Różne rodzaje przepływomierzy w przyrządowych systemach bezpieczeństwa

Projektant przyrządowego systemu bezpieczeństwa powinien przeanalizować, jakich problemów może uniknąć dzięki dobraniu przepływomierzy wykonanych w odpowiedniej technologii. 

Występujące w świecie rzeczywistym najczęstsze problemy w przyrządowych systemach bezpieczeństwa (safety instrumented systems ? SIS) muszą być kwantyfikowane przez użytkownika dla każdej aplikacji. Takie problemy w systemach SIS nie są bowiem kwantyfikowane w raportach z analiz produktów (ang. white papers), wykorzystywanych przez producentów/dostawców oraz inne firmy w standardowych arkuszach danych bezpieczeństwa dla tych produktów. Przyczynami zagrożeń dla bezpieczeństwa, stwarzanych przez część pomiarową systemów są tzw. problemy ?o częstych przyczynach w świecie rzeczywistym? (?real-world common cause? problems).

Ponieważ takie problemy są spowodowane licznymi przyczynami i mają wpływ na wiele urządzeń, nie mogą być rozwiązane przez zastosowanie redundancji. Wspomniany artykuł opisuje w szczegółach przykłady najczęstszych problemów ze świata rzeczywistego, dotyczących pomiarów temperatury, przepływu i poziomu oraz podaje zalecane praktyki projektowania, które mogą zminimalizować wpływ tych problemów na bezpieczeństwo. Przykładami przyczyn występowania takich problemów są: zapchane linie pomiarowe czujników ciśnienia, zbyt długi czas reakcji kapilar termometrycznych w niskich temperaturach, pokryte osadem lub pęknięte osłony termometryczne, a nawet pewne nieoptymalne praktyki instalowania oraz konserwacji sprzętu.

W artykule ?Wykorzystanie funkcji diagnostycznych do zwiększania bezpieczeństwa systemu?¹ rozważaliśmy kwestię, czy jeśli jakiś problem nie może być wyeliminowany za pomocą lepszego projektu, to czy diagnostyka potrafi wykryć ten problem, aby mógł być rozwiązany, zanim wpłynie na bezpieczeństwo lub spowoduje nawet zatrzymanie procesu technologicznego. Pokazaliśmy również, jak diagnostyka upraszcza częściowe testy funkcjonalne (ang. proof testing) urządzeń w systemie bezpieczeństwa i/lub zwiększa potrzebę wykonania kompleksowych testów funkcjonalnych.

W tym artykule analizujemy, jakich problemów projektant systemu SIS powinien uniknąć, dobierając urządzenia pomiarowe wykonane w odpowiednich technologiach. Różnorodność technologii stosowanych w przyrządach pomiarowych nie ma dużego wpływu na pomiary ciśnienia, ponieważ praktycznie wszystkie metody są tu takie same. Podobnie jest z pomiarami temperatury. Co prawda istnieją różne typy czujników termometrycznych, jednak w praktyce każdy powstały problem będzie miał podobny wpływ na te czujniki. Czujniki poziomu typu GWR (guided-wave radar; radar z falą kierowaną) są w praktyce lepsze od czujników poziomu wykorzystujących różnicę ciśnień (differential pressure ? dP), ponieważ nie są wrażliwe na powszechnie spotykane w praktyce problemy, takie jak zapchanie rur czy zmiany gęstości płynu. Jednak w przypadku pomiarów natężenia przepływu sytuacja jest inna ? różnorodność technologii urządzeń pomiarowych ma znaczenie i jest użyteczna dla projektantów systemów SIS. 

