Obok pomiaru temperatury i ciśnienia, pomiar przepływu jest jednym z najważniejszych zadań w przemysłowej technologii pomiarowej. Zasadniczo, fizyczny przepływ wielkości mierzonej może być określony za pomocą większości metod pomiarowych. W praktyce wybór metody pomiaru zależy od konkretnego zastosowania. Dowiedz się więcej o poszczególnych metodach pomiaru przepływu i ułatw sobie wybór odpowiednich czujników przepływu!
Pomiar przepływu określa ilość w jednostce czasu, która przepływa przez system rur. Medium może być cieczą, gazem lub parą. W pomiarach przepływu rozróżnia się pomiar przepływu objętościowego i pomiar przepływu masowego.
Przepływ objętościowy to objętość przepływająca przez rurę w jednostce czasu (w l/h, cfm itp.). Większość przedstawionych tu systemów mierzy przepływ objętościowy.
Przepływ masowy jest definiowany jako masa przepływająca przez system w jednostce czasu (w kg/h, t/h itp.). Jeśli gęstość medium jest stała, przepływ masowy można określić mnożąc przepływ objętościowy przez gęstość. Jeśli gęstość nie jest stała - jak ma to często miejsce w przypadku pary i gazów - należy ją również zmierzyć za pomocą technologii pomiarowej.
W wielu zastosowaniach jedynym wymogiem jest wykrycie, czy występuje minimalny przepływ medium. Zastosowanie monitorów przepływu jest wtedy wymagane do zapewnienia takich rzeczy, jak ochrona pomp przed suchobiegiem.
Jednak przedstawiona tutaj technologia czujników służy do ciągłego pomiaru przepływu i jest wykorzystywana w takich zastosowaniach jak:
Wymagania dotyczące przepływomierza różnią się znacznie w zależności od zadania pomiarowego. Do napełniania wymagana jest dobra powtarzalność. W przypadku systemów legalizowanych konieczne jest posiadanie certyfikatu badania typu (przynajmniej w UE). Podobnie, w przypadku monitorowania i wyświetlania całkowitego natężenia przepływu w procesie, istnieje wiele wymagań związanych z konkretnym zastosowaniem lub branżą. Wynikają one między innymi z rodzaju mierzonego medium i wymagań dotyczących dokładności, ale także ze zobowiązań prawnych, takich jak dyrektywa w sprawie urządzeń ciśnieniowych w UE lub ochrona przeciwwybuchowa zgodnie z dyrektywą ATEX.
Media są podzielone na 4 różne kategorie, dla których można zastosować tylko wybraną technologię czujnika:
Przepływomierze działają zgodnie z różnymi zasadami pomiaru, ale każdy z nich nie może mierzyć wszystkich mediów z wcześniej wskazanych kategorii. Poniższa tabela zawiera listę popularnych metod pomiarowych i pokazuje, które kategorie cieczy można za ich pomocą mierzyć.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Conductive liquid | |||||||
| Liquid | |||||||
| Gas | |||||||
| Steam |
Zielony = standard; Pomarańczowy = należy zachować ostrożność; Czerwony = nie jest to możliwe lub zalecane
Tabela pozwala jedynie na wykluczenie zasady pomiaru dla danej kategorii cieczy. W filmie i poniższych opisach można znaleźć bardziej szczegółowe informacje na temat poszczególnych metod pomiarowych.
Dość skomplikowane i bardzo drogie przepływomierze oparte na zasadzie Coriolisa mają wyjątkową zaletę w porównaniu do wszystkich innych przedstawionych tutaj zasad. Można określić przepływ masowy (kg/h, t/h itp.), nawet jeśli gęstość nie jest stała.
