O tym, że pomiary parametrów przepływu różnych cieczy lub gazów mają podstawowe znaczenie dla przebiegu rozmaitych procesów produkcyjnych, nie trzeba nikogo przekonywać. Właściwa ilość materiału i jego automatyczne dozowanie w odpowiednim czasie to czynniki decydujące o wysokiej i stabilnej jakości produktu. Bezpieczeństwo procesów technologicznych, optymalizacja zużycia składników i związane z nią względy ekonomiczne, a także ochrona środowiska – to kolejne powody, dla których przemysłowe pomiary przepływu nabierają coraz większego znaczenia.

Każdego dnia w większości przedsiębiorstw przemysłowych dokonuje się pomiarów wody, pary wodnej, gazu, energii elektrycznej, olejów mineralnych, chemikaliów czy ścieków. Nic więc dziwnego, że zwiększa się sprzedaż przepływomierzy – analitycy firmy badawczej Markets and Markets Research szacują, że wartość światowego rynku mierników przepływu, który dwa lata temu osiągnął pułap 6,4 mld dolarów, wzrośnie do 2022 r. do poziomu 9,3 mld dolarów. Średni roczny wzrost oscyluje na poziomie ok. 6–9%, a wpływ na rosnącą dynamikę sprzedaży ma przede wszystkim zwiększony popyt w branży petrochemicznej, gdzie używanie przepływomierzy jest obwarowane przepisami w zakresie kontroli jakości i rozliczeń. Większa sprzedaż wynika również z konieczności wymiany starszych urządzeń na nowe, inteligentne modele, które są nie tylko dokładniejsze, ale i bardziej niezawodne.

Ciekawym obszarem „rozwojowym” rynku mierników jest monitorowanie przepływu materiałów sypkich. Za pomocą specjalnych urządzeń coraz częściej mierzona jest ilość domieszek dodawanych podczas produkcji stali w przemyśle ciężkim, a także ilość dodatków do farb i lakierów w branży samochodowej.

Mierniki mechaniczne

Na rynku dostępne są mierniki o odmiennych konstrukcjach i zasadach działania, przeznaczone do pomiaru różnych substancji o zmiennej temperaturze, konsystencji czy ciśnieniu. Do najbardziej klasycznych typów przepływomierzy należą mierniki mechaniczne, wśród których wyróżniamy objętościowe, manometryczne, zmiennoprzekrojowe, czyli rotametry, oraz mierniki z otwartym kanałem.

Przepływomierze objętościowe, tj. urządzenia, w których ciecz jest dzielona na partie o znanej wielkości, a całkowita prędkość przepływu jest określana na podstawie szybkości zapełniania i opróżniania określonej objętości, stosowane są do pomiarów wody, gazów i paliw płynnych, np. przy napełnianiu cystern. Działanie mierników manometrycznych wiąże się z wyznaczeniem prędkości płynu na podstawie różnic ciśnienia na wejściu i wyjściu. Urządzenia te (oparte na technologii kryzy dławiącej, wykorzystujące zwężkę Venturiego, dyszę wylotową oraz rurkę Pitota) są stosowane w pomiarach niewymagających dużej dokładności.

Mierniki zmiennoprzekrojowe, czyli tzw. rotametry, to jedne z najczęściej używanych instrumentów w przemyśle maszynowym, energetycznym, chemicznym i gospodarce wodno-ściekowej. Do pomiarów w trudnych warunkach, np. w przypadku cieczy o wysokiej temperaturze lub ciśnieniu bądź mediów o agresywnych właściwościach, służą rotametry metalowe. Z kolei mierniki zmiennoprzekrojowe w formie szklanej rury rozszerzającej się ku górze są doskonałym rozwiązaniem dla branży spożywczej i w przypadku instalacji laboratoryjnych. Dostępne są również rotametry wykonane z tworzyw sztucznych – te niedrogie urządzenia pomiarowe szeroko wykorzystuje się w gospodarce wodno-ściekowej, w instalacjach sprężonego powietrza oraz w przypadku nieagresywnych cieczy i gazów.

Przepływomierze otwarte stosowane są w przewodach lub rurach otwartych do atmosfery oraz przewodach o minimalnej różnicy ciśnienia względem atmosferycznego. W przypadku tych mierników prędkość przepływu jest określana z poziomu cieczy w pionowej rurce.

