Przetwornikowe ABC

Wybierając przetwornik pomiarowy na ogół kierujemy się średnicą przyłączeniową oraz znanym natężeniem przepływu charakteryzującym rurociąg. Na podstawie tych informacji poszukujemy i ostatecznie, po uwzględnieniu ich ceny, dokonujemy wyboru optymalnego dla nas urządzenia.

Czy na pewno jest to optymalny wybór? Tak – ale dla wyżej wymienionych kryteriów. Jeśli spojrzymy na zagadnienie szerzej może się już okazać zupełnie inaczej.

Przepływomierze magnetyczne indukcyjne

Indukcyjne przetworniki są najdokładniejszym urządzeniem pomiarowym z omawianych tutaj. Taki przepływomierz zbudowany jest z izolowanego korpusu w postaci rury, umieszczonych na nim elektrod pomiarowych oraz magnesów wytwarzających pole magnetyczne. Płynący prąd o zmiennej biegunowości powoduje powstanie pola magnetycznego. Powstająca w płynącej cieczy siła elektromotoryczna i obecność prądów wirowych skutkuje spadkiem napięcia na elektrodach.

Spadek ten zależeć będzie od prędkości przepływu co przy znajomości pola przekroju poprzecznego pozwala określić jego chwilowe natężenia:

Q = k A U

gdzie: 
k – stała wynikająca ze skalowania przetwornika, 
A – pole przekroju poprzecznego, 
U – napięcie przetwornika.

Prawo fizyczne określające relację pomiędzy natężeniem przepływu a polem przekroju poprzecznego rurociągu i prędkością przepływu zwane jest zasadą zachowania ciągłości strugi cieczy. To właśnie prawo stanowi fundament pomiarów przepływu i każdy z omawianych przetworników wykorzystuje tę zależność.

Bardzo istotną cechą tego typu przetworników pomiarowych jest stosunkowo niewielki wpływ na dokładność pomiaru, takich parametrów jak: gęstość cieczy, lepkość, zanieczyszczenia ciałami stałymi oraz zaburzenia przepływu. Czyni to ten przetwornik użytecznym wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia np. z substancjami żrącymi, mieszaninami cieczy i ciał stałych występującymi np. w starych instalacjach eksploatowanych od wielu lat.

Niewątpliwym minusem przetworników elektromagnetycznych jest ich stosunkowo wysoki koszt (w odniesieniu do przetworników mechanicznych) oraz zapotrzebowanie na energię elektryczną (np. konieczność wpięcia do sieci elektrycznej). Dodatkowo opomiarowana ciecz musi być przewodnikiem elektrycznym. Minimalny stopień przewodnictwa zależeć będzie od budowy samego przetwornika.

Przetwornik mechaniczny

Rozróżniamy dwa rodzaje przetworników mechanicznych – z pionową oraz z poziomą osią wirnika. Składają się one z korpusu, w którym osadzony jest ruchomy wirnik. Wirnik sprzęgnięty jest z kolei z układem zliczającym.

Przetworniki te wykorzystują energię prędkości strugi cieczy zamieniając ją na prędkość kątową wirnika. Jeśli pominiemy siły to zależność na prędkość wirnika będzie wyglądała następująco:

ω = V / r_z

gdzie: 
r_z to promień zastępczy wirnika.

Dla przetworników z osią poziomą znaczenie również będzie miał kąt pochylenia łopatek turbiny.

Przekształcając powyższe równanie uzyskuje się wartość chwilowej prędkości przepływu. Po podstawieniu zależność na chwilowe natężenie przepływu wygląda następująco:

Q = V A = ω rz A

gdzie: 
A jest polem przekroju poprzecznego.

W przetwornikach mechanicznych z pionową osią wirnika, dla małych przepływów, problemem jest uzyskanie wystarczająco dużego momentu napędowego przy niskich prędkościach przepływu. Moment napędowy musi być większy od sumy momentów oporów ruchu samego wirnika, oporów tarcia liczydła oraz oporów hydraulicznych.

Rozwiązaniem tego problemu jest odpowiednie dobranie średnic kanałów dolotowych (wraz ze zmniejszeniem przekroju poprzecznego rośnie prędkość cieczy) oraz całkowite wyeliminowanie mechanicznego liczydła. Eliminację tą uzyskuje się dzięki zastosowaniu np. nadajnika impulsów elektrycznych.

