|
Měření pulsujícího průtoku magneticko-indukčními průtokoměry
V technické praxi se lze s problematikou měření průtoků pulsujících kapalin setkat zejména v případě potřeby regulovat průtok za dávkovacím čerpadlem, které je současně zdrojem pulsací v kapalině.
Poměrně často se k tomuto měření používají magneticko-indukční průtokoměry. Důvody jsou jejich dostatečná přesnost (typicky 0,5 % z měřené hodnoty) a poměrně nízká cena. Má-li v tomto případě magneticko-indukční průtokoměr správně fungovat, je při jeho výběru třeba dodržet několik důležitých pravidel.
Princip magneticko-indukčního průtokoměru
Již název magneticko-indukční průtokoměr napovídá, že přístroj pracuje na principu zákona elektromagnetické indukce. Ten zjednodušeně říká, že pohybuje-li se vodič v magnetickém poli, indukuje se v tomto vodiči elektrické napětí úměrné intenzitě magnetického pole a rychlosti pohybu vodiče. Bude-li zajištěna konstantní intenzita magnetického pole, bude indukované napětí přímo úměrné rychlosti pohybu vodiče.
V případě magneticko-indukčního průtokoměru je vodičem měřené médium a napětí v něm indukované se snímá elektrodami vestavěnými do stěn měřicí trubice. Pokud možno homogenní magnetické pole, nutné pro správnou činnost průtokoměru, se vytváří uměle budicími cívkami vestavěnými do tělesa vlastního snímače průtokoměru, jimiž protéká budicí proud generovaný elektronikou průtokoměru.
Z principu měření vyplývá, že průtokoměr ve skutečnosti měří rychlost proudění měřené kapaliny. Objemový průtok se určí ze známého průřezu měřicí trubice průtokoměru, pro daný průtokoměr také konstantního.
Definice pulsujícího průtoku
Pulsujícími průtoky se v daném případě rozumí průtoky s pravidelnou změnou objemového průtoku, a tedy i pravidelnou změnou rychlosti proudění v měřicí trubici průtokoměru v čase. Takovýto průtok lze charakterizovat jednak frekvencí pulsací (počet vrcholů dosažených v jednom směru, tj. maximálních nebo minimálních hodnot, za jednotku času) a jednak velikostí změny průtoku (mezi minimem a maximem). V extrémním případě může být minimální hodnotou i nulový průtok.
Požadavky na průtokoměr
Je zřejmé, že pro správné měření musí elektronika průtokoměru spolehlivě zachytit a zpracovat i špičkové hodnoty pulsujícího průtoku, přičemž tyto špičky mohou mít velikost (podle poznatků z praxe) až trojnásobku jmenovité hodnoty průtoku a jmenovitá světlost průtokoměru musí být volena tak, aby nebyla překročena maximální povolená rychlost proudění v měřicí trubicí. Ta bývá obvykle 10 m/s, ale v praxi se volí hodnoty menší, v rozmezí 6 až 8 m/s.
Velmi důležitá je také poměrně přesná znalost frekvence pulsací měřeného průtoku. V moderních průtokoměrech se cívky vytvářející magnetické pole v měřicí trubici napájejí pulsujícím stejnosměrným proudem. Jde tedy o průtokoměry s pulsním buzením. Frekvence pulsního buzení bývá obvykle osmina až šestina frekvence elektrorozvodné sítě, tedy 6 až 8 Hz. Průtok média je tudíž vzorkován v čase s frekvencí odpovídající dvojnásobku frekvence pulsního buzení. Okamžitá rychlost proudění, a tím i objemový průtok, se tedy měří dvanáctkrát až šestnáctkrát za sekundu. Je zřejmé, že pro správné měření pulsujícího průtoků je nutné, aby frekvence vzorkování byla přiměřeně větší než frekvence pulsací průtoku. V praxi se frekvence buzení (vzorkování) volí – v souladu se známým vzorkovacím teorémem – alespoň desetkrát větší než frekvence pulsací průtoku.
Při počtu zdvihů jednočinného pístového nebo membránového čerpadla v rozsahu 20 až 200 min–1 je tedy nutné naměřit nejméně 2 000 hodnot průtoku za minutu, tj. 33 a více hodnot za sekundu: požadovaná budicí frekvence by tudíž v tomto případě byla asi 17 Hz.
V uvedeném příkladu by zmíněná obvyklá frekvence buzení 12 až 16 Hz pro správné měření nepostačovala; je zde proto zapotřebí použít průtokoměr s elektronikou umožňující nastavit i frekvence buzení větší, asi 20 až 25 Hz.
Třetí nutnou podmínkou správného měření pulsujících průtoků indukčními průtokoměry je možnost nastavit dostatečně velkou časovou konstantu přístroje, která svým integrujícím charakterem umožní klidné zobrazení měřeného průtoku bez prudkých výkyvů naměřené hodnoty.
Grafy na obr. 1 ukazují čtyři příklady měření pulsujícího průtoku magneticko-indukčním průtokoměrem. V pořadí shora dolů jsou uvedeny:
a) nejnepříznivější možný případ s frekvencí vzorkování 10 Hz a intervalem vzorkování 20 % (interval vzorkování je poměr doby vzorkování k době trvání budicího impulsu vyjádřený v procentech): je patrné, že i při konstantním průtoku potrubím hodnota naměřená průtokoměrem kolísá v mezích závislých na velikostí pulsací;
b) situace shodná se situací ad a) kromě toho, že frekvence vzorkování je oproti předchozímu případu dvojnásobná: zde se již měřený průtok pohybuje okolo požadované střední hodnoty, ale s různě velkým rozkmitem;
c) situace při frekvenci vzorkování shodné jako ad a), ale s intervalem vzorkování 66,7 %;
d) případ s frekvencí vzorkování dvojnásobnou oproti ad a) a intervalem vzorkování opět 66,7%.
Z posledních dvou grafů je patrné, že optimální výsledek měření pulsujícího průtoku může přinést pouze kombinace správně zvolené vzorkovací frekvence s vhodným intervalem vzorkování.
Shrnutí
Z byť stručného výkladu je zřejmé, že měřit pulsující průtoky není jednoduché. Měří-li se magneticko-indukčním průtokoměrem, je třeba mít na paměti uvedené požadavky, bez jejichž splnění nelze zajistit správné a přesné měření. Je rovněž zřejmé, že požadavky na vlastnosti průtokoměru jsou v tomto případě značné. Je tudíž třeba se vždy ubezpečit, zda zvolený přístroj, zejména jeho elektronika, je beze zbytku splňuje.
Ing. Lubomír Duda, Krohne CZ, spol. s r. o.
|