Moderní snímače průtoku – nejen přesné, ale i efektivní

Moderní snímače průtoku – nejen přesné, ale i efektivní

Tento článek se zabývá základními principy měření průtoku se zaměřením na přesnost a aplikovatelnost v oblastech dávkování a rozboru užitné hodnoty jednotlivých průtokoměrů. Značná část příspěvku je věnována možnostem úspor v okamžiku instalace a výběru typu průtokoměru.

Rychlostní sondy Annubar

Stále ještě polovina měření průtoku je založena na škrticím prvku ve spojení s diferenčním snímačem tlaku. Tento typ měření patří mezi investičně nejlevnější, ale jeho provozní náklady jsou výrazně vyšší než náklady ostatních typů měření: je nutné instalovat impulsní vedení, ventilové soupravy a jejich odkalování atd. Proto firma Fisher-Rosemount uvedla na trh rychlostní sondy (blíže viz [3]), které umožní zjednodušit údržbu a tím ušetřit provozní prostředky. Měřicí zařízení se skládá z měřicí sondy, v níž je několik otvorů pro měření statického a dynamického tlaku. Pro usnadnění instalace i údržby se sonda dodává současně s vhodnou ventilovou soupravou a snímačem diferenčního tlaku. Tento celek dostal název ProBar a stal se oblíbeným průtokoměrem zvláště u velkých světlostí potrubí. ProBar má v porovnání s ostatními typy měření založenými na diferenčním tlaku několik výhod:

• Snadná montáž – do potrubí se vyvrtá otvor, do kterého se zasune sonda.

• Malá trvalá tlaková ztráta – stabilní měření je provozováno již od generovaného diferenčního tlaku 500 Pa. Standardním rozsahem diferenčního tlakoměru jsou jednotky kilopascalů (pro srovnání clona má 25 kPa). Tím se sníží náklady na generátory tlaku měřeného média (méně výkonné pumpy a čerpadla).

• Při standardní aplikaci není nutné spojovat ventilovou soupravu s tlakoměrem a sondou, vše je dodáno již smontované, vyzkoušené a podléhající záruce jednoho dodavatele.

• Speciální konstrukce sondy Annubar – umožňuje měřit i velmi abrazivní či chemicky aktivní média. Otvory jsou speciálně konstruovány pro aplikace s nebezpečím zanášení.

• Investiční výhodnost sond Annubar – roste zvláště se světlostí potrubí. Není třeba kupovat drahé příruby či části potrubí.

• Nízké náklady na údržbu – průtokoměr nemá žádné pohyblivé části ani nevyžaduje speciální postupy pro nastavení či kalibraci jeho výstupu. Protože používá nejstabilnější a nejrozšířenější tlakoměr na trhu (toto tvrzení je ověřeno nezávislými výzkumy renomovaných institucí), je garantována velká odolnost proti rušivým vlivům prostředí společně s velkou přesností měření průtoku média. Samozřejmostí je protokol HART, který umožňuje dálkovou komunikaci a nastavování tohoto průtokoměru a využití inteligentní správy provozních přístrojů pomocí programu AMS.

Žádanou veličinou je ve většině případů hmotnostní průtok. Proto je možné k rychlostní sondě Annubar a k ventilové soupravě připojit multiparametrický převodník 3095MV. Tento univerzální převodník obsahuje v jednom krytu piezoelektrický prvek pro snímání statického tlaku média a kapacitní prvek pro snímání diferenčního tlaku generovaného rychlostní sondou. Pro přesné určení hmotnostního průtoku je také zapotřebí znát teplotu měřeného média. Proto byl do rychlostní sondy integrován odporový senzor teploty Pt 100 (převodník umí zpracovat také signál z externího senzoru teploty).

Na základě změřených údajů je v elektronice převodníku vypočten kompenzovaný hmotnostní průtok. V paměti převodníku jsou uložena data pro více než 125 různých tekutin, která lze podle potřeby aktualizovat. Obchodní název pro celé měřidlo včetně převodníku je Mass ProBar. Z jednoho přístroje tedy lze získat informace o hmotnostním průtoku, objemovém průtoku, diferenčním tlaku, statickém tlaku a teplotě, což výrazně šetří investiční náklady.

