Czujniki procesowe – część 4 z 5 – przepływomierze

Czujniki lub mierniki przepływu mogą służyć do pomiaru przede wszystkim cieczy i gazów, choć istnieją też modele umożliwiające zmierzenie ilości przenoszonego materiału sypkiego. Wśród dostępnych na rynku produktów znaleźć można bardzo wiele różnorodnych rozwiązań, bazujących na zupełnie odmiennych metodach pomiarowych.

Co ważne, nie ma przepływomierza idealnego, który nadawałby się do każdej aplikacji. Co więcej, oprócz samych ograniczeń technologicznych, duży problem mogą stanowić problemy związane z interpretacją parametrów podanych w katalogach mierników przepływu, a nawet szczegóły dotyczące samej instalacji dobranych urządzeń.

Przepływomierze zwężkowe

Do najprostszych przepływomierzy należą modele mechaniczne i zwężkowe, z czego te pierwsze można podzielić na turbinowe i łopatkowe, a drugie na czujniki zwężkowe Venturiego lub z kryzą.

W przepływomierzach zwężkowych wykorzystuje się zjawisko, w którym na skutek wbudowania na prostym odcinku wewnątrz rurociągu elementu spiętrzającego między jego stroną dopływową i odpływową powstaje różnica ciśnień, która jest proporcjonalna do natężenia przepływu. Stosując przepływomierz tego typu wprowadza się stały spadek ciśnienia oraz istnieje konieczność zamontowania czujnika mierzącego powstałą różnicę ciśnień.

Popularnym rodzajem stosowanej zwężki jest zwężka Venturiego, tj. element o zmiennej o średnicy zmniejszającej się tym bardziej, im bliżej środka zwężki. Pozwala to łatwo mierzyć przepływy cieczy czystych i zanieczyszczonych. Niestety, zwężki tego typu nie są tanie, gdyż są trudne w precyzyjnym wykonaniu i instalacji, a do tego mogą zajmować względnie dużo miejsca.

Tańszą alternatywę stanowią kryzy zamontowane wewnątrz przepływomierza, które także wpływają na zmianę ciśnienia na ujściu miernika. Kryzy mają najczęściej postać płaskich płytek z otworem, montowanych wewnątrz rury. Jest to przyrząd bardzo prosty w instalacji, ale z czasem może się zanieczyścić, zużyć, lub nawet przechylić, co sprawia, że mierzone wartości będą zupełnie odbiegać od rzeczywistych. Dlatego konieczna jest częsta kalibracja tego typu przyrządów.

Elektromagnetyzm a przepływ

Ciekawym sposobem na realizację przepływomierza jest skorzystanie z cech zjawiska indukcji elektromagnetycznej Faradaya. W wyniku przepływu przez rurę płynu przewodzącego prąd, w otoczeniu którego znajduje się pole magnetyczne, indukuje się napięcie, które można zmierzyć za pomocą odpowiedniego przyrządu, i którego wartość będzie proporcjonalna do szybkości przepływu. Oczywiście, już z opisu zjawiska wynikają ograniczenia tej metody. Nie jest możliwe precyzyjne mierzenie cieczy niejednorodnych, a tym bardziej tych, które w ogóle nie przewodzą prądu. W praktyce jednak nowoczesne czujniki pozwalają dokonywać pomiarów nawet przy w przypadku substancji o bardzo słabym przewodnictwie elektrycznym.

Warto jednak zaznaczyć, że przepływomierze tego typu nie mogą być swobodnie stosowane z cieczami ani gazami łatwopalnymi. Zaletą elektromagnetycznych czujników przepływu jest natomiast bezinwazyjny pomiar i zdolność do pracy z nawet żrącymi substancjami.

Przepływomierze mechaniczne

Dużą grupę przepływomierzy stanowią modele mechaniczne, z których bardzo ciekawe zjawisko wykorzystują wersje wirowe. Bazują one na teorii ścieżki wirowej Karmana, która zakłada, że nieopływowa przegroda znajdująca się na drodze płynu będzie powodować tworzenie się odrywających się wirów, których częstotliwość emisji będzie proporcjonalna do szybkości przepływu tego płynu. Dużą trudność w tym przypadku stanowi wykrywanie i zliczanie liczby powstałych wirów, ale nowoczesna technologia i mikroelektronika umożliwiły realizację odpowiednich czujników oraz przetwarzanie pochodzących z nich danych.

Przepływomierze wirowe są jednymi z najbardziej uniwersalnych urządzeń mierzących przepływy i mogą być stosowane do cieczy, gazów, a nawet pary wodnej. Nie wpływają na nie ani zmiana temperatury ani ciśnienia monitorowanego medium i cechują się dużą niezawodnością. Problem mogą stanowić za to przypadkowe wibracje powodowane przez inne elementy instalacji. Ewentualne uderzenia w rury mogą być odebrane jako kolejne odrywające się wiry i niepotrzebnie zliczane – wpływać na wynik pomiaru.

Przepływomierze turbinowe składają się z wirnika umieszczonego wewnątrz rury i poruszanego przez przepływający płyn. Wartość przepływu mierzy się na podstawie szybkości obrotowej tego wirnika, monitorowanej magnetycznie lub optycznie. Pewnym problemem w tego typu urządzeniach może być wrażliwość na lepkość mierzonej substancji, a w konsekwencji także i temperatura, która zmienia wpływa na lepkość. Oznacza to konieczność nie tylko kalibracji przepływomierza do określonego medium, ale też potrzebę monitorowania temperatury i kompensowanie jej wpływu.