Definicja i zasada działania przepływomierza masowego powietrza

Co to jest przepływomierz powietrza?

Przepływomierz powietrza jest urządzeniem pomiarowym służącym do określania ilości gazu przepływającego przez określony przekrój przewodu w jednostce czasu. W praktyce przemysłowej może mierzyć między innymi przepływ objętościowy, przepływ objętościowy odniesiony do warunków normalnych, przepływ masowy, prędkość przepływu, skumulowane zużycie medium, a w bardziej rozbudowanych urządzeniach również temperaturę i ciśnienie. To rozróżnienie jest bardzo istotne, ponieważ samo stwierdzenie, że przez rurę przepływa np. określona liczba metrów sześciennych powietrza na godzinę, nie zawsze wystarcza. Powietrze jest gazem ściśliwym. Jego gęstość zmienia się wraz z temperaturą oraz ciśnieniem. Ten sam fizyczny litr powietrza w rurociągu przy wysokim ciśnieniu może zawierać znacznie większą masę gazu niż litr powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym. Dlatego w pneumatyce przemysłowej szczególnie użyteczne są przepływomierze pozwalające określić ilość powietrza niezależnie od jego aktualnej objętości w warunkach roboczych.

Przepływ chwilowy a zużycie sprężonego powietrza

W praktyce warto odróżnić dwie wielkości. Przepływ chwilowy mówi, jak dużo medium przepływa w danym momencie. Przykładowo, 850 Nm³/h oznacza chwilowe zapotrzebowanie instalacji lub urządzenia. Natomiast zużycie całkowite jest całką przepływu po czasie. Pokazuje, ile medium faktycznie przepłynęło przez punkt pomiarowy w określonym okresie. Może wynosić przykładowo 12 450 Nm³ w czasie jednej zmiany produkcyjnej. Jeżeli chwilowy przepływ oznaczymy symbolem:

q(t)

to całkowite zużycie w przedziale czasu można zapisać jako:

V = ∫ q(t) dt

Z punktu widzenia zarządzania instalacją obydwie wartości są potrzebne. Przepływ chwilowy pozwala analizować dynamiczne obciążenie instalacji, natomiast licznik zużycia umożliwia rozliczenia i tworzenie bilansów energetycznych.

Co oznacza przepływ masowy?

Przepływ masowy określa masę medium przepływającą przez określony przekrój w jednostce czasu. Można go zapisać jako:

ṁ = ρ · A · v

gdzie:

• ṁ – strumień masy,

• ρ – gęstość gazu,

• A – pole przekroju przepływu,

• v – średnia prędkość przepływu.

W gazach wartość gęstości nie jest stała. Zależy przede wszystkim od ciśnienia i temperatury. To właśnie dlatego pomiar przepływu gazów jest bardziej wymagający niż pomiar wielu cieczy.

Przepływ objętościowy a masowy – najważniejsza różnica

Przepływ objętościowy można przedstawić w uproszczeniu jako:

Q = A · v

gdzie:

• Q – strumień objętości,

• A – powierzchnia przekroju,

• v – średnia prędkość medium.

Jeżeli jednak sprężymy powietrze, jego objętość zmaleje, mimo że masa pozostanie taka sama. Dlatego dwa pomiary wykonane w warunkach 1 bar, 8 bar, nie mogą być bezpośrednio porównywane wyłącznie na podstawie rzeczywistej objętości przepływającego gazu. W zastosowaniach związanych ze sprężonym powietrzem często stosuje się więc przepływ odniesiony do określonych warunków referencyjnych. Dzięki temu wyniki pomiarów można porównywać niezależnie od lokalnego ciśnienia roboczego.

Co oznaczają jednostki m³/h i Nm³/h?

To bardzo ważne rozróżnienie. m³/h określa objętość medium przepływającą w ciągu godziny w określonych warunkach. Natomiast oznaczenie: Nm³/h odnosi przepływ do przyjętych warunków normalnych. Należy przy tym uważać, ponieważ konkretne wartości temperatury i ciśnienia referencyjnego powinny być jednoznacznie zdefiniowane w dokumentacji pomiarowej lub konfiguracji urządzenia. Bez wskazania warunków odniesienia samo oznaczenie „normalny metr sześcienny” może prowadzić do nieporozumień.

Dlaczego w pneumatyce przepływ jest tak ważnym parametrem?

Ciśnienie pokazuje stan energetyczny gazu w konkretnym punkcie instalacji, ale nie odpowiada bezpośrednio na pytanie, jaka ilość powietrza jest rzeczywiście zużywana. Można mieć instalację pracującą stabilnie przy 6 bar, w której zużycie wynosi zarówno 100 Nm³/h, jak i 1000 Nm³/h. Manometr nie pokaże tej różnicy. Przepływomierz pokaże ją natychmiast. Z tego powodu w profesjonalnej diagnostyce pneumatycznej pomiar przepływu powinien być traktowany jako uzupełnienie pomiaru ciśnienia, temperatury, punktu rosy, jakości sprężonego powietrza oraz poboru energii przez sprężarki.

Co to jest masowy przepływomierz powietrza?

Masowy przepływomierz powietrza jest urządzeniem umożliwiającym określenie strumienia masy przepływającego gazu albo wielkości bezpośrednio z nim związanej. W przypadku przemysłowych systemów sprężonego powietrza bardzo często stosuje się przepływomierze termiczne, określane również jako:

• kalorymetryczne,

• termiczne przepływomierze masowe,

• thermal mass flow meters.

Ich dużą zaletą jest możliwość pomiaru przepływu gazu bez wykorzystania ruchomych elementów mechanicznych.

Jak działa przepływomierz masowy powietrza?

Zasada działania przepływomierza termicznego wykorzystuje zjawisko wymiany ciepła między ogrzewanym sensorem a przepływającym gazem. Najprościej można to wyjaśnić następująco: im szybciej przepływa powietrze, tym intensywniej odbiera ciepło z elementu pomiarowego. Urządzenie mierzy tę zmianę i na jej podstawie wyznacza strumień gazu. Jest to pozornie prosta zasada, jednak w praktyce wymaga bardzo dokładnej elektroniki, odpowiedniego sensora, kalibracji, kompensacji warunków pracy oraz znajomości właściwości mierzonego medium.

Zasada kalorymetryczna krok po kroku

Typowy czujnik termiczny zawiera element pomiarowy pozostający w kontakcie z przepływającym gazem. Układ może obejmować m.in.:

• element grzejny,

• sensor temperatury gazu,

• element określający temperaturę ogrzewanego sensora,

• elektronikę sterującą,

• układ przetwarzający sygnał na wartość przepływu.

W uproszczonym modelu przebieg pomiaru wygląda następująco.

1. Sensor jest ogrzewany

   Elektronika dostarcza energię do elementu pomiarowego, powodując jego nagrzanie powyżej temperatury przepływającego medium.

2. Gaz przepływa wokół sensora

   Strumień powietrza odbiera ciepło. Jeżeli przepływ jest mały, chłodzenie sensora jest niewielkie. Jeżeli przepływ wzrasta, ilość odbieranego ciepła rośnie.

3. Elektronika rejestruje efekt chłodzenia

   Układ pomiarowy może kontrolować np. moc potrzebną do utrzymania określonej różnicy temperatur albo analizować zmianę temperatury sensora.

4. Sygnał jest przeliczany na przepływ

   Na podstawie charakterystyki kalibracyjnej urządzenie przypisuje określonemu efektowi cieplnemu odpowiednią wartość przepływu.

5. Wynik jest prezentowany i przesyłany dalej

   Przepływomierz może przekazywać dane do:

   • wyświetlacza lokalnego,

   • sterownika PLC,

   • rejestratora,

   • systemu SCADA,

   • systemu zarządzania energią,

   • przemysłowej sieci komunikacyjnej.

Dlaczego metoda termiczna pozwala mierzyć przepływ masowy?

Ilość energii odbieranej od sensora zależy nie tylko od prędkości gazu, ale również od ilości cząsteczek przepływających wokół elementu pomiarowego. Dlatego zjawisko wymiany ciepła jest powiązane ze strumieniem masy. Upraszczając zależność termodynamiczną, można powiedzieć, że strumień ciepła związany z przepływem gazu zależy m.in. od:

Q̇ ∝ ṁ · cp · ΔT

gdzie:

• Q̇ – strumień ciepła,

• ṁ – strumień masy gazu,

• cp – ciepło właściwe gazu,

• ΔT – różnica temperatur.

Rzeczywiste modele stosowane w przepływomierzach są oczywiście bardziej złożone, ponieważ należy uwzględniać geometrię sensora, właściwości medium, warunki przepływu oraz charakterystykę wymiany ciepła.

Czy przepływomierz termiczny rzeczywiście „waży” powietrze?

Nie. Nazwa „masowy” może być myląca dla osoby niezajmującej się techniką pomiarową. Przepływomierz nie waży gazu w klasycznym znaczeniu. Określa przepływ na podstawie zjawiska fizycznego zależnego od strumienia masy. Następnie wynik może zostać przedstawiony jako: kg/h, kg/min, Nm³/h, l/min, m³/min lub w innych jednostkach skonfigurowanych w urządzeniu. Przepływomierze VA 525 i VA 526 oferowane przez Pneumat System mogą prezentować wyniki m.in. w m³/h, m³/min, l/min, l/s, cfm, m/s oraz jednostkach masowych takich jak kg/h czy kg/min.

Dlaczego przepływomierz masowy jest szczególnie przydatny do sprężonego powietrza?

Sprężone powietrze zmienia swoją gęstość wraz z ciśnieniem i temperaturą. Przykładowo wzrost ciśnienia powoduje, że w tej samej geometrycznej objętości rurociągu znajduje się większa masa gazu. W systemach pneumatycznych interesuje nas jednak przede wszystkim to, ile powietrza faktycznie zostało:

• wyprodukowane przez sprężarkę,

• przesłane przez instalację,

• dostarczone do hali,

• zużyte przez maszynę,

• wykorzystane przez proces,

• utracone przez nieszczelności.

