Měření průtoku – Co byste měli vědět

Jak definujete měřený průtok?

Měření průtoku určuje množství za jednotku času, které protéká potrubním systémem. Médiem může být kapalina, plyn nebo pára. Při měření průtoku se rozlišuje mezi měřením objemového průtoku a měřením hmotnostního průtoku.

Objemový průtok

Objemový průtok je objem, který protéká potrubím za jednotku času (v l/h, cfm atd.). Většina zde představených systémů měří objemový průtok.

Hmotnostní průtok

Hmotnostní průtok je definován jako hmotnost, která protéká systémem za jednotku času (v kg/h, t/h atd.). Pokud je hustota média konstantní, lze hmotnostní průtok určit vynásobením objemového průtoku hustotou. Pokud hustota není konstantní, jak je tomu často u páry a plynů, musí se měřit také pomocí měřicí techniky.

V jakých aplikacích je třeba měřit průtok?

V mnoha aplikacích je jediným požadavkem detekce minimálního průtoku média. Použití průtokových monitorů je pak nutné pro zajištění ochrany čerpadel před chodem nasucho.

Zde představená senzorová technologie se však používá pro kontinuální měření průtoku a nachází uplatnění v aplikacích, jako jsou:

• Plnění konečných produktů do lahví, nádob nebo nádrží
• Monitorování nebo zobrazování celkového průtoku v různých procesech
• V systémech pro obchodní účely, jako jsou čerpadla paliva nebo měřiče teplé a studené vody atd.

Jaké jsou požadavky na měření průtoku?

Požadavky na průtokoměr se velmi liší v závislosti na měřené úloze. Pro plnění je vyžadována dobrá opakovatelnost. V systémech pro obchodní měření je nutný certifikát o typové zkoušce (alespoň v EU). Podobně i pro monitorování a zobrazování celkového průtoku v procesu existuje řada požadavků, které souvisejí s konkrétní aplikací nebo odvětvím. Ty vyplývají mimo jiné z typu měřeného média a požadavků na přesnost, ale také z právních povinností, jako je směrnice o tlakových zařízeních v EU nebo ochrana proti výbuchu podle směrnice ATEX.

Jaká média měří průtokový senzor?

Média se dělí do 4 různých kategorií, pro které lze použít pouze vybranou technologii senzorů:

• Vodivé kapaliny (>20 ?S/cm): kyseliny, zásady, pivo, mléko, pitná voda atd.
• Nevodivé kapaliny: alkoholy, glykoly, kapaliny na bázi minerálních olejů, deionizovaná voda atd.
• Plyny: kyslík, dusík, stlačený vzduch, zemní plyn atd.
• Pára: nasycená pára, přehřátá pára

Jaké jsou metody měření průtoku?

Průtokoměry fungují podle různých měřicích principů, ale žádný z nich nemůže měřit všechna média z výše uvedených kategorií. Následující tabulka uvádí běžné metody měření a ukazuje, které kategorie kapalin lze pomocí nich měřit.

Coriolisovo měření průtoku

Poměrně složité a velmi drahé průtokoměry založené na Coriolisově principu mají oproti všem ostatním zde představeným principům jedinečnou výhodu. Můžete určit hmotnostní průtok (kg/h, t/h atd.), i když hustota není konstantní.

Coriolisovy průtokoměry například obsahují trubku, která je neustále rozkmitávána budičem. Pokud nedochází k žádnému průtoku, měřicí trubka se rovnoměrně kmitá po celé délce. Pokud dochází k průtoku, setrvačnost měřené látky způsobuje kmitání podél trubky ve formě vlny. Části na začátku a na konci trubky pak kmitají současně v různých směrech (tj. s fázovým posunem). Fázový posun ? se měří ? je to přímá míra průtoku

v ~ ?.

Pokud je trubka naplněna těžším médiem, vibruje při nižší frekvenci. Frekvence je tedy měřítkem hustoty měřeného média. Na základě průtoku a hustoty určují průtokoměry hmotnostní průtok.

Coriolisovy průtokoměry jsou považovány za nejpřesnější inline průtokoměry na trhu, s přesností od 0,05 % naměřené hodnoty.

Elektromagnetické měření průtoku

Elektromagnetický průtokoměr (EMF) měří podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce. Skládá se z kovové měřicí trubice, kterou protéká vodivé měřené médium. Cívky generují magnetické pole, které je vedeno médiem kolmo ke směru proudění.

