by Bohuslav Bobrik Bohuslav Bobrik

←Prejsť na prvú časť tohto článku


Neinvazívne – príložné riešenia pre meranie prietoku:

Problematiku merania prietoku bez akéhokoľvek zásahu do integrity potrubia (hovoríme o príložnom meraní) riešia v praxi momentálne výhradne ultrazvukové techniky a technológie.

Tu je na mieste hneď na začiatku rozdeliť merania v zmysle aplikácie a možností na dve skupiny. Prvou je UZ príložné meranie prietoku kvapalín, no a tou druhou je meranie plynov a pary. Zatiaľ čo príložné meranie prietoku kvapalín ultrazvukom dnes predstavuje takmer bežnú priemyselnú aplikáciu, ktorú navyše zvláda technológia pomerne veľkého počtu výrobcov, príložné meranie prietoku plynov (a pary) je doména naozaj úzkej skupiny „vyvolených“. Dominantné celosvetové postavenie vo vývoji a nasadzovaní príložných UZ prietokomerov pre plyny má opäť bezpochyby výrobca General Electric so svojou historickou značkou Panametrics.

Z pohľadu realizovania inštalácie príložných UZ prietokomerov pri oboch skupinách ide o umiestnenie požadovaného množstva UZ meničov na povrch vhodného potrubia, pričom musí byť zabezpečený čo najlepší zvuk-vodivý kontakt medzi meničom a potrubím.

Keďže potrubie sa v tomto prípade stáva priamo súčasťou technológie prietokomera (UZ signály prechádzajú jeho stenou, resp. sa od neho odrážajú), je posúdenie jeho stavu a tým vhodnosti pre UZ meranie (materiálovej aj konštrukčnej) jedným z kľúčových faktorov realizovateľnosti merania. Existujú viaceré limitujúce parametre a vlastnosti potrubia stanovované pre konkrétne meracie systémy. Ako minimálne všeobecné požiadavky možno spomenúť tieto:

  • potrubie musí byť vyrobené zo zvuk-vodivého materiálu so známymi akustickými vlastnosťami (vhodné sú najmä uhlíkové ocele, ale aj železné a neželezné kovy, sklo, či niektoré plasty),
  • povrch potrubia musí byť homogénny bez veľkých nánosov korózie, farby, či izolácie,
  • v prípade existencie vnútornej výstelky potrubia musí byť aj táto z materiálu s vhodnými a známymi akustickými vlastnosťami.

Na zabezpečenie zvuk-vodivého spojenia medzi UZ meničom a povrchom potrubia sa používajú rôzne (v závislosti od aplikácie) spojovacie materiály. Od čistého glycerínu v kvapalnej forme (tak ako to poznáme z UZ vyšetrenia u lekára) pre dočasné merania prietoku kvapalín pri izbových teplotách, cez špeciálne hmoty a lepenky tlmiace vplyvy okolia pri meraní prietoku plynov, až po tenké fólie vzácnych kovov pre permanentné meranie prietoku kvapalín pri extrémnych teplotách povrchu potrubia.

Pozíciu a geometriu uloženia jednotlivých UZ meničov zabezpečujú opäť rôzne, viac či menej, sofistikované držiaky a upínacie prvky.

Dva rôzne spôsoby umiestnenia príložných ultrazvukových meničov na potrubie.

Príložné UZ meranie kvapalín

Ako už bolo naznačené, prístrojové možnosti v tejto oblasti sú skutočne široké. O výbere tak bude logicky rozhodovať pomer medzi požiadavkami aplikácie a kvalitou (ako je to zvykom – teda aj cenou)  zvolenej inštrumentácie.

So základnými jednoduchými aplikáciami, typu indikácie prietoku technickej, či odpadovej vody s obsahom bublín alebo pevných častíc, si dobre poradia aj pomerne jednoduché prístroje využívajúce Dopplerov princíp merania (meria sa zmena frekvencie prijatého odrazeného signálu spôsobená pohybom častíc od ktorých sa signál odrazil). Takýto spôsob merania nájdeme na trhu ako jednoduché samostatné prístroje, alebo tiež ako doplnkovú funkciu sofistikovanejších UZ prietokomerov niektorých výrobcov.

Ultrazvukový príložný prietokomer pre meranie kvapalín BHGE AT600 v konfigurácii s meničmi pre malé potrubia. Zdroj: BHGE

Určite najvyužívanejšou a najlepšie zvládnutou technológiou príložného merania prietoku kvapalín je metóda merania prechodového času tzv. „Transit Time“ (rýchlosť prúdenia média sa vyhodnocuje na základe rozdielu prechodových časov UZ signálov  v smere a proti smeru prúdenia média) využívajúca pre primárne vyhodnotenie rýchlosti prúdenia média vždy minimálne dva UZ meniče. Väčšina príložných prístrojov pracujúcich na tomto princípe zvládne plnohodnotné meranie v rozsahu rýchlosti prúdenia kvapaliny približne do 12 m/s ( maximálne hodnoty závisia od priemeru potrubia)  s presnosťou merania na úrovni 1-3% z meranej hodnoty rýchlosti prúdenia kvapaliny (v závislosti od podmienok a aplikácie – pri prevádzkovej kalibrácii prístroja je možné bez problémov dosiahnuť aj hodnoty nižšie ako 1% z meranej hodnoty).