Częste przyczyny problemów z przepływomierzami

Istnieje wiele potencjalnych przyczyn uszkodzeń lub nieprawidłowych wskazań przepływomierzy. Natomiast w kwestii bezpieczeństwa szczególne znaczenie ma znalezienie odpowiedzi na następujące pytania:

• Czy powstały problem powoduje, że miernik podaje nieprawidłową wartość natężenia przepływu bez jakiegokolwiek ostrzeżenia dla użytkownika? Takie awarie są nazywane ukrytymi (czasami także niewykrytymi). Jeśli nieprawidłowy wynik pomiaru może mieć wpływ na bezpieczeństwo, na przykład miernik podaje zbyt wysoką wartość przepływu w pętli chłodzenia, to jest to awaria ?niebezpieczna?, ponieważ może spowodować przegrzewanie się płynu procesowego. Należy zauważyć, że jeśli z kolei wynik pomiaru wskazuje na zbyt niski przepływ w pętli chłodzenia, to będzie to awaria ?bezpieczna?, ponieważ nie skutkuje ona powstaniem stanu niebezpiecznego, chociaż oczywiście może spowodować niepotrzebne wyłączenie linii produkcyjnej. Niebezpieczne ukryte awarie mają wpływ na bezpieczeństwo, natomiast awarie bezpieczne i widoczne mają wpływ na dyspozycyjność sprzętu.
• Czy problem ten może wpłynąć na drugi (lub nawet trzeci) miernik w ten sam sposób? Jeśli tak, to redundancja tu nie pomoże. Dlatego jest to definiowane jako problem częstej przyczyny.

W pomiarach przepływu powszechnie stosowane są przepływomierze różnicowe. Taki miernik wykorzystuje element ograniczający przepływ w linii, np. zwężkę czy uśredniającą rurkę Pitota (Annubar), do wytworzenia spadku ciśnienia, który jest mierzony za pomocą czujnika różnicy ciśnień dP. Natężenie przepływu jest obliczane na podstawie różnicy ciśnień przy wykorzystaniu równania Bernoulli?ego. Różnicowe mierniki przepływu są stosowane często ze względu na ich uniwersalność oraz powszechną znajomość w branży. Jeśli przepływomierz dP zostanie prawidłowo dobrany i zainstalowany, a potem konserwowany, to może dostarczać wyniki o wysokiej powtarzalności, przy czym strata ciśnienia jest stała i do przyjęcia. Niestety, w pewnych aplikacjach może on powodować poważne problemy i zagrożenia dla bezpieczeństwa. 

• Zmiany właściwości płynu, takie jak skład czy gęstość, wpływają na powtarzalność wyników pomiarów (chociaż użytkownik może próbować dokonywać kompensacji błędów).
• Zanieczyszczenia obecne w płynach lub niska temperatura otoczenia mogą spowodować wolniejszy przepływ w linii czujnika lub jej zapchanie.
• Pęcherzyki gazu w cieczach lub kropelki cieczy w gazach (zależnie od fazy czynnika, którego przepływ jest mierzony) mogą wpłynąć na wyniki pomiarów lub zbierać się w linii pomiarowej czujnika i spowalniać jego czas reakcji.
• Zanieczyszczenia w płynie mogą powodować zablokowanie, zarastanie lub erozję podstawowego elementu miernika (kryzy), powodując błędne wyniki pomiarów.
• Duża ilość połączeń gwintowych w instalacji zwiększa możliwość wycieków gazów i cieczy, szczególnie w zaworach rozdzielających, pracujących w zimnym otoczeniu ? jeśli użytkownik wybrał zawory wg norm ANSI zamiast wg ISO.
• Ryzyko błędu powstaje, gdy dostarczany przez producenta przepływomierz składa się z wielu części, które są montowane na miejscu (chyba że użytkownik dobrał miernik zintegrowany, wstępnie zmontowany i przetestowany pod ciśnieniem przez producenta). W takiej sytuacji mogą powstać błędne wyniki pomiarów lub wycieki płynu (fot. 1).
• Testy funkcjonalne. Większość użytkowników sprawdza tylko, czy przepływomierz dP nie zwiększył błędów pomiaru w trakcie eksploatacji (tzw. dryft) oraz czy linie pomiarowe nie są zapchane. Natomiast główny element miernika jest sprawdzany rzadko ? nie dlatego, że się nie psuje, ale raczej ze względu na to, że często jest on niedostępny.

