Jak dobrać kalorymetryczny przepływomierz sprężonego powietrza?

Samo zamontowanie przepływomierza nie gwarantuje jednak uzyskania wartościowych danych. Kluczowe znaczenie ma prawidłowy dobór urządzenia do warunków konkretnej instalacji. Przepływomierz, który znakomicie sprawdzi się na głównym kolektorze zakładowym, niekoniecznie będzie odpowiedni do monitorowania pojedynczej maszyny. Inne wymagania występują przy pomiarze rurociągu DN 25, inne przy DN 300, jeszcze inne bezpośrednio za sprężarką, gdzie powietrze może być gorące i silnie zawilgocone. Dlatego dobór kalorymetrycznego przepływomierza sprężonego powietrza powinien uwzględniać jednocześnie:

• rodzaj mierzonego gazu,

• rzeczywisty zakres przepływu,

• minimalny przepływ, który ma być wykrywany,

• średnicę rurociągu,

• ciśnienie robocze,

• temperaturę medium,

• wilgotność i możliwość występowania kondensatu,

• warunki zabudowy,

• wymagane odcinki proste,

• miejsce montażu w instalacji,

• sposób komunikacji z systemem nadrzędnym,

• wymaganą dokładność,

• możliwość demontażu i wzorcowania,

• potrzebę rejestracji zużycia,

• ewentualny pomiar dwukierunkowy,

• wymagania dotyczące stref zagrożonych wybuchem.

Szeroka oferta CS Instruments pokazuje przy tym ważną zasadę: nie istnieje jeden uniwersalny przepływomierz odpowiedni dla każdej instalacji sprężonego powietrza. Producent oferuje zarówno przepływomierze termiczne zanurzeniowe, urządzenia wbudowane, ze zintegrowaną sekcją pomiarową, jak i urządzenia wykorzystujące inne zasady pomiarowe – m.in. różnicę ciśnień czy efekt wirowy – przeznaczone do zastosowań, dla których metoda kalorymetryczna nie zawsze będzie rozwiązaniem optymalnym.

Dlaczego warto mierzyć zużycie sprężonego powietrza?

Sprężone powietrze jest medium niezwykle wygodnym technicznie, ale jego wytwarzanie wymaga energii elektrycznej. Z punktu widzenia przedsiębiorstwa nie powinno być więc traktowane jako „darmowe powietrze z rury”, lecz jako nośnik energii posiadający konkretny koszt jednostkowy. Przepływomierz pozwala odpowiedzieć między innymi na pytania:

• ile sprężonego powietrza zużywa zakład,

• ile zużywa konkretny dział,

• ile pobiera dana linia produkcyjna,

• jaki jest pobór pojedynczej maszyny,

• czy zapotrzebowanie zmienia się pomiędzy zmianami produkcyjnymi,

• czy po zakończeniu produkcji nadal występuje przepływ,

• jak duży jest pobór bazowy instalacji,

• czy działania związane z usuwaniem nieszczelności przyniosły oczekiwany rezultat,

• czy wzrost produkcji powoduje proporcjonalny wzrost zużycia powietrza,

• czy instalacja została prawidłowo zwymiarowana.

Dlatego nowoczesny przepływomierz coraz rzadziej jest jedynie urządzeniem pokazującym chwilową wartość m³/h. Staje się częścią systemu zarządzania energią i diagnostyki instalacji pneumatycznej. Przykładowo kompaktowe przepływomierze VA 525 CS Instruments mogą być stosowane do rozproszonego monitorowania wielu odbiorników sprężonego powietrza i azotu. Dostępne interfejsy komunikacyjne pozwalają integrować punkty pomiarowe z nadrzędnymi systemami monitorowania.

Przepływ masowy a przepływ objętościowy – bardzo ważne rozróżnienie

Podczas doboru przepływomierza do sprężonego powietrza jednym z najczęstszych źródeł nieporozumień jest utożsamianie rzeczywistej objętości gazu w rurociągu z objętością odniesioną do określonych warunków normalnych lub standardowych. Gaz jest ściśliwy. Oznacza to, że ta sama masa powietrza zajmuje inną objętość przy ciśnieniu atmosferycznym, ciśnieniu 7 bar / 10 bar, temperaturze 0°C / 20°C. Dlatego podczas analizy danych przepływowych należy zawsze wiedzieć, do jakich warunków odniesienia przypisana jest podawana wartość przepływu. W urządzeniach CS Instruments spotykane są między innymi jednostki takie jak: m³/h, m³/min, l/min, l/s, Nm³/h, Nl/min, cfm, kg/h, kg/min. Przykładowo dla VA 500 Pneumat System podaje możliwość prezentowania przepływu sprężonego powietrza w odniesieniu do warunków 1000 mbar i 20°C, natomiast dla niektórych gazów dostępne są wartości normalne odnoszone do 1013 mbar i 0°C. Dlatego w projekcie pomiarowym samo stwierdzenie „potrzebujemy przepływomierza do 1000 m³/h” jest niewystarczające. Trzeba doprecyzować: 1000 m³/h w jakich warunkach odniesienia?

Jak dobrać przepływomierz masowy sprężonego powietrza – procedura krok po kroku

Najpierw określ cel pomiaru

To pierwszy i najważniejszy krok. Innego przepływomierza potrzebujemy do:

• orientacyjnego monitoringu zakładu,

• rozliczania wydziałów,

• kontroli pojedynczej maszyny,

• analizy wycieków,

• bilansowania instalacji,

• kontroli wydajności sprężarki,

• systemu ISO 50001,

• prowadzenia badań technologicznych,

• monitorowania gazu technicznego,

• pomiaru w strefie Ex.