Na przykład przepływomierze Coriolisa zawierają rurę, która jest stale oscylowana przez wzbudnicę. Jeśli nie występuje przepływ, rura pomiarowa oscyluje tam i z powrotem równomiernie na całej długości. Jeśli przepływ ma miejsce, bezwładność medium pomiarowego powoduje ruch kołysania wzdłuż rury w postaci fali. Sekcje na początku i na końcu rury oscylują w różnych kierunkach w tym samym czasie (tj. z przesunięciem fazowym). Przesunięcie fazowe ϕ jest mierzone - jest to bezpośrednia miara przepływu
v ~ φ.
Jeśli rura jest wypełniona cięższym medium, wibruje z niższą częstotliwością. Dlatego częstotliwość jest miarą gęstości medium pomiarowego. Poprzez przepływ i gęstość, przepływomierze określają przepływ masowy.
Przepływomierze Coriolisa są uważane za najdokładniejsze przepływomierze liniowe na rynku, ze specyfikacjami zaczynającymi się od 0,05% wartości mierzonej.
| Przepływomierz Coriolisa | |
|---|---|
| Zalety | wysoki stopień dokładności, określanie przepływu masowego, brak sekcji wlotowych i wylotowych |
| Wady | bardzo wysoki koszt, strata ciśnienia, wrażliwa reakcja na pęcherzyki gazu w cieczy |
Przepływomierz elektromagnetyczny (EMF) dokonuje pomiaru zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Składa się on z metalowej rury pomiarowej, przez którą przepływa przewodzące medium pomiarowe. Cewki generują pole magnetyczne, które jest prowadzone przez medium prostopadle do kierunku przepływu.
Napięcie jest indukowane, gdy przewodząca ciecz przemieszcza się przez ortogonalne pole magnetyczne. Indukowane napięcie jest mierzone za pomocą elektrod, które są ustawione pod kątem 90° do cieczy i pola magnetycznego (reguła prawej dłoni).
Przepływomierz elektromagnetyczny
Indukowane napięcie jest proporcjonalne do prędkości przepływu.
v ~ Uind
| Przepływomierze elektromagnetyczne | |
|---|---|
| Zalety | wysoki poziom dokładności, brak strat ciśnienia, brak/niskie sekcje wlotowe i wylotowe, elastyczne możliwości zastosowania |
| Wady | Wysokie koszty, tylko dla mediów przewodzących |
Do ultradźwiękowego pomiaru przepływu wykorzystywane są głównie 2 różne zasady fizyczne: zasada czasu przejścia i zasada Dopplera. Na rynku dominuje opisana tutaj zasada czasu przejścia.
Ultradźwięki to fala mechaniczna lub akustyczna, która jest zwalniana pod prądem i przyspieszana z prądem. W przypadku pomiarów przepływu za pomocą ultradźwięków mierzone są różne czasy przejścia (z prądem i pod prąd) dla tego samego odcinka. Różnica między tymi dwoma czasami jest miarą prędkości przepływu.
V ~ △ t
Aby zmierzyć różnicę czasu, potrzebne są 2 przetworniki, które służą jako "głośnik" i "mikrofon".
| Przepływomierze ultradźwiękowe | |
|---|---|
| Zalety | dokładność, niski spadek ciśnienia (zależy od mechanicznego wykonania rury/przetwornika), krótkie odcinki wlotowe i wylotowe |
| Wady | Pomiar możliwy tylko do maksymalnej zawartości pęcherzyków gazu i ciał stałych, brak możliwości pomiaru mediów o bardzo wysokiej lepkości. |
Zasada pomiaru wirów opiera się na ulicy wirowej Kármána, w której ciało z przepływem wokół niego powoduje powstawanie wirów przeciwbieżnych. W praktyce wiry są tworzone w przepływającym medium poprzez wprowadzenie przeszkody do rury. Wiry obracają się przeciwbieżnie i są naprzemiennie odrywane od przeszkody po lewej i prawej stronie. Wiry tworzą lokalne różnice ciśnień za przeszkodą, które są rejestrowane przez odpowiednio zaprojektowany czujnik. Czujnik mierzy liczbę wirów na jednostkę czasu (tj. częstotliwość występowania wirów). Częstotliwość jest proporcjonalna do prędkości przepływu.