V brzké budoucnosti bude na trh uveden zcela nový typ citlivého prvku, který bude mít kvalitativně odlišné parametry zejména v oblasti citlivosti měření a redukci šumu.

Vírový průtokoměr Vortex

Princip měření je založen na tzv. Kármánově efektu. Měřená tekutina obtéká těleso vložené do proudu za vzniku vírů. Frekvence vytvářených vírů je přímo úměrná rychlosti tekutiny. Víry způsobují chvění hran překážky, které je přenášeno na piezoelektrický senzor. Senzor je hermeticky oddělen od média (to umožňuje případnou výměnu bez nutnosti odstávky provozu).

Piezoelektrický senzor převádí mechanické namáhání na elektrický signál. Ten je koaxiálním kabelem dále přenesen do elektroniky snímače. Frekvence elektrického signálu je rovna frekvenci tvoření vírů.

Naměřený elektrický signál z piezoelektrického senzoru je přenesen do vlastní elektroniky snímače. Zde je číslicově provedeno několik operací k odstranění rušících složek a ke zvýšení poměru užitečného signálu k šumu.

Důležitou veličinou v přepočtu měřené frekvence na průtok média je tzv. faktor K. Rychlost proudění je vypočtena podle vztahu v = f/K, kde v je rychlost proudění a f frekvence vírů.

Faktor K je konstantou pro daný tvar a velikost obtékaného tělesa a světlosti potrubí v určitém rozsahu Reynoldsových čísel. Výhodou vírových průtokoměrů Vortex je, že faktor K je konstantní pro velký rozsah Reynoldsových čísel. Pouze v okrajových oblastech není K konstantní – pro malá Re faktor K strmě roste, pro velká Re klesá.

V praxi je hodnota K získána experimentálním měřením v laboratoři přímo ve výrobním závodě. Pro každý průtokoměr je to jedinečná hodnota, která je uložena do elektroniky přístroje.

Výhodou tohoto způsobu měření je, že hodnota K není závislá na typu média. Je proto možné provozovat měřidlo např. pro vodu i pro plyn bez změny parametrů průtokoměru. Také při výměně piezoelektrického senzoru zůstává K konstantní.

Ve výrobním závodě je průtokoměr připraven pracovat při určitých podmínkách. V provozu mohou být podmínky poněkud odlišné, např. vnitřní průměr potrubí není přesně shodný s vnitřním průměrem tělesa průtokoměru, což způsobí tvorbu dalších vírů, které zkreslí výsledky měření. Proto je při aplikaci průtokoměru kompenzován originální faktor K na teplotní roztažnost tělesa průtokoměru a na vnitřní průměr potrubí. Výsledkem je nový kalibrační faktor, který zohledňuje skutečné poměry proudění média. Tato korekce zmenšuje vliv způsobu montáže na přesnost průtokoměru. Nově je také možné kompenzovat nedodržení rovných úseků potrubí a tím výrazně uspořit při instalacích průtokoměrů.

Speciální pozornost věnovali konstruktéři průtokoměru Vortex systému vyloučení působení vibrací a šumů. Jde o dynamicky dokonale vyvážený měřicí systém. Celý systém je konstrukčně uspořádán tak, že síly způsobené vibracemi jsou na měřicím prvku v rovnováze a jejich celkový účinek je nulový. Překážka je uzpůsobena tak, že nepřenáší jiné chvění než způsobené tvorbou vírů měřeného média. Tím je eliminován přenos nežádoucích vibrací do piezoelektrického senzoru. Pro potlačení rušivých frekvencí je používán unikátní patentovaný algoritmus. Ten je uložen v procesoru – zákaznickém obvodu ASIC. Standardní postupy filtrace pracují na předem determinovaném intervalu („okénku“) frekvencí, který je v signálu ponechán, a vše mimo něj je odstraněno. Někdy je tak částečně odstraňován užitečný signál, popř. šum není odstraněn optimálně. Proto jsou veškerá naměřená data analyzována v elektronice mikroprocesoru a ještě před filtrací jsou hledány měronosné frekvence. Teprve na základě této analýzy je navržen optimální filtr k odstranění rušivých složek. Mimo tento speciální filtr je také možné aktivovat standardní filtry s dolní a horní propustí pro uživatelské nastavení frekvenčního okénka užitečného signálu. Další možností je použít selektivní odstraňování „vzdálených“ hodnot měření (různé modifikace klouzavého průměru).