Przejście w pobliżu cewki nadajnika elementu ferromagnetycznego indukuje w nim impuls – ilość tych przejść na jednostkę przepływu określa czułość urządzenia (impulsowanie), wyrażone najczęściej jako [imp./l]. Impulsy trafiają do urządzenia zliczającego, które z kolei przelicza je na jednostkę przepływu.

Przetworniki mechaniczne są wrażliwe na zaburzenia przepływu – doprowadzić mogą do sporego błędu pomiaru. Stąd wynika konieczność stosowania odcinków prostych przed i za przetwornikiem. Zabrudzenie medium grzewczego jest również kryterium ograniczającym zastosowanie przetworników mechanicznych. Osady wewnątrz korpusu mogą doprowadzić do przedwczesnego uszkodzenia łożyska oraz wzrostu spadku ciśnienia.

Do zalet mechanicznych przetworników należeć więc będą:

• bardzo niski koszt (w odniesieniu do pozostałych dwóch przepływomierzy),
• dobre własności metrologiczne,
• brak konieczności zasilania energią elektryczną co wydłuża czas „życia” baterii ciepłomierza.

Wadami na pewno są:

• wrażliwość na zanieczyszczenia
• duża wrażliwość zaburzenia przepływu

Przetworniki ultradźwiękowe

Zasada działania tego typu przetworników opiera się na efekcie Dopplera. Wartość chwilowego natężenia przepływu przetwornik określa wysyłając naprzemiennie falę dźwiękową, raz zgodnie z kierunkiem przepływu, raz przeciwnie. Przy braku przepływu czasy przejścia fal w obu kierunkach są równe.

W przypadku wystąpienia przepływu czas przejścia fali w kierunku przeciwnym będzie dłuższy aniżeli czas przejścia fali o zgodnym kierunku. Zmierzona różnica w czasie jest proporcjonalna do prędkości przepływu.

Objętościowy udział, przekraczający około 3%, cząstek stałych oraz pęcherzy gazowych doprowadza do błędu pomiarowego na skutek zmiany prędkości oraz kierunku fali dźwiękowej.

Zalety:

• pomiar niezależny od temperatury i ciśnienia,
• wysoka niezawodność.

Wady:

• wysoki koszt,
• ograniczenie stosowania przy zabrudzonych/zagazowanych cieczach,
• konieczność zasilania energią elektryczną.

Na co zwrócić uwagę?

Doświadczenia w dziedzinie eksploatacji obiektów technicznych wykazują zależność pomiędzy zawodnością a warunkami użytkowania. Zły stan rurociągu oraz zanieczyszczone medium może doprowadzić do błędów pomiarowych oraz przedwczesnego zużycia przetwornika.

Również obecność substancji obcych rozpuszczonych w medium, poprzez ich osiadanie na przetworniku bądź utleniające własności, może destrukcyjnie wpły­nąć na poprawność funkcjonowania urządzenia.

Sposób ukształtowania rurociągu na odcinku, na którym znajdować się będzie przetwornik również może odbić się negatywnie na jego dokładności. Niektóre typy przepływomierzy są praktycznie niewrażliwe na zaburzenia przepływu wywołane ukształtowaniem rurociągu, dla niektórych natomiast może to mieć kluczowe znaczenie.

Ukształtowanie rurociągu, w akumulacji z kształtem komory pomiarowej przetwornika, może doprowadzić w skrajnym przypadku do zjawiska kawitacji, które z pewnością doprowadzi do uszkodzenia urządzenia.

Dobierając przepływomierz należy także wziąć po uwagę naturę samego medium ciepłowniczego/chłodniczego – czy jest to np. woda czy rozwór z glikolem.

Wybór przetwornika jest niewątpliwie zawiłą funkcją wielu zmiennych zależnych od warunków użytkowania, konstrukcji samego urządzenia, ceny jednostkowej i wielu innych czynników. Niestety nie istnieją rozwiązania uniwersalne i całkowicie rozwiązujące problem doboru przetwornika przepływu do ciepłomierzy.

Literatura

1. Edmund Romer, Miernictwo przemysłowe, Warszawa, PWN, 1978 r.