Potřeba měřit přesně a spolehlivě mění trh s průtokoměry

Potřeba měřit přesně a spolehlivě mění trh s průtokoměry

Metody používané k měření průtoku tekutin v průmyslu je možné rozdělit do deseti hlavních a dále do mnoha dílčích kategorií. Aplikační oblasti průtokoměrů se přitom v mnoha případech překrývají, a dodavatelé tedy musí čelit dvojí konkurenci: té, která nabízí tentýž typ průtokoměru, i té s jiným typem, oběma typy přitom více či méně vyhovujícími dané aplikaci. Vše se přitom děje v dynamickém prostředí, charakteristickém na jedné straně neustálým zdokonalováním jednotlivých metod měření průtoku, tradičních i tzv. nových, a na druhé straně stále náročnějšími požadavky uživatelů. Trhu s průtokoměry je tudíž vlastní složitost, se kterou se v ostatních oblastech měřicí techniky zpravidla nelze setkat. Nejde přitom o trh zanedbatelný. Měření průtoku patří k jednomu z nejčastějších měření v průmyslu a roční obrat na světovém trhu je u současných hlavních komodit (průřezová měřidla, ultrazvukové, magneticko-indukční a Coriolisovy průtokoměry) odhadován např. pro rok 2003 v řádu 400 až 500 milionů USD pro každou z nich. Zmapovat perspektivy trhu s průtokoměry, a nabídnout tak vodítko výrobcům i uživatelům, se snaží studie renomovaných analytických firem [1] až [6]. Článek stručně uvádí některé závěry, které nabízejí.

Tradiční a nové metody měření průtoku

Požadavky uživatelů na měření průtoku uvedené v citovaných studiích lze shrnout slovy přesnější, spolehlivější a za minimální náklady (nikoliv „levněji“, protože převažující snahou není levně koupit průtokoměr, ale především minimalizovat celkové náklady na měření).

Co se týče měřicích principů, rozlišují se metody a na nich založené průtokoměry tradiční a nové (tab. 1). O zařazení metody mezi nové přitom nerozhoduje doba, po kterou je daný princip znám, ale okamžik, od kterého jsou komerčně dostupné odpovídající průtokoměry. Nejdelší doba komerčního využívání je zde 50 let a nejkratší deset let, konkrétně:

• magneticko-indukční průtokoměry debutovaly v Nizozemí v roce 1952;

• první ultrazvukové průtokoměry prodala firma Tokyo Keiki (nyní Tokimec) v Japonsku v roce 1963; ve větším rozsahu byly využity po roce 1970;

• první komerčně úspěšné Coriolisovy průtokoměry uvedla na trh firma Micro Motion v roce 1977;

• pokusy komerčně využít von Kármánův jev se datují od roku 1958, na trh uvedla vírový průtokoměr firma Eastech v roce 1969 a jako první velký výrobce ho úspěšně nabídla společnost Yokogawa v roce 1979 pod označením Yewflo;

• první několikaparametrový převodník (multifunkční převodník, multivariable DP) nabídla společnost Bristol Babcock v roce 1992.

U naposledy jmenovaného multivariable DP nejde o princip v pravém smyslu slova, ale o konstrukci vyznačující se tím, že měří více než jednu technologickou proměnnou (zpravidla statický tlak, rozdíl tlaků a teplotu) a z naměřených údajů vypočítává objemový a hmotnostní průtok. Hlavní výhoda tohoto řešení spočívá v tom, že uživatel nakupuje a instaluje jeden přístroj namísto např. tří.

Trendy na trhu s průtokoměry

V současné době patrný i do budoucna očekávaný růst obratu na trhu s průtokoměry je spjat s růstem poptávky po jejich moderních konstrukcích v podmínkách stále častějšího používání komunikačních systémů.

V Evropě je především patrný významný posuv, který nastal v názorech uživatelů průtokoměrné techniky [2]. Tradičně zde v průmyslu dominovaly metody měření průtoku založené na měření rozdílu tlaků v proudící tekutině. Jejich podíl na trhu však v posledních několika desetiletích trvale klesal, až na 18 % v roce 2000, a očekává se, že bude klesat i nadále. Naopak si v poslední době dobře vedly magneticko-indukční průtokoměry, které se s rostoucí oblibou a tím i počtem aplikací v roce 2000 podílely na evropském trhu 27,2 %. Důvěra uživatelů v netradiční průtokoměry po technické stránce vzrostla; současně zjistili, že proklamované úspory nákladů na provoz jsou u moderních průtokoměrů skutečností a že počáteční větší investice se rozhodně vyplatí. Při současném neustálém zlepšování technických parametrů a klesajících cenách průtokoměrů se tak evropský trh nyní úspěšně otevírá i dalším novým principům.

Obdobné trendy jako v Evropě ovlivňují trh s průtokoměry i ve světovém měřítku. Ústup od průřezových a ostatních měřidel průtoku založených na měření rozdílu tlaků zde významně přispěl a dále přispívá k patrnému poklesu zájmu o převodníky tlaku a rozdílu tlaků (dále jen tlaku) vůbec. Světový trh s převodníky tlaku, po desetiletí trvale mírně rostoucí, nedávno zaznamenal stagnaci, následovanou dokonce poklesem poptávky v důsledku toho, jak uživatelé stále častěji řeší problémy s měřením jinými cestami ([4], [5]). Rok 1999, pro většinu výrobců převodníků tlaku nepříliš úspěšný, byl následován špatným rokem 2000, který při obratu asi 1,2 mld USD a 1,4 milionu dodaných jednotek jako první po několika desetiletích růstu přinesl celosvětový pokles obratu o více než 1 %. Očekávané oživení poptávky, které by mělo v letech 2001 až 2005 způsobit meziroční růstu obratu na trhu se snímači a převodníky tlaku ve výši 3 až 4 % ročně, se přitom rozhodně nebude týkat segmentu převodníků tlaku určených k měření průtoku. Zde naopak má zájem dále klesat [4].

Menší zájem o převodníky tlaku se projeví jako akutní zejména v odvětví distribuce ropy, kde je vbrzku očekáváno vydání standardu API (American Petroleum Institute), určujícího ultrazvukovou metodu měření průtoku za nový průmyslový standard pro fakturační měření průtoku kapalných ropných produktů. Jde o krok výrazně podporující investice do ultrazvukové techniky. Ultrazvukové průtokoměry se téměř skokem stávají středem zájmu jako náhrada průřezových (clonových) měřidel průtoku, kdysi „svatého grálu“ a vrcholné aplikace převodníků tlaku.

Podobný přesun zájmu se objevuje v rafineriích, kde jsou průřezová měřidla nahrazována vírovými průtokoměry, a to při měření průtoku všech tekutin – kapalin, plynů i páry. Kvalifikovaní uživatelé vírové průtokoměry rutinně používají ve vhodných aplikacích, aniž by si stěžovali na nedostatečnou výkonnost a citlivost snímačů na chvění, jak tomu bylo dříve.

Všeobecně se v nadcházejícím asi pětiletém období očekává růst počtu aplikací především ultrazvukových průtokoměrů – jako nanejvýš univerzálních – a Coriolisových průtokoměrů jako nejpřesnějších měřidel průtoku. Podívejme se v dalším textu, proč tomu tak bude.

Ultrazvuk dobývá svět měření průtoku

Trh s ultrazvukovými průtokoměry poroste v příštích několika letech téměř explozivně, nejrychleji ze všech metod měření průtoku. Potud se nejnovější předpovědi [1] a [3] shodují. V čem se liší, je odhad síly této exploze v období mezi roky 2000 a 2005. Podle [1] celosvětový roční obrat v tomto segmentu trhu z 240 mil. USD (bez ultrazvukového měření průtoku v otevřených kanálech) v roce 2000 meziročně poroste v průměru o 15,3 %, zatímco [3], oč větší uvádí výchozí obrat (371 mil. USD v roce 2000), o to menší předpovídá tempa růstu (průměru meziročně o 10,4 %). Ať je blíže pravdě ta či ona předpověď, jsou zde dvouciferné hodnoty tempa meziročního růstu zřejmě reálné. Ultrazvukové průtokoměry tak nejen vedou v oboru měření průtoku, ale jsou také jedním z mála typů provozních přístrojů, u nichž se dvojciferná hodnota tempa růstu v daném časovém horizontu očekává.

