Przepływomierze – jak wybrać najlepszy?

Odpowiednia metodologia doboru najlepszych w swojej klasie przepływomierzy może pomóc użytkownikom uniknąć przykrych niespodzianek oraz nadmiernych kosztów w trakcie ich późniejszej eksploatacji, niezależnie od rodzaju aplikacji, w jakiej będą użytkowane.
Biorąc pod uwagę liczbę i różnorodność dostępnych obecnie na rynku przepływomierzy, wybór odpowiedniego urządzenia pomiarowego staje się niejednokrotnie zadaniem bardzo trudnym. Zwykle większość użytkowników dokonuje go, biorąc pod uwagę głównie cenę oraz specyfikacje parametryczne, dostępne w katalogach i broszurach informacyjnych. Wielu z nich dostrzega jednak i sygnalizuje niekorzystne zjawiska, wynikające z takiego najprostszego podejścia do kwestii doboru czujników:

  • zwykle przepływomierze najtańsze przy zakupie wymagają znaczących nakładów finansowych w trakcie późniejszej eksploatacji,
  • wybór czujnika o bardzo dużej dokładności wskazywanej w jego specyfikacji technicznej często skutkuje jej obniżeniem po zaimplementowaniu w konkretnej aplikacji przemysłowej,
  • bazowanie jedynie na porównaniu parametrów technicznych i informacji katalogowych może w rzeczywistości skutkować znacznymi kosztami i stratami w związku z przestojami zakładu lub konkretnych procesów produkcyjnych czy przetwórczych.


Uwzględniając te fakty, wielu użytkowników decyduje się na odejście od tradycyjnych metod doboru urządzeń pomiarowych, poszukując bardziej skutecznych i efektywnych w końcowym rezultacie sposobów przeszukiwania oferty rynkowej. Aby uniknąć przykrych niespodzianek i ograniczyć ryzyko opracowywanych projektów, konieczne jest zastosowanie nowej metodologii identyfikacji optymalnych parametrów technicznych przepływomierzy, dobieranych do konkretnego typu aplikacji.
Pomiary przepływu
Pomiar przepływu to nic innego jak obliczenie ilości przepływającej przez kanał czy rurę cieczy lub gazu. Przepływomierz zatem to urządzenie pomiarowe, które służy do ilościowego określenia tempa/prędkości przepływu medium w kanale, rurze. Przepływ zwykle określa się w jednostkach l/s lub GPM (USA-galon na minutę; 1 GPM = 0,0631 l/s).

W przemyśle produkcyjnym precyzyjne pomiary przepływu różnych mediów są często kluczowym elementem, decydującym o poprawnym funkcjonowaniu procesów. Wymóg dużej dokładności tego typu pomiarów jest zwykle formułowany przez stronę biznesową i zarządczą zakładów przemysłowych, wiąże się bowiem z ich efektywnością finansową lub koniecznością spełnienia określonych norm, przepisów, warunków środowiskowych (optymalne sterowanie procesami, redukcja emisji substancji szkodliwych, lepsza sprawność i efektywność procesów itp.).
Rodzaje przepływomierzy
Od wielu dziesięcioleci człowiek wykorzystywał pomiary strat ciśnienia jako element informacji o przepływie cieczy. Przez lata, wraz z rozwojem nauki, coraz lepiej poznawano naturę cieczy i zachodzące w niej zjawiska, takie jak tworzenie się wirów, efekt Coriolisa, efekt Dopplera, ale również zjawiska charakterystyczne dla innych obszarów fizyki, jak chociażby zmiany indukcji magnetycznej. Te badania i odkrycia umożliwiły rozwój nowych technik pomiaru przepływów oraz legły u podstaw konstrukcji nowych, odmiennych fizycznie i technicznie przepływomierzy. Obecnie do najbardziej rozpowszechnionych technologii konstrukcji czujników wykorzystywanych w różnych przepływomierzach dostępnych na rynku należą:

  • czujniki zwężkowe: kryzy, zwężki Venturiego, dysze, rurki spiętrzające Pitota, rotametry itp.,
  • czujniki wyporowe: tłoki posuwno-zwrotne, owalne zębatki, czujniki precesyjne, czujniki rotacyjne oraz membrany,
  • czujniki Coriolisa,
  • czujniki elektromagnetyczne,
  • czujniki rozproszenia termicznego,
  • czujniki ultradźwiękowe,
  • czujniki wirowe,
  • turbinki.