Dlatego pomiar masowy lub znormalizowany jest znacznie bardziej użyteczny niż prosty pomiar rzeczywistej objętości gazu.

Budowa przemysłowego przepływomierza masowego

W zależności od konstrukcji urządzenie może składać się z:

• sensora pomiarowego – odpowiedzialnego za kontakt z medium,

• elementu grzejnego – generującego kontrolowany strumień ciepła,

• czujnika temperatury – określającego warunki termiczne,

• elektroniki pomiarowej – analizującej sygnały,

• mikroprocesora – realizującego obliczenia i kompensacje,

• obudowy przemysłowej – chroniącej elektronikę,

• przyłącza procesowego – umożliwiającego montaż,

• wyświetlacza – opcjonalnie pokazującego parametry lokalnie,

• interfejsów elektrycznych i komunikacyjnych – przesyłających dane do systemów nadrzędnych.

W kompaktowych urządzeniach typu inline czujnik jest połączony z odpowiednio zaprojektowaną sekcją pomiarową rurociągu.

Przepływomierz inline a czujnik zanurzeniowy

W przemyśle spotyka się przede wszystkim dwie główne konstrukcje.

Przepływomierze inline

Są instalowane bezpośrednio w rurociągu. Przepływ całego medium odbywa się przez fabrycznie przygotowaną sekcję pomiarową. Takie rozwiązanie jest szczególnie wygodne dla niewielkich i średnich średnic, pojedynczych maszyn, linii technologicznych, rozdzielni pneumatycznych, pomiarów zużycia konkretnych odbiorników. Przykładem jest CS Instruments VA 525, kompaktowy czujnik inline przeznaczony m.in. do sprężonego powietrza i azotu. Pneumat System wskazuje go jako rozwiązanie do ciągłego pomiaru przepływu i zużycia, w tym przy monitorowaniu pojedynczych maszyn i wydzielonych części instalacji.

Czujniki zanurzeniowe

Sensor jest wprowadzany do wnętrza istniejącego rurociągu. Rozwiązanie jest bardzo przydatne przy dużych średnicach rurociągów, modernizacji istniejących instalacji, głównych przewodach dystrybucyjnych, sprężarkowniach jak i audytach energetycznych. W ofercie CS Instruments znajdują się rozwiązania obejmujące bardzo szeroki zakres średnic instalacji; w zestawieniu producenta dla termicznego VA 500 wskazano zastosowania od niewielkich średnic aż do bardzo dużych rurociągów, zależnie od konfiguracji instalacyjnej.

Dlaczego profil prędkości w rurze ma znaczenie?

Prędkość gazu nie jest jednakowa w całym przekroju rurociągu. Przy ścianie rury prędkość maleje ze względu na warunki lepkościowe. W środkowej części przekroju może być znacznie większa. Przepływ objętościowy jest w rzeczywistości wynikiem całkowania lokalnej prędkości po powierzchni przekroju:

Q = ∫A v dA

Dlatego czujnik mierzący lokalny parametr przepływu musi pracować w warunkach, dla których jego charakterystyka została przewidziana. Zaburzony profil prędkości może prowadzić do błędów.

Co zaburza profil przepływu?

Do typowych elementów powodujących zakłócenia należą:

• kolana,

• trójniki,

• redukcje,

• rozszerzenia,

• zawory,

• filtry ciśnieniowe,

• regulatory ciśnienia,

• przepustnice,

• odgałęzienia,

• sprężarki,

• połączenia o nieprawidłowej geometrii.

Za takim elementem mogą pojawiać się:

• zawirowania,

• asymetria profilu,

• przepływy wtórne,

• lokalne przyspieszenia,

• pulsacje.

Dlatego przy montażu przepływomierza należy przestrzegać zaleceń producenta dotyczących prostych odcinków rurociągu przed i za punktem pomiarowym.

Czy każdy przepływomierz potrzebuje długiego odcinka prostego?

Nie. Wymagania zależą od zasady pomiarowej, geometrii czujnika, sekcji pomiarowej, średnicy rurociągu, rodzaju zaburzenia przed czujnikiem oraz dokładności wymaganej w aplikacji. Nie należy więc stosować uniwersalnej reguły w rodzaju „zawsze 10 średnic przed czujnikiem”. Właściwe wartości należy sprawdzić dla konkretnego modelu.

Gdzie instalować przepływomierz sprężonego powietrza?

To zależy od celu pomiaru. Jeżeli chcemy określić całkowite zużycie zakładu, punkt pomiarowy powinien znaleźć się w głównym przewodzie dystrybucyjnym. Jeżeli celem jest rozliczenie hali produkcyjnej – na jej zasilaniu. Jeżeli chcemy znać koszt pracy konkretnej maszyny – w przewodzie zasilającym tę maszynę. Jeżeli analizujemy sprawność sprężarkowni – potrzebne są pomiary po stronie wytwarzania oraz odpowiednie dane energetyczne. Najbardziej wartościowe systemy powstają wtedy, gdy pomiary realizowane są hierarchicznie:

sprężarkownia → magistrala → hala → linia → maszyna → proces

Pozwala to stworzyć prawdziwy bilans sprężonego powietrza.

