Pomiary przepływu cieczy i gazów - poradnik dla elektroników

Przepływ jest wyznaczany pomiarem szybkości przemieszczania się określonej objętości płynu przez ustalony przekrój przewodu czy rury. Tak zdefiniowane objętościowe natężenie przepływu wyraża się zależnością:

QV = A·V [m³/s],

gdzie A oznacza pole przekroju płynu w rurze [m²] a V prędkość przepływu płynu [m/s].

Pomiar jest wiarygodny, jeśli A i V są wyznaczane poprawnie. Na przykład obecność w cieczy pęcherzyków gazu błędnie zawyża wielkość A. Natomiast prędkość V przepływu płynu powinna być wielkością średnią, ponieważ wzdłuż ścianek rury jest mniejsza niż wzdłuż jej osi.

Na natężenie przepływu płynu w rurze mają wpływ: gęstość, a więc masa jednostki objętości płynu, lepkość, czyli tarcie wewnętrzne w płynie oraz liczba Reynoldsa.

Ciśnienie panujące na wejściu rury oraz jej przekrój zwiększają prędkość przepływu, natomiast lepkość płynu ją utrudnia. Temperatura płynu, od której jego lepkość zależy, również wpływa na przepływ. Gęstszy płyn wymaga większego ciśnienia, gęstość zatem ma na przepływ wpływ ujemny. Duże znaczenie dla przepływu płynu ma bezwymiarowa liczba Reynoldsa, wiążąca efekt lepkości z efektem bezwładności.

Re = ρ·D·V/μ ,

gdzie ρ oznacza gęstość płynu [kg/m³], D wewnętrzną średnicę rury [m], V prędkość przepływu płynu [m/s] i μ lepkość dynamiczną płynu [kg/m·s].

Przy bardzo małej prędkości i dużej lepkości płyn przemieszcza się równymi warstwami, najszybciej środkiem rury, a najwolniej wzdłuż ścianek, liczba Re jest wtedy niska. Taki przepływ, gdy Re < 2000, jest zwany laminarnym. Przy wyższych prędkościach lub niższej lepkości przepływ staje się turbulentny, o jednakowej prędkości w całym przekroju. W takich warunkach liczba Re > 4000. Przepływ turbulentny wywołuje większe straty lepkościowe. Przy pośredniej wartości liczby Reynoldsa przepływ jest zwany przejściowym. Resumując, liczba Reynoldsa służy zwykle do oceny rodzaju przepływu.

Rodzaje przepływomierzy

Przepływomierz jest przyrządem mierzącym przepływ jako liniowy lub nieliniowy, masowy lub objętościowy, cieczy lub gazu. Przepływomierze tradycyjne są miernikami mechanicznymi, a nowoczesne już elektronicznymi. Zasady działania przepływomierzy mechanicznych są różne. Można je podzielić na:

• objętościowe,
• manometryczne,
• zmiennprzekrojowe, czyli rotametry,
• z otwartym kanałem.

Wśród przepływomierzy elektronicznych rozróżnia się następujące:

• Coriolisa,
• magnetyczne,
• impulsowe,
• Vortex,
• ultradźwiękowe.

Dokładność tradycyjnych przepływomierzy mechanicznych nie jest wysoka i wymagają one systematycznego serwisu, podlegają bowiem zużyciu lub zabrudzeniu. Z trudnością także dają się przystosowywać do współczesnych protokołów komunikacyjnych, jak HART, Fieldbus, czy Profibus. W technologicznie nowszych przepływomierzach elektronicznych korzysta się z mikroprocesorów, a ich dokładność jest wyższa, dochodzi do ±1%.

Przepływomierze mechaniczne, objętościowe

W przepływomierzach objętościowych ciecz jest dzielona na partie o znanej wielkości. Całkowita prędkość przepływu jest określana z szybkości zapełniania i opróżniania określonej objętości, a prędkość przepływu nie jest od ich działania uzależniona. Należą do nich najprostsze przepływomierze łopatkowe i turbinowe. Nadają się one doskonale do pomiarów małych prędkości, także cieczy lepkich, jak miód czy syrop. Są powszechnie używane do pomiarów wody, gazów i paliw płynnych przy napełnianiu cystern.

