Nejlepší praktiky při používání průtokoměrů

Nejlepší praktiky při používání průtokoměrů

Úvod

Proteklé množství je podle nezávislých výzkumů nejčastěji měřenou veličinou v průmyslových podnicích (41 %). Další v pořadí jsou teplota a tlak. Většina z těchto měření je používána pro stanovení hmotnostní bilance materiálových toků podniku. Přesné dávkování množství suroviny je jedna z aplikací měření průtoku.

Je-li užitá metoda založena na měření objemu (např. měření clonou), je obvykle nutné výsledný objemový tok přepočítat na hmotnostní za použití hustoty měřeného média. Tento výpočet je zvláště náročný u plynných látek, kde je nutné měřit teplotu a tlak, popř. ještě složení média. K výpočtu se používají různé rovnice, které jsou obsaženy v mezinárodních normách (ISO, AGA). V těchto případech je však výhodnější aplikovat měřicí princip, který zaručuje přímé měření hmotnosti, a to pokud možno s co největší přesností.

Při výběru konkrétního typu průtokoměru je nutné brát v úvahu přesnost v celém možném rozsahu měřicích hodnot. V katalogových listech jednotlivých výrobců jsou uváděny různé definice přesnosti měřené hodnoty. Je třeba si uvědomit, že přesnost měřené veličiny je často také funkcí její hodnoty. Někdy je možné na měřidle nastavit rozsah od velmi malých množství až po velká, ale nejistota měřené hodnoty je nepřijatelná. Na obr. 1 je ukázáno porovnání výsledné nejistoty měření v případech, kdy je určována jako procento z celého rozsahu nebo jako procento z aktuální měřené hodnoty.

K tomuto základnímu určení přesnosti je nutné připočítat zvláště nejistoty při velmi malých hodnotách měřené veličiny (některé průtokoměry měří až od určité hodnoty rychlosti média, je zapotřebí připočítat i nestabilitu nuly čidla apod.).

Tab. 1. Příklady možné ztráty vzniklé použitím méně přesného měřidla

Přesnější měřidla jsou investičně náročnější než jejich méně přesné ekvivalenty. Při posuzování typu pořizovaného měřidla je nutné brát ohled i na finanční ztrátu způsobenou jeho provozem a údržbou. Těmto ztrátám se v odborné literatuře věnuje mnoho prostoru. V tab. 1 jsou uvedeny dva konkrétní příklady ztráty, která provozovateli může vzniknout při měření méně přesným měřidlem. V prvním příkladu jde o dva relativně srovnatelné přístroje, v druhém o dva přístroje pracující na odlišných principech. Možná ztráta, vzniklá nepřesností měřidla, činí velmi významnou položku a je nutné ji srovnat s pořizovacími náklady. Zmíněné příklady jsou vypočteny za předpokladu, že oba přístroje měří hmotnost s uvedenou přesností. Je-li třeba údaj z průtokoměru ještě přepočítat z objemového na hmotnostní pomocí přepočítávače (flow computer), je nutné k této nejistotě připočítat i nejistotu určení teploty, tlaku a chyby výpočetních rovnic.

Při výběru vhodného typu průtokoměru je zapotřebí si klást otázky po typu aplikace, důvodu měření, požadavcích konečného uživatele, certifikačních i státních institucí a také zhodnotit hospodárnost pořízení, provozu i likvidace průtokoměru. Je zřejmé, že jde o komplexní úlohu, jejíž optimální řešení vyžaduje velké úsilí. V dalším textu bude ukázána jedna část procesu optimalizace měření průtoku, tzv. nejlepší praktiky. Jde o souhrn postupů, které, jsou-li správně použity, dokážou uspořit významné finanční částky.

Nejlepší praktiky

Častá praxe v průmyslové automatizaci je taková, že dodavatel nebo projektant s úzkou vizí jednoho dodavatele tvrdohlavě vybírá takové principy měření, které nejsou optimální z hlediska koncového uživatele, nebo ho dokonce velmi významně poškozují. Je to způsobeno orientací na maximalizaci profitu jednoho dodavatele s omezeným sortimentem zboží.

Firma Emerson Process Management Fisher-Rosemount naproti tomu přichází s totálně odlišným přístupem. V každé zemi je vyškolen tým odborníků, kteří mají velké znalosti teoretických i praktických aspektů aplikací průtokoměrů v praxi. Pomocí nástrojů nastíněných v tomto článku analyzují dané měření a jsou schopni navrhnout i realizovat měření průtoku, které je pro uživatele optimální. Samozřejmým předpokladem je to, že firma Emerson Process Management má ve svém sortimentu průtokoměry nejrůznějších typů, velikostí i přesností pracující na téměř všech užívaných principech.

Pro zpřístupnění nalezených postupů byly sestaveny tzv. nejlepší praktiky pro aplikace průtokoměrů. Ty jsou založeny na minimalizaci negativních faktorů jednotlivých technologií a na maximalizaci provozního zisku uživatele. Hlavní body lze shrnout do logických, ale v praxi často opomíjených, zásad:

1. Redukce impulsního potrubí. Tím klesne počet míst s možným únikem média, zjednodušuje se montáž i údržba a zvyšuje se přesnost měření. Některé principy měření umožňují impulsní potrubí zcela vyloučit.

2. Měřením hmotnostního průtoku. To přináší zvláště u plynů výrazné zpřesnění měření nejenom tím, že není třeba kompenzovat změny tlaku a teploty, ale ani změny průtokových součinitelů se změnami podmínek měření.

3. Minimalizace tlakové ztráty. V době rostoucího důrazu na úspory je to velmi důležitý faktor. Každý kilopascal trvalé tlakové ztráty znamená zvýšení energetické náročnosti spojené s finanční ztrátou i nepříznivým vlivem na životní prostředí.

4. Používání průtokoměrů in-line pro malé světlosti potrubí a zasunovacích průtokoměrů pro velké světlosti potrubí. Tím se významně redukují celkové náklady na instalaci přístroje.

5. Minimalizace používání mechanických částí. Vše, co se pohybuje, vyžaduje periodickou údržbu. Úplným odstraněním pohyblivých částí lze dosáhnout výrazných úspor.

6. Důkladné používání diagnostiky a prediktivní údržby. Tak lze dosáhnout snížení provozních nákladů.

Měření průtoku lze rozdělit do dvou oblastí: nové přístroje, zahrnující integrované průtokoměry a víceparametrové převodníky (rychlostní sondy, Coriolisovy, indukční, vírové a ultrazvukové průtokoměry), a tradiční přístroje, zahrnující impulsní potrubí s clonovými měřeními, turbínkové, oválové a plováčkové průtokoměry (rotametry).

Při porovnávání výkonu jednotlivých průtokoměrů je třeba si uvědomit, že referenční přesnost není rovna přesnosti při vlastním měření. Důležitým parametrem je zde tzv. přestavitelnost. Jde o poměr maximálního a minimálního průtoku, přičemž minimální průtok je omezen především přípustnou nejistotou měření. Tradiční clonová měření mají relativní nejistotu měření 3 až 5 % při přestavitelnosti 3 : 1, Coriolisovy průtokoměry 0,15 % při přestavitelnosti 80 : 1, vírové 0,65 % při přestavitelnosti 20 : 1 a indukční 0,5 % při přestavitelnosti 30 : 1. V tab. 2 je četnost používaných přestavitelností v technické praxi.

Výkon instalovaného průtokoměru se skládá ze tří hlavních veličin: přesnosti v celém rozsahu měření, ztráty v uklidňovacím potrubí a tlakové ztráty.

O každém bodu nejlepších praktik lze pojednávat z pohledu různých měřicích principů. Dále se zaměříme hlavně na porovnání tradičního clonového měření s hmotnostním průtokoměrem.

Eliminace impulsního potrubí

Vyloučením impulsního potrubí se výrazně sníží počet spojů na měřicím úseku a tím i riziko úniku měřeného média, což omezuje nebezpečí ohrožení životního a pracovního prostředí. Je-li použití impulsních potrubí nutné, je vhodné je pro odolnost proti ucpání a pro dosažení optimální rychlosti odezvy instalovat co nejkratší a nejširší.

Při tradiční instalaci je nutné instalovat 2m až 5m impulsní potrubí s několika koleny. Počet míst s možným únikem média je 28. Při vyloučení impulsního potrubí jsou místa možného úniku média jen dvě. Dále je odstraněna možnost ucpávání a zanášení průtokoměru.

Měření hmotnostního průtoku

Při měření průtoku plynů se v technické praxi uplatňují tři zdroje nejistot měření:

• vlastní princip měření,
• změny tlaku a teploty,
• nekonstantní kalibrační a průtokové koeficienty.

Je nutné si uvědomit, že údaj o objemovém průtoku plynu bez udání jeho teploty, tlaku a složení (hustoty) je zcela bezcenný (více o hmotnostním měření průtoku plynů je možné si přečíst v tomto čísle na str. 36-39).