Przykładowo do monitorowania pojedynczej maszyny często bardzo praktycznym rozwiązaniem będzie kompaktowy przepływomierz inline. Na dużym kolektorze bardziej ekonomiczny i praktyczny może być czujnik zanurzeniowy montowany przez króciec pomiarowy. A bezpośrednio za sprężarką, gdzie powietrze jest mokre, zastosowanie klasycznego termicznego przepływomierza może wymagać ponownego przeanalizowania technologii pomiaru.

Określ rodzaj medium

Nie wszystkie gazy mają takie same właściwości cieplne. Ma to fundamentalne znaczenie dla przepływomierzy kalorymetrycznych, ponieważ ich działanie wykorzystuje wymianę ciepła pomiędzy elementem pomiarowym a medium. Przepływomierz musi więc być skonfigurowany lub skalibrowany dla odpowiedniego gazu. W przemyśle można spotkać między innymi: sprężone powietrze, azot, argon, tlen, dwutlenek węgla, hel, gaz ziemny, inne gazy procesowe. Przykładowo VA 520 może być stosowany do sprężonego powietrza oraz różnych gazów niekorozyjnych, m.in. azotu, tlenu, argonu czy helu. VA 525 jest z kolei rozwiązaniem szczególnie przeznaczonym do sprężonego powietrza i azotu.

Nie wolno zakładać, że ustawienie „air” będzie prawidłowe dla dowolnego gazu

Jeżeli instalacja pracuje na azocie, argonie lub innym medium, należy sprawdzić:

1. czy dany model przepływomierza obsługuje to medium,

2. czy wymaga fabrycznej konfiguracji,

3. czy współczynnik gazowy można zmienić programowo,

4. czy skład gazu jest stały.

Uważaj na mieszaniny gazów

Kalorymetryczna metoda pomiarowa jest bardzo dobra dla gazów o znanym i stosunkowo stabilnym składzie. Jeżeli jednak skład mieszaniny znacząco zmienia się w czasie, zmianie ulegają również jej właściwości cieplne. Może to prowadzić do błędów wskazań. Dlatego przy gazach technologicznych o zmiennym składzie, nieznanych proporcjach, dużej zawartości par czy zmieniających się właściwościach fizycznych, warto rozważyć inną metodę pomiarową. CS Instruments oferuje z tego powodu również przepływomierze działające według innych zasad, m.in. urządzenia różnicowo-ciśnieniowe i wirowe. Producent wskazuje te technologie jako alternatywę m.in. dla wysokich przepływów oraz określonych zastosowań gazowych.

Sprężone powietrze suche czy mokre?

To jedno z najważniejszych pytań. Typowy przepływomierz termiczny pracuje najlepiej w gazie znajdującym się w jednej fazie. Jeżeli na czujniku pojawi się ciekła woda, olej lub kondensat, jego charakterystyka wymiany ciepła może zostać zaburzona. Dlatego należy rozróżnić powietrze za osuszaczem oraz wilgotne powietrze bezpośrednio za sprężarką. W typowych instalacjach zakładowych przepływomierze kalorymetryczne montuje się często w części instalacji, w której powietrze zostało już odpowiednio przygotowane. Jeżeli natomiast zadaniem jest pomiar bezpośrednio za sprężarką, należy dokładniej przeanalizować metodę. CS Instruments posiada rozwiązania przeznaczone właśnie do takich warunków. Przykładowo seria VD 500 wykorzystuje pomiar różnicy ciśnień i jest przeznaczona do pomiaru wilgotnego sprężonego powietrza bezpośrednio za sprężarką; producent przewiduje dla niej zastosowania w temperaturach sięgających 180°C. To ważna praktyczna wskazówka: dobór przepływomierza należy zaczynać od warunków panujących w miejscu pomiaru, a nie od preferowanej technologii.

Określ średnicę rurociągu

Średnica instalacji wpływa zarówno na dobór konstrukcji urządzenia, jak i na zakres prędkości przepływu. W instalacjach sprężonego powietrza stosowane są dwa podstawowe rozwiązania:

• przepływomierz inline - całe medium przepływa przez dedykowaną sekcję pomiarową urządzenia.

• czujnik zanurzeniowy - sonda zostaje wprowadzona do istniejącego rurociągu przez króciec montażowy. Oba rozwiązania mają swoje zalety.

Przepływomierz inline – kiedy warto go zastosować?

Rozwiązanie inline jest bardzo wygodne przede wszystkim przy mniejszych i średnich średnicach rurociągów. Zaletą jest fabrycznie określona geometria sekcji pomiarowej. Dzięki temu ogranicza się ryzyko błędów związanych z nieprawidłowym pomiarem średnicy wewnętrznej, niewłaściwą głębokością wprowadzenia sondy jak i złym ustawieniem względem osi przepływu. Przykładem jest VA 520 CS Instruments posiadający zintegrowaną sekcję pomiarową i dostępny dla średnic od DN 8 do DN 80. Producent przewiduje możliwość pozostawienia sekcji pomiarowej w rurociągu podczas demontażu samego sensora do czyszczenia lub ponownej kalibracji. Tego typu konstrukcja sprawdza się bardzo dobrze przy maszynach, stanowiskach technologicznych, mniejszych halach, punktach poboru gazu czy wydzielonych odgałęzieniach instalacji.

Czujnik zanurzeniowy – kiedy jest korzystniejszy?

Czujniki zanurzeniowe są szczególnie atrakcyjne przy większych rurociągach. Zamiast montować kosztowny korpus przepływomierza o średnicy DN 150, DN 300 czy DN 500, można umieścić odpowiednio dobraną sondę bezpośrednio w przewodzie. Przykładem jest VA 500 CS Instruments – termiczny przepływomierz przeznaczony do pomiarów sprężonego powietrza i gazów, dostępny w konstrukcji sondowej. Oferta produktowa CS Instruments przewiduje dla rodziny VA 500 zastosowania w bardzo szerokim zakresie średnic instalacji. Zaletami sond zanurzeniowych są możliwość stosowania na dużych rurociągach, niewielka ingerencja w instalację, mały spadek ciśnienia, możliwość demontażu sensora, relatywnie niski koszt punktu pomiarowego na dużej średnicy.

Nie dobieraj przepływomierza wyłącznie według średnicy rury

To jeden z najczęstszych błędów. Rurociąg DN 50 nie oznacza automatycznie, że należy kupić „przepływomierz DN 50”. Najpierw trzeba znać przepływ minimalny i maksymalny. Dwie instalacje o tej samej średnicy mogą pracować zupełnie inaczej.

Przykład:

Instalacja A:

DN 50, przepływ 40–200 m³/h.

Instalacja B:

DN 50, przepływ 5–700 m³/h.

Choć średnica jest identyczna, wymagania wobec zakresu pomiarowego są zupełnie inne. Dlatego właściwy dobór wymaga sprawdzenia prędkości przepływu.

Oblicz orientacyjną prędkość gazu

Dla orientacyjnej analizy można wykorzystać zależność:

prędkość = strumień objętości / pole przekroju rurociągu

Pole przekroju rury wynosi:

pole przekroju = π × średnica² / 4

Trzeba jednak bardzo uważać, ponieważ do równania należy wprowadzić rzeczywistą objętość gazu znajdującą się w rurociągu, a nie bezpośrednio przepływ odniesiony do warunków normalnych. W sprężonym powietrzu różnica jest bardzo duża. Przykładowo 700 Nm³/h przepływające przez rurociąg przy ciśnieniu kilku bar nie oznacza rzeczywistego strumienia 700 m³/h wewnątrz przewodu. Gaz jest sprężony, dlatego jego rzeczywista objętość jest znacznie mniejsza. To jeden z powodów, dla których profesjonalny dobór przepływomierza powinien być wykonywany na podstawie kompletu parametrów procesu. Minimalny przepływ jest

Minimalny przepływ jest często ważniejszy niż maksymalny

W praktyce użytkownik bardzo często pyta: „Czy przepływomierz zmierzy 1000 m³/h?”. Tymczasem równie istotne – a czasami ważniejsze – jest pytanie:

„Od jakiej wartości zacznie mierzyć?”

Ma to ogromne znaczenie przy wykrywaniu nieszczelności, pomiarach nocnych, kontroli instalacji podczas postoju, pomiarze maszyn pracujących cyklicznie, odbiornikach o bardzo zmiennym zapotrzebowaniu. Jeżeli normalny przepływ produkcyjny wynosi 600 m³/h, ale w nocy chcemy wykrywać przepływ 8 m³/h spowodowany nieszczelnościami, potrzebny jest czujnik o odpowiednio szerokiej dynamice pomiarowej. Jedną z zalet metody kalorymetrycznej jest właśnie możliwość pomiaru bardzo małych prędkości gazu. CS Instruments wskazuje, że termiczna zasada pomiarowa pozwala mierzyć bardzo małe prędkości – nawet od około 0,1 m/s – co jest szczególnie przydatne przy analizie nieszczelności i przepływów resztkowych.

Nie przewymiarowuj przepływomierza

Częsty sposób myślenia wygląda tak: maksymalny przepływ instalacji = 700 m³/h, więc wybierzmy urządzenie do 2000 m³/h „na zapas”. Nie zawsze jest to dobra praktyka. Jeżeli większość pracy instalacji odbywa się przy 50–200 m³/h, to właśnie w tym zakresie przepływomierz powinien zapewniać szczególnie dobrą charakterystykę. Nadmierne przewymiarowanie punktu pomiarowego może pogorszyć jakość informacji w zakresie niskiego poboru. Dobór powinien zatem obejmować trzy wartości:

• Qmin – minimalny istotny przepływ,

• Qtyp – typowy przepływ podczas pracy,

• Qmax – maksymalny możliwy przepływ.

Najlepszy przepływomierz nie jest urządzeniem o najwyższym Qmax, lecz urządzeniem, którego zakres roboczy najlepiej pokrywa rzeczywiste warunki instalacji.

Uwzględnij ciśnienie robocze

Każdy przepływomierz posiada maksymalne dopuszczalne ciśnienie pracy. Nie należy dobierać go dokładnie do nominalnej wartości instalacji bez uwzględnienia rezerwy. Jeżeli sieć standardowo pracuje przy 8 bar, trzeba także rozważyć maksymalne ciśnienie sprężarki, nastawy regulatorów, możliwe stany przejściowe, ciśnienie podczas prób, możliwość późniejszego zwiększenia ciśnienia. Przykładowo VA 520 może być konfigurowany do zastosowań przy ciśnieniu sięgającym 40 bar. Nie oznacza to jednak, że każdy model przepływomierza CS Instruments ma taki sam zakres ciśnienia. Parametr należy sprawdzić dla konkretnego wykonania.

Sprawdź temperaturę medium

Temperatura ma znaczenie z dwóch powodów. Po pierwsze, przepływomierz posiada określony dopuszczalny zakres temperatury pracy. Po drugie, bardzo wysoka temperatura może wskazywać, że punkt znajduje się w miejscu instalacji, w którym gaz nie został jeszcze odpowiednio przygotowany. VA 520 jest przeznaczony do pracy przy temperaturze medium od około -30 do +80°C. Jeżeli natomiast chcemy prowadzić pomiar mokrego powietrza bezpośrednio za sprężarką przy temperaturach znacznie wyższych, należy rozważyć rozwiązania specjalizowane, np. serię VD przeznaczoną do takich zastosowań.

