Klíčové faktory pro úspěšné měření průtoku plynu

Když jsem se poprvé dostala k měření dynamiky tekutin, brzy jsem zjistila, že pro úspěšné zvládnutí problematiky je potřeba i určité úrovně kombinací. Mnohokráte se nám v laboratoři tajil dech, když jsme srovnávali výsledky měření modelu se skutečnou situací, kde jsme měli za úkol změnou rozložení průtoku zlepšit účinnost zařízení pro kontrolu průmyslového znečistění. Obvyklé rovnice pro výpočet proudění využívají pouze idealizovaných podmínek a skutečná aplikace se může vypočteným hodnotám i velice vzdalovat. Nejhorší na tom je, že i použití vysoce komplexních počítačových modelů nám není schopné poskytnout dostatečně přesné výsledky a konečný návrh musí být v laboratoři stejně upraven.

Chování plynu, stejně jako dosažení stabilních a přesných výsledků měření průtoku plynu, ovlivňuje celá řada faktorů. Složení plynu má přitom zásadní vliv jak na jeho vlastnosti, tak i na hustotu nebo tepelnou vodivost. Ovšem nemalou roli zde hrají i základní vlivy životního prostředí, jako je kupříkladu teplota, vlhkost vzduchu či nadmořská výška, nebo dokonce i samotné médium, jehož prostřednictvím je plyn veden. Na mysli máme především drsnost povrchu měřicího tubusu, neboť klasické senzory průtoku vycházejí ze snímačů objemu (poskytují informaci typu „kolik“) a měřená hodnota je tedy silně závislá na teplotě a tlaku. Jiným slovem, uvedené senzory nejsou vůči těmto změnám (zejména teploty) imunní.

Vraťme se však zpět k základním termodynamickým zákonům ideálního plynu. pV=nRT je hlavní vzorec, který platí za předpokladu splnění ideálních podmínek.

Pro připomenutí…

Tlak×objem=množství plynu×univerzální plynová konstanta×absolutní teplota

Množství plynu=hmotnost/molární hmotnost, přičemž molární hmotnost představuje specifickou plynovou konstantu.

Jednoduchým přeskupením a kombinací konstant získáme: objem=hmotnost×teplota/tlak×konstanta.

Proč se pak výsledky senzorů „hmotnostního toku“ uvádějí v l/min (litrech za minutu)? Důvod je samozřejmě prostý a vychází ze souboru standardů a normalizovaných hodnot především teploty a tlaku, za kterých jsou naměřené hodnoty v l/min platné. Tyto standardy se samozřejmě liší v závislosti na referenční organizaci (NIST, IUPAC…), ovšem společným základem musí být vždy tlak 1 atm při 0 °C.

Materiál zvoleného potrubí má vliv na odpor mezi měřeným plynem a vnitřní stěnou. Neméně důležitým faktorem, který rovněž stojí za přesnou hodnotou výsledku, je také správný výběr snímače, který musí být pro daný typ aplikace vhodný. V následujících bodech bude uveden přehled hlavních kritérií, které je třeba mít při výběru na paměti. Samozřejmě se jejich použití liší podle dané aplikace a ne vždy jsou všechny z nich platné. Některé podmínky platí například pouze pro jeden typ senzorů.

Složení plynu

První, na co musíme při výběru snímače myslet, je typ uvažovaného plynu. Ujistěte se, že na ten daný plyn je snímač kalibrovaný a že je vůbec pro jeho dané složení vhodný. Nejčastěji měřeným plynem je sice obyčejný vzduch, ale rozhodně to není podmínkou. Pokud si tedy nejste jisti, vždy se obraťte na výrobce snímače.

Dalším problémem bývá konverze hodnot, kdy základní učebnicové konstanty nemusí nutně platit pro všechny typy senzorů. Jak jsme si řekli již v úvodu, kromě hustoty plynu je měření silně ovlivněno i celou řadou dalších faktorů, jako je teplota, hmotnostní tok či tepelná vodivost. Z toho důvodu také například společnost Omron nabízí u svých senzorů alternativní výstupní křivky pro jiné typy plynů (např. vzduch vs. zemní plyn vs. argon). Přesto existuje celá řada plynů, pro které dané křivky nemusí být dostupné a před použitím snímače je nutné provést jeho kalibraci (např. pro oxid uhličitý a oxidy dusíku). Extrémním případem je situace, kdy zvolený plyn vykazuje výrazně odlišné složení. Jelikož většina senzorů nedokáže rozlišit mezi změnou hustoty a velikostí průtoku plynu, je v tomto případě vhodné vybrat senzor, který je navržen speciálně pro tyto podmínky.

Turbulence a výkyvy v toku plynu

Vznik nežádoucích turbulencí a/nebo změna v rychlosti toku proudu plynu může mít za následek nestabilní a hlavně nepřesné měření. Tyto problémy lze do určité míry řešit vhodným návrhem prostoru v okolí čidla, případně lze zvolit takový typ čidel, který je k těmto podmínkám více tolerantní.

