Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Doporučené postupy plánování kalibrace průtokoměrů

Článek podává přehled o tom, kdy a jak mají být kalibrovány průtokoměry a jak na základě informací o podmínkách měření a o provozu jednotlivých průtokoměrů sestavit detailní plán jejich kalibrací. Popisuje také rozdíl mezi kalibrací, ověřením a verifikací průtokoměrů.

 
Zanedbání kalibrace průtokoměrů může mít negativní vliv na přesnost měření, a tudíž i na celý výrobní postup; naproti tomu příliš častá kalibrace je spojena s náklady, které nepřinášejí žádný užitek. Otázky tedy jsou, jak určit správný okamžik, kdy je třeba snímač kalibrovat, a jak častá by měla být kalibrace.
 
V mnoha průmyslových podnicích v oblasti procesní výroby jsou všechny průtokoměry kalibrovány jednou za rok, popř. i častěji, a to jen z jednoho prostého důvodu: protože se to tak vždy dělalo. Jenže nové měřicí přístroje a diagnostické metody v kombinaci s pečlivou rozvahou a plánováním mohou přispět ke stanovení optimální frekvence kalibrací jednotlivých průtokoměrů a tak ušetřit náklady a zlepšit provoz zařízení.
 
Průtokoměr, který neměří správně, může být zdrojem mnoha problémů. Například při předávacím měření na ropovodech a plynovodech může i malá odchylka stát zákazníka miliony dolarů ročně. V potravinářství může podobně malá odchylka negativně ovlivnit chuť a kvalitu produktu a být příčinou ztrát a nákladů v případě, že vyrobenou šarži produktů nelze pustit na trh.
 
Právě proto, že měření průtoku je v mnoha procesech tak kritické, bývá zvykem průtokoměry kalibrovat minimálně jednou ročně, přestože to často není nutné. Mnohdy se to dělá jen proto, aby se demonstrovala vysoká úroveň řízení jakosti a pečlivá péče o měřicí přístroje. V mnoha podnicích je každoroční kalibrace průtokoměrů zavedeným rituálem, bez toho, že by se nad ním někdo zamýšlel nebo jej teoreticky zdůvodňoval. Podle zažité tradice pracovníci údržby cítí, že při delším intervalu kalibrace by příliš vzrostlo riziko případného selhání přístroje.
 
V mnoha případech ovšem pro každoroční kalibraci není vůbec žádný důvod a průtokoměry by stačilo kalibrovat jednou za tři nebo za čtyři roky. Závisí to na druhu měřeného média, podmínkách měření a na tom, o jak kritické měření jde. V jiných případech je ale na místě mnohem častější kalibrace, např. v intervalu jednoho měsíce, protože jen tak lze zajistit bezpečnost a efektivitu provozu nebo shodu s regulatorními požadavky. Je tedy důležité si uvědomit, že všechny průtokoměry nemusí mít stejný kalibrační interval, naopak, kalibrační intervaly se u jednotlivých průtokoměrů podle jejich použití nebo podle informací o jejich provozu v minulosti mohou výrazně lišit. Jak ale určit, kdy který snímač kalibrovat? Je třeba vytvořit plán kalibrací, který bude respektovat doporučené postupy pro kalibraci průtokoměrů.
 

Soupis měřicích přístrojů

Prvním krokem při vytváření plánu kalibrací je sepsat všechna místa měření a měřicí přístroje používané v daném závodě, tedy včetně měření průtoku a průtokoměrů, jimž se tento článek zvlášť věnuje. Je tedy třeba nejprve vytvořit dokument, v němž budou popsány jednotlivé části zařízení a jednotlivé měřicí systémy a regulační smyčky. Tento seznam by měl obsahovat i takové detaily jako popis použitých přístrojů, jejich umístění, pracovních podmínek a pracovního rozsahu, stejně tak i záznamy z historie provozu a kalibrací, popř. další informace, které pomohou lépe pochopit, k čemu je daný měřicí systém určen a jak funguje.
 
Je-li tento soupis hotový, lze přistoupit k druhému kroku, jímž je identifikace, které přístroje jsou kritické pro daný produkt, proces a bezpečnost operátorů. Na začátku se tedy musí sejít vedoucí metrologie, vedoucí úseku řízení kvality a vedoucí údržby – nebo zaměstnanci s podobně hlubokými znalostmi o technologických procesech a provozních přístrojích – a dát dohromady své znalosti o provozním prostředí, stavu instalovaných zařízení a přístrojové techniky, typu servisních prací, které jsou na nich vykonávány, a o omezeních údržby s ohledem na provoz závodu.
 
