Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Velmi přesné ultrazvukové průtokoměry pro malé průtoky

číslo 10/2006

Velmi přesné ultrazvukové průtokoměry pro malé průtoky

Ultrazvukové průtokoměry jsou velmi vhodné v chemickém či farmaceutickém průmyslu k měření průtoků čistých látek, protože nehrozí nebezpečí kontaminace měřeného média látkami uvolňovanými ze snímače. Snímat velmi malé průtoky, řádově v mililitrech za sekundu, ultrazvukovým průtokoměrem ale není jednoduché. Společnost Eesiflo zahájila produkci prvních prototypů bezkontaktních průtokoměrů pro snímání velmi malých průtoků založených na metodě CTT (Concurrent Transit Time, současné měření doby průchodu).

Metoda CTT

Principem metody CTT, vyvinuté společností Eesiflo, je porovnávání doby, po kterou putuje ultrazvukový signál měřeným úsekem potrubí po směru proudění a proti němu. Měřená kapalina prochází měřicí kyvetou a dva piezoelektrické převodníky, připevněné každý na jednom konci měřeného úseku, současně generují a přijímají krátké ultrazvukové impulsy (průměrně tisíckrát za sekundu; obr. 1). Vlna vyslaná po směru proudění je urychlena, vlna putující proti proudu se naopak opožďuje. Rozdíl dob průchodů obou zvukových impulsů je úměrný rychlosti toku kapaliny.

Obr. 1.

Obr. 1. Princip průtokoměru měřícího pomocí metody CTT

Vtip metody je v tom, že oba signály jsou generovány současně. Běžné ultrazvukové průtokoměry měří dobu průchodu zvukové vlny nejdříve jedním a až poté druhým směrem. Musí se tak potýkat s problémy, které jsou vyvolány posuvem média a změnou jeho parametrů mezi jednotlivými měřeními. Ultrazvuková vlna vyslaná při druhém měření opačným směrem totiž nikdy neprochází identickým prostředím jako první vlna. To má nepříznivý vliv na nejistotu měření.

Metoda CTT sice není prvním pokusem o měření současných průchodů ultrazvukových vln, nicméně jako první vede k průmyslově využitelným výsledkům. Díky ní lze navíc řešit i další problémy, se kterými se klasické metody měření rychlosti průtoku potýkají, zejména stabilitu měřidla poblíž nulového průtoku a odolnost měřidla proti teplotním změnám.

Rozsah měření i jeho rozlišení závisejí na rychlosti zvuku v měřeném médiu, na délce měřicí trubice a na frekvenci použitého ultrazvukového signálu. Typické údaje pro měření rychlosti průtoku vody jsou uvedeny v tab. 1. U kapalin, u nichž je rychlost zvuku menší, je pro dosažení stejného rozsahu a rozlišení zapotřebí menší délka měřicí trubice, u tekutin s větší rychlostí zvuku je naopak nutné použít delší trubici.

Konstrukce průtokoměru

Průtokoměr založený na metodě CTT se skládá z měřicí kyvety s ultrazvukovými generátory a senzory a převodníku signálu. Měřicí kyveta je vyrobena z materiálu odolávajícího korozi a neznečišťujícího měřené médium ionty ani jinými částečkami, které by se z ní mohly uvolňovat. Do kontaktu s tekutinou nepřicházejí žádné kovové součásti – v prvních prototypech byly všechny díly přicházející do styku s tekutinou vyrobeny z fluoroplastu PFA (kopolymer tetrafluorethylenu a perfluorovaného vinyletheru), nicméně podle požadavků zákazníka lze použít i mnoho jiných materiálů.

Obr. 2.

Obr. 2. Průtokoměr EASZ-Mini

Zařízení lze snadno instalovat na potrubí běžných průměrů (standardně 6, 8 a 12 mm). Zatímco u běžných měření ultrazvukovými průtokoměry je možné ke zmenšení nejistoty měření použít několikakanálový průtokoměr, u malých průtoků a průřezů potrubí je tato metoda nevhodná. Průtokoměry využívající metodu CTT dosahují v těchto podmínkách nejistoty měření ±0,3 % a přesně měřit lze již při průtoku zlomků mililitrů za minutu. Zároveň je možné i u potrubí malých průřezů použít 100% průměrování profilu toku nebo měřit průtok kapalin s velkým podílem bublin v objemu.

Technické parametry zařízení

Prvním komerčně dostupným průtokoměrem využívajícím metodu CTT je EASZ-Mini (obr. 2), vyráběný ve dvou základních provedeních: bez zobrazovacího zařízení nebo jako měřicí jednotka vybavená dvouřádkovým šestnáctiznakovým LCD udávajícím aktuální průtok a proteklé množství ve zvolených jednotkách. Výstupem je klasická proudová smyčka 4 až 20 mA a binární pulsní výstup s šířkou impulsů 80 až 1 000 ms. Ke své funkci vyžaduje stejnosměrné napětí 12 až 36 V (průměrný odběr se při 24 V pohybuje okolo 120 mA), měřit lze při teplotách prostředí od 0 do 50 °C a při relativní vlhkosti vzduchu 30 až 80 %. Zařízení může pracovat ve třech základních režimech:

  • průtokoměr s velkým rozlišením (jednosměrný nebo obousměrný),
  • detektor kapaliny (vybaví výstražný signál při prázdné měřicí trubici),
  • plně programovatelný průtokový spínač.

Tab.1. Rozsah a rozlišení měření rychlosti průtoku vody

Průměr (mm)

Délka měřicí trubice (mm)

Maximální průtok (ml/s)

Rozlišení (ml/min)

6

100

50

1,0

6

150

33

0,7

6

200

25

0,5

6

300

16

0,3

8

100

90

1,8

8

150

60

1,2

8

200

45

0,9

12

100

200

4,0

12

150

150

3,0

12

200

100

2,0

Závěrem

Metoda CTT vyvinutá společností Eesiflo a použitá v průtokoměru EASZ-Mini je dalším zdokonalením ultrazvukového měření průtoku kapalin. Zařízení je při své přijatelné ceně schopno s vysokou přesností měřit průtok i v potrubích relativně malých průměrů, a představuje tak zajímavou volbu v oboru ultrazvukových průtokoměrů.

(podle materiálů společnosti Eesiflo)
Ing. Petr Buryan