Avšak pri kvapalinách (najmä voda) môže ísť v priemysle aj o prietoky cez veľké a veľmi veľké potrubia ( potrubia DN1200-1500 používané  v oceliarskom priemysle, alebo aj potrubia DN5000 a viac v prípade hydroelektrární). Pri takýchto aplikáciách už obstoja skutočne len tie najvýkonnejšie zariadenia.

Príložné UZ meranie prietoku technickej vody na potrubí DN1200 realizované spol. Intech Control spol, s.r.o. pomocou prenosného UZ prietokomera GE TransPort PT900

Ďalším príkladom náročnej príložnej kvapalinovej aplikácie je meranie prietoku média s veľmi nízkou teplotou (kriogénne aplikácie), alebo naopak veľmi vysokou teplotou. Špičkové priemyselné príložné prietokomery disponujú príslušenstvom (izolačné zvukovody ochraňujúce UZ meniče pred priamym stykom s horúcim povrchom potrubia) pre použitie pri teplotách od -200°C až do +400°C.

Výrazným limitujúcim faktorom UZ príložného merania prietoku kvapalín je okrem vyššie uvedených požiadaviek na potrubie, aj výskyt pevných alebo plynných fáz v meranej kvapaline. Technológia „Transit Time“ sa dokáže vysporiadať s ich výskytom približne do 2% z objemu kvapaliny.

Trh je zaplavený desiatkami prístrojov využívajúcich technológiu merania prechodového času a teda je skutočne z čoho vyberať. Z vlastných skúseností však vieme, že nie je prístroj ako prístroj – o to viac, ak uvažujeme v kontexte priemyselných aplikácií s jednoznačnými požiadavkami na kvalitu merania. Špičkovou a univerzálnou voľbou bude napríklad prenosný prístroj GE Panametrics PT900 alebo GE AT600 pre trvalé inštalácie.

 

Príložné UZ meranie plynov

Príložné UZ meranie prietoku plynov je problematikou výrazne zložitejšou a tak je aj ponuka vhodnej, ale najmä funkčnej inštrumentácie podstatne menšia. Často sa dokonca v prostredí zákazníkov z priemyslu objavuje názor „to sa predsa nedá…“. Nie je to pravda! Príložné UZ meranie plynov má niekoľko výrazných obmedzení, avšak pri vhodných aplikáciách je možné a v praxi úspešne využívané.

Základným rozdielom oproti kvapalinám je fakt, že plynné médium má nižšiu hustotu a teda zvuk sa v ňom šíri pomalšie a s vyšším útlmom. UZ prietokomery pre plyny preto všeobecne (platí to pravdaže aj pre prietokomery príložné) pracujú s nižšími frekvenciami zvuku (50 – 500KHz oproti 0,5-4Mhz pri kvapalinách) a s vyššími výkonmi prenášanými na UZ meniče. Typická zostava UZ prietokomera pre plyny tak oproti kvapalinovému prietokomeru obsahuje navyše zosilňovače signálov. Do zostavy býva tiež pridaný tzv. tlmiaci materiál, ktorý po inštalovaní na potrubie v mieste merania pohlcuje rušivé signály šíriace sa potrubím na frekvenciách blízkych tým meracím.

Príložný UZ merací systém GE GC868 inštalovaný spol. Intech Control, spol. s r.o. na ťažobnej sonde surového zemného plynu pre zákazníka Nafta, a.s.

Ako vieme, hustota plynu je priamo závislá od jeho tlaku a preto práve tlak média predstavuje základný limitujúci faktor použiteľnosti UZ merania pri príložnom meraní prietoku plynov. Príliš nízky tlak média spôsobuje turbulencie v jeho prietoku, čo v kombinácii s vysokým útlmom signálu generuje výrazné chyby v prenose UZ signálov. Minimálne hodnoty tlaku média bývajú súčasťou špecifikácie konkrétneho prietokomera a pre rôzne skupiny plynov ich výrobcovia určujú na základe laboratórnych overovaní vo fáze vývoja zariadenia. V závislosti od tlaku média sa pre konkrétne aplikácie volí tiež pracovná frekvencia UZ meničov prietokomera a spôsob ich geometrického usporiadania na potrubí. Takto získané kombinácie parametrov aplikácie a zvoleného príslušenstva prietokomera určujú tiež špecifický rozsah merateľnej rýchlosti prúdenia média (rozsah max. hodnôt rýchlostí je v rozmedzí približne od 10m/s do 120m/s v závislosti od použitého prístroja a podmienok aplikácie).