Przepływomierze wykorzystujące inne technologie są stosowane rzadziej, jednak w aplikacjach związanych z bezpieczeństwem także są narażone na problemy.

• W przepływomierzu turbinowym zanieczyszczenia, powstające warstwy osadu, zużycie lub uszkodzenia jakiegokolwiek podzespołu mogą spowodować błędne wyniki pomiaru. Użytkownik może nie uzyskiwać żadnych wskazań tego, że coś się dzieje wewnątrz przepływomierza, aż do chwili wykonania testów funkcjonalnych przy użyciu zewnętrznego miernika wzorcowego.
• Jeśli przepływomierz elektromagnetyczny jest zainstalowany w systemie związanym z chłodzeniem, to użytkownik musi zweryfikować brak ryzyka, że jakiś płyn nieprzewodzący (np. woda dejonizowana) dostanie się do układu. Jeśli tak, to przepływomierz może wskazywać zbyt niskie wartości lub wystąpią zakłócenia wyników pomiarów.
• W przepływomierzach elektromagnetycznych mogą występować problemy związane z uziemieniem funkcjonalnym, warstwami wewnętrznymi rur oraz elektrodami, chociaż nowoczesne urządzenia mogą wykryć niektóre z nich za pomocą diagnostyki i weryfikacji.
• Większość przepływomierzy wymaga prostych odcinków rury pomiarowej po obu stronach, aby zapewnić równomierny przepływ płynu. Niestety wiele mierników jest instalowanych przy wykorzystaniu przestarzałych prostych zasad ?10 średnic przed miernikiem, 5 średnic za miernikiem?. Nowoczesne normy, takie jak ISO-5167² mogą do zapewnienia dokładności pomiaru wymagać prostych odcinków rur o długości 50 lub więcej średnic tej rury, zależnie od zakłóceń w linii przed miernikiem.

Jeśli istnieje ryzyko wystąpienia jednego z tych problemów, użytkownik musi je określić ilościowo dla celów analizy ryzyka. Następnie musi przeprowadzać okresowe testy funkcjonalne w celu wykrycia tego problemu. Wymagana częstotliwość testów funkcjonalnych zależy od oceny użytkownika, jak szybko problem może powstać w konkretnej aplikacji. Obliczenie prawdopodobieństwa powstania problemu oraz szybkości jego rozwijania się jest wyzwaniem dla inżynierów pracujących nad projektem. Użytkownik musi polegać tylko na doświadczeniu ? wykorzystywać dane archiwalne na temat awarii w podobnych procesach w innej fabryce ? aby uzyskać odpowiedzi na pytania:

• Jeśli w podobnej aplikacji zainstalowano 100 linii pomiarowych, to ile z nich prawdopodobnie ulegnie zapchaniu w jakimś danym czasie podczas pracy fabryki?
• Jeśli technicy utrzymania ruchu sprawdzą, że jakaś linia dziś nie jest zapchana, to ile czasu prawdopodobnie upłynie, zanim linia ta się zapcha?

Radzimy użytkownikowi, aby zamiast spędzania wielu godzin nad obliczeniami prawdopodobieństwa i częstotliwości występowania możliwych częstych problemów w każdej aplikacji, usprawnił swój projekt poprzez wyeliminowanie przyczyn możliwych problemów. Tam, gdzie użytkownik nie jest w stanie lepiej zaprojektować systemu, aby wyeliminować problem, który mógłby spowodować, że wiele mierników pokaże nieprawidłową wartość, powinien on rozważyć zainstalowanie przepływomierzy działających na innej zasadzie. W przypadku pomiarów przepływu najpopularniejszymi są tu przepływomierze wirowe oraz Coriolisa.