Sprawdź wymagane odcinki proste

To jeden z najbardziej niedocenianych elementów projektu. Strumień gazu za kolanem, redukcją, zaworem, trójnikiem, filtrem, regulatorem czy sprężarką, nie musi mieć równomiernego profilu prędkości. Mogą występować turbulencje, asymetria profilu, wiry jak i przepływ wirowy. Jeżeli czujnik mierzy lokalną prędkość w jednym obszarze rurociągu, zaburzony profil przepływu może powodować błąd pomiarowy. Dlatego producent określa wymagane odcinki prostoliniowe przed i za punktem pomiarowym. Nie należy traktować ich jako sugestii. Są elementem warunków poprawnego pomiaru.

Gdy nie ma miejsca na odcinek prosty

W istniejących instalacjach problem jest częsty. Projektant chciałby zamontować przepływomierz, ale dostępne miejsce wygląda następująco:

kolano → 30 cm rury → trójnik → zawór.

W takiej sytuacji zamiast montować urządzenie przypadkowo, warto rozważyć zmianę lokalizacji punktu, wykonanie dodatkowej sekcji pomiarowej, zastosowanie prostownicy przepływu, wykorzystanie rozwiązania o mniej rygorystycznych wymaganiach czy w końcu konsultację konkretnej konfiguracji z dostawcą. Kilkaset milimetrów dodatkowego rurociągu może decydować o tym, czy przez następne lata system będzie dostarczał wiarygodne dane.

Dobór miejsca montażu jest równie ważny jak dobór urządzenia

Jeżeli celem jest zarządzanie energią, przepływomierze warto rozmieszczać hierarchicznie. Przykład:

• poziom 1 – sprężarkownia: pomiar całkowitej ilości wytworzonego lub dostarczanego powietrza,

• poziom 2 – główne hale: pomiar rozdziału zużycia pomiędzy obszary,

• poziom 3 – linie produkcyjne: pomiar zapotrzebowania procesów,

• poziom 4 – najważniejsze maszyny: monitorowanie pojedynczych odbiorników.

Tak zbudowany system pozwala tworzyć rzeczywisty bilans sprężonego powietrza. Jeżeli główny przepływomierz pokazuje 2000 m³/h, a suma wydziałów wynosi 1450 m³/h, powstaje konkretne pytanie: gdzie znajduje się pozostałe 550 m³/h? Może być to nieopomiarowany odbiornik, nieszczelność, przepływ technologiczny, błąd konfiguracji, różnica wynikająca z czasu rejestracji czy w końcu błąd jednego z punktów pomiarowych. I właśnie w tym momencie monitoring zmienia się z „wyświetlania liczb” w narzędzie diagnostyczne.

Czujnik zanurzeniowy czy inline? – praktyczne porównanie

Inline warto wybrać, gdy rurociąg ma małą lub średnią średnicę, projektowana jest nowa instalacja, zależy nam na łatwym i powtarzalnym montażu, monitorujemy pojedynczą maszynę czy chcemy ograniczyć błędy montażowe.

Wersję zanurzeniową warto wybrać, gdy rurociąg ma dużą średnicę, instalacja już istnieje, chcemy ograniczyć koszt armatury, ważny jest niewielki spadek ciśnienia, wymagany jest łatwy demontaż sondy bądź też punkt pomiarowy ma obejmować duży kolektor.

Znaczenie dokładnej średnicy wewnętrznej dla czujnika zanurzeniowego

W przypadku przepływomierza sondowego konfiguracja średnicy jest krytyczna. Nie wystarczy wpisać nominalnego DN. Rzeczywista średnica wewnętrzna może zależeć od standardu rury, materiału, grubości ścianki oraz klasy ciśnieniowej. Jeżeli urządzenie wykorzystuje lokalnie zmierzoną prędkość i przelicza ją na objętościowy strumień całego rurociągu, błędnie wprowadzona średnica powoduje systematyczny błąd wyniku. Ponieważ pole przekroju jest proporcjonalne do kwadratu średnicy, to pozornie niewielki błąd średnicy może mieć zauważalny wpływ na wynik.

Głębokość wprowadzenia sondy

Czujnik zanurzeniowy musi znajdować się dokładnie w przewidzianym położeniu. Błędy takie jak: zbyt głębokie wsunięcie / zbyt płytkie wsunięcie / obrót sondy względem kierunku przepływu / montaż niezgodny ze strzałką mogą zmieniać wynik pomiaru. Dlatego podczas montażu należy stosować instrukcję konkretnego urządzenia, a nie zasadę „mniej więcej w środku rury”.

Spadek ciśnienia na przepływomierzu

W instalacjach sprężonego powietrza każda strata ciśnienia ma znaczenie energetyczne. Jeżeli punkt pomiarowy wprowadza istotne przewężenie, jego obecność może zwiększać spadek ciśnienia w instalacji. Zaletą termicznych czujników zanurzeniowych jest bardzo niewielkie zaburzenie przekroju rurociągu. Również konstrukcja VA 520 została zaprojektowana tak, aby powodować bardzo małą stratę ciśnienia – producent zwraca uwagę na niewielkie ograniczenie średnicy przepływu. Jest to ważne, ponieważ przepływomierz mający służyć poprawie efektywności energetycznej nie powinien sam stawać się istotnym źródłem strat.

Dokładność – jak czytać specyfikację?

Użytkownik często widzi zapis: ±1% i uznaje, że każdy wynik ma dokładność ±1%. Specyfikacja przepływomierza może być bardziej złożona. Może zawierać na przykład procent wartości mierzonej, procent wartości końca zakresu, osobny składnik błędu czy wymagane warunki montażowe. Dla VA 520 producent podaje – zależnie od konfiguracji – charakterystykę dokładności obejmującą składnik ±1,5% lub ±1% wartości mierzonej oraz ±0,3% wartości końcowej. Podobne parametry podawane są przez Pneumat System dla VA 525 i VA 526. W praktyce oznacza to, że podczas porównywania przepływomierzy nie należy zestawiać wyłącznie jednej liczby z katalogu.

Powtarzalność może być równie ważna jak dokładność absolutna

Wyobraźmy sobie system, którego głównym zadaniem jest wykrywanie wzrostu zużycia po kilku miesiącach eksploatacji. Jeżeli przepływ wynosił 100 m³/h, a po pół roku wynosi: 125 m³/h, bardzo ważna jest zdolność urządzenia do powtarzalnego wykrywania tej zmiany. W aplikacjach związanych z monitoringiem trendów, analizą wycieków, oceną zużycia czy porównywaniem zmian produkcyjnych, stabilność i powtarzalność czujnika są więc bardzo istotne.

Pomiar jednokierunkowy czy dwukierunkowy?

Większość klasycznych instalacji sprężonego powietrza posiada jednoznaczny kierunek sprężarkownia → odbiorniki. Są jednak rozbudowane instalacje pierścieniowe, w których lokalny kierunek przepływu może zmieniać się zależnie od pracy sprężarek, poboru poszczególnych wydziałów, stanu zaworów oraz konfiguracji sieci. W takim przypadku przepływomierz jednokierunkowy może być niewystarczający. VA 520 może być dostępny z opcją pomiaru dwukierunkowego. Takie rozwiązanie jest szczególnie interesujące podczas bilansowania rozległych sieci pierścieniowych.

Wyświetlacz lokalny – potrzebny czy nie?

To zależy od sposobu użytkowania. Wyświetlacz jest przydatny dla służb UR, serwisantów, operatorów, osób przeprowadzających odbiór instalacji. Pozwala bez dodatkowego komputera sprawdzić aktualny przepływ, zużycie całkowite, temperaturę, inne dostępne parametry. Jeżeli jednak czujnik znajduje się 8 metrów nad posadzką i cały czas komunikuje się z systemem SCADA, lokalny wyświetlacz może mieć niewielkie znaczenie. Dlatego jego obecność nie powinna być automatycznym kryterium wyboru.

Jakiego sygnału wyjściowego potrzebujemy?

To bardzo ważna część doboru. Najczęściej spotykane są:

• 4–20 mA - klasyczny sygnał analogowy. Dobry do transmisji jednej wartości procesowej, np. chwilowego przepływu.

• wyjście impulsowe - bardzo praktyczne do przesyłania informacji o zużyciu skumulowanym.

• Modbus RTU - komunikacja cyfrowa po RS-485. Umożliwia przesyłanie wielu parametrów przez jeden interfejs.

• Modbus TCP - komunikacja sieciowa Ethernet.

• M-Bus - popularne rozwiązanie w systemach pomiaru mediów i infrastruktury energetycznej.

VA 520 standardowo może posiadać m.in. 4–20 mA, wyjście impulsowe oraz Modbus RTU, a opcjonalnie dostępne są między innymi Modbus TCP i M-Bus. VA 525 również oferuje rozwiązania pozwalające integrować pomiar z systemami nadrzędnymi, m.in. poprzez Modbus RTU, Modbus TCP, M-Bus lub sygnał analogowy – zależnie od konfiguracji.

Po co przepływomierzowi licznik zużycia?

Chwilowy przepływ odpowiada na pytanie: „Ile pobieramy teraz?”. Licznik zużycia odpowiada na pytanie: „Ile zużyliśmy?”. To dwie różne informacje. Dla zarządzania kosztami druga z nich jest często ważniejsza. Przykładowo: średni przepływ = 180 m³/h, czas pracy = 4000 h/rok. Orientacyjne roczne zużycie: 180 × 4000 = 720 000 m³/rok. Jeżeli znamy koszt jednostkowy sprężonego powietrza, możemy następnie przypisać konkretny koszt do maszyny lub wydziału.

Przepływomierz jako narzędzie do wykrywania nieszczelności

Przepływomierz nie lokalizuje miejsca wycieku. Może natomiast bardzo skutecznie wykrywać jego skutek energetyczny. Najprostsza metoda polega na analizie instalacji podczas postoju. Jeżeli produkcja nie pracuje, a przepływomierz nadal pokazuje: 150 m³/h, to oznacza, że sprężone powietrze gdzieś jest zużywane. Może być to nieszczelność, urządzenie pozostawione pod ciśnieniem, przedmuch technologiczny, otwarty zawór, nieprawidłowo sterowana maszyna. Dzięki wysokiej czułości termicznego pomiaru możliwe jest śledzenie nawet małych przepływów resztkowych. CS Instruments wskazuje właśnie pomiary bardzo niskich prędkości jako jedną z zalet kalorymetrycznej metody pomiarowej.

Jak dobrać przepływomierz do pojedynczej maszyny?

Załóżmy:

• medium: sprężone powietrze,

• ciśnienie: 6,5 bar,

• przyłącze maszyny: DN 20,

• typowy przepływ: 35 m³/h,

• maksymalny przepływ: 90 m³/h,

• cel: monitoring kosztu maszyny.