Tab. 1. Splnění kritérií „nejlepších praktik“ u průtokoměrů firmy Emerson Process Managemen

Všechny smáčené části tělesa průtokoměru jsou svařeny dohromady bez těsnění a ucpávek, aby byla minimalizována možnost úniku měřeného média do okolního prostředí. Těleso průtokoměru je svařeno dohromady u přírubové i bezpřírubové verze, čímž jsou splněny přísné mezinárodní normy o životním prostředí, které se připravují pro přijetí i v ČR. Kryt piezoelektrického senzoru je pro zvýšení bezpečnosti zdvojen. Kvalita senzoru je při výrobě testována v laboratoři, a proto je jeho vypočtená doba života 511 let, se střední dobou mezi poruchami 76 až 99 let (výpočet byl proveden pro vodu o rychlosti 4,6 m/s a průtokoměr o velikosti DN 80).

Při kalibraci a diagnostice je možné přímo a bez úprav číst měřenou frekvenci citlivého prvku, popř. z externího zdroje generovat frekvenční signál a separátně testovat jednotlivé části průtokoměru.

Konstruktéři vyslyšeli požadavky na unifikaci stavební délky bezpřírubové verze vírového průtokoměru na 65 mm. Tato délka je nejčastější při použití standardních clon pro měření průtoku a při výměně clony za vírový průtokoměr jsou nároky na úpravy stávajících potrubních tratí minimální.

Vírové průtokoměry je možné použít pro měření průtoku (i hmotnostního) všech kapalin, plynů i páry, jestliže je měřené médium homogenní, jednofázové s velmi malými částečkami pevných látek (zde je doporučená rychlost proudění maximálně 3 m/s). Většinu průtoků páry lze měřit průtokoměry „rozumných“ dimenzí (tj. do DN 300). Vortex je vhodný pro měření průtoku kapalin s nízkou viskozitou a s velmi malými bublinkami vzduchu. Pro měření plynů jej lze použít i ve vysokotlakých aplikacích s velkými hustotami a rychlostmi měřeného média.

Indukční průtokoměry

Indukční průtokoměry firmy Emerson Process Management používají pro svoji činnost stejnosměrné impulsní buzení magnetického pole, které umožňuje mimo jiné zkvalitnit proces nulování senzoru, zlepšit přesnost a zjednodušit mechanismus řízení tvorby magnetického pole.

Přírubová řada senzorů patří mezi nejrobustnější průtokoměry svého druhu na trhu. Má největší škálu použitelných materiálů výstelek i elektrod pro různé aplikace. Díky speciálnímu designu prostoru elektrody je vyloučeno nebezpečí úniku měřeného média při korozním nebo mechanickém porušení elektrody. Celá elektroda je uzavřena do speciálního dvojitého krytu dimenzovaného na tlak v potrubí. To dovoluje připravit se již nyní na přísnější zákony v oblasti ochrany životního prostředí, které budou minimalizovat počet míst úniků média. Speciální design této komory také usnadňuje vyjmutí elektrody a její čištění, popř. výměnu (obr. 1).

Bezpřírubová verze je určena pro jednodušší aplikace. Je to kompaktní a ekonomicky výhodné řešení měření průtoku, plně srovnatelné s běžnými typy indukčních průtokoměrů.

Obě verze senzorů je možné použít pro libovolný typ převodníku. K samozřejmostem patří komunikace s použitím protokolu HART, kde jsou mimo údaje o měřené hodnotě průtoku k dispozici ještě diagnostické údaje o stavu senzoru, zaplněnosti potrubí apod. Konstrukce stejnosměrného buzení umožnila zefektivnit algoritmy filtrace nežádoucích šumů a zesilování měronosného signálu. Jde o několikastupňové adaptivní algoritmy filtrace pomocí nastavitelných frekvenčních okének. Zajímavé je použití speciálního převodníku 8712U, který je univerzální a je možné jej použít společně se senzorem od libovolného výrobce. Převodník si uvedený senzor otestuje a rozšíří jeho možnosti o diagnostiku firmy Fisher-Rosemount a o komunikační protokol HART.

