o natężeniu 420 mA, albo sygnał pneumatyczny o ciśnieniu 0,21 bara, który może być przekazany z powrotem do nastawni lub do sterownika lokalnego.
Przetworniki pneumatyczne prawie zniknęły ze sceny, lecz najbardziej nowoczesne urządzenia obiektowe nadal komunikują się za pomocą sygnału 420 mA przesyłanego skrętką dwużyłową. Obecnie do komunikacji wykorzystywany jest także protokół HART, HART bezprzewodowy oraz sieci Fieldbus. Nowoczesne przetworniki są ?nafaszerowane? elektroniką, komputerami i inteligencją, co umożliwia im wykonywanie diagnostyki oraz innych zaawansowanych funkcji wszelkiego rodzaju, jak np.: obliczanie przepływu masowego w przepływomierzach różnicowo-ciśnieniowych i wirowych lub wykrywanie czegoś tak subtelnego, jak zmiana marki piwa za pomocą przepływomierza Coriolisa.
Od czasu, kiedy producenci wprowadzili do przetworników układy mikroprocesorowe, operatorzy mają możliwość wykonywania funkcji diagnostycznych oraz kalibracji. Początkowo, i tak jest do dzisiaj, było to wykonywane na obiekcie za pomocą przenośnych komunikatorów HART, które wymagały od operatora fizycznego wetknięcia przyrządu w celu uzyskania dostępu do wewnętrznych danych przetwornika. Obecnie sieci Fieldbus i protokół HART umożliwiają wykonywanie takich funkcji często z nawet bardzo odległych nastawni. Platformy programowe do zarządzania środkami trwałymi mogą uzyskać dane czujnika z przetwornika i wykonywać potrzebną diagnostykę bez konieczności wysyłania technika.
Zautomatyzowana diagnostyka
Obecnie dostępne funkcje diagnostyki obejmują szeroki zakres: od wyszukiwania konkretnych problemów ? aż do ciągłego monitoringu ogólnego stanu technicznego układu przepływomierza. Na przykład system weryfikacji zwany Micro Motion Smart Meter Verification może sprawdzać stan techniczny i działanie całego przepływomierza Coriolisa, tzn. zarówno samego czujnika, jak też elektroniki, w trakcie normalnej pracy i przy trwającym procesie przepływu. Daje to znaczące oszczędności dzięki zmniejszeniu kosztów siły roboczej i kalibracji. Podobne technologie zastosowane w przepływomierzach różnicowo-ciśnieniowych mogą wykraczać poza sondowanie stanu technicznego samego urządzenia, wykrywając również anomalie zachodzące w procesie technologicznym. W pewnym przypadku informacje z przepływomierza umożliwiły dużemu producentowi chemikaliów wykrycie zakłócenia w przepływie katalitycznym około 30 minut przed osiągnięciem krytycznego warunku przepływu z poślizgiem (tzw. stick-slip). Umożliwiło to operatorom szybkie podjęcie kroków prewencyjnych i zapobieżenie wyłączeniu urządzeń.
Możliwość automatycznego zweryfikowania kalibracji może dać znaczące oszczędności. Na przykład browary muszą w celach podatkowych weryfikować kalibrację przepływomierzy stosowanych do pomiaru ilości produkowanego alkoholu. Przepisy amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA 27 CFR Część 25) stanowią, że ??browar musi okresowo sprawdzać przyrząd pomiarowy?. Jeden z browarów miał 12 przepływomierzy magnetycznych, które podlegały temu wymogowi, więc podpisał kontrakt z organizacją zewnętrzną na weryfikację przepływomierzy dwa razy w roku. Przy koszcie 1600 dolarów na 1 miernik na 1 weryfikację kosztowało to rocznie 38 400 dolarów. Czas postoju podczas kalibracji mierników kosztował 470 000 dolarów.
