Meranie prietoku vody patrí medzi relatívne jednoduché aplikácie. Situácia sa však výrazne mení, keď potrubím neprúdi voda, ale olej, mazivo, sirup, živica, lepidlo, farba alebo iná viskózna kvapalina.
Vysoká viskozita ovplyvňuje spôsob prúdenia média, tlakové straty aj správanie samotného prietokomeru. Technológia, ktorá spoľahlivo meria vodu, preto nemusí byť automaticky vhodná na meranie hustého oleja alebo sirupu.
Pri výbere prietokomeru pre viskózne kvapaliny nestačí poznať iba DN potrubia a požadovaný prietok. Dôležité je vedieť akú viskozitu médium má, pri akej teplote bude merané a ako sa jeho vlastnosti počas prevádzky menia.
Čo je viskozita?
Viskozita vyjadruje odpor kvapaliny proti tečeniu alebo vzájomnému pohybu jej vrstiev.
Jednoducho povedané:
čím vyššia je viskozita, tým „hustejšie“ sa kvapalina správa a tým ťažšie tečie.
Voda má pri bežnej teplote nízku viskozitu. Motorový olej, med alebo sirup majú podstatne vyššiu.
V technickej dokumentácii sa môžeme stretnúť najmä s:
- dynamickou viskozitou – napríklad v mPa·s alebo cP,
- kinematickou viskozitou – napríklad v mm²/s alebo cSt.
Tieto hodnoty nie sú totožné a pri výbere prietokomeru treba vedieť, ktorú z nich výrobca požaduje.
Prečo je pri meraní dôležitá teplota?
Viskozita kvapaliny nie je konštantná.
Pri mnohých kvapalinách výrazne závisí od teploty. Typickým príkladom sú oleje.
Studený olej môže byť veľmi viskózny, zatiaľ čo po zahriatí tečie podstatne ľahšie.
To znamená, že údaj:
Viskozita: 500 cP
nie je úplný, ak nevieme, pri akej teplote platí.
Pri návrhu merania je preto vhodné poznať:
- minimálnu teplotu média,
- normálnu pracovnú teplotu,
- maximálnu teplotu,
- viskozitu pri týchto teplotách.
Prietokomer totiž musí spoľahlivo fungovať v celom prevádzkovom rozsahu, nie iba pri ideálnom pracovnom bode.
Ako viskozita mení prúdenie v potrubí?
V potrubí môže vzniknúť laminárne alebo turbulentné prúdenie.
Pri turbulentnom prúdení dochádza k intenzívnemu premiešavaniu jednotlivých vrstiev kvapaliny.
Pri laminárnom prúdení sa médium pohybuje usporiadanejšie v jednotlivých vrstvách.
Vysoká viskozita podporuje vznik laminárneho prúdenia, najmä pri nižších rýchlostiach.
To je dôležité preto, že niektoré princípy merania sú výrazne závislé od charakteru prúdenia a rýchlostného profilu média.
Reynoldsovo číslo
Charakter prúdenia sa často posudzuje pomocou Reynoldsovho čísla.
Ovplyvňuje ho:
- hustota média,
- rýchlosť prúdenia,
- priemer potrubia,
- dynamická viskozita.
Pri vyššej viskozite Reynoldsovo číslo klesá.
V praxi teda môžeme mať dve aplikácie s rovnakým DN a rovnakým objemovým prietokom, ale úplne odlišným charakterom prúdenia, pretože potrubím pretekajú rozdielne kvapaliny.
Práve preto nemožno prietokomer vyberať iba podľa prietoku a priemeru potrubia.
Ktoré prietokomery sú vhodné pre viskózne kvapaliny?
Neexistuje jedna technológia vhodná pre všetky aplikácie.
Výber závisí od:
- viskozity,
- vodivosti,
- hustoty,
- teploty,
- tlaku,
- minimálneho a maximálneho prietoku,
- požadovanej presnosti,
- čistoty média,
- prípustnej tlakovej straty.
Pozrime sa na najčastejšie princípy.
Prietokomery s oválnymi kolesami
Prietokomery s oválnymi kolesami patria medzi objemové – Positive Displacement (PD) prietokomery.
Vo vnútri meracej komory sa nachádzajú dve presne tvarované oválne kolesá. Médium pri prúdení spôsobuje ich otáčanie a prietokomer meria definované objemy kvapaliny.
Tento princíp môže byť veľmi vhodný práve pre viskózne kvapaliny.
Typickými médiami sú:
- oleje,
- mazivá,
- palivá,
- chemikálie,
- živice,
- sirupy.
Veľkou výhodou je, že meranie nie je založené na vytvorení turbulentného rýchlostného profilu.