Význam indukčních průtokoměrů stále roste, protože se postupně zavádějí zákony platné v EU, kde je nutné monitorovat vypouštění odpadních látek i u malých zdrojů znečistění, a kde je proto množství malých provozů nuceno svá potrubí osazovat kvalitními měřidly průtoku.

Hmotnostní průtokoměr R-series

V roce 1977 se stala společnost Micro Motion prvním výrobcem, který uvedl na trh hmotnostní průtokoměr na principu měření Coriolisovy síly. Ten byl brzy přijat za standard pro přímé měření hmotnostního průtoku, hustoty a teploty měřeného média.

Portfolio hmotnostních průtokoměrů firmy Micro Motion zahrnovalo až do května tohoto roku tři přístroje. Technologicky nejvyspělejší je řada Elite, která je v současné době v podstatě standardem v aplikacích, v nichž je vyžadována velká přesnost (0,1 % z aktuální naměřené hodnoty), odolnost proti únikům měřeného média (dvojitý ochranný plášť) a velká užitná hodnota. Tyto vlastnosti byly také oceněny na MSV v Brně v roce 1997, kde tento průtokoměr získal zlatou medaili. Elite obdržel certifikát opravňující používat jej v ČR jako stanovené fakturační měřidlo pro hmotnostní i objemový průtok kapalin a pro hmotnostní průtok plynů. Je-li nutné použít speciální materiály smáčených částí nebo jsou-li teplota či tlak příliš velké, je možné použít průtokoměr ze speciální řady D, která se vyznačuje největší flexibilitou použitelných materiálů a provedení. Patří sem také největší průtokoměr, který má maximální měřitelný průtok 680 400 kg/h. Průtokoměry série D jsou také certifikovány jako fakturační měřidla pro měření průtoku kapalin i plynů.

Ekonomicky výhodnější řadou je Basis, která má stejné možnosti jako Elite, avšak s tím rozdílem, že nejde o stanovené měřidlo.

Koncem května roku 2000 přišla firma Micro Motion s revoluční novinkou – hmotnostním průtokoměrem série R (obr. 2). Tento nový průtokoměr, založený na principu snímání Coriolisovy síly, má všechny vlastnosti tohoto typu průtokoměru (přímé měření hmotnosti, hustoty a teploty, velká užitná hodnota, zanedbatelná údržba, vhodnost pro měření kapalin i plynů, velká přestavitelnost rozsahů atd. – bližší podrobnosti viz např. [2], [4]). Odstraňuje také jednu hlavní nevýhodu Coriolisových průtokoměrů – velkou počáteční investici. Jeho základní cena 2 960 USD dovoluje použít jej všude tam, kde je nutné znát skutečný hmotnostní průtok měřeného média, ale požadovaná přesnost není velká (přesto 0,5 % z aktuálního hmotnostního průtoku téměř nemá konkurenci v alternativních měřeních průtoku) a nebylo možné uvolnit relativně velkou počáteční investici pro koupi Coriolisova průtokoměru. Jde tedy o alternativu k systémům objemového měřidla, doplněného měřidlem hustoty, popř. teploty a tlaku, s přepočítávačem na hmotnostní průtok. Oproti těmto systémům má série R tyto výhody:

• měření hmotnosti jedním přístrojem od jednoho výrobce (jeden nositel záruky a jediná kontaktní firma),
• výrazně menší nároky na projektování a kabelové rozvody (oproti systému několika přístrojů),
• vyšší přesnost,
• žádné rovné úseky potrubí,
• univerzálnost použití pro kapaliny i plyny,
• snadná obsluha,
• nižší nebo srovnatelné investiční náklady,
• krátká dodací lhůta.