Co daje pomiar przepływu przy pojedynczej maszynie?

Przepływomierz może wykazać między innymi:

• zużycie powietrza w jednym cyklu,

• zużycie na detal,

• wzrost zapotrzebowania po zmianie procesu,

• nadmierny przepływ wynikający ze zbyt wysokiego ciśnienia,

• pobór podczas przestoju,

• nieszczelność maszyny,

• zużycie elementów wykonawczych,

• nieprawidłowe ustawienie dysz odmuchowych,

• różnice pomiędzy zmianami produkcyjnymi.

Przykład:

Maszyna zużywa podczas produkcji 120 Nm³/h, natomiast podczas postoju 22 Nm³/h. Jeżeli w czasie postoju wszystkie procesy powinny być wyłączone, wartość 22 Nm³/h może wskazywać na nieszczelności, ciągłe przedmuchy albo odbiorniki pozostające pod zasilaniem. Bez przepływomierza taki problem może być praktycznie niewidoczny.

Przepływomierz jako narzędzie do wykrywania strat

Przepływomierz nie lokalizuje nieszczelności tak jak detektor wycieków ultradźwiękowy, ale może bardzo skutecznie pokazać ich efekt. Jeżeli podczas postoju produkcji na głównym przewodzie wciąż występuje przepływ, medium musi być gdzieś zużywane lub tracone. Można następnie zawężać obszar:

zakład → hala → linia → maszyna

aż do wskazania gałęzi odpowiedzialnej za straty. To jedna z najskuteczniejszych metod bilansowania instalacji.

Jak obliczyć zużycie energii na podstawie przepływu?

Sam przepływ nie daje jeszcze bezpośrednio kosztu energii, ponieważ koszt wytworzenia jednego metra sześciennego zależy m.in. od:

• sprawności sprężarki,

• ciśnienia roboczego,

• temperatury,

• jakości sterowania sprężarkownią,

• strat ciśnienia,

• osuszania,

• filtracji,

• kosztu energii elektrycznej.

Jeżeli jednak znamy jednostkowy koszt wytworzenia sprężonego powietrza:

k [zł/Nm³]

oraz zużycie:

V [Nm³]

to koszt można obliczyć jako:

K = V · k

Przepływomierz dostarcza więc jednej z kluczowych danych potrzebnych do rzeczywistego rozliczenia pneumatyki.

Termiczne przepływomierze masowe – najważniejsze zalety

Do największych zalet tej technologii należą:

• brak ruchomych części,

• małe wymagania serwisowe,

• dobra czułość przy niewielkich przepływach,

• możliwość szerokiego zakresu pomiarowego,

• pomiar przepływu i skumulowanego zużycia,

• możliwość pracy w systemach ciągłego monitoringu,

• łatwa integracja z automatyką.

W zestawieniu produktowym CS Instruments dla wielu termicznych urządzeń serii VA wskazywany jest bardzo szeroki zakres pomiarowy sięgający nawet stosunku 1:1000, zależnie od modelu i konfiguracji.

Czy przepływomierz termiczny nadaje się do każdego gazu?

Nie. To jeden z najważniejszych aspektów prawidłowego doboru. Wymiana ciepła zależy od właściwości fizycznych medium, m.in.: przewodności cieplnej, ciepła właściwego, gęstości, składu chemicznego. Dlatego przepływomierz musi być skalibrowany albo skonfigurowany dla konkretnego gazu. Jeżeli urządzenie skalibrowane dla sprężonego powietrza zostanie wykorzystane do innego gazu bez odpowiedniej konfiguracji, wynik może być błędny.

Co z mieszaninami gazów?

Sytuacja staje się jeszcze bardziej wymagająca w przypadku mieszanin. Jeżeli ich skład jest stały i znany, możliwe jest odpowiednie skonfigurowanie systemu pomiarowego. Jeżeli jednak skład mieszaniny zmienia się podczas procesu, termiczna zasada pomiarowa może nie być rozwiązaniem optymalnym. W takich aplikacjach należy rozważyć inną technologię. W portfolio CS Instruments znajdują się nie tylko przepływomierze termiczne, ale również urządzenia pracujące w oparciu o inne zasady fizyczne, w tym różnicę ciśnień czy rozwiązania ultradźwiękowe. Producent rozróżnia ich zastosowania m.in. pod kątem suchych i mokrych gazów, mieszanin, temperatury oraz średnicy rurociągu.

Co z mokrym sprężonym powietrzem?

Dlatego należy dokładnie określić miejsce montażu. CS Instruments oferuje również rozwiązania przeznaczone specjalnie do pomiaru mokrego sprężonego powietrza. Przykładem jest VD 550, oparty na pomiarze różnicy ciśnień, przeznaczony m.in. do mokrych gazów i sprężonego powietrza. Producent wskazuje możliwość pracy przy temperaturze do 180°C oraz zastosowania w rurociągach od DN20 do DN600. To pokazuje, dlaczego nie należy wybierać przepływomierza wyłącznie na podstawie średnicy rurociągu.

