Wybór przepływomierza

Czemu tak wiele zakładów zubaża swój układ automatyzacji przez źle dobrane przepływomierze? Dlaczego to pozornie proste zagadnienie doboru przepływomierza okazuje się w praktyce tak skomplikowane?

Według opinii jednego ze specjalistów aż 70% używanych w przemyśle przepływomierzy jest wadliwie dobranych. Najczęściej pod względem ich wielkości (z reguły zbyt duże), rzadziej zastosowania z powodu niewłaściwej metody pomiaru. I chociaż podana tu liczba może być dyskusyjna, to większość specjalistów, którzy mieli możliwość obserwowania instalacji przemysłowych, jest zgodna co do istoty opinii. Wnioski te zostały potwierdzone podczas obserwacji przeprowadzonych w dużej liczbie zakładów przemysłowych.
Zastosowanie niewłaściwej metody pomiaru (na przykład użycie przepływomierza indukcyjnego do pomiaru nieprzewodzących mediów) są zdecydowanie rzadkie, natomiast przewymiarowane przepływomierze występują w większości zakładów każdej branży. W ostatecznym rachunku wymienione tu błędy wynikają przede wszystkim z nieporozumień powstałych wskutek niewystarczającej wiedzy o specyficznych cechach stosowanych metod pomiaru oraz wymagań procesu technologicznego.
Niedostatki wiedzy o procesie
Peter Kucmas, specjalista pomiarów przepływu w firmie Endress & Hauser, uważa, że wybór przyrządu do pomiaru natężenia przepływu sprowadza się do odpowiedzi na pytanie: „do czego potrzebny jest ten pomiar?” I wyjaśnia, że niestety wielu nabywców ma zasadniczy problem z udzieleniem odpowiedzi na to podstawowe pytanie. Aby rozwiązać ten problem, specjalista z zewnątrz musi próbować zgłębić wiedzę użytkownika o jego procesie technologicznym. Musi zorientować się czego użytkownik oczekuje po wyniku pomiaru oraz w jaki sposób i do jakiego celu chce ten wynik wykorzystać?
Łatwo jest wypełnić rubryczkę zakresu pomiarowego w specyfikacji technicznej przepływomierza. Jednak sformułowanie wymagania dynamiki procesu oraz ocena, na ile jest ona istotna w konkretnym przypadku, to prawdziwe wyzwanie. W takiej sytuacji my, producenci sprzętu pomiarowego, musimy dociekać w rozmowie z użytkownikiem, nie zawsze dokładnie znającym proces technologiczny, dlaczego pomiar przepływu w określonym miejscu jest naprawdę potrzebny, jakie mogą być skutki braku tego pomiaru?”
W tej sprawie Melissa Schumann, specjalistka ds. pomiarów z firmy Turck, spotkała się z przypadkami, w których oczekiwania klientów całkowicie rozmijały się z ich szczegółową wiedzą o regulowanym procesie. Oto relacja M. Schumann. – Nasi rozmówcy rzadko wiedzą, czego dokładnie potrzebują w konkretnym miejscu procesu technologicznego.Poza tym natężenie przepływu oraz jego uwarunkowania są na ogół mało znane, z tego powodu trudne jest sprzedawanie przepływomierzy, bo trudno argumentami trafić na zrozumienie. W naszej ofercie jest wiele odmian sygnalizatorów przepływu. Z reguły jednak klienci pytają nas o najbardziej rozbudowane rozwiązania z wieloma sygnałami dzwonków lub gwizdków. Wszystko to zaś dotyczy przypadku, na przykład instalacji chłodzącej, w którym cała informacja, jakiej potrzebują użytkownicy, sprowadza się do tego, czy czynnik chłodzący płynie czy nie. Równocześnie klienci są przekonani, że przyrząd powinien być drogi, a ich oczekiwania dotyczą wielu parametrów, na przekór temu, że naprawdę potrzebują wyłącznie informacji o charakterze logicznym: czynnik płynie – nie płynie.
Niedostatek wiedzy o regulowanym procesie jest przyczyną rozmaitych kłopotów. Najbardziej oczywistym jest sprawa zakresu działania przyrządu, lecz poza tym występuje cały szereg innych zagadnień. Są to na przykład relacje między parametrami procesu i rodzajem mediów a wynikającymi z nich wymaganiami w odniesieniu do przyrządu i jego cech:
• dynamika przepływu – ciągle występujące wahania ciśnienia, temperatury i innych wielkości,
• cechy charakterystyczne płynu – lepkość, gęstość, przewodność elektryczna i im podobne,
• zmienność i ograniczenia procesu – przepływ minimalny, maksymalny, różnica, ich stosunek i znaczenie,
• wymagania dokładności pomiarów, sposób wykorzystania wyniku pomiaru w prowadzeniu procesu.
