Aktuální vydání

celé číslo

08

2020

Mozaika novinek a informací

Restart ekonomiky

celé číslo

Třetí rozměr v ultrazvukovém měření průtoku kapalin

číslo 12/2003

Třetí rozměr v ultrazvukovém měření průtoku kapalin

Na světovém trhu s průtokoměry určenými k zástavbě do potrubí, jimiž se dopravují kapaliny, došlo v posledních několika letech k velkým změnám. Pro svou současnou spolehlivost, poměr ceny k výkonu a široké spektrum aplikací si celosvětově v mnoha odvětvích průmyslu vydobyly uznávané místo ultrazvukové průtokoměry. Trh s nimi byl na základě výsledků analýz, prováděných renomovanými společnostmi, vyhodnocen jako nejrychleji rostoucí trh v oblasti měření průtoku a očekává se, že tempo jeho růstu nepoleví ani v následujících letech.

K rozšíření a všeobecnému přijetí ultrazvukového měřicího principu v chemickém a petrochemickém průmyslu přispěly vynikající dosažené výsledky spolu s tím, že ultrazvukové průtokoměry se vyznačují velmi malou tlakovou ztrátou, nevyžadují údržbu a přesnost měření nezávisí na viskozitě, hustotě ani teplotě měřeného média.

V následujících odstavcích jsou představeny hlavní rysy nové generace tříkanálových ultrazvukových průtokoměrů s digitálním zpracováním signálu, zcela novou konstrukcí senzorů a unikátní vnitřní diagnostikou, jejímž prvním představitelem je snímač UFM 3030 od firmy Krohne.

Pevné částice v měřené kapalině

Ultrazvukové průtokoměry (spolu s mnoha dalšími měřicími principy) doposud vyžadovaly velmi homogenní měřenou kapalinu, což bylo možné považovat za určité omezení. Pevné částice rozptýlené v měřené kapalině dosti podstatně ovlivňovaly průchod ultrazvukového signálu kapalinou i konečný výsledek jeho následujícího zpracování. Přítomnost bublin plynu a pevných částic v kapalině protékající snímačem vede k zeslabení signálu přijímaného ultrazvukovými senzory a může být příčinou nepřesného měření. Podobně způsobuje prudké změny v intenzitě signálu přijímaného senzory výskyt velkých vzduchových (plynových, parních) bublin. Výrobci v technické specifikaci uvádějí přípustnou koncentraci pevných částic a nerozpuštěných plynů (v podobě bublin), přičemž proces měření je významně ovlivňován i jejich rozložením v měřicí trubici ultrazvukového průtokoměru. Protože senzory ultrazvukového průtokoměru nezasahují do průřezu měřicí trubice, pevné částice je nemohou poškodit ani dlouhodobě ovlivnit přesnost měření.

Vynikající přesnost a stabilita měření

Negativní působení pevných částic a bublin plynu v měřené kapalině lze úspěšně eliminovat číslicovým zpracováním signálu ze senzorů průtokoměru v signálových procesorech (Digital Signal Processor – DSP) při použití nových algoritmů vyhodnocení a verifikace správnosti signálu. Dále je možné využít výhody několikakanálového měření. Jsou-li jeden nebo dva měřicí kanály krátkodobě negativně ovlivněny nepříznivými provozními podmínkami a nelze-li vyhodnotit jejich signál, měření přesto pokračuje s použitím platných hodnot ze zbývajících kanálů (zbývajícího kanálu). Výsledkem tohoto novátorského přístupu jsou velmi stabilní a přesné výsledky měření ultrazvukovými průtokoměry již v tříkanálovém provedení, což přináší nové možnosti použití ultrazvukové techniky.

Konstrukce senzorů
Nejdůležitější částí ultrazvukového průtokoměru jsou vlastní ultrazvukové senzory. Senzor vysílá a přijímá akustické ultrazvukové vlnění. Napěťový impuls z elektroniky je piezokrystalem v senzoru transformován na akustické vlnění a naopak. Soustavný výzkum a vývoj v této oblasti vedly k úspěšné aplikaci nového typu senzorů, které se vyznačují velkým odstupem užitečného signálu od šumu a současně dlouhodobou stabilitou. Spolu s tím byly zmenšeny rozměry senzorů umožňujících nyní bez problémů konstruovat ultrazvukové průtokoměry i s malou jmenovitou světlostí.

Měřicí kanály a uspořádání senzorů
Viskozita měřených kapalin se v technické praxi pohybuje v poměrně velmi širokém rozmezí. Třeba u ropných produktů se lze setkat s kinematickou viskozitou od 5 × 10–7 m2/s (0,5 cSt, např. letecký petrolej) do několika set centistokes (topné oleje). Při proudění v potrubí o větších světlostech dokonce může vzniknout laminární proudění. Střední rychlost měřené kapaliny závisí na tvaru rychlostního profilu kapaliny, přičemž se rozlišuje proudění laminární (Reynoldsovo číslo Re Ł 2 300) a turbulentní (Re ł 4 000). Při Re mezi 2 300 až 4 000 se hovoří o přechodové oblasti.

Obr. 1.

Jednokanálové ultrazvukové průtokoměry mají dva senzory a ultrazvukové vlnění prochází středem měřicí trubice. Koncem 70. let dvacátého století bylo na základě výsledků intenzivního výzkumu potvrzeno, že pro omezení závislosti přesnosti měření na tvaru rychlostního profilu je vhodné uspořádat senzory tak, aby jejich spojnice střed měřicí trubice míjela. To vedlo ke konstrukcím prvních dvoukanálových ultrazvukových průtokoměrů, následovaných velmi výkonnými, ale patřičně nákladnými pětikanálovými konstrukcemi. Z nich vzešly současné nejen výkonnostně, ale i cenově výhodné snímače se třemi měřicími kanály (tříkanálové).

Několikakanálové ultrazvukové průtokoměry znamenají zásadní přelom v dosažitelné přesnosti měření. Je tomu tak díky použití většího počtu měřicích kanálů a současně jejich správnému uspořádání a využití propracovaných algoritmů zpracování měřicího signálu v jednotlivých kanálech. Již tříkanálové ultrazvukové průtokoměry se nyní vyznačují velkou přesností v celém rozsahu možných hodnot viskozity měřené kapaliny a vynikající opakovatelností měření (obr. 1).

Vyhodnocovací elektronika s DSP
Dalším příspěvkem, který podstatně zlepšuje přesnost, opakovatelnost a stabilitu měření průtoku ultrazvukovým průtokoměrem, je číslicové zpracování signálu v DSP při použití propracovaných algoritmů filtrace a optimálního vyhodnocení signálů. Při použití DSP se dosahuje dokonalého rozlišení platných výsledků měření od neplatných, což se projevuje ve vynikající stabilitě a spolehlivosti procesu měření.

Více informací než jen objemový průtok

Soudobá vyhodnocovací elektronika tříkanálového ultrazvukového průtokoměru splňuje také současné požadavky na výměnu údajů mezi měřicím přístrojem a nadřazeným řídicím systémem. K elektronice lze připojit snímače teploty a tlaku a dělat tak přepočet na standardní podmínky nebo hmotnostní průtok přímo v průtokoměru. Pro dokonalou identifikaci kapaliny protékající přístrojem lze využít měření rychlosti šíření ultrazvuku v kapalině, které je rovněž integrováno ve vyhodnocovací elektronice.

Měření rychlosti ultrazvuku v protékající kapalině
Měřit rychlost šíření ultrazvuku v kapalině protékající snímačem lze velmi přesně (přesnost lepší než 0,1 % z měřené hodnoty), protože při vlastním měření rychlosti proudění měřeného média se pracuje s velkým rozlišením. Rychlost šíření ultrazvuku se vypočítá z dob průchodu ultrazvukového vlnění ve směru a proti směru průtoku kapaliny a známé vzdálenosti senzorů. Vzdálenost senzorů se určuje velmi přesně při kalibraci a je součástí nastavení převodníku měřených hodnot.

V průběhu procesu měření průtoku lze měření rychlosti šíření ultrazvuku v měřené kapalině využít např. k určování typu produktu v produktovodu a k signalizaci změny typu produktu v potrubí, popř. v některých případech i k měření koncentrace produktu, nebo dokonce ke stanovení obsahu příměsi v měřené kapalině (např. vody v dehtu). Spolu s naměřeným objemovým průtokem lze tyto údaje úspěšně použít ke sledování a řízení technologického procesu.

Obr. 2.

Přepočet na standardní objemový průtok
Vyhodnocovací elektronika tříkanálového ultrazvukového průtokoměru může být na přání vybavena vstupy pro připojení snímačů tlaku a teploty měřené kapaliny. Objemový průtok je pak možné přepočítat na korigovaný (standardní) objemový průtok v souladu s normou API 2540, který je definován pro teplotu 15 °C a absolutní tlak 1 013,25 hPa.

Měření množství tepla předaného vodou
Tříkanálové ultrazvukové průtokoměry lze úspěšně použít v energetice pro měření objemového průtoku horké vody, přičemž vyhodnocovací elektronika může být vybavena přídavnými vstupy pro měření teploty přívodní a vratné vody. Ve vyhodnocovací elektronice pak probíhá výpočet množství tepla předaného vodou.

Dávkování
Součástí programového vybavení vyhodnocovací elektroniky tříkanálového průtokoměru je funkce umožňující dávkovat měřenou kapalinu pravidelně v požadovaném množství. Po protečení kapaliny v předem definovaném objemu je dosažení tohoto stavu signalizováno změnou stavového výstupu průtokoměru. Následná iniciace řídicího vstupu průtokoměru způsobí vynulování vnitřního dávkovacího počítadla průtokoměru a proces dávkování se opakuje. To vše bez potřeby externí elektroniky pro řízení dávkování. Tuto funkci lze využít např. při opakovaném plnění reaktorů nebo cisteren.

Diagnostika procesu měření

Vyhodnocování signálu ze senzorů s použitím DSP pomáhá účinně diagnostikovat vlastní proces měření. Jednou z největších výhod moderních ultrazvukových průtokoměrů je právě možnost „nahlížet„ do kapaliny proudící přístrojem.

Úroveň signálu
Vedle rychlosti šíření ultrazvuku v kapalině lze mnohé zjistit z útlumu ultrazvukového signálu při jeho průchodu mezi senzory. Získané údaje mohou být velmi užitečné i pro řízení procesů: např. náhlý prudký pokles úrovně přijímaného signálu signalizuje prudký vzrůst viskozity měřené kapaliny nebo přítomnost bublin plynu.

Redundance měřicích kanálů
Při výpadku měřicího kanálu např. tříkanálového průtokoměru v důsledku nepříznivých provozních podmínek pokračuje měření průtoku s pomocí zbývajících dvou kanálů, přičemž výpadek jednoho kanálu je po dobu do opravy automaticky kompenzován vyhodnocovacím algoritmem.

Budoucnost ultrazvukových průtokoměrů

V úvodu bylo řečeno, že ultrazvukové průtokoměry jsou nejrychleji rostoucím segmentem odvětví měřicích přístrojů pro měření průtoku kapalin v uzavřených profilech. Ultrazvukové průtokoměry pro montáž do potrubí se vyrábějí již déle než 25 let a v souladu s provozní praxí je možné konstatovat, že jsou spolehlivé a nevyžadují údržbu. Jsou to univerzální průtokoměry pro široké spektrum aplikací, včetně těch nejobtížnějších. V petrochemii jsou používány pro měření průtoku ropy, stáčení benzínu a měření průtoku tekutého propan-butanu (LPG). V chemické průmyslu se ultrazvukovými průtokoměry měří průtok kapalné síry, kapalného chloru, dehtu, naftalenu, benzenu, alkoholu, metylesteru a mnoha dalších kapalin. V energetice a vodním hospodářství jsou ultrazvukové průtokoměry úspěšně využívány k měření průtoku pitné, surové, změkčené i demineralizované vody. Soudobé ultrazvukové průtokoměry mají velmi robustní konstrukci a jsou použitelné v širokém rozsahu pracovních teplot a tlaků, které se vyskytují při řízení výrobních procesů.

Pro úspěch v průmyslové praxi jsou nutné nejen výborné parametry průtokoměru, ale i přijatelná cena a zejména minimalizace nákladů na další provoz a údržbu. Ultrazvukové průtokoměry jsou nyní vyráběny ve velkých sériích. Tím bylo dosaženo podstatného snížení prodejních cen při zachování technických parametrů. Ultrazvukové průtokoměry se staly opravdu univerzálními, protože proces měření není ovlivněn vodivostí, viskozitou, hustotou, tlakem, teplotou ani tvarem rychlostního profilu měřené kapaliny. Ultrazvukové průtokoměry se snadno instalují do potrubí, nepotřebují předřazené filtry a nezpůsobují přídavnou tlakovou ztrátu. Proto se domníváme, že ultrazvukové průtokoměry mají před sebou skvělou budoucnost.

Ultrazvukové průtokoměry v ČR

Firma Krohne působí na trhu přístrojů k měření průtoku a výšky hladiny v České republice již déle než deset let. Za tu dobu byly úspěšně dodány a instalovány stovky ultrazvukových průtokoměrů pracujících v mnoha odvětvích průmyslu při měření průtoku ropy, butadienu, styrenu, amoniaku, butylacetátu, ftalátů apod. Používají se např. při míchání asfaltů, destilaci ropy a stáčení dehtu, benzenu, naftalenu, metylesterů a alkoholů i k měření průtoku demineralizované vody v elektrárnách a teplárnách. Ultrazvukové průtokoměry Krohne úspěšně měří také průtok topné, surové i pitné vody, osmotické vody pro výrobu polovodičů i chladicí vody pro hutní agregáty.

V současnosti je uváděn na trh v ČR nový tříkanálový ultrazvukový průtokoměr Krohne UFM 3030, stanovující svými užitnými vlastnostmi i cenou nový standard celkové výkonnosti v oblasti měření průtoku kapalin v průmyslu.

[Materiály firmy Krohne.]

Ing. Petr Komp,
KROHNE CZ spol. s r. o.

KROHNE CZ spol. s r. o.
Soběšická 156
638 00 Brno
tel.: 545 532 111
fax: 545 220 093
e-mail: brno@krohne.cz

Pracoviště Praha
Žateckých 22
140 00 Praha 4
tel.: 261 222 854-5
fax: 261 222 856
e-mail: praha@krohne.cz

Pracoviště Ostrava
Koláčkova 12
724 00 Ostrava-Stará Bělá
tel.: 596 714 004, 777 788 701
fax: 596 714 187
e-mail: ostrava@krohne.cz

Inzerce zpět