Inne zasady działania przepływomierzy

Choć przepływomierze termiczne są szczególnie popularne w pneumatyce, w technice przemysłowej wykorzystuje się również inne technologie.

Przepływomierze różnicowo-ciśnieniowe

Wykorzystują zależność pomiędzy prędkością przepływu a zmianą ciśnienia powstającą na odpowiednio zaprojektowanym elemencie pomiarowym. W uproszczeniu: wzrost prędkości przepływu powoduje wzrost różnicy ciśnień. Technologia może być stosowana m.in. tam, gdzie termiczne rozwiązanie byłoby niewłaściwe. CS Instruments stosuje tę metodę np. w rodzinie VD. Model VD 570 wykorzystuje uśredniającą rurkę Pitota i służy m.in. do pomiaru mokrego sprężonego powietrza oraz gazów technicznych i określonych mieszanin.

Przepływomierze wirowe

Wykorzystują zjawisko powstawania wirów za przeszkodą umieszczoną w strumieniu. Częstotliwość ich odrywania jest powiązana z prędkością przepływu.

Przepływomierze ultradźwiękowe

Wykorzystują propagację fal ultradźwiękowych w przepływającym medium. Mogą określać prędkość przepływu na podstawie różnicy czasu przejścia sygnału.

Przepływomierze mechaniczne

Wykorzystują ruch elementu mechanicznego wywołany przepływem. W nowoczesnych instalacjach monitoringu sprężonego powietrza coraz częściej preferuje się jednak rozwiązania bez elementów ruchomych.

Przepływomierze CS Instruments – rozwiązania do monitorowania sprężonego powietrza

CS Instruments specjalizuje się w przemysłowej technice pomiarowej związanej ze sprężonym powietrzem i gazami. Aktualne portfolio obejmuje nie tylko pomiar przepływu i zużycia, ale również m.in. kontrolę punktu rosy, detekcję nieszczelności i ocenę jakości sprężonego powietrza. Producent wskazuje te dane jako podstawę poprawy efektywności energetycznej i bezpieczeństwa procesów przemysłowych. W zakresie przepływu spotkać można m.in. rodziny: VA 500, VA 520, VA 521, VA 525, VA 526, VA 550, VA 570, VD 500, VD 520, VD 550, VD 570, VU 570, przy czym poszczególne modele różnią się zasadą działania, sposobem montażu, zakresem średnic, temperaturą, ciśnieniem i rodzajem medium.

VA 525 – kompaktowy pomiar przy maszynach

VA 525 jest przykładem rozwiązania szczególnie dobrze dopasowanego do pomiaru zużycia w konkretnych punktach instalacji. To czujnik inline stosowany m.in. do sprężonego powietrza i azotu. Pneumat System wskazuje możliwość wykorzystania go do ciągłego monitorowania maszyn, linii technologicznych oraz wydzielonych części instalacji. Tego typu rozwiązanie pozwala przejść od ogólnej informacji:

„cały zakład zużył 10 000 Nm³”

do znacznie bardziej wartościowego podziału:

• hala A – 4200 Nm³

• hala B – 3100 Nm³

• linia montażowa – 1700 Nm³

• pozostałe odbiory – 1000 Nm³

Wtedy dane zaczynają być użyteczne dla działów utrzymania ruchu, energetycznego, produkcji, controllingu, zarządzania mediami.

VA 526 – kompaktowa generacja przepływomierzy inline

W ofercie Pneumat System dostępne są również przepływomierze CS Instruments VA 526, oferowane w różnych wykonaniach przyłączeniowych i konfiguracjach. Urządzenia umożliwiają prezentowanie przepływu w wielu jednostkach objętościowych, prędkościowych i masowych. Przepływomierze tego rodzaju sprawdzają się szczególnie tam, gdzie wymagane jest kompaktowe urządzenie, bezpośredni montaż w instalacji, ciągła kontrola zużycia, integracja pomiaru z systemem nadrzędnym, rozliczenie konkretnego odbiornika.

Czy przepływomierz może mierzyć również ciśnienie?

W zależności od urządzenia – tak. Przykładowo w odpowiednich konfiguracjach VA 525 możliwe jest zastosowanie zintegrowanego pomiaru ciśnienia. Dzięki temu w jednym punkcie można równocześnie obserwować zależność pomiędzy zużyciem i warunkami zasilania. Jest to diagnostycznie bardzo wartościowe. Jeżeli przykładowo po podniesieniu ciśnienia z 6 bar do 7 bar zużycie powietrza przez stanowisko znacząco wzrasta, można sprawdzić, czy wzrost ciśnienia był rzeczywiście potrzebny. W wielu aplikacjach nadmierne ciśnienie prowadzi do zwiększonego zużycia medium bez proporcjonalnej poprawy wydajności procesu.

Dokładność przepływomierza – jak ją interpretować?

