W wielu aplikacjach przemysłowych pomiar przepływu metodą ultradźwiękową jest już powszechny. Szereg bardzo ciekawych i wymagających aplikacji technologicznych możemy znaleźć w branży gazowniczej, w której metoda ultradźwiękowa jest wykorzystywana coraz częściej. Jej główną zaletą jest bezinwazyjność, czyli brak konieczności ingerencji w rurociąg. To przynosi wiele korzyści natury ekonomicznej. Także w przypadku dużych średnic gazociągów przesyłowych.
Czym jest pomiar bezinwazyjny?
Bezinwazyjny, ultradźwiękowy pomiar przepływu polega na przejściu w dwóch kierunkach ultradźwiękowych sygnałów. Dzieje się to pomiędzy dwoma (parowanymi) czujnikami (sondami) zamontowanymi w sposób bezkontaktowy z mierzonym medium. Technika ta jest uniwersalna dla cieczy oraz gazów.
Strumień objętości obliczany jest za pomocą poniższej formuły:
gdzie, Q – przepływ, KRe – poprawka kalibracyjna związana z liczbą Reynoldsa, A – przekrój poprzeczny rurociągu, Ka – akustyczny współczynnik kalibracyjny, Δt – różnica pomiędzy czasami przejść sygnałów, tf – czas przejścia sygnału w mierzonym medium.
Próg błędów
Nie w każdej aplikacji przepływomierza na szczęście wymagana jest wręcz aptekarska precyzja. Jest to bardzo ważne, należy mieć bowiem na uwadze, że profil przepływu zaburzany może być przez niekorzystne efekty takie jak zawirowania osiowe lub poprzeczne oraz niesymetryczny przepływ – czyli wtedy, gdy profil prędkości nie rozkłada się jednorodnie wokół osi rurociągu.
Przepływomierz bezinwazyjny, który posiada jedną parę czujników (sond) pomiarowych, potrafi mierzyć tylko w pojedynczej płaszczyźnie rurociągu. Zwiększając ilość kanałów pomiarowych i tym samym par sond pomiarowych, zwiększa się ilość płaszczyzn pomiarowych. Większa ilość płaszczyzn przejścia sygnału przez przekrój rurociągu oznacza zdolność do obniżenia niepewności związanej z pomiarem całego układu.
Przepływ na gazociągu przesyłowym D1200
W jednym z zakładów na terenie Republiki Czeskiej przeprowadzono próby obiektowe mające na celu zweryfikowanie możliwości pomiaru bezinwazyjnego na dwóch rurociągach przesyłowych gazu ziemnego tj. rurociągach DN1400 oraz DN1200.
W przypadku pomiaru gazów, skuteczność i dokładność pomiaru zależy przede wszystkim od dwóch zmiennych – ciśnienia i odpowiednio długich odcinków prostych. Wymagane jest minimalne ciśnienie (4-5 bara w przypadku rurociągów stalowych), które gwarantuje pewien poziom gęstości gazu pozwalający na skuteczną propagację fali ultradźwiękowej. Sytuacja jest optymalna, gdy ciśnienie wynosi ok.50 bar(a). Jeśli chodzi o odcinki proste to sa one niezbędne aby zminimalizować ilość szumów sygnałowych w rurociągu, powstających w wyniku odbicia sygnału od zaworów, kolanek, kołnierzy etc. Odcinki proste mają także wpływ na profil przepływu – w przypadku gazów ma to duże znaczenie z uwagi na prędkość liniową przepływu w rurociągu, która często wynosi powyżej 10 m/s (dla cieczy rzadko przekracza 2 m/s). W przypadku niższego ciśnienia i wątpliwości co do odpowiednio długich odcinków prostych zawsze należy wykonać próbę obiektową – taki test przeprowadziliśmy za pomocą przenośnego przepływomierza Fluxus G608.
Po zamontowaniu testowego, przenośnego przepływomierza dwukanałowego FLUXUS G608 w dwóch lokalizacjach tj. DN1400 oraz DN1200 okazało się, że ciśnienie oraz wykonana z polietylenu osłona antykorozyjna nie stanowią przeszkody w skutecznej pracy urządzeń. W obu przypadkach przed punktami pomiarowymi nie było żadnych elementów poważnie zaburzających profil przepływu, tj. kolanek, zaworów, zwężeń. Jedyną niekorzystną kwestią był odcinek gazociągu biegnący łukiem na odcinku ok. 400 m. Z tego powodu zdecydowaliśmy się na zastosowanie układu czterokanałowego. Wybór czterokanałowego modelu FLUXUS G706 pozwolił na zachowanie najlepszych własności metrologicznych, dzięki zwielokrotnionej kompensacji profilu przepływu.
Po pozytywnych testach klient zdecydował się zainstalować przepływomierze bezinwazyjne G706 na stałe dla dwóch punktów pomiarowych. Komunikacja pomiędzy przepływomierzem G706, a komputerem przepływu realizowana jest cyfrowo za pomocą standardu MODBUS RTU. Dostępne jest również wyjście częstotliwościowe 5Hz…5kHz typu open collector, stosowane typowo w gazomierzach turbinkowych.
Co oczywiste, dostarczone przepływomierze FLUXUS G706 są dopuszczone do pracy w strefie zagrożenia wybuchem, a sondy pomiarowe zlokalizowane w studzience pomiarowej posiadają stopień ochrony IP68.
Zyskują przy bliższym poznaniu
Przepływomierze bezinwazyjne swoje zastosowanie znajdują nie tylko w gazownictwie. Ich największą zaletą jest brak ingerencji w instalację, a wykonanie wielościeżkowe pozwala na utrzymanie bardzo dobrych właściwości metrologicznych. Choć ultradźwięki nie są tak powszechne jak inne metody, to powoli konserwatyzm w tej kwestii wydaje się słabnąć. Pamiętajmy bowiem, że konserwatywne podejście przy wyborze optymalnej metody pomiarowej nie zawsze jest dobrym doradcą. Zawsze należy przecież kierować się rachunkiem ekonomicznym, wymaganiami i możliwościami każdej metody.
Bardziej szczegółowy opis tej aplikacji opublikowany został na łamach czasopisma „Pod kontrolą”:
