Choć ich konstrukcja opiera sie na zasadach tak starych jak historia ludzkości, dzięki nowym technologiom dokładność, powtarzalność i niezawodność przepływomierzy turbinowych wzrasta.
Dostępne w rozmiarach do 300 mm (12 cali) i nadające się do użytku przy ciśnieniu do 70 MPa (10 000 psi) oraz w temperaturach do 538oC (1 000oF), przepływomierze turbinowe są wystarczająco uniwersalne do zastosowania w przemysłach: chemicznym, petrochemicznym, farmaceutycznym i spożywczym.
Podstawą konstrukcji przepływomierza turbinowego jest wirnik wyposażony w łopatki i zainstalowany w rurze przepływowej (patrz diagram ?Typowa konstrukcja przepływomierza turbinowego?). Gdy medium (gaz lub ciecz) przepływa przez łopatki wirnika, na tylnej stronie każdej z nich tworzy się obszar niskiego ciśnienia, powodując obracanie się łopatki.
Czynniki wpływające na parametry metrologiczne
Podstawowa technologia przepływomierzy turbinowych pozostaje niezmieniona od przynajmniej 10 lat, wobec czego wiemy bardzo wiele na temat czynników mających wpływ na ich parametry metrologiczne.
Właśnie to nagromadzenie wiedzy sprawia, że przepływomierze turbinowe są wysoce powtarzalne i stosuje się je jako główne mierniki częściej niż inne technologie pomiaru przepływu.
W zastosowaniach związanych z pomiarami dotyczącymi cieczy podstawowe czynniki wpływaj ące na parametry metrologiczne to między innymi:
-
kawitacja,
-
ciężar właściwy medium,
-
lepkość medium.
Gdy ciśnienie robocze cieczy jest zbytnio zbliżone do ciśnienia parowania, mogą tworzyć się i zanikać pęcherzyki gazu. To zjawisko fizyczne nazywane jest kawitacją i może powodować poważne uszkodzenia rur i innego sprzętu, włącznie z łopatkami wirnika przepływomierza.
Gdy ciecz przepływa przez łopatki wirnika turbiny, jego prędkość zwiększa się i na tylnej stronie łopatek wirnika tworzy się obszar obniżonego ciśnienia. Gdy ciśnienie w tym obszarze jest niższe niż ciśnienie parowania, powstają pęcherzyki. W miarę jak przesuwają się one z prądem, powrót do poprzedniego ciśnienia powoduje ich zanikanie (powrót do stanu ciekłego). Skraplanie się pęcherzyków pary uwalnia energię i wywołuje dĽwięk podobny do tego, jakiego moglibyśmy się spodziewać, gdyby w rurze znajdował się żwir.
Energia uwalniana w bliskim sąsiedztwie stałych powierzchni powoduje odrywanie od nich cząsteczek metalu i zwiększając ich chropowatość. Poza zużyciem i uszkodzeniami kawitacja zazwyczaj sprawia, że wirnik obraca się szybciej niż powinien w warunkach przepływu laminarnego, powodując niedokładności sygnału pomiarowego przepływu. ?Utrzymywanie przeciwciśnienia na wejściu systemu na poziomie dwukrotnie przekraczającym spadek ciśnienia w przepływomierzu oraz dwudziestopięciokrotnie ciśnienia parowania produktu wystarcza, by zapobiec kawitacji na powierzchni turbiny przepływomierza? ? mówi Barry Ellison, naczelny inżynier sprzedaży i rozwoju firmy Sponsler Cooperation.
Przepływomierze z kołem łopatkowym ? tania alternatywa
Gdy dokładność pomiaru jest mniej istotna, przepływomierze łopatkowe stanowią tanią alternatywę dla konstrukcji z wykorzystaniem droższych technologii.
Dostępne w postaci wkładek czujniki przepływu mogą być stosowane dla rur o średnicy do 900 mm (36 cali).
We wkładkach wirnik i łopatki są umieszczone prostopadle, a nie równolegle do kierunku przepływu (patrz rysunek ?Typowa instalacja przepływomierza z kołem łopatkowym?).
Główna zaleta konstrukcji wkładkowej polega na tym, że czyni ona przepływomierze z kołami łopatkowymi niewrażliwymi na przepływające ciała stałe, wobec czego rzadko stosuje się sita/filtry.
Ponieważ łopatki stykają się jedynie z niewielką częścią przekroju strumienia przepływającej cieczy, głębokość, na której znajduje się wirnik oraz profil przepływu wpływają na dokładność i powtarzalność pomiaru.
Aby zapewnić odpowiednią głębokość ustawienia wirnika oraz jego orientację, większość producentów przepływomierzy z kołem łopatkowym oferuje specjalnie zaprojektowany osprzęt instalacyjny.
Ciężar właściwy to kolejny czynnik wpływający na różnicę ciśnień na łopatkach wirnika. W miarę jak obniża się ciężar właściwy cieczy. zmniejsza się różnica ciśnień. Ciecze o bardzo niskim ciężarze właściwym i małym strumieniu przepływu powodują bardzo małą różnicę ciśnień na łopatkach wirnika, wywołując powstanie równie niewielkiej energii obracającej wirnik. Producenci przepływomierzy turbinowych kompensują mały ciężar właściwy/niski przepływ zwiększając kąt nachylenia łopatek wirnika. Trzecim czynnikiem wpływającym na osiągi jest lepkość przepływającego medium. Ponieważ jest ona miarą tarcia płynącej cieczy to oddziałuje w przestrzeni pomiędzy stacjonarną obudową miernika a łopatkami wirnika oraz jego łożyskach. Producenci przepływomierzy turbinowych kompensują wpływ lepkości na kilka sposobów, między innymi zmieniając kształt i długość łopatek wirnika i dodając bandaż wiążący wokół wirnika.
Każdy z czynników wpływających na własności metrologiczne został dokładnie zbadany przez producentów przepływomierzy turbinowych, w związku z czym możliwe jest zastosowanie środków kompensujących w postaci zmian konstrukcyjnych i/lub modyfikacji współczynnika przepływu K. Współczynnik K jest ogólnie przyjętym sposobem oznaczania nieznanych lub trudnych do wyrażenia wpływów zewnętrznych na pomiar, a wyrażonych jako eksperymentalnie kreślony współczynnik liczbowy.
Wybór łożysk
Istnieje wiele typów łożysk dla przepływomierzy turbinowych, między innymi metalowe i ceramiczne łożyska kulkowe oraz konstrukcje ceramiczne i z węglika wolframu.
Łożyska kulkowe pozwalają zazwyczaj osiągnąć najwyższą precyzję, najniższy koszt i najszerszy zakres zastosowań. Łożyska z węglika wolframu i ceramiczne osiągają najwyższą trwałość, jeżeli używa się ich do pomiarów odpowiednich cieczy. Ponieważ zakłada się, że przepływająca ciecz zapewnia smarowanie łożysk, to dobre własności smarne mierzonego medium zwykle przedłużają czas użytkowania łożyska. Do zastosowań, w których płyny zapewniają niewielkie smarowanie lub nie zapewniają go w ogóle, firma Hoffer Flow Control dostarcza urządzenia wyposażone w samosmarujące ceramiczne łożyska kulkowe. Niezależnie od możliwości płynu do smarowania łożysk przepływomierza turbinowego, producenci używają różnych technik, aby zminimalizować zużycie łożysk. Przykładowo, urządzenia wyposażone w łożyska kulkowe korzystają z niemetalicznych koszyczków. Sama twardość łożysk z węglika wolframu i łożysk ceramicznych również wydłuża czas ich użytkowania.