Przepływomierze manometryczne

Rys. 1. Rurka Pitota - różnicowy czujnik przepływu

W przepływomierzu manometrycznym, z przeszkodą na drodze przepływającego płynu, wykorzystuje się służącą do wyznaczenia prędkości płynu różnicę ciśnień na jego wejściu i wyjściu. Istnieje kilka rodzajów przepływomierzy manometrycznych, opartych na kryzie dławiącej, zwężce Venturiego, dyszy wylotowej, czy rurce Pitota. Rysunek 1 ilustruje zasadę działania wprowadzonej w strumień płynu rurki Pitota. Jej czubek jest stacjonarnym punktem przepływu (zerowa prędkość), gdzie ciśnienie, jest porównywane z ciśnieniem statycznym, a ich różnica służy do obliczenia prędkości przepływu.

Przepływomierze manometryczne nadają się najlepiej do płynów czystych, w warunkach, w których spadek ciśnienia jest szkodliwy i nie jest wymagana wysoka dokładność. Są one znacznie tańsze od przepływomierzy Coriolisa i ultradźwiękowych.

Rotametry, przepływomierze zmiennoprzekrojowe

Rys. 2. Przepływomierz zmiennoprzekrojowy, rotametr

Rotametr jest stożkowo poszerzającą się pionową rurką z zawieszonym w niej pływakiem (rys. 2). Płyn porusza się w niej w górę, siłą tarcia unosząc pływak, czemu przeciwstawia się siła jego wyporu i siła ciążenia. Pozycja pływaka wskazuje prędkość przepływu płynu. Rotametr, nie wymagając zasilania elektrycznego, doskonale nadaje się do płynów palnych.

Przepływomierze otwarte

Przepływomierze otwarte stosuje się w otwartych do atmosfery przewodach o minimalnej różnicy ciśnienia względem atmosferycznego. Prędkość przepływu jest określana z poziomu cieczy w pionowej rurce.

Przepływomierze impulsowe

Podstawą działania przepływomierzy impulsowych jest zamiana przepływu na ruch obrotowy koła łopatkowego lub turbinowego, a następnie na impulsowym zliczaniu ich obrotów w jednostce czasu, z udziałem mikroprocesora. Impulsy zliczające są generowane przez czujniki optyczne, magnetyczne bądź elektromagnetyczne.

Czujnik optyczny ma zwykle postać zespołu LED + fotodioda, przedzielonych odpowiednio perforowaną obracającą się tarczą. Impulsy prądowe fotodiody, w formacie dwu- lub trójbitowym, służą do pomiaru proporcjonalnej do przepływu szybkości obrotów tarczy.

Stosowane są dwa rodzaje czujników elektrycznych, magnetyczne i rezonansowe. W magnetycznych koło łopatkowe lub turbinowe napędza tarczę z umocowanymi na niej magnesami, których ruch jest wykrywany przez magnetorezystor lub przez czujnik Halla. Częstotliwość generowanych w ten sposób impulsów pozwala wyznaczyć prędkość przepływu.

W czujnikach rezonansowych generujący odpowiednio dobraną częstotliwość aktywny elektryczny obwód rezonansowy jest impulsowo tłumiony wycinkiem zbliżonej do obwodu wirującej miedzianej tarczy, napędzanej przez koło łopatkowe lub turbinowe przepływomierza. W odbiorniku sprzężonym z obwodem generatora proporcjonalnie do obrotów tarczy są indukowane impulsy drgań jego częstotliwości. Zliczane w jednostce czasu impulsy służą za podstawę wyznaczania prędkości płynu przepływającego przez miernik.

Zliczanie impulsów

W przepływomierzach impulsowych przepływ płynu wywołuje ruch obrotowy tarczy lub turbiny, przez czujniki zamieniany na odpowiednio znormalizowane impulsy elektryczne. Wyznaczanie przypadającej na jednostkę czasu liczby impulsów z użyciem układów elektronicznych pozwala na określenie prędkości przepływu płynów. Wymaga to przykładowo przeliczenia liczby obrotów tarczy czy turbiny na liczbę przepływających litrów czy kilogramów płynu w jednostce czasu.

Czujniki optyczne z potrójnymi zespołami LED - fotodiodą i tarczą o trzech otworach, która pomiędzy nimi wiruje, zapewniają 3-bitowe kodowanie zliczanych impulsów. Możliwa jest wtedy automatyczna detekcja kierunku przepływu płynu.