Tab. 3. Tlaková ztráta v potrubí

Často se stává, že koncový uživatel deklaruje neměnnost teplotních a tlakových poměrů systému a požaduje nekompenzovaný průtokoměr. V praxi ale vždy dochází ke změnám tlaku i teploty. V tab. 3 je uveden výpočet tlakové ztráty v potrubí o průměru 100 mm se vstupním tlakem 345 kPa o teplotě 20 °C. Průtok je 42,5 Nm³/min. Na potrubí o délce 6 m jsou dvě kolena 90°.

Měřená hodnota tlaku na průtokoměru na konci tohoto potrubí bude o 2,2 % menší než na začátku. Přitom jde o velmi jednoduchý případ: filtry, řídicí a obtokové ventily jsou zdrojem daleko větších tlakových ztrát než pouhá potrubní kolena.

Běžně dochází i ke změnám teploty média. Typickými příčinami změny teploty jsou tepelné ztráty při přepravě a vliv změny teploty okolí. Změna teploty má vliv na hustotu média.

Pro objemové měření je nutné přepočítat výsledek na kompenzovaný hmotnostní průtok. Při použití multiparametrického převodníku je možné uvažovat změny průtokového koeficientu, roztažnost kovového materiálu a expanzní koeficient plynu.

V rámci tohoto příkladu není uvažován vliv přesnosti převodníku diferenčního tlaku (instalační versus referenční přesnost – viz např. katalogový list převodníku 3051S firmy Emerson Process Management).

Obecně lze říci, že kompenzace objemového průtoku je drahá a složitá. Proto je doporučeno používat hmotnostní nebo kompenzované hmotnostní průtokoměry.

Minimalizace tlakové ztráty

V současné době se zpřísňují požadavky na ochranu životního prostředí a úsporu energií. Proto je třeba používat takové průtokoměry, které mají co nejmenší trvalou tlakovou ztrátu. Zaveďme si parametr trvalé tlakové ztráty P^p, jehož hodnota je závislá na třech proměnných: hustotě média (r_f), rychlosti proudění (n_f) a tzv. míře překážky (K_m) vlastního průtokoměru.

Průtokoměry lze podle hodnoty K_m seřadit do této řady (od největší hodnoty K_m k nemenší): průřezová měřidla (clony a dýzy) – turbínové průtokoměry, plováčkové průtokoměry – vírové průtokoměry – Venturiho dýzy – rychlostní sondy – indukční, ultrazvukové a Coriolisovy průtokoměry.

Používání průtokoměrů in-line pro malé průměry potrubí a zasunovacích průtokoměrů pro velké průměry potrubí

Tab. 4. Náklady na instalaci

Při zvětšování průměru potrubí výrazně roste cena spojená s instalací průtokoměru. Proto je doporučeno používat pro potrubí se světlostí větší než DN 150 tzv. vkládané průtokoměry (např. rychlostní sondy). Pro bližší orientaci jsou v tab. 4 a tab. 5 uvedeny dva příklady založené na konkrétní aplikaci při měření průtoku plynu.

Tab. 5. Náklady a pracnost inženýrinku, zpracování obchodního případu, testování a kalibrace průtokoměru

Minimalizace používání pohyblivých částí

Každý průtokoměr, který má pohyblivé části, podléhá opotřebení, a je zapotřebí investovat značné prostředky na udržení tohoto přístroje v chodu.

Při provozu průtokoměrů s pohyblivými částmi je nezbytné brát v úvahu, že průtokový kalibrační faktor je časem proměnný a že je nutné přístroj periodicky kalibrovat, často na měřeném médiu a za provozních podmínek. Každý rok až dva je nutné pohyblivé díly kontrolovat, popř. je repasovat. Například cena za výměnu rotoru u turbíny dosahuje téměř 50 % ceny nového průtokoměru.

Obecně lze říci, že úspory použitím přístrojů bez pohyblivých částí činí minimálně 21 až 28 %.

Diagnostika a prediktivní údržba

O významu diagnostiky a prediktivní údržby jsme v časopise v poslední době uveřejnili několik rozsáhlých příspěvků, v nichž byly rozebrány ekonomické výhody uplatnění těchto postupů. Lze jen připomenout, že k diagnostice a řízení údržby průtokoměrů lze využít např. systém DeltaV (Emerson Process Management).

Tab. 6. Obecná doporučení pro použití průtokoměrů

Obecná doporučení

V tab. 6 jsou obecná doporučení pro použití jednotlivých typů průtokoměrů pro různé aplikace. Tomu, jak požadavky „nejlepších praktik“ splňují některé průtokoměry firmy Emerson Process Management, je věnován článek na str. 16 – 18.

Dr. Ing. Radek Strnad,
Product Manager Flow, Emerson Process Management, Fisher-Rosemount, s. r. o.