Większość przepływomierzy korzysta z technologii pomiaru różnicy ciśnień w układach zwężkowych. Jak wykazują raporty branżowe, mierniki zwężkowe stanowią niemal połowę zamówień na przepływomierze, realizowanych rocznie na całym świecie. Wprowadzane wciąż usprawnienia zwiększające ich dokładność, niezawodność oraz możliwość prowadzenia zróżnicowanych pomiarów dzięki inteligentnym, wieloparametrycznym przetwornikom ciśnienia wniosły wiele technologicznej świeżości do tej uznanej już w branży rodziny czujników i urządzeń pomiarowych (rys. 1).

Dobór przepływomierzy tradycyjnych
Wybór najlepszego przepływomierza do konkretnych aplikacji przemysłowych jest obecnie nie lada wyzwaniem dla ich użytkowników, bowiem oferta dostępnych urządzeń pomiarowych wydaje się wprost nieograniczona. Dlatego niektórzy posiłkują się rozbudowanymi szablonami z ustalonymi kryteriami oceny parametrów poszczególnych przepływomierzy, ale w wielu przypadkach okazuje się, że czynniki uwzględnione w takich szablonach, arkuszach porównawczych nie przystają do współczesnych możliwości oferowanych przez urządzenia pomiarowe. W efekcie szeroka oferta rynkowa, w połączeniu z niedostateczną wiedzą ekspercką i brakiem doświadczenia w rozumieniu współczesnych, często zaawansowanych aplikacji przepływomierzy skutkuje złym wyborem urządzenia i negatywnymi skutkami w trakcie jego eksploatacji.

Większość użytkowników ma tylko ogólną świadomość, że do konkretnych aplikacji powinny być dobierane tylko czujniki i mierniki przepływu określonego typu, a ich szczegółowy dobór powinien bazować na charakterystykach przepływu. Na przykład przepływomierze masowe Coriolisa są doskonałym wyborem do aplikacji, w których wymagana jest duża dokładność pomiaru przepływu medium, przepływomierze magnetyczne nie sprawdzą się przy cieczach i mediach nieprzewodzących prądu (powszechnie spotykanych w aplikacjach przetwarzania węglowodorów), zaś czujniki zwężkowe nie są odpowiednie w pomiarach przepływów laminarnych (ciecze lepkie). Trzeba jednak pamiętać, że użytkownicy mogą nie mieć odpowiedniego doświadczenia na temat istotnych czynników i wskaźników, mających wpływ na dobór odpowiednich przepływomierzy do swoich aplikacji. Dlatego zdarzają się wspomniane wcześniej sytuacje, gdy o wyborze decyduje cena oraz jedynie pobieżne porównanie wybranych danych katalogowych. Wybór przepływomierza oparty jedynie na kryterium ceny zakupu zwykle okazuje się niekorzystny na skutek powstających w czasie eksploatacji kosztów ukrytych. W zależności od wybranego typu przepływomierza koszty te mogą osiągać poziomy znacznie przewyższające ceny zakupu (tabela 1).
Zmiany parametrów procesowych oraz czynników środowiskowych mogą znacznie wpływać na precyzję działania wcześniej dobranych przepływomierzy. Na przykład wybrany przepływomierz, o zakresie dopuszczalnych zmian dokładności na poziomie 0,065%, po implementacji w aplikacji na skutek zachodzących w niej zmian temperatury, ciśnienia i szybkości przepływu mierzonego medium może działać ostatecznie z dokładnością trzy- lub nawet czterokrotnie mniejszą (rys. 2). W wielu przypadkach podjęcie decyzji dotyczącej wyboru przepływomierza może być kontynuacją dotychczasowych praktyk, bez szczegółowego analizowania dostępności różnych opcji, a więc i bez ryzyka błędu, ale wówczas użytkownik pozbawia się szansy odkrycia być może lepszych, nowoczesnych funkcji oferowanych przez współczesne przepływomierze.