Przepływomierze wirowe

Przepływomierz wirowy wykorzystuje zjawisko generacji ścieżki wirowej von Kármána. Zjawisko to polega na tworzeniu się naprzemiennych wirów na nieopływowej przeszkodzie, umieszczonej prostopadle do przepływającego płynu. Częstotliwość tworzenia się tych wirów jest funkcją liniową natężenia przepływu, co jest jedną z głównych zalet tego typu przepływomierzy. Niewielka ilość osadów na przegrodzie (belce generującej wiry) lub zanieczyszczeń w rurze pomiarowej osłabi sygnał, ale nie zmieni wyniku pomiaru przepływu. W miarę jak ilość osadów i zanieczyszczeń wzrasta, sygnał częstotliwościowy staje się coraz słabszy i w końcu sygnał przepływu zanika.

Co prawda to uszkodzenie miernika jest raczej bezpieczne ? powoduje brak pomiaru przepływu zamiast błędnego pomiaru ? jednak nadal ma wpływ na dyspozycyjność sprzętu. Z tego powodu, jeśli użytkownik rozważa zastosowanie przepływomierza wirowego zamiast wykonanego w innej technologii ze względu na odporność na osady i zanieczyszczenia obecne w płynach, to powinien wybrać miernik, który sam w sobie jest odporny na osady i zapchanie. Można to osiągnąć poprzez wybór miernika z czujnikiem niemającym kontaktu z płynem oraz nieposiadającym wewnętrznych portów lub szczelin, które w miarę upływu czasu mogą zostać zapchane. Jeśli użytkownik wybiera przepływomierz wirowy ze względu na zmniejszenie ilości potencjalnych wycieków, to powinien wybrać taki miernik, który może być zainstalowany bez O-ringów czy uszczelek mających kontakt z przepływającym medium.

W przypadku płynów zawierających duże lub ścierne cząstki zanieczyszczeń, użytkownik powinien rozważyć wybór przepływomierza wirowego z dwoma belkami (fot. 2). W większości aplikacji pierwsza z belek będzie bardziej narażona na każde zablokowanie czy ścieranie. Użytkownik może wykryć każdą odchyłkę od kalibracji poprzez monitorowanie różnic pomiędzy sygnałami mierzonymi za pierwszą i za drugą belką. Dla każdej belki miernik może posiadać pojedyncze lub podwójne czujniki pomiarowe, tak więc w pojedynczej instalacji użytkownik może podłączyć do trzech niezależnych czujników do systemu SIS, natomiast czwarty czujnik do podstawowego systemu sterującego procesem.

W wielu aplikacjach bezpieczeństwa jednym z kluczowych wyzwań jest zrozumienie, co dzieje się z pomiarem w warunkach niskiego natężenia przepływu, ponieważ sytuacja ta ma miejsce w przypadku wielu niebezpiecznych procesów. Przykładami niebezpiecznych sytuacji są tu: wydostawanie się płomienia na zewnątrz w procesie spalania lub skok sprężarki w instalacji pneumatycznej. W przypadku przepływomierza ciśnieniowego, gdy natężenie przepływu maleje, błąd pomiaru rośnie, jednak miernik ten może teoretycznie wskazać wartość niemal zerową. Podczas gdy przepływomierze wirowe utrzymują swoją dokładność przy spadku natężenia przepływu, to poniżej pewnej wartości minimalnej liczby Reynoldsa miernik wirowy nie będzie w ogóle rejestrował żadnego przepływu. Należy zauważyć, że ograniczenie to jest oparte na liczbie Reynoldsa ? nie zaś na natężeniu przepływu ? to rozróżnienie jest ważne w aplikacjach związanych z węglowodorami.

Ponieważ większość węglowodorów ma wysoką lepkość w niskich temperaturach, mierniki wirowe podczas uruchamiania mogą nie wskazywać żadnego natężenia przepływu tak długo, dopóki płyn się nie nagrzeje. Jeśli system SIS interpretuje brak przepływu jako awarię, co dzieje się często, może on uniemożliwić uruchomienie procesu technologicznego. Aby uniknąć takiej sytuacji, użytkownik powinien zapewnić, że podczas uruchamiania procesu płyn zostanie ogrzany, lub dobrać taki przepływomierz wirowy, aby realizował on również pomiary niskiego natężenia przepływu płynów o wysokiej lepkości. Jednym z rozwiązań może być tu przepływomierz wirowy redukujący, który ma mniejszy korpus pomiarowy pomiędzy kołnierzami oraz jest dopasowany do rur o tej samej średnicy co większy przepływomierz (fot. 3).

Miernik wirowy o wysokiej niezawodności jest z natury odporny na brudne płyny i łatwy do poprawnej instalacji. Dostępne są tu też możliwości diagnostyczne, które zapewniają bezpieczną instalację i działanie oraz upraszczają okresowe testy funkcjonalne. Na przykład technicy utrzymania ruchu mogą weryfikować wytrzymałość czujnika oraz symulować wejściowy sygnał częstotliwościowy bezpośrednio z czujnika.

Żaden z tych testów funkcjonalnych nie wymaga ani wyłączenia procesu technologicznego, ani zastosowania dodatkowego sprzętu. W przypadku płynów, które mogą zawierać cząstki zanieczyszczeń takiej wielkości, że mogą zablokować belkę generującą wiry, użytkownik może zainstalować przed przepływomierzem port inspekcyjny. Port taki pozwala na wprowadzenie kamery do linii przepływu płynu w celu dokonania inspekcji wizualnej. Po przeprowadzeniu takiej inspekcji łatwo jest po wyłączeniu linii dokonać demontażu, dokładnego sprawdzenia i oczyszczenia oraz ponownego zainstalowania miernika. Producent przepływomierza może dokonać fabrycznej kalibracji miernika w układzie z zainstalowanym portem inspekcyjnym, aby zapewnić brak wpływu tego portu na dokładność pomiarów.

Przepływomierze Coriolisa

Pojedynczy przepływomierz Coriolisa mierzy bezpośrednio przepływ masy, gęstość oraz temperaturę płynu. Na podstawie wyników tych pomiarów oblicza on przepływ objętościowy. Tego typu przyrządy charakteryzują się dużą dokładnością i szerokim zakresem pomiarowym. Na ich wskazania w większości nie mają wpływu zmiany parametrów płynu, takich jak gęstość, lepkość czy skład. Przepływomierz Coriolisa nie wymaga prostych odcinków rur po obydwu stronach, co może uprościć instalację i pozwolić na uniknięcie błędów spowodowanych lekką krzywizną rur. Ponadto pozwala on użytkownikowi na instalowanie całego miernika w takiej lokalizacji, aby był dostępny dla celów testowania oraz inspekcji (należy zauważyć, że przyczyną tego, iż wiele zwężek przepływomierzy różnicowych znajduje się w niedostępnych miejscach w instalacji rurowej, jest to, że tylko w tych miejscach można znaleźć wymagane proste odcinki rur). Podobnie jak przepływomierz wirowy, miernik Coriolisa łatwo dobrać i zainstalować.

Co prawda przepływomierze Coriolisa są raczej niezawodne, jednak użytkownik powinien być świadomy ryzyka przepływu dwufazowego: gazu zawartego w płynie lub płynu zawartego w gazie. Jest to często obserwowane w płynach o wysokiej lepkości lub przy produkcji wsadowej. Powoduje to, że średnia wartość natężenia przepływu wzrasta nawet wtedy, gdy rzeczywista ilość płynu ? jego masy ? się nie zmieniła. To może powodować znaczne błędy w większości przepływomierzy wolumetrycznych, chociaż nowoczesne modele mogą wykryć zmianę fazy przepływającego czynnika i zaalarmować użytkownika. Na miernik Coriolisa, który bezpośrednio mierzy przepływ masowy, wpływ tego powinien być minimalny, szczególnie w przypadku nowoczesnych, inteligentnych mierników z cyfrową obróbką sygnału.

