Měření průtoku (průtokoměry)

Provozní bezpečnost, konstantní kvalita produkce, optimalizace výrobního procesu, ochrana životního prostředí - to je několik klíčových aspektů, které demonstrují, proč měření průtoku kapalin, plynů a páry představuje stále důležitější součást technologie měření v průmyslu.Endress+Hauser vás podporuje dodáním moderních vysoce kvalitních specifi cky zaměřených průtokoměrů pro dávkování médií, plnění zásobníků, řízení procesu nebo sledování hodnot téměř ve všech průmyslových sektorech a aplikacích.

Vysoká přesnost, spolehlivý provoz, snadné uvedení do provozu a nízké náklady na údržbu, to jsou jen některé kvality, na které se můžete vždy spolehnout, když používáte průtokoměry Endress+Hauser.

Nabídka průtokoměrů Endress+Hauser

Holger Schmidt, Endress+Hauser; Automatizace 01-02/2010

Měření průtoku zaujímá v automatizaci výrobních procesů v potravinářském průmyslu ústřední roli. Úkoly sahají od jednoduchého stanovení, zda něco neteče, přes bilancování až po přesné měření látkových množství a vlastností.

Úvod

Správné dávkování podle receptury je v hygienické oblasti nutné zdůraznit stejně jako stoupající nároky na zpětnou vysledovatelnost produktových toků. Obojí hraje důležitou roli v procesu samotném. V přívodu tepla, vody do zařízení a odvodu odpadních vod hrají roli jiná hlediska. Již nestačí vyrábět kvalitní produkt, je nezbytná aktivní kontrola nákladů. Následující výklad je proto rozdělen do dvou skupin – hygienické a nehygienické.

Některé připomínky jsou obecně platné pro všechny senzory. Měření kapalin je vždy narušováno např. bublinami plynu. Možnosti, jak výpočetně tyto vlivy kompenzovat, jsou méně účinné než zabránění vzniku takovýchto vlivů. Stejně tak mohou i pevné částice, které se konstantně zdržují v oblasti senzoru, ztěžovat vyhodnocení měření. Zabránit se dá obojímu, pokud jsou senzory namontovány vertikálně. Korekce těchto vlivů je možná většinou v přístrojích vyšší třídy. Kromě vírových a termických průtokoměrů dokáží všechna zařízení měřit v obou směrech průtoku. Čím vyšší je při tom rychlost v senzoru průtokoměru, tím vyšší je obecně přesnost měření. Zvláště při objemových měřeních bývá přesnost u minimálního a maximálního průtoku rozdílná. Proto by měla být při návrhu zohledněna nejdůležitější provozní oblast. Pro dodržení zachování by měly být všechny senzory, a zvláště technika pro měření průtoku, pravidelně kalibrovány.

Technika měření průtoku na principu magnetické indukce

Magneticko-indukční průtokoměr je standardním vybavením ve výrobě potravin, pokud mají být měřeny objemové průtoky. Protože jsou obvykle na vodní bázi, je většina kapalných potravin dostatečně vodivá a je možné je úspěšně měřit pomocí magnetickoindukčních průtokoměrů. To je nejdůležitější předpoklad pro tuto technologii. Magneticko indukční průtokoměr je jednoduchý a konstruovaný bez pohyblivých částí. Dvě cívky produkují magnetické pole, ve kterém produkt představuje pohybující se vodič. Do tohoto vodiče se indukuje proud, který je zachycen dvěma elektrodami. Pro různé produkty, které mají být měřeny, jsou nabízena rozdílná provedení elektrod. Elektrody musí být kompletně izolovány od zbytku senzoru. Z tohoto důvodu je měřicí trubice potažena nevodivou vrstvou, výstelkou.

I výstelka může být vybrána specificky podle produktu, který má být měřen. V hygienických aplikacích se prosadila výstelka z PFA. Senzor s ní může být normálně očištěn a sterilizován párou až do 150 °C. Magneticko indukční průtokoměr je do potrubí napojen prostřednictvím našroubovaných procesních připojení (obr. 1). Ideálně z hlediska hygieny jsou tato připojení přímo navařena, aby se zabránilo po užití dalších těsnění. Utěsnění mezi výstelkou senzoru a procesním připojením je zajištěno těsněním, speciálně vyvinutým pro hyginické požadavky. Jeho stav by měl být čas od času zkontrolován. Vnitřní průměr měřicí trubice odpovídá průměru připojeného potrubí. Tím nedochází k žádným tlakovým ztrátám. Je však nutno vzít v úvahu, že magneticko indukční senzor měří, jakmile jsou elektrody zaplaveny. Měřicí trubice může být tedy teoreticky zpola prázdná. Aby se zamezilo chybě měření v případě vodorovné montáže, je použito zařízení ke kontrole přítomnosti měřené látky: čtvrtá elektroda, která je osazena společně s oběma měřicími a zemnicí elektrodou. Je v horní části senzoru a detekuje, zda je senzor skutečně zcela zaplněn.

Vedle rozdílných konstrukcí senzorů, výstelek a elektrod je možné jako ze stavebnice zvolit i různé druhy převodníků, které přinášejí rozmanité možnosti – pouhé měřením průtoku přes dávkování, reléové spínací

výstupy, provádění interních výpočtů až po kompenzaci vysokých obsahů pevných látek.

Standardní magneticko indukční průtokoměr nabízí s přesností 0,2 % z měřené hodnoty velmi dobrý poměr cena/výkon.

Technika měření průtoku na principu Coriolisovy síly

Na rozdíl od měření pomocí magneticko indukčního průtokoměru jsou pomocí tzv. Coriolisových průtokoměrů měřeny hmotnostní průtok a hustota produktu. Technologie měření na principu Coriolisovy síly je ve výrobě senzoru nejnáročnější, a proto v porovnání s ostatními technologiemi drahá. Zato je možné pomocí této technologie měřit všechno od inertního plynu až po homogenní hmotu mletého masa. Na produkt (kromě schopnosti tečení) nejsou kladeny žádné jiné požadavky. K dispozici jsou různá provedení. Jak jednotrubicová, tak dvoutrubicová technologie je na trhu dostupná s různými materiály trubic a ohýbaných trubicových komponentů.

Orientace při instalaci rozhoduje v případě ohýbaných měřicích trubic o hygienických vlastnostech senzorů. Materiál trubic určuje chování při různých teplotách. Mírné ohnutí umožňuje senzorům s měřicími trubicemi z ušlechtilé oceli roztažení, aniž by utrpěl měřicí výkon. Titanová měřicí trubice se roztahuje podstatně méně a může být z tohoto důvodu vyrobena i v rovném provedení.

Rozdělení proudu produktu do dvou trubek způsobí ztrátu tlaku a působení smykových sil na produkt. Senzory této konstrukce by neměly být montovány naležato, aby se zabránilo tomu, že v případě ne zcela homogenních

měřených materiálů dojde k úsadám, které pak mohou narušit rovnováhu systému.

Dobře vyvážený dvoutrubicový Coriolisův průtokoměr má své silné stránky v excelentním hustotním signálu, zatímco senzory s přímou měřicí trubicí mají výhodu v měření viskozity. Všechny technologie zaručují vysoce přesný průtokový signál. Přesnost měření je u standardního přístroje 0,1 % odchylky od naměřené hodnoty. Proto jsou s oblibou používány k dávkování velmi drahých materiálů, nebo materiálů, které mají velký vliv na kvalitu. Coriolisovy průtokoměry si vystačí bez vnitřního těsnění. Napojení do procesu je zajištěno prostřednictvím hygienických procesních připojení. Čištění a sterilizace až do 150 °C jsou možné bez problémů.

Pro všechny tyto senzory (obr. 2) je společné, že mají interní teplotní čidlo. Tím se kompenzují nepřesnosti, které vyplývají z objemových změn z důvodu střídavých teplot. Také zde je možné zvolit různé převodníky,

které nabízejí různé možnosti, podle segmentu, ve kterém mají být použity.

Coriolisovy průtokoměry jsou výběrovou, ale také poslední možností. Používají se, pokud má být měření velmi přesné, ale také tehdy, pokud není možné úspěšně použít jinou techniku z důvodu vlastností měřeného

materiálu.

Ultrazvuk

Ultrazvuk

Ultrazvukové průtokoměry, jako Prosonic Flow (obr. 3), mohou být osazeny na potrubí zvenku. Kombinují v sobě vysílač a přijímač ultrazvukových impulzů a v závislosti na provedení se upevňují pomocí plastových nebo ocelových pásků.

Měří se rozdíl časových průběhů dvou zvukových vln v potrubí. Jedna zvuková vlna se pohybuje ve směru proudění, druhá proti směru proudění a z rozdílů časů a průměru potrubí se vypočte objemový průtok.

Nedochází k žádnému kontaktu s produktem, proto jsou ultrazvukové přístroje typu „clamp on" nejhygieničtější v tomto porovnání. Nejsou nutná těsnění ani nedochází ke vzniku tlakových ztrát. Protože jsou od produktu odděleny stěnou trubky, jsou však současně i nejméně přesné. Způsob zabudování s nutnou přítokovou a odtokovou trasou má velký vliv na dosažitelnou přesnost měření. Bez nastavení na místě činí tato 2,0 % od naměřené hodnoty, je možné ji však zlepšit až na 0,5 %. Měření je nezávislé na vlastnostech materiálu, médium musí být pouze homogenní a kapalné.

Ideální je použití těchto průtokoměrů během uvádění do provozu nebo k ověření procesních průtoků. Senzory jsou nanejvýš flexibilní a mohou být po krátké instalaci a uvedení do provozu použity přímo na dalším místě měření. Zvláště při velmi velkých průměrech potrubí může tato technologie představovat dobrou alternativu k pevně namontovanému a tím velmi drahému zařízení.

I v prostředí klasických procesů existují často případy použití, které mohou být ideálně měřeny pomocí výše uvedených technologií. Pro tyto účely jsou pak vždy k dispozici speciální provedení, která pracují s jinými výstelkami, procesními připojeními nebo systémy k integraci do procesu.

Základní technologie je však stejná a mnohé konstrukční celky je možné navzájem zaměňovat.

Níže jsou popsány technologie, které musí být spíše robustní než vysoce přesné.

Vírové (vortex) průtokoměry

Vírový princip spočívá v tom, že se v proudícím médiu, ať už plynném nebo kapalném, za překážkou vytvářejí víry. Vždy střídavě, jeden vlevo, jeden vpravo. Objem vírů je přitom vždy stejný. Čím větší objem proudí potrubím, tím více vírů se vytváří. Ve vírovém průtokoměru jsou tyto vytvářeny pomocí přepážky, která prochází napříč měřicí trubicí. Tlakové ztráty jsou zde udržovány na co nejnižší úrovni. Víry jsou například v průtokoměrech Prowirl (obr. 4) počítány kapacitně pracujícím systémem, který se střídavě vychyluje doleva nebo doprava. Pohyb snímače je při tom minimální, v řádu desetin mikrometrů. Konstrukce průtokoměrů je za měřena na stabilitu a odolnost vůči vysokým tlakům a teplotám. Vírové průtokoměry jsou z tohoto důvodu s oblibou používány v parních potrubích. Ani silné nárazy, které jsou způsobeny přítomností kondenzátu, senzor nepoškodí.

Verze s integrovaným teplotním senzorem jsou, pokud je známo médium, např. pára, schopny vypočítat přímo protékající energii. Pak se z objemového systému může stat i hmotnostní průtokoměr.

Vírové průtokoměry potřebují dlouhé přítokové a odtokové trasy, aby bylo možné dosáhnout přesnosti měření lepší než 1% z naměřené hodnoty. Velmi malé průtoky, které nezpůsobují víry, však tato technologie nezachytí. Díky své konstrukci je senzor pro svá určená použití velmi stabilní.

Vírové průtokoměry funguje nejlépe, pokud není podkročena určitá základní hodnota průtoku. Protože je robustní, s dlouhou dobou životnosti a málo náročný na údržbu, je s oblibou používán v rozvodech energie a k monitoringu energií.

Clonové měření

Měření tlaku před clonou a za ní představuje jednu z nejstarších technik měření průtoku, používaných v procesním průmyslu.

Z důvodu jednoduché konstrukce (stačí clona a senzor diferenčního tlaku) je měřicí princip možné zrealizovat za nízké náklady, nezávisle na průměru potrubí. Jedná se o robustní a univerzálně použitelné měření objemového průtoku. Na měřené médium nejsou kladeny žádné zvláštní požadavky.

Měřit lze kapaliny a plyny. Pouze produkty s vysokou viskozitou představují neřešitelný úkol. Měřicí element nemá žádné pohyblivé části. Aktuální přístroje (obr. 5) jsou vyráběny jako kompaktní, bez impulzního potrubí a jsou nezávislé na vnějších vlivech. Při dimenzování zařízení je nutné zohlednit tlakové ztráty způsobené před clonou, a tedy spotřebu energie. Odchylka od naměřené hodnoty činí 1 % při dodržení přítokových a odtokových tras. Při cenově výhodných komponentech však správná instalace vyžaduje pro dosažení tohoto výsledku více zkušeností než u jiných technologií. Po správné montáži je měření velmi spolehlivé. Vedle clony může být použita i náporová sonda, ve které je rozdíl tlaků vytvářen nikoli na cloně, ale na náporovém tělese. Vysoké teploty a rychlé kolísání jsou bez problémů.

Clonové měření se v potravinářských provozech používá hlavně v parních potrubích, kde je vyžadována jejich schopnost vydržet bez poškození vysoké tlaky a tlakové rázy i při vysokých teplotách.

Termické měření hmotnostního průtoku Nejcitlivější technologií k měření v plynech je termická měřicí metoda. Při ní proud plynu ochlazuje měřicí tělísko, a to je zahříváno tak, aby jeho teplota zůstávala konstantní.

Je měřen elektrický proud, který je ohřívá a je úměrný hmotnostnímu průtoku.

Princip funguje jen v suchých plynech, protože zkondenzovaná kapalina může být ze stěn potrubí strhávána a vede ke změně naměřené hodnoty. Pomocí této technologie je možné měřit i v hranatých trubkách, protože profil proudění nehraje žádnou rozhodující roli.

Přesnost měření činí 1,5 % odchylky od naměřené hodnoty. Existují různá provedení, která pokrývají všechny rozsahy průměrů (obr. 6), a umožňují výhodnou instalaci i u velmi velkých průměrů potrubí. Na podobném principu pracuje i většina spínačů pro stanovení, zda průtok existuje, nebo ne.

Ideálním místem použití jsou mimo jiné rozvody tlakového vzduchu. Vysoká dynamika, ale také možnost rozpoznat plíživá množství, předurčují termickou technologii pro toto použití.

Shrnutí

Existuje velký počet nejrůznějších technologií pro měření průtoku v kapalinách a plynech. Kritéria výběru jsou kromě jiného požadovaná přesnost, měřený materiál, procesní podmínky a integrace, hygienické požadavky, certifikáty, nebo také různé možnosti vyhodnocení signálu a samozřejmě výše investice. Při stanovení optimálního vybavení měřicího místa je vhodné dbát rad odborníka. Mnozí výrobci mají k dispozici podpůrný software pro předběžný návrh měřicího okruhu. Při využití všech dostupných informací je pak možné osadit každé měřicí místo podle požadovaných parametrů.

Odborné články:
Soutěž o Zlatý Amper 2011 (Automa 2011) (PDF 874,0 kB)
Promass E 200 – Coriolisův průtokoměr se standardním dvouvodičovým zapojením (Automa 2011) (PDF 181,0 kB)
Měření průtoku v potravinářství (Automa 2010) (PDF 235,0 kB)
Výroba průtokoměrů Endress+Hauser v Indianě (Automatizace 2009)
(PDF 175,0 kB)Použití průtokoměrů s rychlostními sondami v praxi (Automa 2009)
(PDF 128,0 kB)Vhodná kombinace u firmy Praxair (Automatizace 2009)
(PDF 128,0 kB)Přesně kalibrovat, přesně měřit (Automa 2009)
(PDF 128,0 kB)Magneticko-indukční průtokoměry firmy Endress+Hauser (Automatizace 2008)
(PDF 393,0 kB)Průtokoměry Promass F ve výrobě polymerů (Automatizace 2006) (PDF 326,0 kB)