Masowe i wirowe

Wśród instrumentów nowego typu, czyli elektronicznych, wyróżniamy przepływomierze Coriolisa, mierniki magnetyczne, impulsowe, typu Vortex oraz ultradźwiękowe. Do najbardziej popularnych w zastosowaniach przemysłowych należą przepływomierze masowe Coriolisa, które cechują się wyjątkową precyzją pomiaru (wielokrotnie wyższą niż rotametry), bez względu na rodzaj przepływającej substancji. W urządzeniach tego typu mierzy się opóźnienia fazy drgań rury pomiarowej w części dolotowej i jej przyspieszenie na odcinku wylotowym. Pomiar przesunięcia fazowego pozwala obliczyć wartość strumienia masy mierzonego medium, a pomiar częstotliwości rezonansowej drgań rur pomiarowych umożliwia określenie jego gęstości.

To właśnie możliwość jednoczesnego mierzenia wielu parametrów danej substancji świadczy o unikalności tej metody. Oprócz masy i gęstości mierniki Coriolisa mierzą bowiem również temperaturę i lepkość mediów. Praktycznym walorem tego rozwiązania jest to, że do instalacji przyrządów nie są potrzebne proste odcinki w instalacji ani przed, ani za miejscem pomiaru. Kolejne atuty mierników masowych to szeroki zakres pomiarowy i wyjątkowo prosty montaż bez konieczności stosowania podpór czy kompensatorów drgań. Przepływomierze Coriolisa wykorzystuje się do pomiarów większości płynów, np. środków czyszczących, rozpuszczalników, paliwa, olejów silikonowych, a także substancji spożywczych, takich jak alkohol, ketchup, ocet i czekolada.

Na szczególną uwagę w zastosowaniach przemysłowych zasługują przepływomierze wirowe (Vortex). Urządzenia te mierzą ilość substancji przepływającej przez powierzchnię prostopadłą do kierunku przepływu – w tego rodzaju pomiarach wykorzystywana jest teoria ścieżki wirowej Karmana, opisująca zjawisko powstawania wirów za ciałem nieopływowym. Olbrzymią zaletą tej techniki jest wysoki poziom dynamiki pomiaru oraz niezależność systemu pomiarowego od zmian ciśnienia, lepkości i temperatury przepływającego medium. Dzięki swoim uniwersalnym właściwościom mierniki wirowe wykorzystywane są w wielu branżach przemysłu do pomiaru przepływu objętościowego cieczy, gazów i par. Po instrumenty te sięga często przemysł chemiczny i petrochemiczny, gdzie w układach wytwarzania energii i dystrybucji ciepła występują płyny o różnorodnych właściwościach, takie jak para nasycona, sprężone powietrze, azot, skroplone gazy, gazy spalinowe, dwutlenek węgla, rozpuszczalniki, oleje czy woda zasilająca dla kotłów.

Magnetyczne właściwości

Przemysł wydobywczy, samochodowy, chemiczny, spożywczy oraz systemy ogrzewania i chłodzenia w fabrykach to z kolei obszary, w których dużą popularnością cieszą się przepływomierze elektromagnetyczne. Urządzenia te mierzą prędkości przepływu medium przez określoną powierzchnię, prostopadłą do kierunku pola magnetycznego, wykorzystując zjawisko indukcji elektromagnetycznej Faradaya. Wykonują pomiary niezależne od gęstości, lepkości, temperatury oraz ciśnienia mierzonej cieczy. Dobrze sobie radzą też z materiałami o wysokim poziomie koncentracji ciał stałych, np. masą celulozową lub szlamem kopalnianym.

Przepływomierze elektromagnetyczne to instrumenty wyjątkowo uniwersalne i praktyczne: występują w wielu wersjach materiałowych, z różnymi typami przyłączy, mogą być instalowane w dowolnej pozycji. Do istotnych atutów tych rozwiązań należą duża precyzja pomiaru, jego niezawodność i stabilność długoterminowa.

Inwazja ultradźwięków

Jak podkreślają specjaliści z branży mierników przepływu, obecnie największym zainteresowaniem rynku cieszą się przepływomierze ultradźwiękowe. Szacuje się, że skumulowany wskaźnik wzrostu sprzedaży instrumentów ultradźwiękowych w latach 2016–2021 wyniesie aż ok. 6,4% rocznie. Mierniki te wykorzystują zasadę różnicy czasu przejścia wiązki ultradźwiękowej, kompensując jednocześnie takie wartości jak profil przepływu, rodzaj cieczy i materiał, z którego wykonany jest rurociąg. Największą zaletą tej metody jest pomiar bezinwazyjny, prowadzony przez ścianę rury (o średnicy od 5 do nawet 6,5 m). Bez znaczenia jest przy tym materiał, z którego rura jest wykonana. Z dobrodziejstw metody ultradźwiękowej szczególnie chętnie korzysta przemysł gazowy, węglowy, chemiczny oraz petrochemiczny i ciepłowniczy – w tych obszarach bowiem pomiary są szczególnie utrudnione właśnie ze względu na rurociągi o dużych średnicach.