Przepływomierz elektroniczny

Rys. 3. Główne zespoły pomiarowe przepływomierza elektronicznego

Nowoczesny przepływomierz elektroniczny zawiera:

• filtr szumów i zaburzeń,
• układ logiczny, ustalający parametry pomiaru impulsów i czasu,
• dekoder stanu miernika,
• liczniki przepływu wprost i wstecz,
• zegar systemowy,
• interfejs rejestru odczytów i programowania.

Rysunek 3 przedstawia blokowy schemat funkcjonalny przykładowego przepływomierza. Jego działanie można skrótowo przedstawić następująco:

• program inicjalizuje generowanie impulsów pomiarowych i filtrację sygnałów,
• program uruchamia dekoder stanu, który monitoruje działanie miernika,
• dekoder stanu wykrywa kierunek przepływu i wybiera odpowiedni licznik przepływu,
• licznik zlicza prędkość przepływu,
• przerwanie zapisuje przepływ i czas oraz opcjonalnie kasuje stany liczników przed wznowieniem pomiaru.

Przepływomierze ultradźwiękowe

Rys. 4. Przepływomierz ultradźwiękowy umieszczony bezpośrednio na rurze

Mierzą one prędkość przepływu za pomocą fal ultradźwiękowych w płynie. Szybkie procesory DSP i wyrafinowane sposoby analizy gwarantują niezawodne wyniki pomiarów, nawet w trudnych warunkach. W przeciwieństwie do tradycyjnych przepływomierze ultradźwiękowe nie zawierają elementów ruchomych, są więc bardziej niezawodne i nie wymagają serwisowania. Dla płynów jednorodnych ich działanie nie jest uzależnione od ciśnienia, temperatury, przewodności czy lepkości. Pomiary są całkowicie nieinwazyjne, nie wymagają specjalnych konstrukcji i nie powodują spadków ciśnienia.

Rys. 5. Przetworniki ultradźwiękowe ukośnego i odbiciowego sposobu pomiaru przepływu

Sygnały ultradźwiękowe przenikają przez materiały, zatem przetworniki mogą być montowane od zewnątrz na przesyłających płyny rurach o bardzo różnych średnicach (rys. 4). Mogą być używane do płynów nieprzewodzących.

Czas przebiegu fal dźwiękowych w ośrodku ruchomym zależy od szybkości jego ruchu. Zjawisko to jest wykorzystywane w działaniu przepływomierzy ultradźwiękowych. Dwa umieszczone w niewielkim odstępie na rurze czujniki równocześnie wysyłają i odbierają przeciwnie skierowane impulsy ultradźwiękowe. Przy zerowym przepływie płynu czasy przejścia impulsów w obu kierunkach są jednakowe.

Gdy płyn się przemieszcza, czasy te różnią się o czas jego przepływu przez odległość pomiędzy czujnikami. Czas ten jest proporcjonalny do prędkości przepływu płynu, którą można zatem obliczyć z pomiaru tego czasu. Przetworniki daje się na rurze umieszczać na dwa sposoby, ukośny i odbiciowy. Jest to zilustrowane na rysunku 5. Ultradźwiękowe pomiary prędkości przepływu są dokonywane dwoma sposobami: metodą pomiaru czasu przemieszczenia i z wykorzystaniem efektu Dopplera.

Pomiar czasu przemieszczenia

Rys. 6. Rozmieszczenie przetworników w odbiciowym przepływomierzu ultradźwiękowym

Metodę tę ilustruje rysunek 6. Dwa sprzężone przetworniki nadawczo-odbiorcze A i B są umieszczone w odpowiedniej odległości na rurze z przepływającym płynem. Wysyłają one i odbierają impulsowe sygnały ultradźwiękowe naprzemiennie, zgodnie i przeciwnie z kierunkiem przepływu płynu. Czasy przepływu w obu kierunkach są dokładnie mierzone. Fala ultradźwiękowa pokonuje odległość L pomiędzy przetwornikami w czasie t, jeśli szybkość dźwięku w płynie wynosi v, a prędkość przepływu płynu wynosi V:

L = (v + V)·t

prędkość ta wynosi zatem

V = L/t - v

Czas przepływu dźwięku w przepływomierzu jest bardzo mały. Na przykład przy prędkości przepływu 1 m/s w rurze o średnicy 100 mm czas t = 30 ns. Przy rurach o małej średnicy i małej prędkości przepływu system pomiarowy musi działać z rozdzielczością lepszą niż 0,5 ns, co wymaga bardzo szybkich układów zliczania.

Przepływomierze ultradźwiękowe są przeznaczone do pomiaru czystych cieczy (o zanieczyszczeniu <2% drobin), jak woda i zapewniają dokładność lepszą niż 1%.

Pomiar z wykorzystaniem efektu Dopplera

Rys. 7. Pomiar prędkości przepływu wykorzystujący efekt Dopplera

Przepływomierze dopplerowskie (rys. 7) nadają się do pomiarów cieczy zanieczyszczonych lub gazowanych, w których zawartość zanieczyszczeń jest stosunkowo znaczna (nawet powyżej 10%). W metodzie tej częstotliwość promieniowania odbitego od cząsteczek zanieczyszczeń czy pęcherzyków gazu w przemieszczającej się cieczy różni się od częstotliwości emitowanej przez przetwornik. Pomiar różnicy tych częstotliwości jest podstawą wyznaczania prędkości i kierunku przepływu cieczy (rys. 8).

Sieci i peryferia

Początkowo dane czujników i przetworników były przesyłane analogowo, później cyfrowo. Obecnie służy do tego swoimi protokołami Ethernet, co pozwala niemal wszędzie na posługiwanie się gotowymi rozwiązaniami i elementami.

Alternatywą dla łączności przewodowej stała się łączność światłowodowa, o dwóch opcjach. Tańsza, w której źródłem światła są LED-y, ma zasięg ograniczony do kilku kilometrów. Zasięg droższej, posługującej się laserowymi nadajnikami i transceiverami, jest dużo większy. Światłowody znacznie przewyższają kable miedziane szerokością pasma, są też odporne na EMI. W środowisku przemysłowym są to zalety bardzo ważne.

Rozwiązania bezprzewodowe

Rys. 8. Funkcjonalne zespoły przepływomierza elektronicznego

Szerokie możliwości komunikacyjne zapewniają protokoły rodziny 802.11. Niezawodną łączność IP na setki metrów umożliwia Wi-Fi. Za pomocą pary bezprzewodowych ethernetowych mostków 802.11 lokalna sieć czujników może łatwo zostać włączona do systemu SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) lub systemu przedsiębiorstwa. Niektóre z bezprzewodowych mostków mogą tworzyć łączność na dystansie wielu kilometrów z szybkością dziesiątków Mb/s, pozwalając przekazywać szerokopasmowe sygnały wideo.

Producenci oferują często moduły Wi-Fi certyfikowane już na poziomie czujników. Takie rozwiązania zapewniają duży zasięg i niezawodność, umożliwiając tworzenie rozbudowanych sieci o licznych węzłach rozgałęziających. Stosowane są w nich samonaprawiające się algorytmy, pozwalające omijać blokady lub przerwy w połączeniach. Takie sieci, w których każdy węzeł może się łączyć z wszystkimi pozostałymi, są trudne do zarządzania, ale zapewniają znacznie większą niezawodność.

Złącza

Sprzęt do Ethernetu nie powstał z przeznaczeniem do pracy w trudnych warunkach. Na przykład złącze RJ45 musi mieć ochronną obudowę. Ochrony wymagają także zwykłe wyłączniki, koncentratory, nadajniki bezprzewodowe i inny sprzęt, gdy mają obsługiwać sieci nowych aplikacji i obszarów. Trzeba ich szukać u producentów specjalizujących się w wytrzymałych zastosowaniach przemysłowych.

Złącza ethernetowe ułatwiają połączenia z czujnikami, ale nie chronią ich przed zakłóceniami. Przy dłuższych połączeniach występuje ryzyko potencjałowego różnicowania się ich względem ziemi, powstawania pętli uziemieniowych. Rozprzestrzeniające się wzdłuż kabli Ethernet wyładowania atmosferyczne grożą zniszczeniem obwodów elektronicznych i czujników, których ochrona jest trudna. (KKP)