Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Ultrazvukové průtokoměry pro kapaliny

Ultrazvukové průtokoměry pro kapaliny mají již mnoho let významnou úlohu při měření průtoku zejména nevodivých kapalin.
 
Spolehlivých a přesných výsledků měření lze dosáhnout jednak klasickými několikakanálovými průtokoměry pro montáž do potrubí a v mnoha případech také při použití příložného ultrazvukového průtokoměru se senzory, které se upevní zvenčí na potrubí s měřenou kapalinou.
 
V článku jsou probrány přednosti každého z těchto řešení z pohledu uživatele.
 

Vliv měřené kapaliny na proces měření ultrazvukovým průtokoměrem

Ultrazvukové průtokoměry pro montáž do potrubí jsou vhodné k měření průtoku vodivých i nevodivých kapalin a kapalných plynů. Pokud je průtokoměr schopen rozeznat tvar rychlostního profilu, a tím i druh proudění (laminární nebo turbulentní), nemají změny parametrů měřené kapaliny, jako je hustota, viskozita a rychlost šíření ultrazvuku v kapalině, vliv na přesnost měření průtoku. Například ultrazvukový průtokoměr firmy Krohne typu UFM 3030 (obr. 1) je tříkanálový a jeho konstrukce a rozmístění senzorů zcela eliminují vliv tvaru rychlostního profilu na přesnost měření průtoku kapalin s viskozitou až 100 mPa·s (obr. 2).
 
Příložné ultrazvukové průtokoměry (obr. 3, obr. 5) mají senzory, které jsou univerzální, ale jejich vzájemná poloha je ovlivněna druhem měřené kapaliny a materiálem i rozměry potrubí, na kterém jsou nainstalovány. Tvar rychlostního profilu, který závisí na průměru potrubí, střední rychlosti proudění a viskozitě měřené kapaliny, se také může měnit. Příložné průtokoměry nejsou proto vhodné k použití tam, kde se významně mění druh měřené kapaliny nebo její viskozita (např. v závislosti na teplotě kapaliny).
 

Mechanická montáž ultrazvukového průtokoměru

Moderní ultrazvukové průtokoměry pro montáž do potrubí se vyznačují malou stavební délkou (např. Krohne UFM 3030 o jmenovité světlosti DN 100 má stavební délku 350 mm) a vyžadují poměrně krátké rovné uklidňovací úseky potrubí – typicky desetinásobek jmenovité světlosti potrubí před průtokoměrem a pětinásobek za ním. Přestože je mechanická montáž vzhledem k robustnímu provedení tělesa bezproblémová a snadná, je spojena s určitými náklady na materiál (příruby, spojovací materiál) i práci. Průtokoměr pro montáž do potrubí má zanedbatelnou tlakovou ztrátu, v jeho měřicí trubici nejsou žádné překážky, které by bránily průtoku měřené kapaliny (obr. 4), a nevyžaduje instalaci mechanických filtrů (na rozdíl od např. mechanických turbínových průtokoměrů).
 
Senzory příložného ultrazvukového průtokoměru jsou uzpůsobeny pro jednoduchou montáž na již existující potrubí. Vlastní mechanická montáž je otázkou několika minut. Například snímač příložného ultrazvukového průtokoměru Krohne Optisonic 6300 (obr. 3) je konstrukčně uzpůsoben pro snadnou mechanickou montáž na kovové, plastové nebo skleněné potrubí a současně jsou jeho senzory za provozu dokonale kryty a chráněny před nepříznivým působením vnějších vlivů i před neoprávněnou manipulací. Vlastní montáž se skládá z mechanického očištění potrubí v místě styku se senzory, upevnění držáků senzorů a montáže vlastních senzorů v požadované vzájemné poloze. Před konečnou montáží je třeba mezi vyzařovací plochu senzoru a vnější povrch stěny potrubí nanést malé množství kontaktní pasty.
 

Elektrické připojení a nastavení ultrazvukového průtokoměru

U ultrazvukového průtokoměru pro montáž do potrubí je třeba v podstatě jen nastavit požadovaný měřicí rozsah. V případě příložného průtokoměru je zapotřebí do jeho elektronické vyhodnocovací jednotky zadat základní parametry potrubí (vnější průměr, materiál a tloušťku stěny) a měřenou kapalinu (rychlost šíření ultrazvuku v dané měřené kapalině je zpravidla pro běžné kapaliny předem vložena do vyhodnocovací jednotky průtokoměru), popř. viskozitu měřené kapaliny za provozního stavu. Na displeji vyhodnocovací jednotky se pak zobrazí požadovaná vzájemná vzdálenost senzorů, kterou je nutné dodržet. Po provedení těchto činností se dále postupuje stejně jako u ultrazvukového průtokoměru pro montáž do potrubí – nastaví se požadovaný měřicí rozsah, veličiny a jednotky zobrazované na displeji a konfigurují se výstupní signály.
 

Projektování

Snímač ultrazvukového průtokoměru pro montáž do potrubí je obvykle vyroben z korozivzdorné oceli, popř. z materiálu Hastelloy. Snímače pro použití v obtížných provozních podmínkách neobsahují elastomery, tj. ve styku s měřenou kapalinou je pouze korozivzdorná ocel. Ta musí dokonale odolávat působení měřené kapaliny po celou dobu používání ultrazvukového průtokoměru. Měřicí části příložných průtokoměrů (držák senzorů a vlastní senzory) nejsou ve styku s měřenou kapalinou. Musí pouze odolávat působení okolního prostředí, v němž jsou instalovány.
 
Vyhodnocovací elektronika je u obou typů obdobná, jen s tou výjimkou, že příložné ultrazvukové průtokoměry se nevyrábějí v kompaktním provedení (převodník není pevně spojen se snímačem).
 

Údržba

Ultrazvukové průtokoměry pro montáž do potrubí nevyžadují během provozu žádnou údržbu ani čištění.
 
Příložné ultrazvukové průtokoměry mohou vyžadovat obnovu vazební pasty mezi senzory a potrubím. Frekvence obnovy závisí zejména na teplotě měřené kapaliny (čím vyšší je teplota, tím větší požadavky jsou kladeny na vazební pastu) a působení okolního prostředí (např. stékání vody po potrubí při dešti ve venkovním prostředí a zatékání této vody mezi potrubí a vyzařovací plochu senzorů). Typicky se předpokládá požadavek na obnovu nejvýše jedenkrát ročně. Unikátní řešení nabízí firma Krohne u typu Optisonic 6300. Vzájemná poloha senzorů je pevně fixována a při obnově vazební pasty se odklopí celý držák senzorů (obr. 5). Při výběru příložného ultrazvukového průtokoměru je vhodné přihlížet také k tomu, jak jsou senzory chráněny proti náhodné nebo neoprávněné manipulaci. Nejvhodnější je celistvý kryt demontovatelný pouze s použitím nástroje.
 

Přesnost měření

Několikakanálové ultrazvukové průtokoměry pro montáž do potrubí měří s přesností lepší než ±0,5 % z měřené hodnoty ve velmi širokém měřicím rozpětí. Podmínkou je dodržet výrobcem požadované délky rovných úseků potrubí před průtokoměrem a za ním. Změna viskozity měřené kapaliny nemá na přesnost měření vliv. Každý průtokoměr je výrobcem kalibrován vodou na dostatečně přesné kalibrační trati.
 
Příložné ultrazvukové průtokoměry jsou kalibrovány při výrobě a přesnost měření závisí mj. na správné montáži senzorů, správném zadání parametrů potrubí a měřené kapaliny v souladu se skutečností, na správném nastavení vzdálenosti senzorů a na stálosti technologických parametrů (rychlost šíření ultrazvuku v měřené kapalině, viskozita měřené kapaliny) během provozu. Automaticky se předpokládá, že potrubí je v místě montáže senzorů kruhového průřezu s tloušťkou stěny konstantní po obvodu potrubí i v čase.
 
Při dodržení požadovaných délek rovných úseků před průtokoměrem a za ním a střední rychlosti proudění 0,5 m·s–1 a větší lze dosáhnout přesnosti měření lepší než ±1 až ±2 % z měřené hodnoty.
 

Náklady

Pořizovací cena ultrazvukového průtokoměru pro montáž do potrubí, stejně jako cena vlastní mechanické montáže, roste s jeho jmenovitou světlostí. Náklady na uvedení do provozu jsou naproti tomu nepatrné a provozní náklady v podstatě nulové (průtokoměr nevyžaduje při provozu žádnou údržbu).
 
Pořizovací cena příložného ultrazvukového průtokoměru závisí na jmenovité světlosti potrubí minimálně. Při uvádění do provozu je nutné nastavit parametry potrubí a měřené kapaliny a doporučuje se provést funkční zkoušku, při které musí být potrubí zaplněno měřenou kapalinou. Údržba se redukuje na občasné prohlídky a periodickou obnovu vazební pasty (obvykle maximálně jedenkrát ročně). Nejmodernější vyhodnocovací jednotky ultrazvukových průtokoměrů jsou uzpůsobeny k připojení dvou párů senzorů. Vyhodnocovací jednotka může být vybavena dvěma proudovými výstupy a v tom případě náklady na jedno měřicí místo dále podstatně klesnou.
 
Oba typy průtokoměrů se vyznačují zanedbatelnou tlakovou ztrátou a nijak nezvyšují spotřebu energie na dopravu měřené kapaliny potrubím (na rozdíl např. od vírových průtokoměrů).
 

Závěr

V článku jsou porovnány ultrazvukové průtokoměry pro montáž do potrubí a ultrazvukové průtokoměry v příložném provedení. Porovnání je provedeno z několika hledisek tak, aby si pozorný čtenář mohl sám zvolit provedení, které bude nejlépe vyhovovat jeho potřebám.
 
Petr Komp,
 
Obr. 1. Ultrazvukový průtokoměr UFM 3030 firmy Krohne
Obr. 2. Rozmístěním senzorů tříkanálového ultrazvukového průtokoměru se dosahuje jeho nezávislosti na rychlostním profilu v potrubí (nahoře turbulentní a dole laminární proudění)
Obr. 3. Snímač příložného ultrazvukového průtokoměru Optisonic 6300 s nasazeným krytem
Obr. 4. Měřicí trubice ultrazvukového průtokoměru pro montáž do potrubí
Obr. 5. Odklopený držák ultrazvukových senzorů průtokoměru Optisonic 6300 při obnově vazební pasty