Titan – hmotnostní průtokoměr s přímou trubicí

Protože byla firma Micro Motion první, která vyvinula hmotnostní průtokoměr na principu Coriolisovy síly, bylo věnováno výběru a testování různých typů a tvarů vibračních trubic značné úsilí. Proto byly všechny dosavadní průtokoměry Micro Motion se zakřivenou trubicí, která se vyznačuje velkou teplotní a tlakovou stálostí a maximální imunitou proti nežádoucím vibracím. Stále častěji se množily dotazy uživatelů, kteří si přáli produkt sanitovatelný a použitelný i ve velmi těžkých aplikacích, kdy hrozí velké nebezpečí zanesení senzoru měřidla. Dlouhodobými testy a použitím speciálního designu senzoru byla nalezena taková konstrukce Coriolisova průtokoměru s přímou trubicí, která minimalizuje nežádoucí efekty přímé trubice a má všechny kladné vlastnosti plynoucí z přímé cesty měřeného média (obr. 3).

Proto není nutné dělat žádné speciální úkony při instalaci tohoto měřidla, které by zabezpečily odolnost proti chvění potrubí. Pro instalaci i montáž platí stejné požadavky, jako u kteréhokoliv Coriolisova průtokoměru firmy Micro Motion.

Titan lze použít v libovolné aplikaci, přímo určen je však pro případy, kdy je nutné splnit požadavek na jeho dokonalé vyčištění od zbytků média či dokonalé vypuštění. Najde uplatnění v potravinářském a farmaceutickém průmyslu, stejně jako v těžkých chemických provozech. V současné době jsou k dispozici velikosti T025, T050, T075, T100 a T150 (číslo znamená tisíciny palce), které dokážou měřit až 90 000 kg/h kapaliny. Základní vlastnosti tohoto průtokoměru:

• jedna trubice s plným průměrem potrubí – žádné redukce, žádný prostor k usazování média,
• základní přesnost měření hmotnostního průtoku 0,15 % z aktuální měřené hodnoty s opakovatelností 0,05 %,
• základní přesnost měření hustoty 0,002 g/cm³ s opakovatelností 0,0005 g/cm³,
• sanitární certifikáty,
• teplotní rozsah –50 až +150 °C,
• maximální tlak 10 MPa,
• standardně dvojitý ochranný plášť (odolnost druhého pláště je 5 MPa),
• minimalizovaný vliv okolí (tj. chvění potrubí, jeho teplotní roztažnosti, nesprávné instalace apod.) na stabilitu signálu,
• nepotřebnost žádného zpětného tlaku (nutnost zaplněného potrubí),
• vhodnost použití pro nevýbušné prostředí (EEx ib IIC T1-T6),
• minimální tlaková ztráta,
• všechny ostatní výhody průtokoměrů Micro Motion.

Altus – aplikační platforma měření průtoku

Přibližně v 60 % aplikací je cílovou měřenou veličinou hmotnostní průtok daného média. Ostatní aplikace vyžadují jiné údaje, zpravidla odvozené z hmotnostního průtoku. Nejčastěji je to přesné dávkování média a zjišťování jeho koncentrace na základě údajů o hustotě. Dříve bylo nutné dokupovat další externí zařízení, která tyto hodnoty počítala. Proto přišla firma Micro Motion na trh s univerzální aplikační platformou Altus.

Je to mikroprocesorem řízený přístroj, který rozšiřuje vlastnosti průtokoměrů firmy Emerson Process Management o mnoho dalších funkcí. Může být umístěn separátně nebo může být integrální součástí průtokoměru. Jeho obsluha je snadná a intuitivní, plně v souladu s moderními požadavky (přehledné menu a systém nápovědy dovolí používat jej i bez uživatelské příručky).

Primární funkcí platformy Altus je převádět údaje ze senzoru průtoku do požadovaných tvarů (stejně jako standardní převodník Micro Motion), tj. zobrazovat hmotnostní a objemový průtok, teplotu, hustotu a údaje počítadel. Navíc jsou k dispozici další funkce a veličiny, jako jsou ovládání dávkování pomocí jednoho nebo dvou ventilů (s predikcí přetečení), PID regulace, výpočet procentuálního obsahu pevných látek, zákaznické definice závislosti koncentrací (např. cukru, lihu apod.) na hustotě a přepočet podle tabulek API u LPG.