Browar ten wymienił stare przepływomierze na nowsze urządzenia, które miały wewnętrzną diagnostykę miernika. Obecnie sprawdzanie odbywa się automatycznie, praktycznie bez żadnej przerwy w procesie, przynosząc browarowi oszczędności powyżej 500 000 dolarów rocznie.
Funkcje diagnostyczne
Funkcje diagnostyczne mogą być wykorzystane jako praktyczne narzędzia do wykrywania problemów w procesach technologicznych, które oddziaływują na dane czujniki.
Awaria i degradacja czujnika Większość przetworników jest w stanie określić, kiedy dany czujnik uległ awarii lub kiedy odczyt jest zawyżony albo zaniżony. Przepływomierze z elementami ruchomymi, takie jak różnicowo-ciśnieniowe i turbinkowe, mogą ulegać zużyciu, a osady gromadzące się na wewnętrznej ściance przepływomierza mogą mieć wpływ na jego pracę. Przetworniki przepływu są w stanie wykryć takie problemy.
Zatkana linia ? Przepływomierze Coriolisa po długiej eksploatacji mogą być narażone na nawarstwianie się osadu lub zatykanie. Poprzez monitoring napięcia potrzebnego do uzyskania odczytów z czujnika, diagnostyka jest w stanie wykryć obecność takich osadów lub zatkanych linii, w których zainstalowane są dane czujniki. Przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe mogą też wykrywać zatkane linie impulsowe. Pewien zakład przetwórstwa gazu na paliwa ciekłe mógł zastosować tę technologię do jakościowej poprawy procesu i zwiększenia czasu dyspozycyjności urządzeń poprzez optymalizację harmonogramów konserwacji.
Wyskoki impulsu ? Wyrzut gazu w skroplinach, kawitacja lub inne problemy mogą powodować błąd pomiaru lub uszkodzenie urządzeń znajdujących się za takim miejscem. Przetwornik jest w stanie mierzyć hałas występujący w danym procesie technologicznym i wykrywać wystąpienie takich problemów. U pewnego producenta gazu przemysłowego w miejscu rozliczania dostaw sprężarka tłokowa gazu powodowała pulsacje w linii pomiarowej przepływu, co prowadziło do niedokładnego fakturowania. Dzięki zaawansowanej diagnostyce wprowadzonej do przepływomierzy różnicowo-ciśnieniowych były one w stanie wykryć taką sytuację.
Skład medium ? Podobnie jak w podanym wcześniej przykładzie, zastosowanie przez dany browar przepływomierza Coriolisa do wykrywania zmian w piwie, diagnostyka stosowana w przepływomierzach wielowymiarowych może określić frakcje ciekłe w gazach i w rurociągach, powstawanie w nich kondensatu, a także inne sytuacje, w których może się zmienić skład danej cieczy.
Diagnostyka obwodu elektrycznego ? Niepożądane zmiany w obwodzie elektrycznym, jak np. obecność wody w obudowie, problemy w układzie uziemienia, korozja lub niestabilne zasilanie ? wszystkie te czynniki mogą mieć wpływ na wydajność. Skomplikowana diagnostyka może monitorować integralność obwodu elektrycznego od przepływomierza do systemu macierzystego (głównego) i wysyłać ostrzeżenia (alarmy) w przypadku, jeśli niepożądane warunki mogą powodować zagrożenie działania.
Więcej niż zmienna procesowa
Nowoczesne przepływomierze robią o wiele więcej, niż tylko mierzenie przepływu. Ze swymi funkcjami zaawansowanej diagnostyki, przetwarzania sygnałów i obliczeń przepływomierze mogą przynieść użytkownikowi znaczące oszczędności w kosztach konserwacji, kalibracji i rozwiązywania problemów.
Trevor Ball, Robert Zaun, Amy Johnson i Mark Kester pracują jako menedżerowie produktu w różnych oddziałach aparatury pomiarowej firmy Emerson Process Management.
CE