Jakmile jsou tyto informace shromážděny, je třeba začít od finálního produktu a zjistit, v jakých tolerancích se mohou pohybovat jeho kvalitativní vlastnosti. Potom se prochází zpět různými stupni technologického procesu. V každém kroku je zapotřebí určit, jaké provozní přístroje se v něm používají, a položit si otázku, zda má tento přístroj vliv na kvalitu produktu (nebo polotovarů), na průběh technologických procesů a na bezpečnost práce. Pak je třeba určit, jak často je nutné kalibrovat jednotlivé průtokoměry. V novém závodě se prvotní plán kalibrací sestavuje na základě již uvedených faktorů; s příslušnými pracovníky podniku na tom mohou spolupracovat i odborníci výrobce průtokoměrů, již jim pomohou určit, která měřicí místa do plánu kalibrací zahrnout a na základě čeho je hodnotit. Pomohou také s vytvářením prvotního podrobného plánu kalibrací a se stanovením, jak často je třeba průtokoměry kalibrovat.
 

Kategorizace průtokoměrů

Po auditu celého souboru instalovaných provozních přístrojů je důležité rozdělit průtokoměry do kategorií podle jejich důležitosti (tab. 1).
 
V první kategorii jsou průtokoměry kritické pro daný produkt. Jde o přístroje, které mají zásadní vliv na kvalitu výroby. S kategorizací se začíná právě zde, protože jde o průtokoměry, které mají přímý vliv na efektivitu celého závodu, ať jde o dávkování vstupních surovin v potravinářství, míchání chemikálií nebo fakturační měření v předávacích místech produktovodů. Neměří-li tyto průtokoměry správně, je výsledkem nekvalitní produkt, který nepřináší očekávaný zisk, naopak může být spojen s náklady na jeho likvidaci.
 
Ve druhé kategorii jsou průtokoměry kritické pro daný proces. To jsou průtokoměry, které také mohou mít vliv na celý závod – v nejméně příznivém případě totiž jejich selhání znamená odstavení celého závodu. Jejich nepřesnost způsobuje plýtvání surovinami a energií a tím snižuje efektivitu a produktivitu výroby, avšak přímý vliv na kvalitu produktu ani na bezpečnost práce nemají.
 
Ve třetí kategorii jsou průtokoměry kritické z hlediska bezpečnosti. To jsou ty, které mají přímý vliv na bezpečnost práce, funkční bezpečnost a bezpečnost životního prostředí. Tyto průtokoměry často nemusí být ani mimořádně přesné, ale je požadováno, aby byly mimořádně spolehlivé.
 
Ve čtvrté kategorii jsou průtokoměry, které nemají přímý vliv ani na kvalitu, ani na průběh technologických procesů, ani na bezpečnost obsluhy nebo prostředí.
 
Jakmile jsou všechny průtokoměry rozděleny do těchto čtyř kategorií, je pro každý snímač určena maximální přípustná chyba (MPE – Maximum Permissible Error). Kritické průtokoměry mají zpravidla užší toleranční pole než méně kritické.
 
Když je auditorovi nebo jiné odpovědné osobě zřejmé, že průtokoměry čtvrté kategorie nemají žádný vliv na kvalitu, efektivitu ani bezpečnost práce či prostředí, lze prodloužit periodu jejich kalibrací nebo stanovit, že periodickou kalibraci vůbec nevyžadují a stačí jen občas ověřit jejich funkci. Naopak nejkritičtější průtokoměry bude třeba kalibrovat častěji než jednou ročně, aby byla zaručena kvalita výrobků, efektivita výroby a bezpečnost.
 

Software pro správu výrobních prostředků – asset management

Data sesbíraná při auditu provozních přístrojů jsou uložena v systému pro správu výrobních prostředků (AMS – Asset Management System), v systému pro správu údržby nebo v systému pro správu provozních přístrojů. Jedním z velkých pokroků několika uplynulých let je vznik softwaru pro tyto systémy, který zefektivňuje jejich využívání. Tyto systémy poskytují takové informace, jako jsou soupisky náhradních dílů, výkresy a schémata zapojení, originální kalibrační data a certifikáty (obr. 1).
 
Všechny průtokoměry jsou výrobci před dodáním zákazníkovi kalibrovány a kalibrační data mohou být snadno zavedena do příslušného softwaru zákazníka. Když je průtokoměr překalibrován, nová data se přepíšou na místo starých, která zůstanou uložena v historických záznamech. Použije-li se elektronický kalibrátor s rozhraním pro AMS, mohou být nová data do softwaru zavedena zcela automaticky.
 
