Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Řešení měření průtoku od firmy Yokogawa

Firma Yokogawa, jedna z vedoucích a směr určujících firem v oblasti průmyslové automatizace, má ve své nabídce také průtokoměry. Kdyby měl článek detailně pohovořit o kaž­dém produktu v této oblasti měření, zcela jistě by přesáhl vytčený rámec. Dále budou proto vyzdviženy jen některé přednosti snímačů Yokogawa pro měření průtoku, které si zaslouží čtenářovu pozornost. Nejdříve se ale zmiňme o nové metodě měření i řízení průtoku FluidCom – viz titulní strana – a v závěru také o nové kooperaci v oblasti ultrazvukových měřičů průtoku.

 

Termický hmotnostní průtokoměr, regulátor i ventil FluidCom

Vnějším projevem vnitřní obnovy firmy Yokogawa směrem ke spolupráci s jinými firmami byla mj. akvizice progresivní norské firmy Techinvent, zabývající se pokročilou technikou pro dávkování chemikálií (v roce 2017). Produktem FluidCom posílila Yokogawa svou nabídku pro průmysl těžby a zpracování ropy a zemního plynu. V těchto procesech se často přidávají chemikálie do procesních proudů pro eliminaci tvorby hydrátů, zavoskování nebo zamrzávání. Přidávají se také deemulgátory, odpěňovače i prostředky k zabránění koroze. Správné dávkování těchto přísad je nutné upravovat podle množství přepravovaného produktu. To vedlo k častým přestavováním ručních ventilů a velkým nákladům na obsluhu ve ztížených povětrnostních podmínkách. Přidávaná množství se pohybují v relacích jednotek až desítek litrů za hodinu. Automatické systémy s clonkovými motoricky ovládanými regulačními ventily vykazují velkou poruchovost. Nepřesné a nestabilní dávkování způsobuje technologické problémy a vede k delším odstávkám zařízení. Klasické zařízení pro dávkování, mimo čerpadlo zajišťující dostatečný tlak a množství v cirkulačním okruhu, se skládá z průtokoměru, řídicího automatu a regulačního ventilu. FluidCom (obr. 1) svou patentovanou koncepcí integruje průtokoměr, regulátor i ventil v jednom zařízení. Princip je na obr. 2.

Podle zadaného dávkovaného množství a známé tepelné kapacity dávkovaného média se do systému dodá teplo, které způsobí tepelnou roztažností systému potřebné otevření spáry mezi kulovou keramickou kuželkou a sedlem z materiálu PEEK. Dávkované množství je pak nezávislé na vstupním tlaku, teplotě, viskozitě i hustotě média. V případě přicpání v sedle ventilu se zmenší průtok a rozměry se tepelnou kontrakcí změní tak, aby dodatečné otevření průtok dorovnalo. Tak je zajištěno automatické čištění ventilu. Minimální počet pohyblivých částí eliminuje nutnost běžné údržby, což se prokázalo na těžebních plošinách firmy Statoil. Běžné dávkované množství je v rozsahu 0,6 až 30 l/h, avšak lze je rozšířit na 0,3 až 60 l/h. Pracuje se vstupním tlakem do 34,5 MPa. Systém Fluidcom má čelní displej i ovládací tlačítka. Jeho zástavbové rozměry jsou v porovnání se systémy, které nahrazuje, mnohem menší. Je vhodný do prostředí s nebezpečím výbuchu v zóně 1 s ochranou pevným závěrem a zalitím, skupina plynů IIB, teplotní třída T3. Pracuje v teplotách okolí –20 až +55 °C a má krytí IP66. Je opatřen proudovým výstupem s komunikací HART a na přání také proudovým vstupem pro nastavování žádané hodnoty. Za tři roky, kdy je na trhu, bylo dodáno více než 300 těchto dávkovacích systémů. Přesnost dávkovaného množství je lepší než 5 %. Hlavní předností je možnost použití v náročných bezobslužných technologických zařízeních, kde má každý výpadek dalekosáhlé ekonomické důsledky.

 

Zajímavé vlastnosti průtokoměrů Yokogawa

Firma Yokogava dodává průtokoměry pracující na principu rozdílu tlaků, plováčkové průtokoměry, vírové průtokoměry, induk­ční průtokoměry a hmotnostní průtokoměry.

 

Měření průtoku prostřednictvím rozdílu tlaků

Nejpřesnější a mimořádně stabilní digitální rezonanční tlakoměry řady EJA-E a EJX-A (obr. 3) nalézají široké uplatnění při měření rozdílu tlaků na primárních prvcích, jako jsou clony, dýzy, Venturiho trubice a rychlostní sondy. Snímače jsou jednostranně přetížitelné plným statickým tlakem, snesou tlakové rázy i vibrace. Díky vakuované konstrukci měřicího členu s dvojicí křemíkových krystalických rezonátorů snímače téměř nemají hysterezi, což se cení zejména při měření průtoku. Přestavitelnost rozsahu je 1 : 200. Stabilita patnáct let je garantována v celém rozsahu okolní teploty i statického tlaku. Každý diferenční tlakoměr měří i statický tlak. Snímače dokážou odhalit zalepení přívodních impulzních kapilár od primárních prvků a detekovat, o kterou stranu jde. Speciální provedení pro nízkou spotřebu s napěťovým výstupem dosahuje hodnoty 27 mW a lze je napájet ze solárních panelů. Hmotnostní průtokoměr EJX910A/930A má navíc převodník pro externí senzor teploty a provádí v každém měřicím cyklu korekci hustoty a viskozity na teplotu a statický tlak, včetně korekcí výtokového součinitele, expanzního součinitele a aktuálních rozměrů clony. Garantovaná chyba hmotnostního průtoku se proto pohybuje do 1 %. Při řešeních kompletních měřicích tratí se clonami, dýzami a Venturiho trubicemi využívá Yokogawa expertní řešení ostravské firmy Mattech (obr. 4). Pro integrované clony se používá řešení Bopp & Reuther, pro víceotvorové Pitotovy trubice se využívá řešení firem SKI (obr. 3 a obr. 5) a Armstrong (obr. 3). Jejich řešení Accelabar kombinuje Venturiho trubici se snímačem Verabar a dosahuje přesnosti ±0,5 %, opakovatelnosti ±0,05 % a nepotřebuje žádné uklidňovací úseky před měřidlem.

 

Plováčkové průtokoměry

Výroba plováčkových průtokoměrů začala v německém městečku Wehr v roce 1909. V současné době jsou dodávány varianty se skleněnými (RAGK, RAGL a RAGN) a kovovými trubicemi (RAKD a RAMC; obr. 6). Všechny mají schválení pro SIL 1, RAMC i pro SIL 2. Pokrývají rozsah průtoků 2 dcl/h až 130 m3/h (voda) v rozpětí 1 : 10. RAKD je pro tlaky až 16 MPa. RAMC pracuje při teplotách –196 až +370 °C a umožňuje detekci zaseklého či přilepeného plováku. Je vybaven totalizátorem, proudovým i pulzním výstupem, rozhraním Profibus-PA a limitními kontakty. Modely RAGL a RAKD mohou mít jehlové ventily nebo i regulátory tlaku na vstupu nebo výstupu. Lze je opatřit snímatelným mechanickým tlumičem rázů.

Vírové průtokoměry DY

Vírové průtokoměry známé pod značkou Yewflo jsou na trhu od roku 1969 (první na světě). Jsou to ideální měřidla pro přesné měření průtoku páry (přesnost 1 % z okamžité hodnoty, ne z rozsahu) a jejich tlaková ztráta je přibližně osmkrát nižší než u clonových průtokoměrů. Od hodnoty Re = 20 000 jejich frekvenční výstup nezávisí na hustotě ani viskozitě. Pokrývají světlosti 15 až 400 mm, tlaky až 43 MPa a teploty –196 až +450 °C. Digital Yewflo (DY; obr. 7) je vybaven dvěma senzory pro eliminaci vibrací a šumů, využívá spektrální analýzu a adaptivní ladění měřicích podmínek. Má detekci zalepování vírového hranolu. Hranol je výměnný bez nutnosti rekalibrace. Ve styku s médiem není žádný svar, tělo snímače je jeden odlitek. Senzory umístěné v hranolu snímají rychlostní profil v celém průřezu, a proto snímač vykazuje nejlepší přesnost v reálných podmínkách provozů. Má také nejkratší uklidňovací délky: 5D za redukcí, 10D za kolenem, 20D za ventilem či expandérem. Pro bezpečnostní aplikace nebo pro obousměrný průtok je k dispozici ve zdvojeném provedení. Dodáván je rovněž s redukcí světlosti o jednu nebo dvě řady (např. DN100/DN80 i DN100/DN50). Zvolit lze i provedení se senzorem teploty Pt1000 umístěným ve vírovém hranolu pro kompenzaci hustoty a měření hmotnostního průtoku kapalin a syté páry. Střední doba do poruchy (MTBF) je delší než 400 let.

 

Indukční průtokoměry Admag TI AXG/AXW

S indukčními průtokoměry má Yokogawa zkušenosti již více než 56 let. Od roku 1988 úspěšně uplatňuje duální buzení magnetického pole. U nových modelů AXG a AXW (obr. 8) jsou to frekvence 6,25 a 75 Hz, na přání lze nastavit také 150 Hz. Nižší frekvence, kterou uplatňují i jiní dodavatelé, zajišťuje stabilitu měření. Vyšší frekvence umožňuje dosáhnout doby odezvy 0,1 s a odolnosti proti šumu od pevných částic narážejících na povrch elektrod a proti rušení způsobenému proměnlivou vodivostí média. Měří rovněž deionizovanou vodu od vodivosti 1 µS/cm. AXG má výstelky keramické (pro světlost 2,5 až 200 mm) nebo z PFA (2,5 až 500 mm). Výstelky AXW pro méně náročné úlohy jsou z PTFE nebo z různých typů pryží (světlost 25 až 1 800 mm). Keramické výstelky se superčistým 99,9% korundem se spékají s práškovými Pt-Ir elektrodami, a proto výstelka kolem elektrod nepraská a nevyskytují se případy zatékání. Zrcadlově leštěný povrch napomáhá k mimořádné stabilitě. Přesnost AXG dosahuje ±0,15 % z okamžité hodnoty (pro rychlosti 1 až 10 m/s). Při rychlostech pod 0,15 m/s je přesnost nižší (±0,5 mm/s) a souvisí s rozměrem elektrod. Průtokoměr měří vodivost média, zanesení elektrod a detekuje nezaplnění trubice. Umožňuje verifikovat stav buzení, elektrod, kabelů i převodníku bez vyjmutí z potrubí. Přestože standardní specifikace výstelek z PFA udává, že je lze použít do +160 °C, vyvinula Yokogawa pro potřeby papírenského průmyslu výstelku se zesílenou konstrukcí s plně svařovaným podpůrným plechem, odvětrávacími otvory proti hromadění plynu za výstelkou, metalickou ochranou hrany výstelky a zalévanými elektrodami. V tomto provedení ji lze použít do +180 °C, tedy v oblasti, kde se používají keramické výstelky, které však pro světlosti DN250 až DN400, jež jsou potřebné v zařízeních pro výrobu buničiny, nejsou k dispozici.

 

Indukční průtokoměry AXR

Přestože čtyřvodičové průtokoměry AXG/AXW se samostatným napájením buzení mají spotřebu jen 12 W, vyvinula firma Yokogawa indukční průtokoměr, který neopustí koncept duální budicí frekvence, ale bude napájený pouze po proudové smyčce (4 až 20 mA). Výsledkem je indukční průtokoměr AXR (obr. 9) se spotřebou jen 0,3 W. Velmi přesným vinutím cívek bylo docíleno 1,5násobného plnění, a tedy větší intenzity magnetického pole, které budí frekvence 12,5 a 75 Hz. Speciálně leštěná výstelka z PFA a velkoplošné elektrody zvýšily poměr signálu k šumu, a tak průtokoměr měří kapaliny i suspenze od 10 µS/cm s přesností ±0,5 % z měřené hodnoty. Průtokoměry AXR mají certifikaci SIL 2 i Ex do zóny 0, vyrábějí se ve světlostech DN25 až DN200, jejich elektrody a zemnicí kroužky jsou z různých materiálů, jejich součástí je detekce zanesení, přídavný pulzní/stavový výstup, totalizátor, ovládání magnetickým klíčem a jsou k dispozici v mezipřírubovém i přírubovém provedení.

 

Hmotnostní průtokoměry Rotamass TI

Čtvrtá generace hmotnostních průtokoměrů Rotamass, které se začaly vyrábět ve Wehru v Německu před 28 lety nese přídomek TI – Total Insight. Celá koncepce TI (která se uplatňuje také u jiných typů průtokoměrů Yokogawa) je zaměřená na maximalizaci užitných vlastností v průběhu celého životního cyklu průtokoměru. Obšírněji jsou tyto průtokoměry popsány v článku ROTAMASS Total Insight – když chcete mít jistotu, že měříte přesně, který vyšel v časopise Automa v roce 2017, v č. 12 na str. 18 až 21 (https://automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/11176.pdf). Průtokoměry Rotamass se vyrábějí v šesti modelových řadách: Nano, Prime, Supreme, Intense, Hygienic a Giga a s převodníky Essential a Ultimate pokrývají hmotnostní průtoky od 1 kg/h do 600 t/h. Zákazník může zvolit různou úroveň přesnosti, až ±0,1 % pro kapaliny a ±0,35 % pro plyny z okamžitého hmotnostního průtoku, nejen při laboratorních podmínkách. Jako jedny z mála průtokoměrů mají kalibrační certifikáty i pro hustotu (přesnost ±0,5 kg/m3). Kryogenní provedení modelu Supreme se dodává s kalibrací médiem při -196 °C a vysokoteplotní provedení je až do 350 °C, výhledově 400 °C. Provedení Nano je až do tlaků 28,5 MPa. Měří též koncentraci nebo podíl průtoku dvou médií ve směsi, a to i při výrazném zavzdušnění. Je-li přiveden signál o měřené tlakové ztrátě, umí průtokoměr vypočítat také viskozitu. Průtokoměr vyhodnocuje kvalitu montáže kontrolou posunu nulového průtoku a rovněž měří změnu tuhosti trubic v čase již od 0,4 %. Tyto hodnoty zaznamenává do trendu a při online validaci měřidla vyhotoví protokol o celkovém stavu průtokoměru včetně trendu tuhosti trubic, který napoví, zda dochází k zarůstání vnitřního průměru nebo zeslabování stěn vlivem koroze. Zákazník tak může objektivně zhodnotit, kdy se vyplatí provést nákladnou rekalibraci, nebo je včas varován, jestliže se životnost trubic výrazně zkracuje. Externí dilatační pnutí z potrubního systému nebo rázy se přenášejí po vnějším nosníku průtokoměru a vlastní měření je od nich izolováno. Trubice jsou unikátně párovány a pracují ve velmi úzkém rezonančním pásmu. Tím je posílena mimořádná robustnost a odolnost proti vnějšímu rušení. Zvýšením síly buzení o 30 % oproti předchozím modelům dosahuje Rotamass TI nebývalé stálosti rezonance a tím měření
i při vysokém zavzdušnění  nebo ztrátě média.

 Díky nejlepší stabilitě nuly má Rotamass nejširší rozpětí průtoků s garantovanou přesností (turndown). Převodník je k dispozici ve velmi široké nabídce variant výstupů i vstupů a včetně digitální komunikace Foundation Fieldbus, Profibus-PA a Modbus RTU (RS-485).

 

Ultrazvukové průtokoměry Faure Herman (Ultraflux) s příložnými i smáčenými senzory

Průtokoměry na ultrazvukovém principu měření Yokogawa zajišťovala díky kooperacím s předními světovými výrobci ultrazvukových průtokoměrů. V minulosti to byly příložné průtokoměry společnosti Flexim. V současnosti Yokogawa spolupracuje s francouzskou společností Ultraflux, která se spojila s Faure Herman. Na obr. 11 je nový ultrazvukový průtokoměr FH83NEO v tříkanálovém provedení, vycházející z dřívější řady FH8000. K dispozici je jedno-, dvou- a tříkanálová verze s přesností ±1 %, ±0,5 % a ±0,25 % pro světlosti DN50 až DN600, tlaky až 15 MPa a teploty –40 až +120 °C. Rozsah hustot médií je 400 až 1 500 kg/m3, rozsah viskozity 1 až 180 cSt a rozsah průtoků 0,5 m/s až 10 m/s. Snímače měří obousměrný průtok a vyhodnocují úniky média z potrubí. Mají schválení pro prostředí s nebezpečím výbuchu, krytí IP66, univerzální napájení, dva proudové výstupy s komunikací HART, dva kontaktní/pulzní výstupy, jeden proudový vstup a galvanicky oddělenou komunikaci Modbus RTU s RS-485.

Společnost také nabízí příložné ultrazvukové průtokoměry, jejichž převodník Uf821 dokáže měřit průtok plynů i kapaliny až čtyřmi kanály pro potrubí DN10 až DN10000 s přesností dosahující ±0,5 %.

 

Závěr

Yokogawa Czech Republic s. r. o. má k dispozici zkušený tým odborníků, kteří zájemcům rádi pomohou s řešením jejich úloh v oblasti měření průtoků a zajistí promptní servis, validaci měření nebo kalibraci v některé z certifikovaných zkušeben.

 

Tomáš Zetek,
Yokogawa Czech Republic s. r. o.

 

Obr. 1. Dávkovací systém FluidCom S2

Obr. 2. Princip funkce FluidCom

Obr. 3. Špičkové snímače rozdílu tlaků a hmotnostního průtoku DPharp EJX110A/EJX130A a EJX910A/EJX930A s partnerskými produkty firem Bopp+Reuther, Armstrong a SKI vynikají stabilitou v náročných podmínkách

Obr. 4. Clonové měřicí tratě od firmy Mattech

Obr. 5. Měření průtoku víceotvorovou sondou SKI; jako snímač rozdílu tlaků je instalován EJX910

Obr. 6. Plováčkové průtokoměry od firmy ROTA Yokogawa

Obr. 7. Vírový průtokoměr Digital Yewflo měří přesně a s velkou stabilitou i v nepříznivých podmínkách a je velmi robustní a spolehlivý

Obr. 8. Indukční průtokoměry Admag TI AXG/AXW cílí na obory, jako jsou petrochemie, těžba a zpracování surovin, chemický průmysl, papírenství nebo potravinářský průmysl

Obr. 9. Indukční průtokoměr Admag AXR má duální budicí frekvenci, ale přesto si vystačí s napájením po proudové smyčce

Obr. 10. Rotamass TI Prime – hmotnostní průtokoměr pro optimální regulaci výrobních procesů

Obr. 11. Ultrazvukový průtokoměr FH83NEO