W takiej aplikacji naturalnym kierunkiem jest przepływomierz inline. Dlaczego? Bowiem średnica jest niewielka, montaż jest prosty, sekcja pomiarowa ma kontrolowaną geometrię, można mierzyć zużycie całkowite, a dane mogą być przekazywane do systemu zarządzania energią. Do tego typu zastosowań przeznaczone są między innymi kompaktowe przepływomierze CS Instruments VA 525 oraz VA 526. VA 525 jest rozwiązaniem przeznaczonym przede wszystkim do sprężonego powietrza i azotu, natomiast VA 526 łączy pomiar przepływu i zużycia z dodatkowymi możliwościami pomiarowymi w jednej kompaktowej konstrukcji.

VA 526 – gdy jeden punkt ma dostarczać więcej informacji

Coraz częściej przedsiębiorstwo nie chce mierzyć tylko przepływu. Interesuje je jednocześnie zużycie, temperatura, ciśnienie, parametry jakościowe sprężonego powietrza. VA 526 CS Instruments został zaprojektowany jako kompaktowy sensor umożliwiający połączenie kilku funkcji pomiarowych. Producent wskazuje pomiar przepływu, rejestrację zużycia oraz temperatury, a opcjonalnie również monitoring ciśnienia i wilgotności lub punktu rosy. To może być szczególnie korzystne w przypadku monitoringu pojedynczych maszyn, skidów technologicznych, instalacji OEM, punktów rozliczeniowych, systemów zarządzania energią. Zamiast kilku oddzielnych czujników można w określonych aplikacjach zbudować jeden wieloparametrowy punkt pomiarowy.

Jak dobrać przepływomierz do głównego kolektora?

Załóżmy:

• DN 150,

• ciśnienie robocze 7 bar,

• przepływ maksymalny 5000 Nm³/h,

• cel: monitoring całej hali.

Montaż klasycznego przepływomierza inline DN 150 mógłby oznaczać większy koszt, bardziej skomplikowaną przebudowę, duże gabaryty czy konieczność zatrzymania instalacji. W takiej sytuacji bardzo interesującym rozwiązaniem jest czujnik zanurzeniowy, np. z rodziny VA 500. Sonda zostaje wprowadzona przez odpowiedni punkt montażowy w istniejącym rurociągu, a parametry instalacji są skonfigurowane w elektronice urządzenia. Rodzina VA 500 została opracowana właśnie z myślą o pomiarze sprężonego powietrza i gazów przy wykorzystaniu termicznego pomiaru masowego.

VA 520 – uniwersalny przepływomierz z sekcją pomiarową

VA 520 CS Instruments jest termicznym przepływomierzem masowym zintegrowanym z sekcją pomiarową. Może być stosowany między innymi do sprężonego powietrza, azotu, tlenu, argonu, helu oraz innych gazów niekorozyjnych. Producent przewiduje zastosowanie dla średnic DN 8–DN 80, ciśnienia do 40 bar oraz temperatury około -30…+80°C. Standardowa komunikacja obejmuje 4–20 mA, wyjście impulsowe i Modbus RTU, a dostępne mogą być również dodatkowe opcje komunikacyjne. Istotną cechą konstrukcji jest możliwość demontażu sensora w celu jego czyszczenia lub kalibracji przy pozostawieniu sekcji pomiarowej w instalacji. Z praktycznego punktu widzenia VA 520 jest więc interesującym rozwiązaniem dla użytkowników poszukujących dobrej kontroli geometrii pomiarowej, wysokiej dokładności, cyfrowej komunikacji, szerokiego zakresu obsługiwanych gazów, możliwości okresowej obsługi czujnika.

VA 525 – rozproszony monitoring zużycia

VA 525 jest kompaktowym przepływomierzem inline przeznaczonym przede wszystkim do sprężonego powietrza oraz azotu. Pneumat System wskazuje jego zastosowanie w systemach, w których monitorowanych jest wiele odbiorników – na przykład poszczególne maszyny, działy czy linie technologiczne. Jest to bardzo istotny kierunek rozwoju przemysłowych instalacji pneumatycznych. Zamiast jednego przepływomierza przy sprężarkowni można stworzyć sieć:

sprężarkownia,

• hala A,

• hala B,

• linia 1,

• linia 2,

• maszyna X.

Dzięki temu przedsiębiorstwo otrzymuje rzeczywistą strukturę zużycia medium.

VA 500 – szczególnie interesujący przy większych rurociągach

VA 500 jest przepływomierzem termicznym wykorzystującym konstrukcję sondową. Pneumat System oferuje wykonania pozwalające mierzyć sprężone powietrze oraz różne gazy przemysłowe, a urządzenie może przekazywać sygnał m.in. 4–20 mA oraz informacje impulsowe dotyczące zużycia. W praktyce tego rodzaju konstrukcję warto brać pod uwagę przede wszystkim przy dużych kolektorach, magistralach zakładowych, istniejących instalacjach, punktach, w których koszt pełnoprzelotowego korpusu byłby wysoki.

A co ze strefami Ex?

Standardowy przepływomierz nie może być automatycznie stosowany w każdej strefie zagrożonej wybuchem. Jeżeli punkt pomiarowy znajduje się w takiej przestrzeni, trzeba sprawdzić klasyfikację strefy, rodzaj medium, kategorię urządzenia, wymagane certyfikaty, temperaturę powierzchni, sposób wykonania instalacji elektrycznej. CS Instruments posiada urządzenia pomiarowe przeznaczone do bardziej wymagających aplikacji przemysłowych. Przykładowo VA 550 i VA 570 dostępne są w wykonaniach związanych z wymaganiami ATEX/IECEx, a producent przewiduje również odpowiednie warianty do zastosowań z gazem ziemnym. W takich aplikacjach dobór powinien być każdorazowo wykonywany na podstawie dokumentacji konkretnej strefy.