Renesance metody

Proč najednou takový zájem o techniku komerčně dostupnou již téměř 40 let? Byla totiž v posledních několika letech významně zdokonalena a zažívá doslova znovuzrozenní. Skloubením nahromaděných zkušeností s posledními pokroky techniky ve skutečnosti vznikla zcela nová generace průtokoměrů, které mají s původními přístroji ze 60. a počátku 70. let minulého století společný snad jen základní fyzikální princip.

Potíž byla v tom, že ultrazvukové průtokoměry první generace, využívající Dopplerův jev, nebyly schopny nabídnout, co metoda slibovala – srovnatelně přesnou, ale levnější alternativu turbínových, objemových anebo magneticko-indukčních průtokoměrů. Příčinou byly problémy s opakovatelností měření, linearitou, fluktuacemi parametrů přístroje v závislostí na teplotě apod. Další přístroje, založené na měření doby průchodu signálu měřeným médiem, se zase chovaly nepředvídatelně – měly nestabilní vlastnosti v důsledku citlivosti na plynové bubliny a pevné částice v médiu. Ultrazvuková metoda jako celek výrazně ztratila na reputaci, naštěstí dočasně.

Současné ultrazvukové průtokoměry jsou výsledkem usilovného technického vývoje a výrazně předčí vše z tohoto oboru, co bylo k dispozici v minulosti. Hlavní motorem změn byly pokroky v metodách digitální manipulace s ultrazvukovými senzory. Převážná většina současných konstrukcí opustila Dopplerův princip a používá měření doby průchodu signálu médiem. S nestabilitou v důsledku znečištění média se současné přístro je vyrovnávají pomocí adaptivního softwaru, který vhodně mění frekvenci a amplitudu akustického signálu.

Protože průtokoměry s jedním měřicí paprskem (jednokanálové) mohou měřit pouze v jediné přímce v médiu, jsou citlivé na odchylky skutečného rychlostního profilu proudění od předpokládaného. Proto byly vyvinuty přístroje s větším počtem paprsků (dvěma až pěti), které proměřují rychlostní profil ve větším počtu bodů, přednostně v potrubích větších průměrů. Několikakanálové průtokoměry s verifikací údaje a redundancí umožňují použít ultrazvuk k měření průtoku při laminárním proudění a měřit tak přesně a spolehlivě i v aplikacích vyznačujících se značnými výkyvy v průtoku, a tudíž požadavky na přestavitelnost snímače. Kombinace několikanálového měření s dokonalejšími mikroprocesory vedla k průtokoměrům schopným měřit s přesností až 0,1 % měřené hodnoty. Ultrazvukové průtokoměry mohou být konstruovány také jako tzv. multivariable (několikaparametrové, multifunkční), tj. současně měřící několik technologických veličin (typicky spolu s průtokem také teplotu, viskozitu a rychlost šíření zvuku v médiu, ze které se usuzuje na druh právě protékajícího média) a zmenšující tak počet zařízení potřebných k přesným měřením.

Za dosavadní vrchol vývoje ultrazvukových průtokoměrů lze pokládat jejich přijetí za standard v oblasti kritických fakturačních měření v odvětví těžby a zpracování ropy, ropných produktů a zemního plynu. Souhlas s jejich použitím k měření průtoku plynu již vydaly evropské certifikační orgány OIML (Organisation Internationale de Métrologie Légale) a NMi (Nederlands Meetinstituut) a po nich i AGA (American Gas Association). Práce na standardu uvolňujícím ultrazvuku cestu do ropného průmyslu jsou před ukončením v již zmíněném API. Tyto schvalovací procesy provází očekávání, že se ultrazvukové průtokoměry rozšíří i do ostatních odvětví průmyslu.

Univerzální průtokoměr s velkou užitnou hodnotou

Snad nejvíce přispívá k růstu obliby ultrazvukových průtokoměrů jejich univerzálnost – důsledek užitných vlastností, shrnutých v tab. 2. Současně jsou ultrazvukové průtokoměry dostupné v nejrůznějších provedeních pro nejrozmanitější aplikace v mnoha cenových hladinách. Díky velké dynamice měřicího rozsahu může jeden model ultrazvukového průtokoměru nahradit několik modelů jiných typů průtokoměrů s navzájem odlišnými měřicími rozsahy, což pro uživatele znamená množstevní slevu při nákupu a menší náklady na údržbu, skladování náhradních dílů atd. Že ultrazvukové průtokoměry měří přesně a spolehlivě, je důležité zejména v kritických aplikacích, např. při fakturačních měřeních.

Současně jde o jednu z mála metod umožňujících měřit průtok nejen kapalin a plynů, ale také např. saturované i přehřáté páry. Další uživatelé moderní ultrazvukové techniky jistě budou z její univerzálnosti nadále těžit ve svůj prospěch.

Směry dalšího rozvoje

Co se týče použití, [3] očekává největší růst zájmu o ultrazvukové průtokoměry na okrajích dosavadního spektra aplikací. Na jedné straně jde o hromadně vyráběné levné průtokoměry malých měřicích rozsahů pro použití např. v systémech centrálního zásobování teplem, měření spotřeby plynu při maloodběru [7] apod., na druhé straně o jednotlivá velmi přesná měřidla velkých průtoků, bez kterých se nelze obejít při přepravě kapalných i plynných produktů, zejména energetických, a obchodování s nimi. Významná pro výrobce i uživatele bude také soutěž na členitém trhu, na němž celosvětově působí více než 50 výrobců [1].

Nejvýznamnější změny v konstrukci ultrazvukových průtokoměrů se v nejbližších letech patrně projeví v oblasti komunikace. V současné době je nejrozšířenější sériová linka RS-232/485, jež si svou pozici zřejmě dále udrží. Ta vyhovuje v tradičních oblastech použití ultrazvukových průtokoměrů, ne však v odvětvích, do kterých se dodavatelé ultrazvukových průtokoměrů nyní snaží proniknout (např. chemická výroba a rafinerie). Schopnosti zabudovaných výkonnějších mikroprocesorů spolu s dokonalejším softwarem přitom vedou samy o sobě k nárůstu celkové výkonnosti snímače, překračující možnosti standardní komunikace prostřednictvím proudové smyčky nebo sériové linky. Kterým směrem a jak rychle rozvinou producenti v tomto ohledu své výrobky, bude věcí individuální strategie každého výrobce. Nabízí se několik více či méně standardních průmyslových komunikačních protokolů, navíc se možnosti v současné době jeví jako zcela otevřené.

Levná měřidla zpřístupňují Coriolisův princip hromadnému použití

Třebaže na trhu s Coriolisovými průtokoměry stále ještě dominuje firma Micro Motion, člen skupiny Emerson Process Management, nabídka těchto přístrojů od jiných výrobců se postupně stále více rozšiřuje. Obrat na celosvětovém trhu činil v roce 2001 asi 372 mil. USD a jeho průměrný meziroční nárůst do roku 2006 je odhadován na téměř 7 % [6]. Třemi oblastmi – nejzajímavějšími z hlediska růstu trhu – přitom jsou:

• použití Coriolisových průtokoměrů k měření průtoku plynů,
• kostrukce Coriolisových průtokoměrů s přímými trubicemi,
• nové nenákladné konstrukce Coriolisových průtokoměrů.

