Czujniki procesowe – część 5 z 5 – przepływomierze

Pomiary ultradźwiękowe

Ciekawym sposobem pomiaru przepływu jest wykorzystanie ultradźwięków. Można to zrobić na dwa sposobu – poprzez skorzystanie ze zjawiska Dopplera lub za pomocą badania czasu przechodzenia sygnałów ultradźwiękowych.

W przypadku przepływomierzy dopplerowskich, umieszczony na jednej ściance rurociągu nadajnik emituje sygnał ultradźwiękowy w postaci pojedynczego impulsu, który odbija się od cząsteczek przepływającego medium i trafia do odbiornika. Częstotliwość emitowanego sygnału nie jest taka sama, jak częstotliwość odbieranego, gdyż ta zmienia się w zależności od szybkości przepływu monitorowanego medium. Wykorzystywane zjawisko jest analogiczne do tego, stosowanego w klasycznych fotoradarach samochodowych.

Alternatywnie, wystarczy umieścić nadajniki i odbiorniki po dwóch stronach rurociągu - w poprzek, ale z pewnym przesunięciem, tak by emitowały do siebie nawzajem sygnały ultradźwiękowe. Ponieważ przepływające medium wpływa na szybkość przedostawania się ultradźwięków z jednej strony rury na drugą, czas potrzebny na dotarcie sygnału z od jednego nadajnika do drugiego odbiornika, będzie inny niż w przeciwnym kierunku. Im różnica ta większa, tym szybszy jest przepływ substancji.

Przepływomierze ultradźwiękowe mają wiele zalet, a przede wszystkim pozwalają na uzyskanie dużej dokładności pomiaru i mogą być stosowane w szerokich rurociągach. Są względnie tanie i można je instalować bezinwazyjnie, a więc nie muszą być wykonane w wersjach odpornych na cechy substancji, której przepływ jest mierzony. Do tego dochodzi brak zużywających się elementów mechanicznych, co sprawia że urządzenia te są znacznie bardziej niezawodne i „żywotne” niż przepływomierze turbinowe, zwężkowe z kryzą, czy też wirowe.

Rotametry

Przykładem zastosowania bardzo prostej technologii do pomiaru przepływu jest zastosowanie rotametru, czyli przepływomierza pływakowego. Zawiera on nieduży pływak, który umieszczony w pionowej rurce o zmiennej średnicy, wypierany jest przez przepływające medium. W przypadku gdy brak jest przepływu, pływak opada zupełnie na dół. Zwiększanie szybkości przepływu płynu sprawia, że pływak się unosi na wysokość proporcjonalną do mierzonej wartości. Wynika to z faktu, że pozycja pływaka odpowiada warunkom, w którym siła jego ciążenia równoważona jest z siłą wyporu i siłą tarcia. Te dwie ostatnie są natomiast różne na różnych wysokościach odcinka rury z pływakiem.

Przepływomierze tego typu, w klasycznych wersjach były konstrukcjami czysto mechanicznymi, w związku z czym odczyt mierzonych wartości możliwy był tylko bezpośrednio ze narysowanej skali. Nowoczesne modele wyposażone są już jednak w przetworniki, które pozwalają na przetwarzanie pozyskanego sygnału przez inne komponenty systemów automatyki.

Przepływomierze te, ze względu na swoją prostą budowę, są tanie, ale niestety niezbyt dokładne. Trudność stanowią też pomiary w przypadku cieczy lepkich, które zmieniają właściwości pływaka i zupełnie rozkalibrowują jego wskazania.

Przepływomierze masowe

Problem ten nie dotyczy przepływomierzy masowych, w tym bardzo popularnych ostatnio modeli korzystających ze efektu Coriolisa. Pomiar masowego natężenia przepływu pozwala na uzyskanie bardzo dokładnych wyników, gdyż umożliwia zredukowanie wpływu lepkości, zmian temperatury, ciśnienia i gęstości mierzonego medium. Masa jest także bardzo wygodną miarą ilości materii – znacznie częściej stosowaną niż np. objętość.

Przepływomierze Coriolisa, które są idealnym przykładem przepływomierzy masowych, zbudowane są w postaci zakrzywionej rury, która po wprawieniu w drgania skręca się ze względu na istnienie sił Coriolisa. Te wynikają z ruchu obrotowego ziemi – im skręcenie jest większe, tym większa jest masa przepływającego medium. Odchylenie wynikające bezpośrednio ze skręcenia jest mierzone przez czujniki zlokalizowane na skręcanej rurze.

Tańszym, ale też mniej dokładnym rodzajem przepływomierzy masowych są urządzenia kalorymetryczne, które bazują na pomiarze przewodności cieplnej substancji. Po podgrzaniu mierzonej substancji do określonej temperatury, monitoruje się szybkość rozchodzenia się ciepła, który zależy od szybkości przepływu medium.

Przepływomierze termiczne są używane przede wszystkim do pomiaru przepływu gazów, choć dostępne w dwóch podstawowych wersjach. Możliwe jest albo monitorowanie różnic temperatury pomiędzy wybranymi punktami rurociągu, albo mierzenie ilości mocy potrzebnej do ogrzania substancji, by uzyskać określoną temperaturę w innym miejscu.