Dalším významným pokrokem je možnost přistupovat k informacím v AMS prostřednictvím mobilních zařízení pracovníků údržby (obr. 2). Pracovníci v provozu se tak mohou podívat na aktuální i historická data kalibrací, diagnostická data, instrukce pro řešení závad a na další informace potřebné k plnění úkolu nebo odstranění závady průtokoměru.
 
Diagnostická data každého průtokoměru mohou být přenášena do řídicího systému nebo do AMS. Diagnostická data z Coriolisova průtokoměru jsou např. detekce prázdného potrubí, drift měřené hodnoty, chyby senzorů, chyby převodníku, chyby způsobené nehomogenitou média, vliv okolního prostředí a provozní teploty atd. Tato data mohou být využita mj. k optimalizaci kalibrace, diagnostice poruch a detekci malých odchylek ještě dříve, než přerostou ve velké problémy.
 
Průtokoměry většiny dodavatelů poskytují uvedené informace v reálném čase, typicky prostřednictvím provozních sběrnic jako Profibus-PA, Foundation Fieldbus nebo EtherNet/IP. V závislosti na typu sběrnice mohou být tato data přímo přístupná i technikům v provozu. Například EtherNet/IP umožňuje, aby jednotlivé přístroje byly dotazovány diagnostickým nebo řídicím systémem, zda nemají nějaké zprávy s diagnostickými informacemi, které by bylo třeba poslat přímo jako varování např. pracovníkům údržby.
 
Průmyslová PC vybavená AMS, systémem řízení údržby, diagnostickým systémem (CMS – Condition Monitoring System) nebo softwarem HMI/SCADA potom mohou přistupovat k diagnostickým informacím poskytovaným přímo provozními přístroji v reálném čase.
 
V mnoha případech jsou moderní průtokoměry vybaveny pokročilou diagnostikou, která zjistí, jaký problém nastal, a diagnostický systém nebo jiný software informuje oddělení údržby o tom, že daný průtokoměr má poruchu, prostřednictvím alarmu.
 

Stanovení intervalů kalibrace

Sestavení plánu kalibrace pro průtokoměry často vyžaduje asistenci ze strany jejich výrobců, popř. kalibrační laboratoře, která má zkušenosti s kalibracemi v průmyslu. Tito odborníci dokážou doporučit, jak často by v dané typické úloze měly být průtokoměry kalibrovány. Koncový uživatel potom tato doporučení podle uvážení použije a uzpůsobí je podle svých specifických podmínek, funkce měřidel a svých zkušeností.
 
Interval kalibrací závisí na zařazení průtokoměru do jedné ze čtyř kategorií a na MPE, ale také na povaze produktu, který je měřen, na povaze procesu (kontinuální nebo dávkový), na potřebě čištění postupy CIP (Clean In Place), na typu průtokoměru (kontaktní, bezkontaktní) a také na tom, jak snadný je přístup k průtokoměru a jeho demontáž pro kalibraci.
 
V některých případech je přístup k průtokoměru možný jen při kompletní odstávce provozu, v jiných případech je průtokoměr dostupný kdykoliv. Je na konstruktérech, aby už při návrhu zařízení mysleli na to, že průtokoměry bude třeba kalibrovat.
 
V nových závodech jsou intervaly kalibrací průtokoměrů obvykle založeny na navržených provozních parametrech, doporučení výrobců a kvalifikovaného týmu kalibrační laboratoře a metrologa podniku. Takto se určí prvotní intervaly kalibrací, které je možné postupně optimalizovat.
 
V závodech, které už jsou v provozu, je možné interval kalibrací určit na základě provozních záznamů o zařízeních a procesech a výsledků předchozích kalibrací. V tomto případě je určení intervalu kalibrací přesnější.
 
Postupují-li odpovědní pracovníci podle kalibračního plánu už několik let, dostává velkou roli softwarový systém pro správu provozních přístrojů. Jakmile je průtokoměr zkalibrován, jsou do něj přenesena aktuální data a stará data jsou uložena v historických záznamech o kalibracích. Je tak možné srovnat stav při předchozí kalibraci se současnými výsledky a z těchto záznamů lze velmi dobře usoudit např. na to, že snímač není třeba kalibrovat tak často, jak bylo původně plánováno.
 
V každém případě je však třeba dbát na to, že na prvním místě jsou požadavky na kvalitu produktů a regulatorní a bezpečnostní požadavky. Ty mohou pevně stanovit maximální intervaly kalibrací bez ohledu na doporučení výrobců nebo zkušenosti z předchozích kalibrací.
 

Kde kalibrovat?

Podle typu měřicí úlohy a použitých standardů vyžadují průtokoměry kalibraci, ověření nebo verifikaci. Pro kalibraci je obvykle třeba snímač demontovat a odeslat do kalibrační laboratoře (obr. 3).
 
Definice kalibrace podle mezinárodního metrologického slovníku VIM (Vocabulaire International de Métrologie) je relativně složitá, ale stručně lze konstatovat, že je to soubor postupů, kterými se stanovuje vztah mezi hodnotami fyzikální veličiny, které jsou indikovány snímačem, a odpovídajícími hodnotami, které jsou realizovány referenčním etalonem, včetně určení související nejistoty měření této závislosti. Pro kalibraci průtokoměrů tato zjednodušená definice zcela vyhovuje.
 
Akreditované kalibrační laboratoře musí splňovat podmínky normy ČSN ISO/IEC 17025 (Posuzování shody – Všeobecné požadavky na způsobilost zkušebních a kalibračních laboratoří), protože jen tak lze zaručit způsobilost laboratoře a návaznost referenčních etalonů používaných laboratoří na etalony vyšších řádů. Vzhledem k tomu, že jde o normu mezinárodní, jsou podle ní posuzovány i zahraniční laboratoře.
 
V České republice akreditaci uděluje státem zřízený Český institut pro akreditaci, o. p. s., www.cia.cz – pozn. red. Kalibrační laboratoř od něj obdrží osvědčení o kalibraci, kde jsou uvedeny kalibrované veličiny, jejich rozsah, měřicí schopnost kalibrace (u měření průtoku je dána nejistotou měření) a identifikace standardizované metody, kterou laboratoř při kalibraci používá.
 
Průtokoměr však lze kalibrovat nejen v kalibrační laboratoři, ale i na místě u zákazníka, prostřednictvím mobilní měřicí tratě (obr. 4). Mobilní měřicí trať obvykle neposkytuje takovou přesnost jako měřicí trať umístěná v laboratoři, ale pro kalibraci přístrojů s nejistotou do ±0,25 %, podle specifikací a podmínek průtokoměru i menší, zcela postačí.
 
Použití mobilní měřicí tratě je pohodlné a rychlé. Mnoho měřicích bodů tak může být zkalibrováno s minimálním vlivem na probíhající výrobní proces. To pomáhá zkrátit dobu nutné odstávky, což je v mnoha výrobních závodech velmi důležité.
 
V kalibračních laboratořích jsou zpravidla kalibrovány průtokoměry velkých světlostí s velkými průtoky. Mobilní měřicí trať může měřit průtokoměry do světlosti 80 mm, ovšem větší průtokoměry je možné kalibrovat etalonovými průtokoměry zabudovanými do potrubí (in-line), navázanými na příslušný etalon vyššího řádu. Doba potřebná ke kalibraci se při použití mobilní měřicí tratě zkracuje z dnů a týdnů na hodiny.
 
Aby se uživatel mohl lépe rozhodnout, kterou variantu kalibrace má použít, zda v laboratoři, nebo na místě, jsou v tab. 2 srovnány jejich možnosti a přednosti.
 

Ověřování průtokoměrů

Průtokoměry jsou ověřovány u stanovených měřidel a ověřování je běžné např. v předávacích stanicích ropovodů a plynovodů, kde se provádí fakturační měření. Při ověřování se instaluje etalonový průtokoměr in-line s průtokoměrem, který je ověřován. Ověřování tedy probíhá stejným médiem a ve stejných podmínkách. V petrochemii jsou na metody testování a dokumentaci výsledků kladeny speciální požadavky. Etalonem může být etalonový průtokoměr, pístový etalon nebo jiný speciální etalon průtoku. Během ověřování je testovaný průtokoměr srovnáván s etalonem a je určován korekční faktor měřidla, založený na opakovatelnosti měření ověřovaného průtokoměru. Ověřování se od kalibrace liší zejména tím, že je vždy prováděno in-situ, za provozních podmínek.
 

Verifikace

Cílem verifikace, na rozdíl od kalibrace, je podat důkaz, že průtokoměr plní určité technické požadavky nebo funkce tak, jak jsou definovány výrobcem. U průtokoměrů je obvyklý velmi podrobný funkční test, který má potvrdit stabilitu senzoru a převodníku. Výsledkem verifikace je kvalitativní závěr – vyhověl nebo nevyhověl.
 
Na obr. 5 je verifikační simulátor, který simuluje signály ze senzorů a sleduje odezvu převodníku. Zaznamenané parametry odezvy jsou vyhodnocovány specializovaným algoritmem a porovnávány s referenčními hodnotami. Výsledkem je informace o aktuální funkčnosti průtokoměru. Verifikace se v mnoha případech používá u méně důležitých průtokoměrů místo kalibrace nebo jako prostředek k prodloužení kalibračního intervalu. K ověření funkce průtokoměrů lze použít např. příložné ultrazvukové průtokoměry (obr. 6). Nejistota měření je obvykle 2 až 5 %, ale přesto mohou poskytnout informaci s určitou úrovní spolehlivosti, že verifikovaný průtokoměr pracuje správně. Takové testy jsou často prováděny při verifikaci velmi velkých průtokoměrů ve vodárenství nebo při zpracování odpadních vod a nebo u jiných, méně kritických průtokoměrů, jejichž demontáž pro úplnou kalibraci je značně obtížná.
 

Závěr

Sestavení plánu kalibrací založeného na doporučených postupech je nyní díky pokroku v diagnostice průtokoměrů, softwaru pro správu provozních přístrojů, rostoucí dostupnosti kalibračních laboratoří i mobilních kalibračních tratí a ochotě dodavatelů průtokoměrů mnohem snazší než dříve.
 
Je-li kalibrační plán správně sestaven a optimalizován, zlepšuje efektivitu provozu a šetří peníze tím, že zaručuje, aby každý průtokoměr byl kalibrován jen tehdy, je-li to třeba.
 
Například potravinářský závod ve Wisconsinu v USA měl problémy s kvalitou výroby a neprošel auditem. Když jeho odpovědní pracovníci zhodnotili čas a prostředky, které by mohli řešení věnovat, zjistili, že budou potřebovat podporu. Společně s výrobcem průtokoměrů, který měl potřebné know-how a znalosti z oblasti kalibrace, začali s klasifikací všech 300 průtokoměrů v závodě. Po klasifikaci určili jejich MPE a intervaly kalibrací. Po kalibraci všech přístrojů byla kalibrační data uložena do systému správy kalibrací. Nyní jsou pracovních závodu schopni snadno zjistit aktuální informace o stavu všech důležitých průtokoměrů včetně kalibračních dat a certifikátů. Řešení tohoto typu může pomoci optimalizovat proces kalibrace průtokoměrů a zajistit, aby průtokoměry byly kalibrovány jen tehdy, je-li to skutečně třeba, a naproti tomu aby jejich nesprávná funkce neměla vliv na kvalitu a efektivitu výroby, popř. neohrožovala obsluhu a životní prostředí.
 
Obr. 1. Data s informacemi o kalibraci průtokoměrů mohou být uložena v AMS, např. v systému W@M Life Cycle Management System od Endress+Hauser
Obr. 2. Data kalibrací jsou technikům přístupná prostřednictvím vhodného softwaru, např. CompuCal od Endress+Hauser
Obr. 3. Průtokoměry jsou kalibrovány podle platných norem na certifikovaných kalibračních tratích, např. na této, která je umístěna v kalibrační laboratoři společnosti Endress+Hauser v La Porte v Texasu (USA) a je akreditovaná americkou asociací A2LA podle normy ISO/IEC 17025
Obr. 4. Mobilní kalibrační trať pro kalibrace in-situ
Obr. 5. Verifikace průtokoměru in-situ pomocí simulačního přístroje – demontáž průtokoměru z potrubí není třeba
Obr. 6. Příložný ultrazvukový průtokoměr pro verifikaci funkce průtokoměru
 
Tab. 1. Kategorie provozních přístrojů
Kategorie Klasifikace
1 Přístroje, jejichž porucha má přímý vliv na kvalitu produktu.
2 Přístroje, jejichž porucha má přímý vliv na efektivitu technologického procesu, bez vlivu na kvalitu produktu nebo na bezpečnost.
3 Přístroje, jejichž porucha má přímý vliv na bezpečnost obsluhy nebo na okolní prostředí.
4 Přístroje, jejichž porucha neovlivní ani kvalitu produktu, ani efektivitu technologického procesu, ani bezpečnost obsluhy či prostředí.
 

Tab. 2. Srovnání kalibrace v laboratoři a na místě (in-situ)

  V laboratoři Na místě (in-situ)
Přesnost obvykle lepší dobrá
Doba potřebná ke kalibraci dny nebo týdny hodiny
Rozsah jmenovitých světlostí od 1 do 300 mm i více do 80 mm na mobilní kalibrační trati
Náklady obvykle vyšší obvykle nižší