Na przykład dzięki zastosowaniu układów mikroprocesorowych wiele z nich zapewnia bardzo wysoki poziom dokładności i rozszerzoną funkcjonalność, jak chociażby pomiar wielu zmiennych itp. W niektórych urządzeniach pomiarowych implementuje się również złożone algorytmy kompensacji zmian temperatury czy ciśnienia dla prowadzonych pomiarów. W efekcie proces decyzyjny bazujący na wspomnianej kontynuacji dobrych, starych praktyk może okazać się nieekonomiczny w perspektywie dłuższej eksploatacji, ze względu na konieczność poniesienia kosztów związanych z zakupem dodatkowych układów pomiarowych czy elementów infrastruktury, w celu uzyskania porównywalnych wyników i jakości pomiarów.
Nowoczesna metodologia doboru urządzeń pomiarowych – best-in-class
Po doświadczeniach z różnymi wariantami procesów decyzyjnych i ich skutkami w zakresie doboru przepływomierzy wielu użytkowników, niezadowolonych z ich efektów, poszukuje nowych metodologii przeszukiwania oferty rynkowej w celu wyboru najbardziej optymalnych czujników, dostosowanych do coraz bardziej wymagających aplikacji. Aby uniknąć niemiłych niespodzianek i wyeliminować ryzyko nadmiernych kosztów eksploatacyjnych, wybór przepływomierza powinien bazować na głębszych analizach dostępnej oferty oraz samych zjawisk procesowych, zachodzących w danej aplikacji, które mogą w trakcie eksploatacji mieć wpływ na jakość i dokładność jego funkcjonowania.
Metodologia ta, zwana best-in-class (najlepszy w swojej klasie) zaczyna się od zdefiniowania wymagań i celów, jakie względem urządzeń pomiarowych stawia dana aplikacja (rys. 3). Typowym przykładem może być objętościowy lub masowy pomiar przepływu cieczy w procesie przemysłowym, takim jak: dozowanie, mieszanie, pętla sterowania, transport cieczy z jednego obiektu do drugiego, napełnianie pojemników lub zbiorników, spełnianie wymogów norm, załadunek i rozładunek, monitoring, bezpieczeństwo i inne. Po ustaleniu głównych celów i wymagań możliwy jest wybór kryteriów i nadanie im odpowiednich priorytetów w planowanej aplikacji pomiarowej. Na przykład w aplikacji, w której pierwszoplanowe znaczenie ma funkcja monitoringu, duża dokładność pomiaru może zejść na drugi plan, przy uwzględnieniu pewnych ograniczonych kosztów zakupu urządzeń pomiarowych. Trzeba przy tym pamiętać, że każda technologia konstrukcyjna czujników, a co za tym idzie każdy typ przepływomierza ma swoje wady i zalety, a przy doborze urządzenia pomiarowego trzeba je umiejętnie wypośrodkować.