Czas użytkowania łożyska jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalny do kwadratu szybkości, z jaką się ono obraca. Wobec tego, aby wydłużyć czas użytkowania łożyska przepływomierza turbinowego, najlepiej użytkować przepływomierz w warunkach niskiego natężenia przepływu. Na przykład, jeżeli przepływomierz działa przy 33% maksymalnego natężenia przepływu, czas użytkowania wydłuża się dziesięciokrotnie.
W przepływomierzach turbinowych z łożyskami kulkowymi zaleca się dokonywanie przeglądu łożysk co sześć miesięcy.
Wpływ warunków instalacji
Podobnie jak w większości przepływomierzy, dokładność przepływomierzy turbinowych w dużym stopniu zależy od tego, czy instalacja może zapewnić warunki pozbawione zawirowań.
Nawet przy stałych przepływach powstające w nich zawirowania mogą zmienić kąt natarcia płynu na łopatki wirnika powodując zmienne prędkości wirnika i związane z tym zmiany wskazań natężenia przepływu.
Efekty zawirowań można zredukować lub wyeliminować dzięki zastosowaniu wystarczająco długich, prostych odcinków rur, kombinacji prostych rur i prostownic przepływu lub specjalizowanych urządzeń, takich jak Vortab’s Flow Conditioner, zainstalowanych powyżej i poniżej przepływomierza turbinowego (patrz tabela ?Podstawowe zasady instalacji?).
Przepływomierze turbinowe stosowane do cieczy działają równie dobrze w położeniu poziomym, jak i pionowym, podczas gdy zastosowania do gazów wymagają poziomego położenia, co dopiero umożliwia osiągnięcie stosownej dokładności. W przypadku instalacji przepływomierza turbinowego do pomiaru cieczy zaleca się montaż czujnika w najniższym miejscu instalacji. Przepływomierze turbinowe zostały zaprojektowane do pomiaru cieczy czystych, pozbawionych stałych wtrąceń. W sytuacjach, w których mogą pojawić się ciała stałe, zaleca się instalację sita/ filtra. Ponieważ urządzenia te mogą powodować zawirowania, muszą znajdować się powyżej zalecanego odcinka prostoliniowego przed przepływomierzem.
Sygnał wyjściowy
Sygnał wytwarzany przez przepływomierz turbinowy to różnica napięć peak-to-peak. Impulsy są najczęściej generowane na zasadzie oporu magnetycznego (patrz ?Działanie przepływomierza turbinowego na zasadzie oporu magnetycznego?). W metodzie tej zwoje cewki nawinięte są wokół stałego magnesu i zainstalowane na zewnątrz rury przepływowej bezpośrednio przylegającej do wirnika. Każda łopatka wirnika, poruszając się w pobliżu cewki, powoduje odchylenie pola magnetycznego. Ta zmiana oporu magnetycznego generuje zmianę napięcia w cewce.
W ciągu ostatnich kilku lat rozwój elektroniki spowodował wyraźny postęp w dziedzinie przepływomierzy turbinowych. Na przykład możliwość zliczania tysięcy impulsów na sekundę zwiększa ich dokładność i skalowalność. W przypadku instalacji przepływomierza w środowiskach, w których występują zakłócenia elektryczne lub gdy odległość między przepływomierzem turbinowym a systemem elektroniki przekracza 60 metrów (200 stóp), może wystąpić konieczność wzmocnienia sygnału.
Przykłady zastosowań
Poza tradycyjnymi zastosowaniami przemysłowymi dla cieczy i gazów producenci przepływomierzy turbinowych: Hoffer, Omega Engineering i Sponsler stopniowo wprowadzają modele do mniej tradycyjnych zastosowań.
- Firma Viking Yachts ( http://www.viking% 20yachts.com ) oferuje duży wybór jachtów oceanicznych. Ponieważ brak paliwa na morzu jest wyjątkowo niebezpieczny, Viking musi dostarczać swym klientom dokładnych informacji o zasięgu jachtu. Współpracując z firmą Sponsler firma zapewnia dokładny pomiar zużycia paliwa przez silniki Diesla jachtu w różnych warunkach pracy, pomagając w ten sposób kapitanom w bezpiecznym dotarciu do portu z zapasem paliwa.