To jeden z najczęściej źle rozumianych parametrów. Producent może podawać dokładność jako kombinację:

• procentu aktualnej wartości mierzonej,

• procentu wartości końcowej zakresu.

Przykładowo dla wybranych konfiguracji VA 525 i VA 526 Pneumat System podaje dokładność opisywaną jako udział wartości mierzonej oraz wartości końcowej zakresu. Oznacza to, że błędu nie powinno się interpretować jako jednej stałej liczby procentowej w całym zakresie. Ma to szczególne znaczenie przy małych przepływach.

Zakres pomiarowy i dynamika

Przepływ w pneumatyce bardzo często jest dynamiczny. Maszyna może:

• w czasie postoju zużywać prawie zero,

• podczas normalnej produkcji pobierać 100 Nm³/h,

• chwilowo osiągać 500 Nm³/h.

Dlatego ważnym parametrem przepływomierza jest jego dynamika. Zbyt wąski zakres pomiarowy może powodować, że urządzenie dobrze mierzy przepływ nominalny, lecz nie rejestruje poprawnie wartości małych albo przeciwnie – przekracza zakres przy chwilowych szczytach.

Minimalny przepływ również jest ważny

W systemach diagnostycznych często bardziej interesuje nas mały przepływ niż przepływ nominalny. Dlaczego? Ponieważ to właśnie niewielki, stale utrzymujący się przepływ podczas postoju może świadczyć o stratach. Jeżeli czujnik zaczyna wiarygodnie mierzyć dopiero od wysokiej prędkości, może nie wykazać części zużycia nocnego. Dlatego dobra czułość w dolnej części zakresu jest szczególnie cenna przy pomiarze wycieków, monitorowaniu postoju, audytach energetycznych jak i ocenie małych odbiorników.

Jak dobrać przepływomierz sprężonego powietrza?

Dobór powinien rozpocząć się nie od modelu urządzenia, lecz od odpowiedzi na kilka pytań. Jakie medium będzie mierzone? Należy określić: sprężone powietrze, azot, tlen, argon, CO₂, gaz ziemny, mieszaninę technologiczną lub inne medium.

• Czy gaz jest suchy czy mokry?

  To może całkowicie zmienić wybór zasady pomiarowej.

• Jakie jest ciśnienie robocze?

  Należy podać:

  • ciśnienie nominalne,

  • wartość minimalną,

  • wartość maksymalną.

• Jaka jest temperatura?

  Szczególnie istotna w:

  • sprężarkowniach,

  • procesach wysokotemperaturowych,

  • pomiarze przed uzdatnianiem powietrza.

• Jaka jest średnica rurociągu?

  Ma wpływ na:

  • konstrukcję przepływomierza,

  • zakres przepływu,

  • prędkość medium,

  • sposób montażu.

• Jaki jest przepływ minimalny i maksymalny?

  To jeden z najważniejszych parametrów doborowych. Nie należy dobierać urządzenia wyłącznie według przepływu średniego.

• Jak dokładny ma być pomiar?

  Inne wymagania ma:

  • wskaźnik orientacyjny,

  • monitoring energetyczny,

  • bilans mediów,

  • kontrola procesu,

  • pomiar rozliczeniowy.

• W jaki sposób dane mają być przesyłane?

  Należy uwzględnić wymagania automatyki, systemu nadrzędnego i architektury zakładowej.

Najczęstsze błędy przy doborze przepływomierza

• Dobór tylko według średnicy rury

  Dwie instalacje DN50 mogą mieć zupełnie różne przepływy.

• Brak informacji o medium

  Gaz wpływa bezpośrednio na wynik pomiaru termicznego.

• Pominięcie kondensatu

  Czujnik przeznaczony do suchego powietrza nie powinien być automatycznie stosowany w mokrym gazie.

• Brak analizy minimalnego przepływu

  Może uniemożliwić wiarygodny pomiar strat podczas postoju.

• Nieuwzględnienie prostych odcinków

  Powoduje zaburzenie profilu przepływu.

• Montaż bez sprawdzenia kierunku przepływu

  W konstrukcjach wymagających określonego kierunku może prowadzić do niewłaściwego pomiaru.

• Brak strategii wykorzystania danych

  Sam montaż przepływomierza niczego nie optymalizuje. Wartość pojawia się dopiero wtedy, gdy dane są analizowane.

Gdzie warto mierzyć zużycie sprężonego powietrza?

W zależności od wielkości zakładu warto rozważyć punkty pomiarowe:

1. za sprężarkownią,

2. przed główną siecią,

3. na poszczególnych halach,

4. na wydziałach,

5. na liniach technologicznych,

6. przy najbardziej energochłonnych maszynach,

7. przy procesach wymagających oddzielnego rozliczenia.

Powstaje wtedy struktura pomiarowa umożliwiająca odpowiedź na pytanie:

gdzie naprawdę znika sprężone powietrze?