Jakmile se vodivá kapalina pohybuje ortogonálním magnetickým polem, indukuje se napětí. Indukované napětí se měří pomocí elektrod, které jsou uspořádány v úhlu 90° k kapalině a magnetickému poli (pravidlo pravé ruky).

Indukované napětí je úměrné rychlosti proudění.

v ~_Uind

Ultrazvukové měření průtoku

Pro ultrazvukové měření průtoku se používají hlavně 2 různé fyzikální principy: princip doby průchodu a Dopplerův princip. Trh dominuje princip doby průchodu, který je popsán zde.

Ultrazvuk je mechanická nebo akustická vlna, která je proti proudu zpomalena a s proudem zrychlena. Při měření průtoku ultrazvukem se měří různé doby průchodu (s proudem a proti proudu) pro stejný úsek. Rozdíl mezi těmito dvěma dobami je měřítkem rychlosti průtoku.

V ~ ? t

K měření časového rozdílu jsou zapotřebí dva snímače, které slouží jako „reproduktor“ a „mikrofon“.

Měření vířivého proudění

Princip měření vírů je založen na Krmnově vírové ulici, ve které těleso, kolem kterého proudí tekutina, způsobuje vznik protiběžných vírů. V praxi se víry vytvářejí v proudícím médiu zavedením překážky do potrubí. Víry jsou protiběžné a střídavě se odtrhávají od překážky na levé a pravé straně. Vír vytvoří za překážkou lokální tlakové rozdíly, které jsou zaznamenány vhodně navrženým senzorem. Senzor měří počet vírů za jednotku času (tj. frekvenci vznikajících vírů). Frekvence je úměrná rychlosti proudění.

v ~ ?

Kalorimetrické měření průtoku

Tato metoda využívá 2 odporové senzory, z nichž jeden slouží jako topný článek a druhý jako snímač teploty média. Teplotní rozdíl mezi topným článkem Pt100 a médiem se udržuje na konstantní úrovni a měří se tepelný výkon potřebný k jeho udržení. Čím vyšší je průtok média, tím větší tepelný výkon je potřebný k udržení konstantního teplotního rozdílu. Tímto způsobem lze na základě tepelného výkonu odvodit celkový průtok.

Dodávaný výkon je měřítkem rychlosti průtoku:

v ~ P

Měření průtoku pomocí diferenčního tlaku/primárního prvku

Primární prvky zahrnují clonové desky, Pitotovy trubice nebo Venturiho trubice. Jsou instalovány v potrubí a generují diferenční tlak, který se měří například v clonové desce pomocí statického tlaku před a za clonovou deskou. Rychlost průtoku lze určit z diferenčního tlaku podle Bernoulliho rovnice; je úměrná druhé odmocnině diferenčního tlaku:

v ~ ??p

K měření diferenčního tlaku jsou zapotřebí vhodné snímače diferenčního tlaku. Přesnost se tímto skládá z nejistoty primárního prvku a snímače diferenčního tlaku.

Měření průtoku pomocí lopatkového kola

Lopatkové kolo je otáčeno proudem média a indukční generátor impulsů připevněný k pouzdru vysílá jeden impuls za každé lopatkové kolo, které projde. Frekvence impulsů je přímým měřítkem rychlosti průtoku:

v ~ ?

Mnoho senzorů s lopatkovým kolem vysílá pulzní signál přímo a vyhodnocovací jednotka z něj určuje průtok. Alternativně mohou být senzory také vybaveny elektronickými součástkami, které převádějí pulzní signál na analogový signál a předávají jej vyhodnocovací jednotce.

Jak vybrat správný snímač pro měření průtoku?

Princip měření musí být vhodný pro dané médium, jak je popsáno výše. Další požadavky, které musí průtokoměr splňovat, zahrnují:

• Provozní podmínky (rozsah průtoku, tlak, teplota, kompatibilita materiálů)
• Podmínky instalace (vstupní/výstupní sekce, vedení potrubí, instalace)
• Vlivy prostředí (teplota, vlhkost, vibrace)
• Zákonné požadavky (ochrana proti výbuchu, povinnost kalibrace)

Výběr dále komplikují širší praktické omezení:

• Obsah pevných látek nebo plynů
• Neoptimální instalační situace
• Náklady versus přesnost

Vzhledem k těmto různým výzvám je při výběru průtokoměru nezbytné odborné poradenství.