Rozważenie wymienionych zagadnień i udzielenie dokładnej odpowiedzi na powstałe przy tym pytania pozwoli na wybranie najodpowiedniejszej metody pomiaru oraz efektywnego kosztowo rozwiązania.
Na ten sam temat wyraża swoje spostrzeżenia inny specjalista, Mike Bess z firmy FCI. Mówi on, że spotkał niewielu nabywców, którzy w swoich ciągłych procesach wytwórczych po prostu obserwują i wykorzystują to, co im wskazuje przyrząd, nie wdając się w dociekania, jakie dodatkowe znaczenie ma określony wynik działania przyrządu. Ujmuje to w taki sposób: – Niewielu użytkowników jest zdolnych do stwierdzenia, że gdy widzi objawy funkcjonowania przyrządu ( na przykład lekkie wahania wskazań), ma pewność poprawnego przebiegu procesu. A przecież dla wielu operatorów jest to zupełnie wystarczające, bowiem powtarzalność wskazań uznają za informację ważniejszą niż dokładność wskazań.
Zwyczajowy dobór wielkości przyrządu
Przewymiarowanie, najczęściej występujący błąd w doborze, stanowi poważny problem. Sam fakt zastosowania przyrządu o zbyt dużym zakresie pomiaru ma swoje przyczyny. Jedna z nich dotyczy tego, że każda z metod pomiaru ma swoje ograniczenia, w szczególności próg, jakim jest dolna wartość zakresu pomiarowego. Poniżej tego progu mamy bowiem do czynienia z silnym spadkiem dokładności pomiaru. Drugie poważne ograniczenie to stosunek wartości maksymalnej zakresu pomiarowego do jego wartości minimalnej. Działa tutaj reguła, że im jest on większy (większa wartość ilorazu Fmax/Fmin), tym niższa jest dokładność samego pomiaru. Wynika to z powszechnej zasady stosowanej przez producentów, jest nią podawanie dokładności przyrządu nie w postaci konkretnej liczby (w jednostkach pomiarowych parametru mierzonego), lecz jako procent szerokości zakresu pomiarowego, czyli rozpiętości między wartością maksymalną a minimalną nastawionego zakresu pracy.
– Zazwyczaj zbyt duża wielkość przepływomierza wynika wprost z  instalowania przyrządu dopasowanego wielkością do rozmiaru rurociągu, a nie z rzeczywistego natężenia przepływu w tym rurociągu1) – tak uważa specjalista z firmy IPS Foxboro, Wade Mattar. – Bywa też tak, że rozmiar przepływomierza dobiera się do spodziewanej w przyszłości wielkości produkcji, której nie osiąga się przez wiele lat. Za to przez cały ten czas przepływomierz jest nieodpowiedni dla faktycznych aktualnych potrzeb prowadzenia procesu technologicznego.
Do podobnego wniosku dochodzi także Mike Dyer, przedstawiciel firmy McCrometer produkującej przepływomierze: – Najczęściej spotykanym nieporozumieniem jest rozumowanie klienta oparte na przewidywaniu, że dobrze będzie mieć przyrząd o większym zakresie. Dlatego w zamówieniu podają swój przepływ maksymalny na poziomie np. 10 tys. l/godz., podczas gdy prawdziwe natężenie przepływu w ich procesie oscyluje w okolicy 1000 l/godz. Wyobrażają sobie bowiem, że jeśli przyrząd poradzi sobie z pomiarem tego większego przepływu, to z pewnością poradzi sobie także z każdą mniejszą ilością. W przekonaniu tych klientów dobry (czyli pewny i dokładny) pomiar dotyczy całego zakresu, to jest od zera aż do wartości maksymalnej. Niestety, nie wiedzą o tym, że takie przyrządy w ogóle nie istnieją.
Kupowanie rutynowe
Często zdarza się, że poziom wiedzy kupującego o procesie wychodzi na jaw podczas sporządzania oferty zakupu. Chris Cotellese z firmy Siemens zauważył pewien powtarzający się sposób postępowania. Tak go charakteryzuje: – W większości przypadków przepisuje się wymagania pochodzące z dokumentacji projektowej instalacji technologicznej, do której ktoś wprowadził pewne, od siebie pochodzące szczegóły. Zależnie od poziomu wiedzy i doświadczenia projektanta specyfikacja zawiera mnóstwo danych, ponieważ nie jest skierowana na określonego wytwórcę sprzętu, lecz ma charakter ogólny. Jednakże taki nadmiar informacji i danych utrudnia wybór konkretnego typu przyrządu od konkretnego dostawcy.