Przepływomierz w audycie sprężonego powietrza

Audyt instalacji sprężonego powietrza bez pomiaru przepływu daje ograniczony obraz sytuacji. Dzięki pomiarowi można określić m.in.:

• profil zużycia dobowego,

• zapotrzebowanie nocne,

• przepływ podczas weekendu,

• zużycie przy pełnej produkcji,

• różnice pomiędzy zmianami,

• skuteczność usuwania nieszczelności,

• wpływ obniżenia ciśnienia,

• efekt wymiany dysz,

• efekt modernizacji instalacji.

Szczególnie wartościowe jest wykonanie pomiarów przed modernizacją i następnie po modernizacji. Dzięki temu oszczędność można wykazać ilościowo.

Przepływomierz a ISO 50001 i zarządzanie energią

W przedsiębiorstwach prowadzących systematyczne zarządzanie energią przepływomierze mogą dostarczać jednego z podstawowych parametrów do wyznaczania wskaźników efektywności. Można przykładowo analizować:

Nm³ sprężonego powietrza / sztukę produktu

albo:

kWh energii elektrycznej / Nm³ sprężonego powietrza

Pierwszy wskaźnik opisuje efektywność procesu produkcyjnego. Drugi – efektywność wytwarzania sprężonego powietrza. Połączenie obydwu daje znacznie pełniejszy obraz.

Przepływomierz jako element Przemysłu 4.0

Nowoczesny przepływomierz powinien być traktowany jako źródło danych procesowych. Jeżeli pomiar jest przesyłany do systemu nadrzędnego, można:

• archiwizować dane,

• budować trendy,

• generować alarmy,

• porównywać zmiany,

• analizować KPI,

• automatycznie wykrywać anomalie,

• rozliczać wydziały.

CS Instruments rozwija również rozwiązania programowe do monitorowania instalacji, w tym systemy służące do centralnego przetwarzania danych związanych z energią i mediami. Producent udostępnia m.in. oprogramowanie CS Network jako element systemu monitorowania energii.

Dlaczego sam pomiar ciśnienia nie wystarcza?

Załóżmy, że dwie maszyny są zasilane ciśnieniem 6 bar. Maszyna A zużywa 30 Nm³/h, a maszyna B 250 Nm³/h. Obydwa manometry pokazują 6 bar. Z punktu widzenia energii różnica jest jednak ogromna. Jeszcze ciekawsza sytuacja występuje wtedy, gdy maszyna podczas postoju nadal utrzymuje 15 Nm³/h przepływu. Ciśnienie może być prawidłowe, a mimo to instalacja pneumatyczna stale generuje koszt.

Jak przepływomierz pomaga zmniejszać zużycie powietrza?

Urządzenie samo nie zmniejsza poboru. Zapewnia jednak dane pozwalające podjąć działania. Można dzięki niemu:

• znaleźć nadmierne zużycie,

• zidentyfikować pobór poza produkcją,

• zweryfikować efekty usunięcia wycieków,

• zoptymalizować ciśnienie,

• kontrolować zużycie dysz,

• określić koszt pracy urządzenia,

• porównać różne technologie,

• wykryć zmianę charakterystyki procesu.

To podstawowa różnica między „posiadaniem danych” a zarządzaniem energią na podstawie danych.

Przykład praktyczny – kontrola instalacji produkcyjnej

Załóżmy, że zakład wykorzystuje główną magistralę sprężonego powietrza. Przepływ podczas produkcji 1600 Nm³/h, po zakończeniu zmiany 380 Nm³/h. Po wyłączeniu głównych maszyn 240 Nm³/h, a po odcięciu jednej hali 110 Nm³/h. Oznacza to, że analizując przepływ sekcja po sekcji, można określić obszar odpowiedzialny za znaczną część strat. Następnie można użyć detektora ultradźwiękowego do lokalizacji konkretnych nieszczelności. Przepływomierz odpowiada więc na pytanie „ile tracimy?”, a detektor: „gdzie tracimy?”.

Kalibracja przepływomierza

Każde przemysłowe urządzenie pomiarowe podlega z czasem zmianom wynikającym m.in. z:

• starzenia elementów,

• zabrudzenia,

• warunków procesowych,

• eksploatacji,

• zmian właściwości sensora.

Dlatego w instalacjach, w których dane mają znaczenie jakościowe lub energetyczne, należy prowadzić odpowiednią politykę wzorcowania i kalibracji. Częstotliwość powinna zależeć od:

• wymagań zakładowych,

• znaczenia punktu pomiarowego,

• warunków pracy,

• zaleceń producenta,

• wymaganej niepewności pomiaru.

Zabrudzenie sensora a wynik pomiaru

W metodzie termicznej sensor musi prawidłowo wymieniać ciepło z gazem. Jeżeli na powierzchni pojawi się warstwa oleju, pyłu, osadu czy zanieczyszczeń procesowych, może zmienić charakter wymiany ciepła. Dlatego jakość sprężonego powietrza oraz miejsce montażu mają wpływ nie tylko na trwałość czujnika, ale również na wiarygodność pomiaru.

Czy przepływomierz powoduje spadek ciśnienia?

