Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Rozhodování při volbě průtokoměrů

Průtok je po teplotě a tlaku třetí nejčastěji měřená a regulovaná veličina. V chemických provozech je znalost přesného průtoku velmi důležitá pro dodržení stabilního poměru surovin a kvality produktů, ale rovněž pro zajištění bezpečnosti výroby a ochranu před přetečením nádob a ztrátami. Konečné plnění a expedice tekutých výrobků závisejí na přesném a opakovatelném zjištění průtoku. Neúspěch měření průtoku je ve většině případů důsledkem špatného výběru metody měření nebo měřidla pro danou specifickou úlohu. Proto budou v tomto článku zopakovány obecné zásady a kroky pro správný výběr průtokoměru.

 

Obrázek obr. 1 ukazuje, jak by mohl rozhodovací proces výběru průtokoměru vypadat. Jaké otázky je třeba si klást při výběru měřidel?

 

Proč potřebuji měřit průtok?

Nejdříve je třeba trochu poodstoupit od vlastního výběru typu průtokoměru a jeho dodavatele a pochopit účel instalace průtokoměru. Vyžaduje-li úloha stanovené měřidlo pro fiskální účely, jsou nezbytné schválení typu TCM a certifikace podle MID (Measuring Instruments Directive). Je-li průtokoměr součástí bezpečnostního měřicího obvodu, je nezbytná certifikace SIL. Je-li účelem měřidla dávkování, jsou velmi důležitými parametry přesnost a opakovatelnost. Má-li být průtokoměr v regulační smyčce, má při hodnocení opakovatelnost převahu nad přesností. Je-li třeba jen místní zobrazení, pozornost je třeba směrovat k jednoduchým zařízením s minimální údržbou. Je-li nahrazován starý průtokoměr, vyplatí se zpětně zhodnotit jeho účelnost v dané úloze, náklady na údržbu, verifikaci atd. Vždy se vyplatí s technology zrevidovat staré specifikační listy a nelpět na principu, který mohl být ideální před třiceti lety, avšak dnes již je ve stínu moderních měřicích metod.

 

Co potřebuji od nového průtokoměru?

Z jasně definovaného účelu plyne požadavek na přesnost s rozpětím podmínek, v němž je přesnost zaručená (turndown), na opakovatelnost, ale také na počet a typ výstupů pro danou měřicí úlohu. Je-li princip měření digitální (turbínkové měřidlo, vortex), je vždy vhodnější využít pulzní výstup a obejít chybu D/A a A/D převodu při používání analogové smyčky. Některé průtokoměry měří několik veličin (tlak, teplota, hustota, viskozita), a mají-li v sobě funkci přepočítávače průtoku, mohou nahradit celý měřicí řetězec a zjednodušit obsluhu i údržbu. Vždy je dobré odhadnout potřeby výroby i do budoucna, ne jen v okamžiku nákupu. Nárůst potřeb ve smyslu další funkce nebo výstupu nemusí být v budoucnu možné realizovat např. prostým rozšířením o novou kartu, ale může to znamenat nákup nového snímače.

 

Jaké jsou známé parametry průtoku měřené tekutiny (páry, plynu, kapaliny)?

Požadovaný minimální, nominální a maximální průtok

Některé průtokoměry (vírové průtokoměry – vortex, clonová měřidla, plováčkové průtokoměry – rotametry) neměří od nulového průtoku. U průtokoměrů pracujících na principu měření rozdílu tlaků na primárním prvku (clona, dýza, Venturiho dýza, Pitotova trubice) je počátek měřicího rozsahu (low-cut) pod 3 % maximálního průtoku, ale již pod 10 % jsou přesnost a stabilita měření diskutabilní. Počátek měření vírových průtokoměrů lze očekávat v oblasti 5 % maximálního průtoku, avšak tato hodnota je velmi závislá na viskozitě a hustotě – měřit lze od
Re = 5 000. U plováčkových průtokoměrů neboli průtokoměrů s proměnlivým průřezem (rotametrů) se měrný plovák zvedne při 5 až 8 % jmenovitého průtoku, avšak stupnice zpravidla začíná na 10 % z rozsahu.

Přestože výrobci povolují u rychlostních měřidel maxima průtoků kapalin do 10 m/s a plynů do 80 m/s, je dobré zohlednit vliv velké rychlosti na opotřebení měřidla i abrazi příslušných regulačních orgánů. Tlakové ztráty na měřidle navíc rostou s druhou mocninou rychlosti, což s sebou nese zvýšení potřebného výkonu čerpadla. Někteří výrobci mají problém s tzv. flat accuracy, tedy zaručením deklarované přesnosti i pro průtoky v oblasti pod 5 až 10 % maximálního průtoku. Proto raději nabízejí průtokoměry menší světlosti, které však při velkých hodnotách průtoku nejsou optimální.

 

Tlak a jeho změny a vliv na skupenství tekutiny

Objem plynů je podle stavové rovnice závislý na tlaku, a proto je pro výpočet měřidla nezbytné znát i rozpětí tlaků. U nestlačitelných kapalin nebývá změna tlaku problémem a objem je konstantní. Avšak u některých měřicích principů (vírový průtokoměr, clona) dochází v měřidle k většímu poklesu tlaku (2,5krát). Jestliže se úroveň tlaku blíží k tlaku par v médiu, dojde k tvorbě bublin a možné následné kavitaci, která může průtokoměr poničit. Bubliny tvořící se na škrticích prvcích negativně ovlivňují přesnost některých měřidel, např. indukčních průtokoměrů.

 

Teplota a její rozsah a vliv na viskozitu a hustotu média

Teplota limituje materiálové provedení senzorů (piezoelementy) i výstelek. S jejím poklesem narůstá hustota a viskozita média a v mnohých případech (vírové průtokoměry, clony, plováčkové průtokoměry) omezuje měřitelnost.

 

Hustota

Hustota je dána poměrem hmotnosti a objemu a je základním parametrem při definování rozsahu hmotnostního průtoku média. U plováčkových průtokoměrů musí být hustota konstantní.

 

Viskozita

Viskozita je vlastnost tekutiny způsobující tečné napětí mezi sousedními vrstvami média pohybujícími se různou rychlostí. Spolu s rychlostí je důležitou proměnnou pro popis proudění, jde-li o proudění laminární nebo turbulentní. Její závislost jen na tlaku a teplotě nebo také na napětí a změně rychlosti či čase klasifikuje kapaliny na newtonovské, nenewtonovské (emulze, suspenze a aerosoly) a tixotropní látky (jogurt, lepidla, želatina). Některé měřicí principy nemají s větší viskozitou problémy (termický, indukční, Coriolisův). Například vírové průtokoměry lze používat jen do dynamické viskozity 7 mPas (cP). Také měření na principu rozdílu tlaků jsou vhodná pouze pro média s nízkou viskozitou.

 

Vodivost

Použitelnost induk­čních průtokoměrů je omezena elektrickou vodivostí a začíná podle modelů od 1, 5 nebo 10 µS/cm. Kapacitně-indukční průtokoměry pracují již od 0,01 µS/cm.

 

Jednofázový nebo vícefázový průtok

Průtokoměry se instalují do potrubí tam, kde se vyskytuje jen jedna fáze – plyn nebo kapalina. Je-li kapalina unášena rychleji proudícím plynem nebo párou, může mít na průtokoměr zničující vliv. Stlačitelný plyn v podobě bublin proudící v nestlačitelné kapalině má u všech měřidel velký vliv na přesnost. Jen hmotnostní Coriolisovy průtokoměry dokážou při vyšších viskozitách tuto chybu minimalizovat.

 

Korozivní, lepivé a abrazivní vlastnosti média

Smáčené části průtokoměru musí být chemicky kompatibilní s měřeným médiem. Mění-li se průřez korozí, abrazí pevných částic nebo zalepováním, je nutné zvolit takový princip, který je odolnější, např. průtokoměr s Venturiho dýzou nebo indukční průtokoměr.

 

Jaké jsou podmínky instalace v místě měření a další požadavky?

Většina principů průtokoměrů stanovuje objemový nebo hmotnostní průtok z měření rychlosti proudění v jednom bodě. Při nesymetrickém a měnícím se rychlostním profilu vlivem změny rychlosti, ohybů, vícenásobných kolen, ventilů, čerpadel, redukcí i expanzí může být střední průměrná rychlost v jiném místě, než měřidlo odhaduje, a vznikají chyby až v desítkách procent průtoku. Proto je nutné dodržet přímé úseky před i za měřidlem, kde dochází k vyrovnání rychlostního profilu. Usměrňovače mohou pomoci, avšak přinášejí přídavnou tlakovou ztrátu. Pouze Coriolisovy hmotnostní průtokoměry a plováčkové průtokoměry (do DN80) nevyžadují uklidňující úseky na potrubí.

Dovolená trvalá tlaková ztráta na měřidle při provozním i maximálním průtoku musí vyhovět požadavkům technologů a parametrům čerpadel a potrubního systému. Dalšími podmínkami měření, které je třeba brát v úvahu, může být proměnlivý tlak, zpětný či pulzující průtok vlivem používaného čerpadla nebo změna protitlaku daná výškou sloupce kapaliny v následné nádrži. Některá technologická zařízení mají po intervalech měření viskózních či lepivých médií sekvenci čištění párou nebo profukování plynem a průtokoměr musí být navržen i na tyto stavy. V mnoha chemických provozech je nutné zajistit nevýbušnost pevným závěrem nebo jiskrovou bezpečností. Měřidla zpravidla snesou teploty –28 až +50 °C a venkovní montáž, ale k dispozici jsou i provedení s odolností proti mořské vodě nebo arktickému mrazu a nebo snímače s krytím IP68, které mohou být zatopené. Konstrukce procesního připojení musí být v souladu s tlakovou třídou navazujících potrubí a s odpovídajícím provedením těsnicích ploch přírub (EN 1092-1 Příruby a přírubové spoje – Kruhové příruby pro trubky, armatury, tvarovky a příslušenství s označením PN – Část 1: Příruby z oceli).

Dalšími požadavky, kterými je třeba se zabývat, je druh napájení, integrální nebo oddělené umístění převodníku a jeho vzdálenost od měřidla či nutnost místního zobrazení. Při použití v potravinářství je nezbytná sanitovatelnost a shoda s předpisy EHEDG a 3A.

 

Jaké jsou ekonomické limity?

Vždy je dobré, když definici účelu a požadavkům měřicí úlohy odpovídají také uvolněné finanční zdroje. Nejnižší pořizovací cena nemusí být ekonomickou výhrou. Je dobré zvážit ekonomický dopad delší životnosti, vyšší přesnosti nebo nižších provozních nákladů vyplývajících ze snadnější údržby a verifikace správnosti a nižší náklady na kalibrace. Zohledněny by měly být též nezbytné konstrukční úpravy potrubí. Dále by se měla posoudit úspora energie vlivem nižší tlakové ztráty i nižší spotřeba elektrické energie při provozu průtokoměru. Na obr. 2 je síťový graf pro posuzování některých principů. Kdyby se jednotlivé osy znormovaly podle ekonomického dopadu, mohla by být plocha měřítkem pro úspěšnost volby. Tento graf se však dopouští mnohých zjednodušení. Cena průtokoměrů s přesností neroste lineárně, ale zvláště u některých principů až exponenciálně. Cenové porovnání je tedy nutné zvážit pro každý jednotlivý případ. Levné plováčkové průtokoměry jsou k dispozici jen do DN 150. Pro světlosti nad DN 1 000 se ekonomicky lépe prosazují rychlostní sondy pracující na principu rozdílu statického a dynamického tlaku nebo ultrazvukové průtokoměry s příložnými senzory.

 

Je zvolený princip a vypočtený model ve shodě s uvedenou rozvahou?

Aby si mohl zákazník udělat samostatný úsudek a nezávislou rozvahu, nabízí výrobní závod Rota-Yokogawa zdarma software pro návrh průtokoměrů (plováčkových, vírových, hmotnostních a indukčních). Stačí se zaregistrovat na www.flowconfigurator.com. Software umožňuje filtrovat výběr navržených průtokoměrů podle preferenčních kritérií, nabízí grafické i tabulkové určení přesnosti a tlakové ztráty ve zvoleném rozsahu průtoku a také porovnává naznačené modely (obr. 3).

Vždy je dobré znát a porovnávat přesnost při procesních podmínkách teploty a tlaku, v celém rozsahu okolních teplot a také při minimálním průtoku ne jen při nomiálním a v laboratorních podmínkách.

Bez výpočtu nelze průtokoměr nabídnout a objednávka je i s výpočtem podrobena kontrole ve výrobním závodě. Tak je zajištěna shoda s požadavky zákazníka. Jednotlivé proveditelné alternativy je třeba zpětně zkontrolovat podle uvedených hledisek.

 

 

Jaké další funkce výrobku nebo služby výrobce mohou změnit moji první volbu?

Dodávka vlastního „železa“ již dávno soudobým požadavkům nedostačuje. Proto se výrobci snaží k dodaným průtokoměrům zajistit služby a různé přídavné funkce. Automa v čísle 12/2017 představila princip Total Insite, který Yokogawa uplatňuje u své provozní měřicí techniky. Total Insite je princip, který usnadní používání snímače během celého životního cyklu:

  • při výběru typu a konfiguraci poradenstvím, aplikací Flowconfigurator nebo 3D modely,
  • při nastavení a instalaci průvodcem rychlým nastavením a kontrolou montáže a nastavení,
  • při hlídání abnormalit procesu zdokonalenou diagnostikou (vodivost, teplota, zavzdušnění, zalepování, vibrace, kavitace atd.),
  • při řízení údržby snadnou verifikací a kalibrací na základě technické kontroly např. tuhosti trubic Coriolisových průtokoměrů nebo budicích cívek indukčních průtokoměrů, a to bez demontáže ze zařízení,
  • při servisu a nastavení přístupem k datům, diagnostickým údajům, poznámkám údržby, manuálům a výkresům uloženým na paměťové kartě SD průtokoměru, a to včetně přístupu z mobilních zařízení,
  • při modernizaci možností a dodatečném doplňování funkcí podle narůstajících potřeb.

Přístup k nezbytné dokumentaci, certifikátům nebo specifikaci náhradních dílů získá obsluha nebo servisní technik pomocí QR kódů umístěných na měřidlech.

Přestože průtokoměry mnohdy měří více veličin než jen samotný průtok a spolu s diagnostickými příznaky nabízejí uživatelům data pro hlídání abnormalit procesu nebo data pro prediktivní údržbu průtokoměrů, často se stává, že navazující vyhodnocení (PLC, DCS) tato data opomíjí, a to z historických a pragmatických důvodů. Mnohdy je komunikace HART na proudové smyčce využívána jen při zprovozňování: pro simulaci snímače a nastavení rozsahu. Další data zůstávají „uvízlá“ ve snímači. Asociace FieldComm Group, jejíž součástí je i bývalé sdružení HCF (HART Coummunica­tion Foundation), odhaduje, že ve světě je instalováno 30 milionů přístrojů s komunikací HART, ale 85 % z nich přídavná data, která se po HART mohou přenášet, nevyužívá. Pokročilé DCS zpravidla vstupní karty s komunikací HART mají a umějí integrovat systémy AMS (Asset Management System), které tato data zpracovávají. Tam, kde tato infrastruktura zatím chybí, se nabízí možnost zmíněná přídavná data exportovat do externích expertních systémů např. s pomocí bezdrátových adaptérů, a nezatěžovat tak stávající řídicí úroveň analýzou a zpracováním diagnostiky.

 

Závěr

Je vždy povzbuzující setkat se s techniky, kteří vědí a umějí zdůvodnit, proč preferují ten nebo onen měřicí princip, umějí zjistit potřebná data pro zadání a nezjednodušují výběr jen na opakování stávajících objednávek. Snaha oddělit techniky měření a regulace a pracovníky údržby od rozhodovacího procesu a přenechat tento úkol pouze obchodnímu oddělení, pro které je pořizovací cena měřidla často jediným kritériem, nevede k uspokojivým výsledkům. V článku bylo naznačeno, že výběr měřidla je technickým úkolem, a proto je vždy dobře, když jsou zohledněna všechna hlediska a započteny všechny náklady, které mají dopad na poměr ceny k výkonu.

 

[Materiály firmy Yokogawa a blogy Simon Lillie – YAU.]

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

 

Obr. 1. Rozhodovací proces výběru průtokoměrů

Obr. 2. Charakteristiky průtokoměrů

Obr. 3. Aplikace Flow Configurator pomáhá při výběru průtokoměrů

Obr. 4. Princip Total Inside