Několikakanálové ultrazvukové průtokoměry

Několikakanálové ultrazvukové průtokoměry

Ultrazvukové průtokoměry celosvětově získávají na popularitě a ultrazvuková technika měření průtoku je jedním z nejrychleji rostoucích segmentů trhu v oblasti přesného měření průtoku tekutin. Ultrazvukové techniky se v praxi využívají déle než dvacet let především k měření průtoku nevodivých kapalin, jako jsou ropa, petrochemické produkty a demineralizovaná voda.

V současné době je na světovém trhu nabízeno široké spektrum ultrazvukových průtokoměrů jednokanálových, dvoukanálových, pro vestavbu do potrubí nebo pro montáž na stávající potrubí, včetně ultrazvukových průtokoměrů pro měření průtoku plynu. Vyrábějí se také ultrazvukové průtokoměry použitelné při relativně vysokých teplotách (do 600 °C) a tlacích (100 MPa) a také pro obchodní měření. Například firma Krohne uvedla jako první ve světě na trh pětikanálový ultrazvukový průtokoměr, zakládající nový standard v oblasti měření průtoku ropných a petrochemických produktů při stáčení, hlídání těsnosti ropovodů a produktovodů a v obchodním styku mezi dodavateli a odběrateli, anebo dokonce mezi jednotlivými státy. Stručně řečeno, ultrazvukové průtokoměry mají před sebou skvělou budoucnost.

Oproti klasickým turbínovým průtokoměrům, průřezovým měřidlům (clonám) a vírovým průtokoměrům a v mnoha případech rovněž v porovnání s hmotnostními průtokoměry mají ultrazvukové průtokoměry přesvědčivé výhody: nemají pohyblivé části, tlaková ztráta je téměř nulová a vyžadují skutečně jen minimální údržbu.

Ultrazvukové průtokoměry jsou všeobecně přesnější než mnohé jiné běžně používané průtokoměry a svou přesností a opakovatelností se vyrovnají těm nejpřesnějším přístrojům.

Měřicí princip ultrazvukových průtokoměrů

Ultrazvukové průtokoměry mohou pracovat různým způsobem. V současnosti pravděpodobně nejpoužívanější měřicí princip je založen na měření doby průchodu signálu měřenou kapalinou (obr. 1). Senzor A vyšle ultrazvukový signál napříč měřicí trubicí k senzoru B zapojenému jako přijímač: vlnění urazí vzdálenost L mezi senzory za dobu t_AB. Pak se funkce senzorů obrátí a signál je vyslán opačným směrem – senzor B pracuje jako vysílač, senzor A jako přijímač a vlnění nyní urazí vzdálenost mezi senzory za dobu t_BA. Ultrazvukové vlnění se vůči měřicí trubici pohybuje rychleji, je-li vysláno ve směru toku měřeného média, a naopak pomaleji, je-li vysláno proti směru tomuto toku. Ze známých hodnot t_AB, t_BA, L, úhlu j mezi měřicím paprskem a osou měřicí trubice a rychlosti šíření ultrazvuku v měřeném médiu c₀ lze jednoduše stanovit střední rychlost proudění média n_m a, při znalosti průřezu měřicí trubice a ideálních podmínkách měření (viz dále), průtok. Tento měřicí princip umožňuje také snadno měřit rychlost šíření ultrazvukového vlnění v měřené kapalině a využít znalosti této rychlosti např. k identifikaci protékajících kapalin.

Mohlo by se zdát, že pro přesné měření střední rychlosti průtoku postačí jeden pár senzorů. Praxe ukazuje, že tomu tak není. Střední rychlost průtoku změřená jedním párem senzorů (jednokanálově) se nemusí shodovat se skutečnou střední rychlostí průtoku. Rychlost proudění totiž není všude konstantní, ale je určitým způsobem rozložena po průřezu potrubí. Rozeznávají se dva základní tvary rychlostního profilu: odpovídající laminárnímu proudění a turbulentnímu proudění.

Jaké proudění, a tudíž rychlostní profil, se v potrubí vyvine, lze určit prostřednictvím Reynoldsova čísla

kde r je hustota měřeného média, n_m střední rychlost proudění média, d vnitřní průměr potrubí, h dynamická viskozita média.

Teoreticky jde při Re < 2 320 o proudění laminární s parabolickým tvarem rychlostního profilu a při Re > 2 320 o proudění turbulentní se zploštělým tvarem rychlostního profilu. V praxi ovšem tak dokonale ostrý předěl neexistuje a při Re v pásmu mezi asi 1 500 a 4 000 se hovoří o tzv. přechodové oblasti, ve které nelze jen podle hodnoty Re jednoznačně rozhodnout.