Kolejny krok to zdefiniowanie istotnych parametrów układu aplikacyjnego, w którym będzie zainstalowany przepływomierz: wymiary rur, charakterystyka medium (ciecz, gaz, para), czy medium jest czyste bądź ma zanieczyszczenia, czy zawiera czynniki sprzyjające korozji, czy lepkość cieczy może mieć wpływ na dokładność pomiarów, jakie będą zakresy temperatury, ciśnienia oraz maksymalne spadki ciśnienia medium w kanale pomiarowym, czy medium jest przewodzące oraz czy przepływ medium jest jednokierunkowy czy dwukierunkowy, czy ma charakter ciągły, pulsacyjny, okresowy itp. Dokładne zidentyfikowanie tych czynników jest podstawą doboru odpowiedniego typu czujnika i urządzenia pomiarowego.
Po tym etapie istotnym elementem w kolejnym kroku metodologicznym jest zrozumienie zasad działania przepływomierzy konkretnych typów, by optymalnie wykorzystać ich zalety i możliwości funkcjonalne, przy ograniczeniu do minimum zjawisk niekorzystnych i wad charakteryzujących w zasadzie każdą technikę pomiarową. Elementami istotnymi są m.in.: sposób montażu – urządzenie wbudowane lub wstawka, przystawka; możliwość lokalnego odczytu pomiaru i zbiorów danych; wymóg długości prostoliniowego odcinka rury; łatwość montażu, integracji, obsługi; dostępność źródła zasilania oraz ewentualnych kanałów sieciowych (zdalna obsługa); możliwość montażu w strefach bezpiecznych i niebezpiecznych; odporność na wibracje i działanie czynników korozyjnych; odporność lub podatność na oddziaływanie pól elektromagnetycznych; częstotliwość kalibracji itp.

Ważnym elementem na tym etapie procesu decyzyjnego jest również weryfikacja czynników środowiskowych, możliwości dostaw oraz zgodności z przepisami i normami. Dotyczy to w szczególności: dostępności do serwisu, potencjalnych możliwości emisji szkodliwych substancji, wpływu na bezpieczeństwo osób i urządzeń znajdujących się w otoczeniu urządzenia pomiarowego. Na przykład niezawodność i bezpieczeństwo środowiskowe mogą być zwiększone poprzez wybór bezpośrednich przepływomierzy z technologią różnicy ciśnień (zwężkowych), zamiast tradycyjnych mierników z dodatkowymi liniami impulsowymi. Taka zamiana sprzyja redukcji zagrożenia wyciekami o ponad 80%, co przekłada się bezpośrednio na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych układu pomiarowego.
W kolejnym etapie warto przeanalizować i porównać oferty przepływomierzy z uwzględnieniem kilku czynników czysto ekonomicznych, które mogą mieć wpływ na cenę zakupu urządzeń pomiarowych oraz ich późniejszej eksploatacji. Sugeruje się zwrócenie uwagi na takie aspekty, jak: cena zakupu, koszty instalacji i implementacji, żywotność i wspominane już niejednokrotnie koszty eksploatacji.
Ostatni etap to podsumowanieanaliz i weryfikacja oferty rynkowej różnych producentów, w celu wyboru optymalnego urządzenia pomiarowego, dostosowanego do konkretnej aplikacji. W celu uproszczenia przeszukiwania ofert ważnym elementem jest przygotowanie zestawienia lub macierzy istotnych czynników i parametrów wynikających z poprzednich etapów analiz. Oczywiście, im większa liczba kryteriów i obostrzeń, tym trudniejszy proces doboru, ale jednocześnie bardziej trafny i pewny, należy jednak pamiętać, że podstawą optymalnego wyboru jest ustalenie priorytetu każdego istotnego czynnika oraz parametru i w oparciu o nie selekcja oferty rynkowej, mająca na celu wybór najlepszych urządzeń.
Jak wynika z przedstawionych rozważań, podstawą sukcesu metodologii best-in-class jest zrozumienie i rozpoznanie aplikacji oraz dostępnych technik pomiarowych. Rozważmy np. pomiar przepływu w kanale transmisji pary (rys. 4). W analizowanej aplikacji ograniczeniem podstawowym jest dostępność prostoliniowych odcinków rur. Najdłuższe z nich mieszczą się w przedziale do 15xD (D – średnica rur w calach). Przepływomierze, które nie mogą zapewnić poprawnego pomiaru przy tym ograniczeniu są automatycznie eliminowane z rozważań. W aplikacjach kanałów transmisji medium najistotniejszym czynnikiem są osiągi urządzenia pomiarowego, takie jak dokładność pomiaru i całkowity błąd pomiaru. Przykładem może być zastosowanie przepływomierza z wbudowanymi układami kompensacji temperaturowej i ciśnieniowej, dla zachowania poprawności pomiarów przy zmiennych warunkach środowiskowych.

W przypadku ograniczonego budżetu firmy lub zakładu pierwszoplanowego znaczenia nabierają kwestie kosztów zakupu i instalacji oraz eksploatacji. Na przykład przepływomierze, które do poprawnego działania wymagają zakupu i instalacji specjalnej armatury, infrastruktury, ewentualnie dodatkowych modułów kompensacyjnych czy pomiarowych, mogą być w rezultacie zbyt drogie. Podobnie jak układy pomiarowe wymagające okresowej wymiany czujników lub ich specjalistycznej kalibracji. W aplikacjach układów pomiarowych przepływomierzy szczególną uwagę należy zwrócić również na ograniczenie zjawiska nadmiernych spadków ciśnienia, które nie tylko wpływają niekorzystnie na same przepływomierze, ale również przekładają się na nadmierne zużywanie przez nie energii i wzrost kosztów eksploatacji. Ostatecznie, podsumowując wymienione wcześniej czynniki i ich znaczenie w procesie decyzyjnym, warto pamiętać o czterech ważnych kwestiach:

  • osiągi zainstalowanych urządzeń,
  • koszty instalacji i eksploatacji,
  • spadki ciśnienia w systemie,
  • maks. długości prostoliniowych odcinków rur.

Wybór przepływomierzy – porównanie
Oferta przepływomierzy dedykowanych do pomiarów przepływu pary w aplikacjach przesyłowych tego medium obejmuje technologie: układów zwężkowych, czujników wirowych, turbin, przepływomierzy o zmiennym otwarciu oraz przepływomierzy Coriolisa. Biorąc pod uwagę preferencje użytkowników, zwykle wybierających przepływomierze zwężkowe, oraz dla uproszczenia przykładu zastosowania metodologii best-in-class w porównaniu różnych przepływomierzy skupiono się w nim jedynie na różnych typach przepływomierzy zwężkowych. Przykład ten powinien być jednak traktowany jako uniwersalny również dla procesów porównawczych i decyzyjnych, stosowanych przy innych technologiach czujników przepływu. W oparciu o istotne kryteria, charakteryzujące aplikacje przepływomierzy w kanałach transferowych pary, do porównania wyselekcjonowano wstępnie cztery typy przepływomierzy zwężkowych (tabela 2). Kategorie porównania:
Osiągi: dokładność, zmienność współczynnika wypływu oraz kompensacja dynamiczna to podstawowe czynniki, które mogą wpływać na osiągi przepływomierza w aplikacji i dlatego muszą być przeanalizowane i wyznaczone dla całego zakresu wartości przepływów, jakie mogą wystąpić w kanale przesyłowym. Przetworniki pomiarowe, których dokładność określa się przez błąd procentowy zakresu pomiarowego, mają zwykle bardzo ograniczone pasmo pomiaru z akceptowalną dokładnością. Z kolei przetworniki z dokładnością określaną przez błąd procentowy wartości mierzonej charakteryzują się szerszym pasmem pomiarowym z pożądaną dokładnością. Zastosowanie kompensacji dynamicznej w odniesieniu do możliwych zmian temperatury i ciśnienia poprawia osiągi i ogranicza możliwość powstania błędów pomiarowych urządzenia. Kompensacja ma szczególne znaczenie w układach pomiarowych, gdzie istotna jest powtarzalność pomiarów. W oparciu o wyniki porównania osiągów systemów pomiarowych przepływomierze 2 i 3 zostały wytypowane jako najlepsze ze względu na układy kompensacyjne, a na kolejnych pozycjach uplasowały się odpowiednio przepływomierze 4 i 1 (rys. 5).