Przepływomierz nie zastąpi prawidłowego przygotowania powietrza

Jeżeli w instalacji występuje woda i olej, problemu nie należy rozwiązywać przez poszukiwanie „odpornego przepływomierza”, jeżeli przyczyną jest niewłaściwe chłodzenie, separowanie kondensatu, osuszanie, filtrowanie. System pomiarowy powinien być elementem prawidłowo zaprojektowanej instalacji pneumatycznej.

Pomiary przepływu a monitorowanie ciśnienia

Sam przepływ nie zawsze pozwala znaleźć źródło problemu. Załóżmy: normalnie maszyna pobiera 100 m³/h przy 6,5 bar. Po kilku tygodniach pobiera 120 m³/h. Czy pojawiła się nieszczelność? Niekoniecznie. Być może operator zwiększył ciśnienie do 7,5 bar. Dlatego bardzo wartościowe jest korelowanie przepływu, ciśnienia, czasu pracy, stanu maszyny. Właśnie dlatego wieloparametrowe rozwiązania takie jak VA 526 mogą być interesujące w nowoczesnych systemach monitorowania sprężonego powietrza.

Przepływomierz a punkt rosy

Podobną zależność można wykorzystać w monitorowaniu jakości sprężonego powietrza. Jeżeli system jednocześnie rejestruje zużycie, ciśnienie, temperaturę, punkt rosy, możliwe jest znacznie dokładniejsze analizowanie funkcjonowania sieci. Punkt rosy mówi o jakości osuszania, przepływ o zapotrzebowaniu, a ciśnienie o warunkach energetycznych systemu. Zamiast niezależnych pomiarów otrzymujemy obraz całej instalacji.

Integracja pomiaru przepływu z systemem nadrzędnym

W nowoczesnym zakładzie przepływomierz może przekazywać dane do: PLC, SCADA, BMS, EMS, systemu zarządzania energią, systemu raportowego, oprogramowania producenta. CS Instruments oferuje zarówno przepływomierze z komunikacją cyfrową, jak i urządzenia rejestrujące przeznaczone do systemowej analizy instalacji sprężonego powietrza, m.in. rozwiązania DS.

Typowe błędy przy doborze przepływomierza

• Błąd 1 – dobór wyłącznie po średnicy: DN 50 nie mówi jeszcze, ile powietrza przepływa przez instalację.

• Błąd 2 – podanie wyłącznie maksymalnego przepływu: Trzeba znać również wartość minimalną i typową.

• Błąd 3 – pominięcie warunków odniesienia: m³/h i Nm³/h nie powinny być automatycznie traktowane jako ta sama wielkość.

• Błąd 4 – brak informacji o gazie: Kalorymetryczna metoda pomiarowa zależy od właściwości cieplnych medium.

• Błąd 5 – montaż w mokrym powietrzu bez sprawdzenia technologii: Kondensat może znacząco zmienić warunki pracy elementu termicznego.

• Błąd 6 – montaż bez wymaganych odcinków prostych: Nawet bardzo dokładny sensor nie skompensuje dowolnie zaburzonego profilu przepływu.

• Błąd 7 – zła średnica wewnętrzna dla czujnika zanurzeniowego: Powoduje systematyczny błąd przeliczenia.

• Błąd 8 – nieprawidłowa głębokość sondy: Zmienia lokalne warunki pomiaru.

• Błąd 9 – brak planu wzorcowania: Po kilku latach użytkownik nadal traktuje wskazania jako bezwzględnie prawdziwe.

• Błąd 10 – brak rejestracji danych: Urządzenie za kilka tysięcy złotych działa wyłącznie jako cyfrowy miernik przepływu, mimo że jego największą wartością byłaby analiza trendów.

Jakie dane przygotować przed zapytaniem o przepływomierz?

Aby poprawnie dobrać przepływomierz, warto przygotować:

1. Medium: np. sprężone powietrze, azot.

2. Średnicę rurociągu: DN oraz – jeżeli jest znana – średnicę wewnętrzną.

3. Materiał rurociągu: aluminium, stal, stal nierdzewna itd.

4. Minimalny przepływ.

5. Typowy przepływ.

6. Maksymalny przepływ.

7. Jednostkę i warunki odniesienia: np. Nm³/h.

8. Ciśnienie robocze.

9. Maksymalne ciśnienie.

10. Temperaturę medium.

11. Informację, czy powietrze jest suche czy mokre.

12. Miejsce instalacji: np. za osuszaczem, kolektor główny, maszyna.

13. Dostępne odcinki proste.

14. Miejsce instalacji1Wymagany sygnał: 4–20 mA, impuls, Modbus RTU, Modbus TCP itd.

15. Czy potrzebny jest wyświetlacz?

16. Czy wymagany jest pomiar dwukierunkowy?

17. Czy punkt znajduje się w strefie Ex?

18. Cel pomiaru: monitoring, rozliczenia, diagnostyka, ISO 50001 itd.

Im więcej tych informacji zostanie określonych na początku, tym mniejsze ryzyko zakupu urządzenia, które później będzie pracowało poza optymalnym zakresem.

Przykładowa karta doborowa

Przykład poprawnego zapytania:

• Medium: sprężone powietrze.

• Rurociąg: aluminium DN 40.

• Ciśnienie robocze: 7 bar.

• Maksymalne ciśnienie: 10 bar.

• Temperatura: 20–35°C.

• Powietrze: osuszone.

• Przepływ minimalny: 10 Nm³/h.