S riešením pre príložné aplikácie s tlakom média nižším ako minimálne požadovaným pre „TransitTime“ technológiu, prišiel opäť  a tento krát ako jediný, výrobca General Electric. Ide o patentovanú metódu UZ merania nazvanú „Correlation Tag“. Princíp je založený na dvoch rovnakých pároch UZ meničov umiestnených na potrubí v definovanej vzdialenosti. Elektronika prietokomera identifikuje práve špecifické zhodné poruchy (Tag-y) prenosu UZ signálu pri každom z dvoch párov meničov. Na základe časového odstupu medzi týmito poruchami je určovaná rýchlosť prúdenia média.

Princíp rozmiestnenia UZ meničov pri UZ technológii „Correlation Tag“ a UZ príložný prietokomer pre plyny BHGE CTF878 inštalovaný na plastovom plynovom potrubí. Zdroj: BHGE

Prietokomer pracujúci na tomto princípe je potom schopný merať prietok plynu s tlakom už od atmosférického tlaku v rozsahu rýchlosti prúdenia +-46 m/s pri potrubiach maximálne do priemeru DN750. Výrazným limitujúcim faktorom pri „Correlation Tag“ prietokomeroch je vlhkosť meraného média. Všeobecne tento prietokomer pracuje správne len so suchými a čistými médiami.

Príložné meranie prietoku pary a prehriatej pary

Príložné meranie pary je častou požiadavkou zákazníkov. Napriek tomu, že UZ prietokomery pre plyny pracujúce na princípe merania prechodového času takéto merania s vhodným príslušenstvom zvládajú bez väčších obmedzení, v praxi vieme požiadavky zákazníkov splniť len občasne. Hlavným dôvodom odmietnutia je typická požiadavka na meranie prietoku pary bez prerušenia prevádzky parovodu. Aj keď ide o meranie „príložné“, v praxi nejde len o „priloženie“ (čo je častá predstava zákazníka) – potrubie je potrebné v zvolenom mieste odizolovať, ošetriť (parovody bývajú často pod izoláciou na povrchu zásadne skorodované) a ešte pred inštalovaním UZ zostavy naň umiestniť špeciálny vysoko teplotný tlmiaci materiál. Je jasné, že pri potrubí s povrchovou teplotou niekoľko sto °C, toto nebude jednoduchá, ak vôbec zvládnuteľná úloha.

Príložný UZ prietokomer pre plyny v konfigurácii s vysoko-teplotným tlmiacim krytom inštalovaný na parnom potrubí DN100. Zdroj: GE

Keďže vysokoteplotný tlmiaci materiál nie je lacná záležitosť a je použiteľný len jednorázovo, do hry navyše vstupuje ekonomický rozmer takéhoto merania.

V prípadoch, keď je možné popísané prípravné práce vykonať pri odstavenom parovode (niekedy postačuje dočasné zníženie výkonu), je príložné UZ meranie prietoku nasýtenej aj prehriatej pary realizovateľné s principiálne rovnakými prístrojmi (pravdaže s vhodným vysoko teplotným príslušenstvom) a za podmienok podobných ako pri príložnom meraní plynov. Platí tiež, že limitné hodnoty  merateľnosti sa v zásade odvíjajú rovnako ako pri plynoch od minimálneho požadovaného tlaku média (v tomto prípade pary).

 

Záver

Aj keď už doteraz bolo spomenutých pomerne veľa rôznych princípov merania prietoku realizovateľných bez prerušenia prevádzky potrubia, nejde v žiadnom prípade o zoznam všetkých možností v tomto smere. Opísané princípy a postupy by bolo možné rozšíriť napríklad o zásuvné prístroje na princípe merania diferenčného tlaku (najčastejšie „Pitotove trubice“) úspešne nasadzované v oblasti ventilácie, alebo v stabilných rozvodoch vykurovacej pary. Pri príložných meraniach sa ako tiež perspektívne ukazujú prietokomery pracujúce na princípe „Sonaru“, pričom tento princíp dobre zvláda najmä multi-fázové aplikácie typické pre ťažobné polia kvapalných a plynných uhľovodíkov. Tému by bolo možné posunúť do podrobnejšej roviny aj z pohľadu aplikačných a prevádzkových parametrov jednotlivých prístrojov a ich variant. V tomto smere ide vývoj výrobcov rýchlo dopredu a limitom sa stávajú skutočne už len principiálne fyzikálne obmedzenia zvolených meracích princípov.

Naopak, cieľom textu by mal byť ucelený pohľad na aplikačné možnosti v tomto smere a poukázanie na špecifické vlastnosti a aplikačné aj prevádzkové obmedzenia dvoch rôznych inštalačných prístupov a s tým súvisiacich moderných technológií merania prietoku.