Aplikovaný výzkum ukázal, že měřená střední hodnota průtoku se u jednokanálových průtokoměrů (kdy ultrazvukové vlnění prochází středem potrubí s měřenou kapalinou) liší od skutečné střední rychlosti průtoku dosti výrazně v závislosti na tom, zda je proudění měřené kapaliny laminární nebo turbulentní. Bylo prokázáno, že tento vliv může činit až 30 % naměřené hodnoty rychlosti. Při měření rychlosti šíření ultrazvuku v měřené kapalině s cílem kapalinu identifikovat lze u jednokanálových ultrazvukových průtokoměrů dosáhnout přesnosti asi 0,5 m/s, která je pro většinu aplikací postačující.

Pro vyloučení vlivu tvaru rychlostního profilu na přesnost měření byly vyvinuty dvoukanálové ultrazvukové průtokoměry měřící s přesností 0,5 % z měřené hodnoty v širokém rozsahu průtoků. Menší závislosti na charakteru proudění se u nich dosahuje posunutím měřicích drah směrem ke stěně potrubí. Způsob umístění senzorů a poloha měřicích bodů vůči rychlostnímu profilu u dvoukanálového ultrazvukového průtokoměru při laminárním i turbulentním proudění jsou patrné z obr. 2.

Pětikanálový průtokoměr – pro nejnáročnější aplikace

Po několika letech intenzivního vývoje uvedla firma Krohne v roce 1996 na trh pětikanálový ultrazvukový průtokoměr Altosonic V splňující i nejpřísnější požadavky kladené při obchodním měření průtoku (proteklého množství) ropy a petrochemických produktů. Vynikající přesnosti měření (0,1 % z měřené hodnoty ve velmi širokém rozsahu průtoků) bylo dosaženo použitím pěti měřicích kanálů v uspořádání podle obr. 3. Altosonic V měří střední rychlost průtoku v pěti vzájemně rovnoběžných „kanálech“. Pro vyhodnocení se tak získává „záplava“ údajů o tvaru rychlostního profilu, a to při laminárním i turbulentním proudění média. Velké přesnosti měření se dociluje i při nesymetrickém rychlostním profilu, přítomnosti vírů apod. Firma Krohne také vyvinula velmi účinnou metodu přesného měření rychlosti šíření ultrazvuku v měřené kapalině, která čerpá z hodnot naměřených ve všech pěti kanálech. Tím je umožněna přesná a spolehlivá identifikace měřené kapaliny.

Tříkanálový průtokoměr – kvalita za přijatelnou cenu

Nová generace tříkanálových ultrazvukových průtokoměrů firmy Krohne dosahuje přesnosti a opakovatelnosti měření u této kategorie – tj. ultrazvukových průtokoměrů pro běžné použití – dosud nevídaných. Přesnost měření průtoku činí 0,3 % z měřené hodnoty, opakovatelnost typicky 0,1 % z měřené hodnoty.

Využitím třetího měřicího kanálu je možné získat dodatečné informace o tvaru rychlostního profilu (obr. 4) a zcela nový je i způsob zpracování signálu prostřednictvím signálového procesoru (Digital Signal Processing – DSP). Analogové signály se převádějí jednočipovým mikroprocesorem do digitální podoby, ve které se dále zpracovávají. Ačkoliv je tato metoda jinak velmi často používaná, u ultrazvukových průtokoměrů bylo nutné překonat mnoho překážek a využít mnoho zkušeností získaných s přístrojem Altosonic V.

Aplikace DSP v tříkanálovém ultrazvukovém průtokoměru umožňuje mj. mnohem dokonaleji řídit zisk zesilovačů přijímaného ultrazvukového signálu. Tím se mnohonásobně zlepšila reakce průtokoměru na útlum ultrazvukového vlnění, vyvolaný např. přítomností většího množství pevných částic nebo bublin plynu v měřené kapalině. Odrazy ultrazvukového vlnění, způsobené přítomností těchto částic nebo bublin plynu, mohou interferovat s ultrazvukovým signálem a také ovlivňovat měření rychlosti šíření ultrazvukového vlnění v měřené kapalině, která je vlastní dané měřené kapalině a slouží k její průběžné identifikaci. Tak mohou vznikat významné poruchy v kvalitě měření průtoku. Ultrazvukový průtokoměr sice může v kritickém okamžiku přestat měřit, ale nepoškodí se a po odstranění příčiny rušení měří dál s nezměněnou přesností.

Zde je třeba připomenout, že vliv bublin plynu nebo pevných částic na mechanické průtokoměry je mnohem významnější. Pevné částice a bubliny plynu způsobují neopravitelná poškození měřicích částí mechanických průtokoměrů (např. velký obsah plynu může uvést rotory turbínových průtokoměrů do velmi rychlé rotace, která zapříčiní zničení měřidla). Mechanické průtokoměry je proto nutné chránit nákladnými filtry a omezovači výskytu plynů.

Ultrazvukové průtokoměry se dosud používaly v chemii a petrochemii jen v omezené míře, protože buď nedosahovaly přesnosti konvenčních průtokoměrů, nebo byly příliš nákladné. Tříkanálový ultrazvukový průtokoměr překonává tato omezení a je schopen nabídnout efektivní řešení měření průtoku v celé široké oblasti aplikací v chemii a petrochemii.

Ing. Petr Komp, Krohne CZ s. r. o.