Zdarza się – niestety rzadko – sytuacja zdecydowanie korzystniejsza. Ma to miejsce wtedy, gdy wytworzy się ściślejsza współpraca klienta z dostawcą. Jednak częste zmiany osobowe, jakie mają miejsce w wielu przedsiębiorstwach, na przestrzeni lat utrudniają wytworzenie się takich korzystnych relacji. Powinniśmy powrócić do czasów prostszych relacji, uważa przedstawiciel firmy Honeywell Process Solutions John Lusby. Opowiada o tym w następujący sposób: – Pierwszy etap mojej zawodowej pracy miał miejsce w firmie Fluor Corporation. Siedziałem obok doświadczonego specjalisty z firmy Fisher i razem dobieraliśmy zawory regulacyjne do naszej instalacji produkcyjnej. Uważnie obserwowałem jego tok przygotowań, używałem jego narzędzi oraz słuchałem jego uwag i sugestii. Jestem przekonany, że wtedy wykonałem dobrą, fundamentalną robotę. Myślę, że niewiele z tego rodzaju praktyk zostało do dzisiaj, niewielu specjalistów tak postępuje. Uważam, że zgubiliśmy całe pokolenie inżynierów specjalistów od przyrządów pomiarowych, którzy potrafili tak rzeczowo i konsekwentnie podchodzić do swojej pracy przy wyborze wielkości i rodzaju przyrządu.
Problemy przy instalowaniu
W sprawach dotyczących montażu przepływomierzy w instalacjach użytkowników najbardziej kompetentnym jest personel zakładów produkujących sprzęt pomiarowy. Jego opinie i zalecenia powinny być poważnie traktowane. Niemniej wielu klientów przejawia skłonność do ignorowania tych zaleceń pomimo tego, że są one dołączane do dokumentacji towarzyszącej dostawie. Szczególnie nie są zachowywane zalecane długości prostych odcinków rurociągu przed i za przepływomierzem. Wspominany już wcześniej specjalista McCrometer M. Dyer wyraźnie mówi klientom, że takie działania wykonują na własne ryzyko. – Jeśli producent zaleca zastosowanie prostego odcinka rurociągu o długości dziesięciu średnic tego rurociągu, wykonaj ten odcinek o żądanej długości. Zdarza się jednak, że klient taki odcinek skróci do 3 średnic, a następnie głośno mówi, że ma niedokładny pomiar. Dodaje nawet, że nie wie, co z tym zrobić. 
Z reguły przy każdej metodzie pomiaru występują specjalne wymagania odnośnie montażu przepływomierza w instalacji użytkownika. Poniżej zestawiamy praktyczne uwagi przydatne do zastosowania w każdym przypadku. Należy stanowczo unikać:
• montowania przepływomierza na wypływie,
• montowania przyrządu do pomiaru cieczy w miejscu, gdzie występuje pułapka powietrzna; skutecznie utrudnia ona lub wręcz uniemożliwia zapełnienie przewodu,
• lokalizowania przyrządu w miejscu, w którym gromadzą się osady i zanieczyszczenia,
• montowania rurek impulsowych (pomiar zwężkowy, z przetwornikiem różnicy ciśnień) w sposób dopuszczający niepełne zalanie rurek albo ich zatkanie.
Nie wstrzymywać postępu
Podczas gdy podstawowe metody pomiaru natężenia przepływu nie zmieniają się przez dziesięciolecia, współpracująca z czujnikami elektronika uległa bardzo poważnym ewolucjom w ciągu ostatnich lat. Rezultatem tego zjawiska jest większa stabilność przyrządów, wyższa dokładność oraz większe szerokości nastawianych zakresów pomiarowych. Te ulepszenia spowodowały mniejsze ryzyko wadliwego wyboru przyrządu. Obecnie nawet niezbyt trafny wybór nie będzie miał tak znaczących ujemnych skutków, jak to bywało uprzednio.