Koszty instalacji: w przypadku przepływomierzy zwężkowych najlepszym sposobem montażu jest instalacja bezpośrednio w kanale przepływowym, bez dodatkowych rurek impulsowych. Taki montaż eliminuje też w znacznym stopniu możliwość pojawienia się wycieków. Biorąc pod uwagę koszty instalacji, w porównaniu wygrywa przepływomierz 1, gdyż ma najniższe koszty instalacyjne (rys. 6). Cechuje się on jednak najmniejszą dokładnością pomiarów, ze względu na całkowity brak kompensacji temperaturowej i ciśnieniowej. Na kolejnej pozycji porównania znajdują się przepływomierze 3 i 4 – z montażem bezpośrednim. Przepływomierz 2 uplasował się na ostatnim miejscu, gdyż ma najwyższe koszty instalacyjne.
Straty ciśnienia: niektóre technologie pomiaru przepływu, np. kryzy, cechują się znacznymi stratami ciśnienia w porównaniu do innych metod – np. rurki Pitota. W bardzo wielu aplikacjach przemysłowych jakiekolwiek straty ciśnienia w kanale przesyłowym na skutek instalacji urządzeń pomiarowych są niedopuszczalne. Wiążą się one bezpośrednio z koniecznością zwiększenia wydajności pomp (większe zużycie energii), instalacji pomp, kompresorów i kotłów o większych wymiarach zewnętrznych oraz zmniejszeniem ogólnej przepustowości systemu. W zestawie porównywanych w tym przykładzie przepływomierzy najmniejszy spadek ciśnienia ma przepływomierz 4, szczególnie przy przepływach na poziomie górnego zakresu jego przepustowości (tabela 2).
Wymóg dostępności prostoliniowego odcinka rur: w większości zakładów przemysłowych systemy rur transmisyjnych nie są przebudowywane specjalnie do zastosowania układów pomiarowych przepływomierzy. Dlatego w wielu aplikacjach może okazać się, że dostępność odpowiednio długich, prostoliniowych odcinków rur jest istotnym czynnikiem ograniczającym możliwość wyboru wielu typów przepływomierzy. Dane przedstawione w tabeli 3 wskazują wyraźne zwycięstwo w tym rankingu przepływomierza 3, kolejną pozycję zajmuje przepływomierz 4, a następnie 2 i 1.
Wyniki porównania
Ostateczny wybór przepływomierza (z przedstawionej w przykładzie grupy produktów) po analizie macierzy zaprezentowanych parametrów zależy oczywiście od jego przeznaczenia i rodzaju aplikacji, w której będzie zainstalowany (tabela 3). W niektórych aplikacjach najistotniejszymi kryteriami wyboru będą osiągi i dostępność prostoliniowych odcinków rur, w dalszej kolejności rozpatruje się spadki ciśnienia i koszty całkowite implementacji oraz eksploatacji. Najlepszym przepływomierzem w takim przypadku będzie urządzenie nr 3.
W aplikacjach, gdzie najważniejszym kryterium jest spadek ciśnienia najlepszym przepływomierzem z tej grupy będzie urządzenie nr 4.
Podsumowanie
Podsumowując, każda technologia pomiarowa przepływów i każdy przepływomierz ma swoje zalety i wady. Opierając się na ich dogłębnej analizie, metodologia wyboru typu best-in-class zapewnia wprowadzenie priorytetów dla każdego z istotnych parametrów i czynników związanych z funkcjonowaniem przepływomierzy i ostateczny wybór optymalnego urządzenia pomiarowego.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE