Targi AUTOMATICON 2011 - postępy w dziedzinie metrologii przepływów

Przepływomierze Coriolisa

Przepływomierze Coriolisa cechują się błędem pomiaru w granicach 0,05 % i w zasadzie zwiększanie ich dokładności jest ograniczone możliwościami wzorcowania na istniejących stanowiskach. Jednak mimo że przepływomierze te funkcjonują już w przemyśle ponad 20 lat, to i tu istnieje jeszcze pole do dalszych ulepszeń i modernizacji.

Firma Endress+Hauser zaprezentowała pierwszy przepływomierz Coriolisa w wersji dwuprzewodowej (fot. 1). Upraszcza to instalację – dotychczas do instalacji tych przepływomierzy niezbędne były specjalne wiązki przewodów. Jednak wzbudzenie drgań rur przepływomierza wymaga dość dużej energii, a ta w wersji dwuprzewodowej jest dostępna w niewielkiej ilości – tylko w postaci prądu 4 mA przy napięciu 24 V. Może dlatego na razie przepływomierze te są produkowane dla mniejszych średnic (do DN 80), które wzbudzić jest łatwiej. Ale firma informuje o trwających pracach na rozszerzeniu typoszeregu w kierunku większych średnic. Zaprezentowane rozwiązanie zostało docenione przez komisję konkursową, która nagrodziła wyrób Złotym Medalem.

Podstawowym problemem w przepływomierzach Coriolisa są straty ciśnienia. Zwykle spadek ciśnienia nie przekracza 1 bar, jednak często straty dochodzą do kilku bar, a w przepływomierzach do tankowania samochodów CNG nawet do kilkunastu bar. Duże straty ciśnienia spowodowane są dążeniem do uzyskania silnego sygnału pomiarowego, co z kolei wymusza zastosowanie stosunkowo elastycznych, podwójnych, cienkich rurek pomiarowych, często jeszcze dodatkowo uformowanych w skomplikowane kształty. Straty ciśnienia na takich rurkach są znaczne.

Postępy w dziedzinie sensoryki i analizy sygnałów umożliwiły firmie Krohne zbudowanie pierwszego jednorurowego pełnoprzelotowego przepływomierza Coriolisa, który przy standardowych już dla tych przepływomierzy błędach poniżej 0,1 % cechuje się stratami ciśnienia porównywalnymi ze stratami na prostym odcinku rury (fot. 2). Kolejna wartość dodana to możliwość pomiaru mediów, które muszą być transportowane przez przyrząd wolno i ostrożnie (np. jogurt z kawałkami owoców, które nie mogą być rozbijane przez rozdzielacz strugi na dwie rurki pomiarowe), a także większa odporność na zużycie rur pomiarowych dla mediów ściernych – ponieważ ścieranie nasila się na krzywiznach rury (tam rura jest najbardziej szlifowana przez cząstki stałe).

Przepływomierze ultradźwiękowe

Firma Krohne oferuje również najdokładniejsze wielodrogowe przepływomierze ultradźwiękowe do rozliczeniowych pomiarów paliw ciekłych i gazowych o wielu (do pięciu) ścieżkach pomiarowych, co skutkuje niezależnością wskazań od zaburzeń profilu prędkości oraz szerokimi możliwościami diagnostycznymi. Umożliwiają one m.in. identyfikację zawirowań strumienia, identyfikację wzrostu chropowatości rurociągu oraz detekcję obecności fazy ciekłej w gazie. Błędy pomiaru w granicach 0,1 % w pełni kwalifikują te przepływomierze do pomiaru drogich, objętych akcyzą mediów.

Firma Introl z kolei zaprezentowała na targach AUTOMATICON przepływomierz ultradźwiękowy w formie nakładek na rurociąg. W odróżnieniu od istniejących dotąd rozwiązań nie wymaga on substancji pośredniczących w przekazywaniu impulsu ultradźwiękowego z głowicy do rurociągu, co znakomicie przyspiesza instalację (fot. 3).

Dzięki wbudowanej funkcji pomiaru grubości ścianki przepływomierz umożliwia szybkie uzyskanie niezbędnej informacji o średnicy wewnętrznej rury, co jest niezbędne do konfiguracji przepływomierza i przeliczenia prędkości przepływu na strumień objętości. Materiał, z którego wykonano rurociąg może być dowolny (tworzywa sztuczne, metale).

Przepływomierze elektromagnetyczne

W dziedzinie elektromagnetycznego pomiaru przepływu istotnych zmian raczej się nie obserwuje, gdyż technologia jest ustabilizowana.

Deklarowane błędy na poziomie 0,2 % są chyba już maksimum osiągalnym dla tych rozwiązań. Tym nie mniej firma Introl przedstawiła przepływomierze elektromagnetyczne MAGX2 i MAGB1 o oryginalnych rozwiązaniach komunikacyjnych (fot. 4). Obok standardowego wyjścia prądowego można tu zainstalować transmisję Bluetooth, RS-232, USB, GPRS lub TCP/IP przy zastosowaniu protokołu MODBUS RTU. Wyboru dokonuje użytkownik, przy czym poszczególne wersje można realizować poprzez wymianę modułów komunikacyjnych. Ponadto dane pomiarowe można rejestrować na standardowej karcie pamięci microSD, istnieje również możliwość programowania interwału między kolejnymi rejestracjami.

Kwestia wzorcowania przepływomierzy

W tym momencie autorowi nasuwa się pewna dygresja. Z przedstawionych danych wyłania się bowiem niezbyt optymistyczny obraz, mianowicie okazuje się, że coraz trudniej będzie w kraju wywzorcować przepływomierze i przetworniki przepływu. Doskonalenie technik produkcji powoduje, że oczekiwania użytkowników względem dokładności pomiarów są coraz wyższe, a w ślad za tym idą postępy w opracowywaniu przez producentów coraz nowszych i dokładniejszych przepływomierzy.

Tyle że przy niepewnościach przepływomierzy cieczy dochodzących do 0,05 % rozsądną niepewnością stanowiska do ich wzorcowania byłoby ok. 0,017 % (trzykrotnie mniejsza niepewność stanowiska niż przepływomierza). Takich stanowisk jednak w kraju nie ma i niewykluczone, że jedynym wyjściem będzie wkrótce wożenie przepływomierzy do laboratoriów zagranicznych, co jest nader kosztowne, a zarazem z punktu widzenia utrzymywania systemów zapewnienia jakości – niezbędne. Natomiast najlepsze stanowiska w GUM cechują się niepewnością zaledwie 0,2 % przy strumieniu objętości do 120 m³/h.

Tu z przykrością trzeba stwierdzić, że zbudowane przez zespół pod kierunkiem prof. Franciszka Strzelczyka w Instytucie Techniki Cieplnej w Łodzi zaawansowane w 90 % stanowisko do wzorcowania przepływomierzy wodą o przewidywanej niepewności 0,02 % i wartościach strumienia dochodzących do 8000 m³/h przewidziane jest do likwidacji. Likwidacji praktycznie przez dewastację – bo podejmowane są próby sprzedaży poszczególnych elementów stanowiska, które samoistnie niejednokrotnie mają wartość złomu. Natomiast ukończenie budowy stanowiska spowodowałoby wielkie korzyści i oszczędności dla krajowych użytkowników przepływomierzy i stworzenie w tej części Europy centrum metrologii przepływów na najwyższym poziomie europejskim i światowym.

Ale to jest ogólniejszy problem. Metrologia przepływów, którą kiedyś rozwijano w kraju (PIAP, politechniki) obecnie została zdominowana przez koncerny o zasiągu światowym.

Wzorcowanie przepływomierza gazem o wysokim ciśnieniu za granicą jest z kolei niejednokrotnie droższe od samego gazomierza. Tu jednak perspektywy są lepsze – trwają bowiem prace nad budową stanowiska do wzorcowania gazomierzy gazem o wysokim ciśnieniu przez GAZ-SYSTEM S.A. Rozruch stanowiska jest planowany na 2014 rok.

Mikroprzepływy i dawkowanie

Zagadnienie to leży nieco na peryferiach metrologii przepływów, ale jest istotne dla innych branż przemysłu wytwórczego, takich jak przemysł lotniczy, motoryzacyjny, spożywczy (pakowanie żywności), produkcja ogniw fotoelektrycznych, a także biologii czy medycynie. Firma AMB (fot. 5) przedstawiła szeroką ofertę urządzeń do precyzyjnego odmierzania i dozowania najrozmaitszych substancji, jak kleje, rozpuszczalniki, substancje uszczelniające, pasty lutownicze, środki smarujące, silikony, żele, atramenty itp.

Sterowanie przepływem

Chociaż urządzenia sterujące to też swego rodzaju peryferia, to jednak bez nich wykorzystanie metrologii przepływów byłoby trudne. O urządzeniach do sterowania i regulacji przepływu warto wspomnieć choćby dlatego, że jedno z ciekawszych prezentowanych na targach rozwiązań w tej dziedzinie powstało w wyniku tak rzadkiej wciąż współpracy między nauką, w tym przypadku reprezentowaną przez Politechnikę Warszawską, a przemysłem, tutaj reprezentowanym przez firmę Aplisens. Są to inteligentne elektropneumatyczne ustawniki pozycyjne, umożliwiające dokładne sterowanie procesem przy wykorzystaniu cyfrowego protokołu HART, których koncepcja została opracowana przez dr. M. Bartysia z Wydziału Mechatroniki Politechniki Warszawskiej. Prędkość ruchu organu nastawczego jest regulowana. Ustawniki mogą być wyposażone w nadajnik położenia.

Bezpieczeństwo w metrologii przepływów

Najszybsze postępy w rozwoju przepływomierzy można zauważyć w tych branżach, gdzie transportowane są duże ilości drogich mediów – a więc w przetwórstwie ropy i gazu. To tutaj urządzenia do pomiaru parametru przepływów (przede wszystkim objętości produktów) są stosowane do celów rozliczeń finansowych. Są to jednak media wyjątkowo niebezpieczne z uwagi na ich właściwości palne i wybuchowe, a więc zasada „safety first” obowiązuje tu w całej rozciągłości.

Systemy monitorowania gazów i oparów (nie tylko wybuchowych, ale także toksycznych) prezentowane przez polską firmę Alter (fot. 7) to kolejne osiągnięcie nagrodzone przez komisję konkursową Złotym Medalem AUTOMATICON 2011.

Równie interesujące i technicznie dojrzałe rozwiązania systemów ostrzegających przed zagrożeniem wybuchem prezentowane były przez krajową firmę Atest-Gaz. Firma ta ponadto organizowała ciekawe symulacje awarii przemysłowej wraz z pokazem zachowania się oferowanego przez tę firmę systemu detekcji podczas uchodzenia niebezpiecznego gazu z instalacji przemysłowej.

Chociaż więc pomiary przepływów zostały niemal w 100 % opanowane przez firmy zagraniczne, to przynajmniej w dziedzinie monitorowania substancji wybuchowych można się oprzeć na krajowych firmach, które opracowują i produkują nowoczesne, elastyczne i uniwersalne systemy zabezpieczeń przeciwwybuchowych.

Mateusz Turkowski
PAR