Novinkou a oživením na trhu jsou především méně nákladné Coriolisovy průtokoměry. K těm se výrobci propracovali vývojem modelů, jež neumožňují měřit hustotu média a které v běžných aplikacích měření hmotnostního i objemového průtoku jsou přijatelnou alternativou k vírovým (vortex) i magneticko-indukčním průtokoměrům. Levnější modely daly vzniknout zcela novému segment trhu, který zpřístupnil Coriolisovy průtokoměry novým skupinám uživatelů (pro něž byly až dosud příliš nákladné).

Se zavedením levných měřidel vznikla u Coriolisových průtokoměrů tato jednoznačná cenová hierarchie:

• není-li třeba měřit hustotu, zpravidla postačí měřidlo z kategorie levných;
• je-li třeba měřit hustotu, nejspíše vyhoví měřidlo středně drahé;
• velké průměry potrubí a velké průtoky vyžadují měřidla z horního konce cenové stupnice.

Výrobci nabízející úplnou řadu průtokoměrů je mohou ekonomicky vyrábět a nabízet v různých cenových hladinách, s různými funkčními schopnostmi a v různých konstrukčních provedeních, přizpůsobených požadavkům specifických aplikací. Možnost vybrat průtokoměr podle skutečné potřeby významně přispívá ke snížení celkových nákladů na měřicí místo.

Coriolisovy průtokoměry měří přímo hmotnostní průtok. To je principiální vlastnost, která je zcela odlišuje od ostatních metod měření průtoku a pro kterou je jim dávána přednost v různých aplikacích. Měření hmotnosti je nezávislé na změnách tlaku, teploty, viskozity i hustoty měřeného média, a tudíž je velmi přesné a opakovatelné na úrovních, které jsou jinými provozně použitelnými metodami měření průtoku nedosažitelné. Protože nemají pohyblivé části, které by se opotřebovávaly, a jejich metrologické vlastnosti jsou veskrze velmi stabilní, vyžadují jen minimální údržbu. Při použití Coriolisova průtokoměru mohou jedním potrubím postupně protékat a být měřeny různé látky, což znamená další úsporu investičních i provozních nákladů.

Tab. 3. Coriolisovy průtokoměry: tradice a současný stav z pohledu uživatele (podle [6])

Při uvážení jejich schopnosti ve velmi širokém rozsahu a velmi přesně měřit průtok skutečně nejrůznějších látek, samotných kapalin, splašků i plynů lze Coriolisovy průtokoměry pokládat za opravdu univerzální měřidla průtoku. Je pouze zapotřebí, aby se uživatelé zbavili určitých předsudků o jejich nedostatcích, tradujících se z minulosti, které se však u moderních konstrukcí Coriolisových průtokoměrů již zpravidla podařilo překonat (tab. 3).

Závěr

Trh s průtokoměry je celosvětově oblastí přístrojové techniky velmi dynamicky se rozvíjející z pohledu rozvoje techniky i z pohledu obchodních výsledků a počtu dodavatelů (např. již zmíněných současných více než 50 dodavatelů ultrazvukových průtokoměrů, nejméně 35 dodavatelů magneticko-indukčních průtokoměrů atd.). Potřeba především přesného, spolehlivého a pokud možno neinvazivního měření průtoku podpořila vývoj nových metod měření, které postupně, jak si je uživatelé osvojují, pronikají na trh a výrazně mění jeho tvář. Článek si podrobněji všímá situace v oblasti ultrazvukových a Coriolisových průtokoměrů.

Všeobecně se má za to, že budoucí podobu trhu s průtokoměry výrazně ovlivní nejen technická hlediska, ale také rozvíjející se metody elektronického obchodování (e-commerce). Podobně, jak se to již děje např. v oboru snímačů a převodníků tlaku, vyvstávají s příchodem e-commerce před výrobci, distributory i uživateli průtokoměrů nové způsoby prodeje spolu s možnostmi dosáhnout význačných zlepšení ve všech částech dodavatelského řetězce.

(sk)