Celá koncepce je řešena modulárně a uživatel si může zvolit např. pouze základní verzi a další funkce postupně přidávat později. K samozřejmostem patří celá škála komunikačních protokolů.

Programové prostředky

V současné době je k dispozici celá řada podpůrných a pomocných programů pro výpočet, konfiguraci a prezentaci jednotlivých funkcí průtokoměrů firmy Emerson Process Management. Bezesporu nejdůležitějším nástrojem projektanta nebo technologa řešícího návrh vhodné dimenze průtokoměru je výpočetní program. Tento program musí standardně splňovat základní požadavky, jako je výpočet dimenze průtokoměru, jeho přesnosti, tlakové ztráty, kalkulovat dynamické vlastnosti média a vypočítávat náklady na provoz měřidla. Program Instrument toolkit jde ale mnohem dále. Je koncipován tak, aby splňoval požadavky projektanta, který potřebuje aktivně vybírat a měnit parametry přístroje, navrhovat verze a rozdělování podle provozů apod. Jako standard jsou zde připojeny kompletní katalogové listy, detailní výkresy a specifikace průtokoměrů s možností přímého výstupu do zákaznických tabulek (např. projektové dokumentace, objednávkového formuláře apod.). V tomto programu lze vybírat i ostatní přístroje firmy Emerson Process Management (snímače teploty, tlaku, hladiny) se stejnými údaji jako u průtokoměrů. K příjemným vlastnostem tohoto programu patří kontrola uživatelem zvolené specifikace a upozornění na případné nesrovnalosti v kódovém označení (např. vybrání nízkoteplotní verze vírového průtokoměru pro teplotu 300 °C). Inteligentní průvodce výběrem vhodného typu přístroje ukazuje výhody i nevýhody jednotlivých technologií měření průtoku a vybírá pro danou aplikaci optimální řešení. V současné době je výpočetní program pro návrh hmotnostních průtokoměrů separátní, ale koncem tohoto roku bude integrován do programu Instrument toolkit, čímž dále rozšíří oblast jeho použitelnosti.

Skupina dalších programů usnadňuje různé kalkulace výhodnosti jednotlivých technologií a ukazuje základní principy měření. Všechny se věnují hmotnostním průtokoměrům Micro Motion:

• Advisor – vypočítává náklady provozu a údržby průtokoměru v porovnání s ostatními technologiemi (k dispozici jsou údaje o všech běžně používaných technologiích měření průtoku). Ve vlastní databázi jsou obsaženy náklady na nulování, kalibraci apod. Tyto ceny lze měnit a přizpůsobit je tak konkrétním poměrům v závodě. Výsledkem jsou grafy, kde je vidět návratnost jednotlivých přístrojů, jejich celková hodnota a náklady na nepřesnosti měření. Ideální použití programu je v ekonomických kalkulacích při optimalizaci výroby.

• Tutor – tento program názorně ukazuje základní principy technologie Micro Motion, odpovídá na základní otázky uživatelů průtokoměrů a zobrazuje optimální konfiguraci, zapojení a výběr jednotlivých typů přístrojů. Obsahuje seznam nejčastěji pokládaných dotazů společně s odpověďmi. Svým obsahem je koncipován pro projektanty, technology a servisní techniky, kteří přicházejí s přístroji do styku.

• Expert – program obsahuje databázi zajímavých a důležitých informací, které nejsou obsaženy v uživatelské příručce nebo se obtížně vyhledávají. Jako příklad uveďme tabulku rozměrů přírub DIN společně se závislostmi maximální odolnosti na teplotě a tlaku média, frekvence kmitání trubic apod.

• Altus – program se věnuje modulární aplikační základně Altus. Obsahuje základní konfiguraci a zapojení jednotlivých modulů, jejich funkce apod.

Všechny zmíněné programy jsou k dispozici v kanceláři firmy Emerson Process Management nebo na internetu.

Závěr

Článek se nevěnoval celému portfoliu průtokoměrů firmy Emerson Process Management. V současné době již téměř neexistuje princip měření průtoku, který není ve výrobním programu firmy. To umožňuje týmu odborníků vybrat optimální přístroj pro konkrétní aplikaci v podstatě v libovolném odvětví.