Każdy element włączony w rurociąg może w pewnym stopniu wpływać na przepływ. Wartość spadku zależy od konstrukcji urządzenia. W przypadku czujników zanurzeniowych oddziaływanie może być bardzo małe, ponieważ do strumienia wprowadzany jest jedynie element pomiarowy. W przepływomierzach inline należy brać pod uwagę geometrię sekcji pomiarowej. Przy dobrze dobranym urządzeniu spadek ciśnienia powinien być uwzględniony na etapie projektu i pozostawać akceptowalny dla procesu.

Czy można zamontować przepływomierz w istniejącej instalacji?

Tak. Sposób zależy od konstrukcji. W przypadku przepływomierzy inline konieczne może być rozcięcie przewodu i wykonanie odpowiedniego przyłącza. W przypadku sond zanurzeniowych możliwe są rozwiązania montowane przez przyłącze procesowe. Niektóre konstrukcje mogą umożliwiać instalację lub demontaż sensora pod ciśnieniem przy wykorzystaniu odpowiedniej armatury i procedury. CS Instruments przewiduje takie rozwiązania dla wybranych modeli oraz udostępnia oddzielne instrukcje dotyczące wyposażenia do montażu typu hot tapping.

Jak wybrać miejsce pomiaru?

Najlepszy punkt nie zawsze jest tym, w którym najłatwiej zamontować urządzenie. Należy uwzględnić:

• cel pomiaru,

• profil przepływu,

• dostępność prostych odcinków,

• możliwość serwisowania,

• warunki temperaturowe,

• możliwość występowania kondensatu,

• położenie zaworów i kolan,

• kierunek przepływu.

Dobrze zaprojektowany punkt pomiarowy powinien jednocześnie zapewniać wiarygodne dane i umożliwiać bezpieczny dostęp serwisowy.

Jakie informacje warto podać przy zapytaniu o dobór przepływomierza?

Aby dobrać urządzenie technicznie, warto podać co najmniej:

• rodzaj medium,

• średnicę rurociągu,

• materiał rury,

• ciśnienie minimalne i maksymalne,

• temperaturę medium,

• minimalny przepływ,

• przepływ nominalny,

• maksymalny przepływ,

• informację, czy gaz jest suchy czy mokry,

• oczekiwaną dokładność,

• sposób montażu,

• dostępne odcinki proste,

• wymagane sygnały wyjściowe,

• sposób rejestracji danych.

Im więcej danych procesowych jest dostępnych przed doborem, tym mniejsze ryzyko przewymiarowania lub nieprawidłowego zastosowania czujnika.

Pneumat System i CS Instruments – pomiar jako część szerszej diagnostyki pneumatycznej

W praktyce przemysłowej sam przepływomierz jest tylko jednym z elementów systemu pomiarowego. Pełna ocena instalacji sprężonego powietrza może obejmować:

• przepływ,

• zużycie całkowite,

• ciśnienie,

• temperaturę,

• punkt rosy,

• zawartość oleju,

• poziom cząstek,

• pobór energii przez sprężarki,

• wykrywanie nieszczelności.

Takie podejście pozwala nie tylko stwierdzić, że instalacja zużywa dużo powietrza, lecz również odpowiedzieć: dlaczego? Pneumat System oferuje rozwiązania związane z pneumatyką przemysłową, instalacjami sprężonego powietrza oraz diagnostyką i techniką pomiarową, a urządzenia CS Instruments stanowią ważny element oferty w zakresie monitorowania parametrów sprężonego powietrza. CS Instruments rozwija obecnie systemy obejmujące pomiar przepływu i zużycia, punktu rosy, wykrywanie nieszczelności oraz monitoring jakości sprężonego powietrza, co pozwala budować kompleksowe systemy zarządzania medium.

Kiedy warto zainwestować w przepływomierz?

W praktyce niemal zawsze wtedy, gdy przedsiębiorstwo chce świadomie zarządzać kosztami sprężonego powietrza. Szczególnie uzasadnione jest to, gdy:

• sprężarkownia ma dużą moc,

• występują znaczne wahania zużycia,

• przedsiębiorstwo chce rozliczać poszczególne wydziały,

• podejrzewane są duże nieszczelności,

• planowana jest modernizacja,

• występują problemy ze spadkami ciśnienia,

• rosną koszty energii,

• wdrażany jest monitoring energetyczny,

• zakład chce określić koszt konkretnych procesów.

Najważniejsze pytanie: ile naprawdę kosztuje brak pomiaru?

Brak przepływomierza oznacza w praktyce brak wiedzy o rzeczywistym wykorzystaniu jednego z najdroższych mediów produkcyjnych. Przedsiębiorstwo może znać:

• moc sprężarek,

• godziny ich pracy,

• rachunek za energię elektryczną,

a jednocześnie nie wiedzieć, który wydział zużywa najwięcej powietrza. Bez pomiaru trudno również ocenić efekty modernizacji. Można wymienić instalację, naprawić nieszczelności lub obniżyć ciśnienie, lecz bez danych „przed” i „po” rzeczywista oszczędność pozostaje jedynie szacunkiem.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.

Autor:
Jarosław Pospiech
Product Manager
Pneumat.