- Przepompowywanie produktów mlecznych z mleczarni do cysterny wymaga dokładności i powtarzalności pomiaru oraz zachowania zasad higieny. Seria FTB firmy Omega i SP714 firmy Sponsler obejmuje precyzyjne, sterylne przepływomierze turbinowe zaprojektowane tak, by czyszczenie części wewnętrznych odbywało się bez demontażu.
- Największe zasoby ropy naftowej i gazu ziemnego znajdują się pod dnem oceanów, ale sięganie do tych rezerw wymaga wyjątkowych rozwiązań, skutecznych na głębokości powyżej 3 km przy wewnętrznych ciśnieniach roboczych powyżej 70 MPa, zewnętrznych ciśnieniach większych niż 35 MPa i temperaturze wody morskiej poniżej 0oC. Hoffer rozwiązuje powstałe problemy za pomocą specjalnie zaprojektowanych przepływomierzy turbinowych o rozmiarach 1,6 cm (5/8 cala) i 10 cm (4 cale). Przepływomierze turbinowe są ciągle bardzo popularnym sposobem mierzenia przepływu. Zresztą czemu miałoby być inaczej ? Zapewniają przecież:
– dużą zakresować pomiaru,
– wyjątkową dokładność za niską cenę,
– materiały konstrukcyjne pozwalające na użycie do wielu płynów,
– prostą, trwałą konstrukcję umożliwiającą naprawę na obiekcie,
– możliwość współpracy z wieloma urządzeniami wtórnymi,
– różnorodność połączeń procesowych,
– pracę w szerokim zakresie temperatur i ciśnień.
Co robić, kiedy kleistość różni się?
Kiedy kleistość płynów przepływających różni się, wówczas używany jest przepływomierz komorowy. Niemniej jednak, kiedy stosowany jest przepływomierz turbinowy, większość producentów jest w stanie sporzą- dzić specjalny wykres kalibracji kleistości (SVCC ? Special Viscosity Calibration Curve), głównie dla przepływomierza.
Wygląd wykresu SVCC wymaga kalibracji przepływomierza turbinowego dla różnorodnych kleistości ? zazwyczaj dla trzech czy czterech. Każdy wykres kleistości charakteryzuje zachowania przepływomierza i używany jest do wyprowadzenia równania wielomianowego używanego przez komputerowe systemy sterowania i monitoringu.
Co więcej, na linii cieczy instalowany jest czujnik temperatury i następnie łączony z systemem monitoringu i kontroli.
W oparciu o informacje z czujnika temperatury, odpowiednie wartości wykresu SVCC używane są do ustalenia poziomu przepustowości przepływomierza turbinowego uwzględniając również poziom kleistości przepływu.
Jak radzić sobie ze zmianami lepkości?
Idealnym rozwiązaniem w przypadku zmiennej lepkości przepływającego płynu jest instalacja przepływomierza typu komorowego. W razie stosowania przepływomierza turbinowego większość producentów używa dostosowanej specjalnie do miernika krzywej kalibracji (Special Viscosity Calibration Curve ? SVCC).
Opracowanie SVCC wymaga, aby przepływomierz turbinowy został skalibrowany dla kilku lepkości ? zwykle trzech lub czterech.
Każda krzywa lepkości jest charakterystyczna dla danego miernika i stosuje się ją do opracowania równania wielomianowego używanego w komputerowym systemie sterującym lub monitorującym.
Dodatkowo w strumieniu cieczy instaluje się i podłącza do systemu sterującego lub monitorującego czujnik temperatury.
W zależności od odczytu czujnika temperatury stosuje się odpowiednią do wartości podawanej przez przepływomierz turbinowy krzywą lepkości (SVCC), aby osiągnąć poprawę gęstości strumienia przepływu.