Przepływomierze ultradźwiękowe to również rozwiązanie idealne do długotrwałych pomiarów w obszarach przemysłowych o trudnych warunkach środowiskowych, gdzie dostęp do zasilania jest ograniczony i mogą występować różne niekorzystne czynniki zewnętrzne.

Kryteria wyboru

Ogromna różnorodność rozwiązań stosowanych na rynku przepływomierzy sprawia, że wybór odpowiedniego urządzenia nie jest łatwy. Na początku warto określić, czy urządzenie mierzące przepływy ma służyć pomiarom w procesach technologicznych czy będzie wykorzystywane głównie do rozliczeń ekonomicznych. Odpowiedź na to pytanie determinuje bowiem pożądane parametry techniczne urządzenia.

Decydując się na wybór konkretnego rozwiązania, powinniśmy wziąć pod uwagę takie kryteria jak oczekiwany poziom dokładności pomiaru i właściwości fizyczne mierzonego medium – chodzi tu o lepkość, gęstość, przewodność mierzonej substancji. Duże znaczenie mają również warunki pomiaru, czyli: ciśnienie, temperatura, a nawet materiał, z jakiego wykonano rurociągi. Warto też pamiętać o dodatkowych ważnych czynnikach, przede wszystkim o tym, że sprzęt pomiarowy musi być zdolny do generowania powtarzalnych wyników, powinien też być łatwy w obsłudze i praktyczny w codziennym użytkowaniu. Oznacza to, że typ przepływomierza powinien być dostosowany nie tylko do czynników środowiskowych w danym zakładzie przemysłowym, ale także do warunków pracy operatorów (np. jeśli noszą skórzane rękawice, powinni móc bez ich zdejmowania w miarę wygodnie dokonywać odczytów czy przeglądu urządzeń). Często trzeba też uwzględnić specyficzne uwarunkowania, np. obecność żrących substancji lub ograniczenia wymaganych prac konserwacyjnych.

Eksperci utrzymania ruchu radzą również, by zwrócić uwagę na wyposażenie urządzenia w funkcje weryfikacji i diagnostyki. Najbardziej nowoczesne modele przepływomierzy dokonują ciągłej analizy stanu urządzenia w czasie jego pracy, monitorując, czy elementy składowe miernika działają poprawnie i nie przekraczają ustalonych, identyfikowalnych i najczęściej wąskich tolerancji. Zaawansowane czynności diagnostyczne obejmują m.in. sprawdzanie stanu technicznego rur pomiarowych, cewek czy czujnika temperatury. Dzięki tym funkcjom służby utrzymania ruchu otrzymują okresowy raport stanu przepływomierza, który mogą wykorzystać np. w procedurach ISO. Co najistotniejsze, funkcje diagnostyczne umożliwiają szybką reakcję w przypadku pojawienia się usterki lub nieprawidłowości w pracy urządzenia.

Najbardziej innowacyjne rozwiązania dostępne na rynku (np. firmy Endress+Hauser) pozwalają na to, by dostęp do informacji diagnostycznych, serwisowych lub procesowych był możliwy nie tylko w sterowni zakładu, ale także bezpośrednio w miejscu instalacji miernika. Wbudowany serwer WWW pozwala na bezpośrednie podłączenie do laptopa lub tabletu, a zdalny dostęp do kompleksowych informacji jest również możliwy za pomocą bezprzewodowej sieci WLAN.

Pożądana modernizacja

Choć w zakresie precyzji pomiaru przepływu, wygody montażu mierników i możliwości autodiagnostycznych tych urządzeń w ciągu ostatniej dekady doszło do prawdziwej rewolucji, specjaliści utrzymania ruchu często wolą pozostać przy dotychczasowych, sprawdzonych rozwiązaniach mechanicznych. Mimo to producentom przepływomierzy w wersji smart (np. mierników Coriolisa, instrumentów ultradźwiękowych lub elektromagnetycznych) coraz częściej udaje się przekonać inżynierów do swojej oferty.

Oprócz czynników czysto jakościowych argumentem nie do odparcia są kwestie ekonomiczne. Praca przepływomierzy mechanicznych wiąże się bowiem z wysokimi kosztami eksploatacji, związanymi z wymianą części, czyszczeniem i kalibracją sprzętu. Eksperci szacują, że zwrot z inwestycji w mierniki nowego typu następuje zazwyczaj w ciągu 6–8 miesięcy. Program modernizacji przyrządów mierniczych, oprócz obniżenia kosztów operacyjnych (związanych z serwisem i eksploatacją), może w krótkim czasie przynieść też inne korzyści: poprawę bezpieczeństwa (np. zmniejszone do minimum ryzyko wystąpienia wycieku), bardziej precyzyjne pomiary i znacznie wyższą niezawodność pracy.