v ~ ƒ
| Przepływomierze Vortex | |
|---|---|
| Zalety | możliwość stosowania w cieczach, gazach i parze, wysokie ciśnienia i temperatury, dostępne ekonomiczne warianty |
| Wady | możliwe tylko lepkości zbliżone do wody, brak zastosowań "niskoprzepływowych" |
Metoda ta wykorzystuje 2 czujniki rezystancyjne, z których jeden służy jako element grzewczy, a drugi jako element wykrywający temperaturę medium. Różnica temperatur pomiędzy grzejnikiem Pt100 a medium jest utrzymywana na stałym poziomie, a moc cieplna wymagana do tego celu jest mierzona. Im wyższy przepływ czynnika, tym większa moc cieplna jest wymagana do utrzymania stałej różnicy temperatur. W ten sposób można wyciągnąć wnioski na temat odpowiedniego całkowitego natężenia przepływu przez moc cieplną.
Dostarczona moc jest miarą prędkości przepływu:
v ~ P
Przepływomierz kalorymetryczny
| Przepływomierz kalometryczny | |
|---|---|
| Zalety | Ekonomiczna technologia czujników dla gazu + cieczy, możliwe pomiary wycieków |
| Wady | przylegające zanieczyszczenia/wilgoć (z gazem) wpływają na pomiar, dokładność przy "tanich" rozwiązaniach raczej niska, wynik pomiaru zależy od medium |
Elementy pierwotne obejmują kryzy, rurki Pitota lub zwężki Venturiego. Zainstalowane w rurze, generują różnicę ciśnień, która jest mierzona, na przykład, w kryzie poprzez ciśnienie statyczne przed i za kryzą. Prędkość przepływu można określić na podstawie różnicy ciśnień zgodnie z równaniem Bernoulliego; jest ona proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z różnicy ciśnień:
v ~ √△p
Do pomiaru różnicy ciśnień wymagane są odpowiednie czujniki różnicy ciśnień. Dokładność składa się zatem z niepewności elementu pierwotnego i przetwornika różnicy ciśnień.
Element podstawowy
| Element podstawowy | |
|---|---|
| Zalety | możliwość pomiaru wysokich temperatur i ciśnień dzięki mechanicznej elastyczności elementu głównego, dla gazu, cieczy i pary wodnej |
| Wady | ograniczona dynamika pomiaru ze względu na stosunek minimalnego i maksymalnego przepływu (1:5 do 1:7), niekorzystny stosunek dokładności do kosztów dla małych średnic |
Koło łopatkowe jest obracane przez przepływ medium, a indukcyjny generator impulsów przymocowany do obudowy emituje jeden impuls na przechodzące koło łopatkowe. Częstotliwość impulsów jest bezpośrednią miarą prędkości przepływu:
v ~ ƒ
Wiele czujników łopatkowych emituje sygnał impulsowy bezpośrednio, a jednostka oceniająca określa na jego podstawie przepływ. Alternatywnie, czujniki mogą być również wyposażone w komponenty elektroniczne, które konwertują sygnał impulsowy na sygnał analogowy i przekazują go do jednostki oceniającej.
Czujnik przepływu z kołem łopatkowym
| Czujniki przepływu z kołem łopatkowym | |
|---|---|
| Zalety | dostępne są ekonomiczne typy konstrukcji, elastyczne zastosowanie materiałów umożliwia pomiar mediów korozyjnych |
| Wady | zastosowanie przy niskim przepływie możliwe tylko w ograniczonym zakresie ze względu na tarcie rozruchowe, system nie jest odporny na zużycie ze względu na ruchome części |
Zasada pomiaru musi być odpowiednia dla danego medium - jak opisano powyżej. Inne wymagania, które musi spełniać urządzenie do pomiaru przepływu, obejmują:
Ze względu na te różne wyzwania, niezbędne jest fachowe doradztwo w zakresie wyboru przepływomierza.