Z nabídky již zmíněné společnosti Omron lze i v tomto případě vybrat několik speciálních typů senzorů, které na vstupu obsahují řadu „vyhlazujících“ prvků (viz obr. 1), které svou funkcí potlačují vznik turbulentního proudění a v oblasti čidla poskytují velmi rovnoměrný tok plynu. Samotné čidlo je obvykle tvořené technologií MEMS. V případě, kdy je použito čidlo bez uvedené struktury laminárního proudění, je vhodné jak před, tak i za snímač vřadit části rovných úseků. Minimální délku této oblasti lze vypočítat pomocí Reynoldsova čísla, ovšem praxe ukázala, že pro správnou funkci postačí 10násobek průměru před a 5násobek průměru za čidlem.

Obr. 1

Další doporučení se rovněž vztahuje na uvedený typ snímačů bez vstupních vyhlazovacích prvků. Výrobci senzorů doporučují použít na vstupu čidla filtr, který zajistí ochranu snímacího prvku před drobnými částicemi.

Specifickým požadavkem je měření pulsujícího toku plynu, například z membránových čerpadel, což lze řešit hned několika způsoby. Jednou z možností je použití vyrovnávací nádrže těsně před měřicím zařízením nebo otvorem na dolním toku plynu. V tom případě lze s výhodou využít snímače, které již ve svém těle podobný otvor obsahují (např. Omron 70 200 LPM D6F 01/02A2). Stejně tak v pulsujících sestavách se ukázala odolná i čidla navržená s interním bypassem. Interní bypass je místo, ve kterém dochází k odběru malého množství plynu z cesty hlavního proudu a ten je pak veden na snímací prvek senzoru (pozornost si jistě zaslouží Omron D6F AB, který má být brzy uveden na trh). Podobným řešením je pak i použití menšího snímače, zapojeného v samostatném bypass obvodu (viz obr. 2). Více informací o tomto typu uspořádání je popsáno níže.

Obr. 2

Bohužel, měření pulsního průtoku plynu je poměrně náročný úkol, který často vyžaduje řešení pouze stylem pokusu a omylu. Jedině tak lze v některých případech určit nejlepší řešení pro konkrétní systém. V mimořádných situacích je pak dokonce nutné použít kombinací výše uvedených metod.

Charakteristika čidla

Neméně důležitou povinností každého konstruktéra je volba takové charakteristiky senzoru, která je kompatibilní s danou aplikací. V řadě aplikací je například rozhodujícím faktorem doba odezvy senzoru, přičemž jde o hodnotu, která se mezi jednotlivými charakteristikami výrazně liší. Někteří výrobci dokonce nabízejí změnu časové konstanty jejich snímačů na vyžádání. Nezapomeňte však na to, že kratší doba odezvy může mít za následek horší výsledek měření.

Dalším specifickým typem aplikací jsou systémy s pravidelným poklesem tlaku, jako jsou například dýchací přístroje ve zdravotnických zařízeních. Zde se hodí již zmíněné snímače s otvorem či bypass konfigurace s malým senzorem (viz obr. 2).

Varianta Bypass

Varianta s „bypass“ odbočkou vyžaduje sice na jedné straně použití složitějšího návrhu, ovšem velkou výhodou je možnost použití menších a levnějších senzorů. (Navíc i v tomto směru nabízí Omron svým zákazníkům pomoc v podobě návrhu za pomoci Computational Fluid Dynamics modelovacího software.)

Snímače průtoku, založené na „bypass konfiguraci“ jsou velmi podobné diferenciálním tlakovým čidlům (které jsou založené na nepřímé metodě měření průtoku), ovšem s několika zásadními technologickými rozdíly, na které je třeba pamatovat. V obou případech je senzor instalován ke dvěma portům s otvory po obou stranách, které vytvářejí požadovaný rozdíl tlaku.

Při snímání tlakové diference, je membránou měřen rozdíl mezi horním a dolním tlakem. Jedná se o statický systém měření, kdy vzduch neprochází membránou, nýbrž pouze ji vychyluje. Výstupem snímače je dynamická hodnota, vycházející z neustálého proudění vzduchu po obou stranách membrány. Důsledkem rozdílového měření a využití „bypass systému“ je značná náchylnost na pokles tlaku, který může mít nezanedbatelný vliv na přesnost některých snímačů. To znamená, že ve výrobním systému musí být však délka bypass trubice přesně dodržena. Na druhou stranu je pravdou, že v mnoha aplikacích nemusí pokles tlaku znamenat žádný vážnější problém. Jedná se například o aplikace HVAC kontroly. V ostatních aplikacích lze pak problém snadno obejít pomocí vysoko-impedančních snímačů průtoku, které mají velmi úzké hrdlo a vysokou rychlost toku plynu.

I když jsem si jistá, že jsem v článku nezohlednila všechny možné otázky, které mají na výběr snímače vliv, doufám, že jsem vám alespoň pomohla vyhnout se těm hlavním problémům a úskalím tohoto specifického oboru. Pokud není dynamika kapalin a plynů vaším hlavním oborem, nebojte se požádat o odbornou pomoc na stránkách www.element14.com.

www.farnell.com/cz

www.element14.com