Przepływomierze elektromagnetyczne w procesach przemysłowych

Przepływomierze należą do grupy przyrządów istotnych z ekonomicznego punktu widzenia przedsiębiorstwa. Służą do pomiaru strumienia masy lub objętości oraz do celów rozliczeniowych.

Czym się kierować w doborze przepływomierza?

Na rynku dostępne są różne typy przepływomierzy, które różnią się między sobą zasadą pomiaru, budową, zakresem stosowania. Dobierając przepływomierze należy uwzględnić m.in. zakres mierzonego przypływu, wymaganą dokładność pomiaru, fizyczne właściwości medium (gaz, ciecz, zawiesina o różnej gęstości) oraz jego zanieczyszczenie, strukturę strugi (turbulentna, laminarna), prędkość przepływającego medium.

Wśród dostępnych na rynku przepływomierzy można wyróżnić przepływomierze wykorzystujące różnicę ciśnień (zwężki lub kryzy), rotametry, przepływomierze oscylacyjne, turbinowe, komorowe, elektromagnetyczne, Coriolisa, ultradźwiękowe.

Zastosowanie przepływomierzy elektromagnetycznych

Przepływomierze elektromagnetyczne mogą być stosowane w przemyśle chemicznym, energetyce, przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, w gospodarce wodno-ściekowej, monitoringu sieci wodociągowych, przemyśle papierniczym i celulozowym, w nawadnianiu. Przepływomierze tego typu nie wprowadzają zaburzeń do mierzonego strumienia, dzięki czemu są przeznaczone do pomiaru strumienia medium w zamkniętych instalacjach rurociągowych.

Zasada działania

Przepływomierze elektromagnetyczne mierzą przepływ mediów przewodzących prąd elektryczny – cieczy, mieszanin i pulp. Ciecze mogą być czyste, obojętne chemicznie, jak również zanieczyszczone i agresywne chemicznie. Przepływomierze tego typu mierzą objętościowy strumień cieczy, łącznie ze znajdującymi się w niej ciałami stałymi. Warunkiem stosowania przepływomierzy elektromagnetycznych jest przewodność elektryczna mierzonego medium, która dla standardowego wykonania powinna być większa niż 5 mS/cm.
Takie ograniczenie jest też wadą – przepływomierze elektromagnetyczne nie mogą być stosowane do pomiaru cieczy dielektrycznych w przemyśle petrochemicznym i transporcie ropy naftowej. Urządzenia te mają jednak szereg zalet, m.in. nie powodują spadku ciśnienia i nie mają części ruchomych, dzięki czemu ich awaryjność jest znacznie mniejsza niż innych przepływomierzy.

Zasada działania przepływomierza elektromagnetycznego polega na wykorzystaniu prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya – w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym indukowana jest siła elektromotoryczna proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego i prędkości ruchu przewodnika. Tutaj rolę przewodnika pełni przepływająca przewodząca ciecz. Przepływomierz tworzy rura pomiarowa o izolowanej elektrycznie powierzchni oraz cewki generujące pole magnetyczne i elektrody mierzące różnicę potencjałów. Wytwarzane za pomocą prądu stałego o zmiennej biegunowości pole magnetyczne gwarantuje stabilność punktu zerowego, co czyni pomiar niezależnym od właściwości medium, np. w przypadku cieczy wielofazowych i niejednorodnych lub cieczy o niskiej przewodności.

Do zasilania przepływomierzy elektromagnetycznych nie są wymagane duże ilości energii, a same czujniki mogą mierzyć zarówno przepływy o bardzo dużym, jak i bardzo małym natężeniu, i to w obu kierunkach.

Konstrukcja i stosowane materiały

Istotnym elementem przepływomierzy elektromagnetycznych są izolujące wewnętrzne warstwy. Od ich parametrów zależy żywotność przepływomierza. W zależności od zastosowań dobiera się materiał o odpowiedniej odporności chemicznej lub/i odpowiedniej odporności na ścieranie. Do najczęściej stosowanych należy guma charakteryzująca się wysoką odpornością na ścieranie i odpornością na słabe kwasy i zasady. Kolejnym materiałem jest teflon o wysokiej odporności chemicznej i temperaturowej. Niestety, materiał ten ma niższą odporność na ścieranie. Stosowane są również wykładziny ceramiczne, ale ich wadą jest kruchość i niska udarność, jak również kosztowny proces technologiczny tworzenia wykładziny na powierzchni wewnętrznej przepływomierza. Na wykładziny stosowane są również tworzywa sztuczne (np. ebonit), charakteryzujące się znaczną odpornością chemiczną i dość dobrą odpornością na ścieranie. Wybór materiału na wykładzinę zależy również od temperatury przepływającego medium.

Cewki generujące pole magnetyczne stosowane w przepływomierzach są specjalnie uformowane wraz z nabiegunnikami, tak aby wytwarzać jak najbardziej jednorodne pole magnetyczne.

Elementem konstrukcyjnym przepływomierzy elektromagnetycznych są elektrody wykonywane z różnych stopów metali, dobieranych ze względu na skład chemiczny mierzonych cieczy. Najczęściej stosowana jest stal kwasoodporna – do mniej agresywnych mediów. Dla cieczy chemicznie aktywnych stosowane są elektrody wykonane z metali szlachetnych, takich jak platyna lub tytan.

Klasyczne przepływomierze elektromagnetyczne z jedną parą elektrod przeznaczone są do pomiaru przepływu przy 100-proc. wypełnieniu rurociągu cieczą. W przypadku niecałkowitego wypełnienia można stosować specjalnie przystosowane przepływomierze elektromagnetyczne z kilkoma parami elektrod.

Metody oczyszczania elektrod

W przypadku osadzania się zanieczyszczeń na elektrodach należy uwzględnić możliwość czyszczenia. W tym przypadku stosowane są trzy metody: mechaniczna, ultradźwiękowa i impuls napięciowy. Najprostszą, ale najbardziej uciążliwą metodą jest metoda mechaniczna polegająca na usuwaniu osadów i zanieczyszczeń za pomocą specjalnych skrobaków. Metoda „impulsu napięciowego” polega na podaniu na elektrodę silnego impulsu napięciowego, a w konsekwencji wystąpieniu elektrolizy i gwałtownego wydzielania się gazów, co powoduje odrywanie się osadów i zanieczyszczeń. Metoda ta ma wady – zbyt silne impulsy napięciowe mogą prowadzić do zbyt szybkiego zużycia elektrod lub zniszczenia powłoki z metali szlachetnych chroniącej przed utlenianiem. Metoda „ultradźwiękowa” jest najskuteczniejszą metodą czyszczenia elektrod. Polega na zamontowaniu na elektrodzie generatora ultradźwięków i systematycznym czyszczeniu elektrod.

Podsumowanie

Na rynku dostępny jest szereg przepływomierzy elektromagnetycznych. Ich oferta jest zróżnicowana ze względu na średnicę rurociągu, parametry mierzonego medium, np. parametry chemiczne i fizyczne, zanieczyszczenie czy warunki środowiskowe, w jakich będzie stosowane urządzenie. W tabelach na kolejnych stronach przedstawiono wybrane modele przepływomierzy elektromagnetycznych dostępnych na polskim rynku.

Szczegółowe zestawienie przepływomierzy można znaleźć w numerze 7-8/2013 pisma Pomiary Automatyka Robotyka PAR.

Dorota Jackiewicz
Przemysłowy instytut Automatyki i Pomiarów 
PIAP

źródło: PIAP