Tom Johnson, specjalista z dziedziny przepływomierzy magnetycznych i wibrujących (Vortex) w firmie Rosemount, twierdzi, że niektóre wskazówki wyboru przyrządu mają znaczenie na krótką metę. – Przy wyborze wielkości przyrządu klienci wykazują tendencje do opierania się na starych informacjach. Ich decyzja nie uwzględnia przeważającej ilości najnowszych informacji.  I dodaje w formie zalecenia: – Możesz dokonać niewłaściwego wyboru rozmiaru przepływomierza tylko dlatego, że w ogóle nie spojrzałeś na najnowsze opracowania.
Joel Lemke, specjalista od pomiaru przepływów na bazie różnicy ciśnień (także z firmy Rosemount), uzupełnia wypowiedź swojego kolegi. – Użytkownicy mają skłonność do stosowania swoich wypróbowanych reguł przy wyborze przyrządu. My, reprezentując producenta, stale usiłujemy klientom pomagać, w rezultacie czego są oni w coraz to lepszej sytuacji. Samo podniesienie dokładności przyrządu, jakiego dokonaliśmy ostatnio, poprawia jego użyteczność przez zwiększenie jego zakresu pomiarowego. W rezultacie wybór wielkości przyrządu nie jest już tak znacząco trudny jak przedtem.
Nabyte przyzwyczajenia powodują, że użytkownicy stosują uboższe od optymalnych metody dobierania przyrządów lub wprowadzają do procesu niepotrzebne ograniczenia. Cytowany wcześniej J. Lusby (z firmy Honeywell) przytacza przykład ze swej praktyki. – Większość powszechnie spotykanych obecnie pomiarów przepływu bazuje na metodzie zwężkowej, wykorzystując kryzy współpracujące z przetwornikami różnicy ciśnień. Większość z tych kryz była obliczana dla spadku ciśnienia wynoszącego przy maksymalnym natężeniu przepływu 25 kPa. Wynika to z faktu, że jeszcze 30 lat temu trudno było kupić dobrej jakości przetwornik różnicy ciśnień na zakresy niższe. W międzyczasie technika pomiarowa zrobiła olbrzymi postęp, lecz tamte rozwiązania stale są używane. Współczesny przetwornik różnicy ciśnień z nowoczesną elektroniką, mający techniczne możliwości pomiaru różnicy ciśnień do 100 kPa, zapewnia wystarczającą dokładność pomiaru nawet przy różnicy ciśnień wynoszącej 250 Pa. Takich możliwości nie miał przed 30 laty żaden przetwornik. 
Wsteczny trend w wiedzy
Najpoważniejszym problemem w skali całego przemysłu jest obniżenie kwalifikacji specjalistów instalowania i eksploatacji przyrządów automatyki. Niewiele przedsiębiorstw przemysłowych ma wystarczającą liczbę specjalistów o odpowiednim poziomie wiedzy, aby sprostać wymaganiom zrealizowania stawianego im przedsięwzięcia w wymaganym czasie.
Tak wypowiada się na ten temat wymieniony na początku artykułu P. Kucmas (Endress & Hauser). – Ponieważ przedsiębiorstwa częściej działają na granicy wydajności lub nawet ponad swoje możliwości produkcyjne, nie posiadają już specjalistów ze szczegółową specjalistyczną wiedzą. Przy konkretnych potrzebach opierają się na firmach zewnętrznych. Z kolei te zewnętrzne firmy mogą być w stanie dobrze wykonać zlecone im zadanie, lecz niestety w przypadkach szczególnych podchodzą do zadania w sposób zbyt ogólnikowy.
Komu zatem pozostaje realizacja trudniejszego zadania? Wypowiedź poprzednika uzupełnia W. Mattar (Foxboro): – Użytkownicy nie mają już grup ekspertów. Przy doborze zakresu pomiarowego polegają na producencie. Nie stało się to w wyniku odosobnionego aktu zaufania, lecz z konsekwentnych wysiłków producenta i uznania, że najlepszą wiedzę specjalistyczną posiada jego personel. Wykonujemy zatem nasze zadania jak najlepiej, aby tego zaufania nie zawieść.
Ostatecznie nic nie może zastąpić dogłębnej wiedzy o procesie wytwórczym i jego specyficznych wymaganiach, gdy zachodzi potrzeba wyboru odpowiedniej aparatury pomiarowo-kontrolnej. Kiedy takich fachowców zabraknie lub jest ich zbyt mało, nie są oni w stanie skutecznie uporać się ze skomplikowanym zagadnieniem, jakie przed nimi stanęło.
Autor artykułu Peter Welander jest redaktorem Control Engineering, specjalizującym się w automatyzacji procesów przemysłowych
Artykuł pod redakcją Józefa Czarnula