• Przepływ typowy: 120 Nm³/h.

• Przepływ maksymalny: 350 Nm³/h.

• Cel: monitoring zużycia hali.

• Komunikacja: Modbus RTU.

• Licznik zużycia: tak.

• Wyświetlacz: tak.

• Strefa Ex: nie.

Taki zestaw informacji pozwala przeprowadzić rzeczywisty dobór techniczny.

Dlaczego dobór przepływomierza powinien uwzględniać całą instalację pneumatyczną?

Przepływomierz nie funkcjonuje w oderwaniu od systemu. Na wynik wpływają sprężarki, zbiorniki ciśnienia, osuszacze, filtry ciśnieniowe, średnica instalacji, armatura, zawory, reduktory ciśnienia, sposób rozprowadzenia rurociągów, charakter pracy odbiorników. Dlatego najbardziej wartościowy jest nie „dobór modelu z katalogu”, lecz analiza: co chcemy zmierzyć, dlaczego chcemy to zmierzyć oraz co zrobimy z uzyskanym wynikiem?

Gdzie w systemie pomiarowym znajduje się oferta Pneumat System?

Pneumat System oferuje rozwiązania CS Instruments przeznaczone do pomiaru i monitorowania parametrów instalacji sprężonego powietrza, w tym termiczne przepływomierze masowe z rodzin VA. W aktualnej ofercie znajdują się między innymi rozwiązania VA 500, VA 520, VA 525 i VA 526 przeznaczone do różnych konfiguracji instalacji oraz sposobów prowadzenia pomiaru. Pozwala to dobrać urządzenie zarówno do pojedynczego odbiornika, linii technologicznej, wydziału, głównego kolektora czy rozbudowanego systemu monitorowania energii.

Dobór urządzenia to dopiero pierwszy etap

Pełny projekt pomiarowy powinien obejmować:

• Etap 1 – określenie celu: Co chcemy wiedzieć?

• Etap 2 – dobór punktów: Gdzie należy mierzyć?

• Etap 3 – dobór sensorów: Jaka technologia i zakres?

• Etap 4 – poprawny montaż: Jak zapewnić właściwe warunki przepływu?

• Etap 5 – komunikacja: Gdzie mają trafiać dane?

• Etap 6 – rejestracja: Jak długo dane będą przechowywane?

• Etap 7 – analiza: Jakie KPI będą obliczane?

• Etap 8 – działanie: Co przedsiębiorstwo zrobi, gdy zużycie wzrośnie?

Bez ostatniego punktu nawet najlepszy system pomiarowy pozostanie jedynie systemem zbierania danych.

Jakie KPI warto wyznaczać?

Sam przepływ w m³/h nie zawsze jest najlepszym wskaźnikiem. Znacznie bardziej użyteczne mogą być:

• Nm³ / sztukę produktu

• Nm³ / godzinę pracy maszyny

• Nm³ / zmianę

• Nm³ / tonę produktu

• koszt sprężonego powietrza / sztukę

• przepływ podczas postoju / przepływ produkcyjny

• zużycie nocne / zużycie dzienne

Takie wskaźniki pozwalają oddzielić wzrost produkcji od pogorszenia efektywności.

Przykład: dlaczego sama wartość m³/h może wprowadzać w błąd

Zakład A:

• produkcja – 1000 szt./h,

• zużycie – 500 m³/h.

Zakład B:

• produkcja – 1500 szt./h,

• zużycie – 600 m³/h.

Jeżeli porównamy tylko przepływ, zakład B wygląda gorzej.

Ale po przeliczeniu:

A:

500 / 1000 = 0,50 m³/szt.600 / 1500 = 0,40 m³/szt.

B:

600 / 1500 = 0,40 m³/szt.600 / 1500 = 0,40 m³/szt.

Zakład B zużywa więcej powietrza w ciągu godziny, ale jest energetycznie bardziej efektywny. To pokazuje, dlaczego przepływomierze powinny być częścią szerszego systemu analizy produkcji.

Kalorymetryczny przepływomierz sprężonego powietrza – kiedy jest szczególnie dobrym wyborem?

Technologia termiczna jest szczególnie interesująca, gdy:

• medium jest gazem o znanym składzie,

• powietrze jest odpowiednio przygotowane,

• zależy nam na dużej dynamice pomiaru,

• chcemy mierzyć również bardzo małe przepływy,

• zależy nam na niewielkim spadku ciśnienia,

• chcemy bezpośrednio uzyskiwać standardowy przepływ objętościowy,

• potrzebny jest ciągły monitoring zużycia.

CS Instruments wykorzystuje tę metodę w szerokiej rodzinie urządzeń VA i wskazuje możliwość pomiaru zarówno niewielkich, jak i bardzo dużych prędkości przepływu, bez potrzeby stosowania dodatkowej kompensacji ciśnienia i temperatury typowej dla części innych metod pomiarowych.

Kiedy metoda kalorymetryczna nie musi być najlepszym rozwiązaniem?

Należy dokładniej przeanalizować aplikację, gdy:

• medium jest mokre,

• występuje kondensat,

• gaz ma zmienny skład,

• temperatura jest bardzo wysoka,

• występuje para,

• mierzymy ciecz,

• występują szczególne wymagania procesowe.

Oferta CS Instruments obejmuje dlatego również inne technologie pomiaru przepływu, w tym czujniki wykorzystujące różnicę ciśnień oraz przepływomierze wirowe. Profesjonalny dobór nie polega więc na pytaniu „Który przepływomierz kalorymetryczny kupić?”, lecz: „Jaka zasada pomiarowa najlepiej odpowiada warunkom tego punktu instalacji?”

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.