Jednak, dokładnie tak jak w przypadku wirówek, w których siła odśrodkowa oddziela komponenty ciężkie od lekkich, gdy rura przepływomierza Coriolisa wibruje szybciej, lekki gaz i ciężki płyn mogą oddzielić się od siebie i poruszać z różnymi prędkościami w rurze. Powoduje to znaczne błędy ? 10 razy większe niż w przypadku miernika Coriolisa o wysokiej dokładności. Z tego powodu do aplikacji, w których możliwy jest przepływ dwóch faz płynu, użytkownik powinien wybrać taki miernik Coriolisa, który wykorzystuje niską częstotliwość wzbudzania oscylatora elektromagnetycznego³ oraz posiada możliwości detekcji dwóch faz płynu (rys. 1).

Urządzenia przeznaczone do systemów bezpieczeństwa SIS mają specjalne układy diagnostyki, które wykrywają awarie wewnętrznych obwodów elektronicznych⁴. Te układy diagnostyczne często nie są konfigurowalne przez użytkownika lub nie są dla niego dostępne, jednak gdy wykryją niebezpieczne uszkodzenie wewnętrzne, automatycznie wymuszają sprowadzenie urządzenia do stanu bezpiecznego. Zastosowanie diagnostyki zwiększa bezpieczeństwo i pozwala na dopuszczenie takiego urządzenia do pracy na konkretnym poziomie nienaruszalności bezpieczeństwa (safety integrity level ? SIL) lub wydanie dla niego odpowiedniego certyfikatu bezpieczeństwa przez niezależne laboratorium. 

Diagnostyka na żądanie jest także dostępna w nowoczesnych przepływomierzach Coriolisa, które pozwalają użytkownikowi na zwiększenie współczynnika pokrycia diagnostycznego, dostępnego z testu funkcjonalnego in-situ⁵ od wartości 50%, typowej dla starszych urządzeń, do ponad 90%. To pozwala użytkownikowi na wydłużenie przedziałów czasowych pomiędzy testami funkcjonalności. Ponieważ kompleksowy test funkcjonalności wymaga wymontowania miernika z systemu i podłączenia do zewnętrznego miernika wzorcowego lub wysłania do laboratorium kalibracyjnego, to takie wydłużenie okresów pomiędzy testami może być idealnie dopasowane co najmniej do harmonogramu wyłączeń całej fabryki.

Jeśli użytkownik zidentyfikował lub zaobserwował w swojej aplikacji jakiekolwiek ukryte lub niebezpieczne awarie o częstej przyczynie, to musi on w swojej analizie bezpieczeństwa obliczyć prawdopodobieństwo wystąpienia awarii oraz jak szybko powstały problem może się rozwinąć, co ma na celu wyznaczenie interwałów czasowych pomiędzy testami funkcjonalności. Przy projektowaniu nowego procesu nie jest to też praktyczne, dlatego jeśli problem nie może zostać wyeliminowany za pomocą lepszego projektu, użytkownik często uzyska lepsze wyniki, wybierając przyrządy pomiarowe wykorzystujące inną technologię, na które awaria nie ma żadnego wpływu. Dla aplikacji związanych z pomiarami natężenia przepływu powinno się uwzględniać mierniki wykorzystujące dwie technologie ? wirowe oraz Coriolisa.

Inż. Mark Menezes, dyrektor oddziału pomiarowego firmy Emerson Automation Solutions w Kanadzie. Oddział ten zajmuje się sprzedażą i usługami w zakresie czujników i mierników ciśnienia, temperatury, poziomu, natężenia przepływu oraz stopnia korozji. Mark Menzes ma 31 lat doświadczenia w automatyce procesowej, w tym 24 lata w firmie Emerson. Uzyskał tytuł inżyniera chemika na Uniwersytecie w Toronto oraz MBA (Master of Business Administration) w Szkole Biznesu Schulich na Uniwersytecie w York.