Pri vyššej viskozite sa navyše môžu zmenšiť vnútorné netesnosti medzi pohyblivými časťami a meracou komorou, čo môže byť pri určitých PD konštrukciách z pohľadu merania priaznivé.
Na čo si dať pozor?
Prietokomer obsahuje pohyblivé časti.
Treba preto posúdiť:
- mechanické nečistoty,
- abrazívne častice,
- tlakové straty,
- maximálnu viskozitu,
- teplotu,
- materiál tesnení.
Pri znečistenom médiu môže byť potrebná vhodná filtrácia.
Coriolisov prietokomer
Coriolisov princíp patrí medzi veľmi zaujímavé možnosti pre meranie viskóznych médií.
Jeho veľkou výhodou je priame meranie hmotnostného prietoku.
V závislosti od konkrétneho zariadenia môže poskytovať aj ďalšie procesné veličiny, napríklad:
- hustotu,
- teplotu,
- odvodený objemový prietok.
Coriolisove prietokomery sa používajú napríklad pre:
- oleje,
- chemikálie,
- nátery,
- palivá,
- viskózne procesné kvapaliny.
Výhodou je, že meranie nie je založené na elektrickej vodivosti média.
Coriolis preto môže merať aj kvapaliny, pri ktorých elektromagnetický princíp použiť nemožno.
Nevýhody?
Pri veľmi viskóznom médiu treba preveriť najmä:
- tlakovú stratu,
- vhodnú dimenziu prietokomeru,
- minimálny a maximálny prietok,
- procesné pripojenie.
Coriolisov prietokomer býva zároveň investične náročnejší než jednoduchšie meracie princípy.
Elektromagnetický prietokomer
Elektromagnetický prietokomer nemá v meracej trubici mechanické pohyblivé časti a vytvára len malú dodatočnú tlakovú stratu.
To môže byť pri viskóznych kvapalinách významná výhoda.
Má však jednu zásadnú podmienku:
Médium musí mať dostatočnú elektrickú vodivosť.
Elektromagnetický prietokomer preto môže byť vhodný pre niektoré:
- vodné roztoky,
- chemické kvapaliny,
- kaly,
- potravinárske médiá,
- vodivé viskózne médiá.
Naopak, typické uhľovodíkové oleje majú veľmi nízku elektrickú vodivosť a klasický elektromagnetický prietokomer pre ne spravidla nie je vhodný.
Pri viskóznom médiu treba navyše preveriť pracovný rozsah konkrétneho zariadenia a podmienky prúdenia.
Vortex prietokomer
Vortexový prietokomer využíva vznik Kármánovej vírovej cesty za prekážkou vloženou do prúdu média.
Frekvencia vznikajúcich vírov súvisí s rýchlosťou prúdenia.
Práve tu môže vysoká viskozita predstavovať problém.
Pri nízkom Reynoldsovom čísle sa stabilné víry nemusia vytvárať v oblasti potrebnej pre správne meranie.
Vortex preto nemusí byť vhodnou voľbou pre:
- veľmi viskózne kvapaliny,
- veľmi nízke rýchlosti,
- aplikácie s nízkym Reynoldsovým číslom.
Pred jeho použitím treba skontrolovať limity konkrétneho výrobcu.
Turbínový prietokomer
Turbínový prietokomer meria rýchlosť otáčania rotora umiestneného v prúde média.
Viskozita ovplyvňuje hydrodynamické sily pôsobiace na rotor, a tým aj jeho správanie.
So zvyšujúcou sa viskozitou sa preto môžu meniť:
- meracie vlastnosti,
- spodná hranica merania,
- linearita,
- tlaková strata.
Turbínový prietokomer môže byť vhodný pre určité olejové aplikácie, ale musí byť navrhnutý alebo kalibrovaný pre príslušné prevádzkové podmienky.
Nie je správne automaticky predpokladať, že turbína kalibrovaná na vodu bude rovnako presná pri výrazne viskóznejšom médiu.
Ultrazvukový prietokomer
Pri ultrazvukovom meraní je situácia komplexnejšia.
Samotná vysoká viskozita automaticky neznamená, že ultrazvukový princíp nemožno použiť.
Treba však zohľadniť:
- typ ultrazvukového merania,
- akustické vlastnosti média,
- profil prúdenia,
- prítomnosť bublín alebo pevných častíc,
- Reynoldsovo číslo,
- konkrétnu konštrukciu prietokomeru.
Pri clamp-on riešeniach navyše vstupuje do merania materiál a hrúbka potrubia.
Preto treba vhodnosť ultrazvukového prietokomeru posudzovať vždy pre konkrétnu aplikáciu.
Diferenciálne meranie prietoku
Pri meraní pomocou clony alebo iného primárneho prvku vzniká tlaková diferencia, z ktorej sa vypočítava prietok.
Viskozita ovplyvňuje Reynoldsovo číslo a tým aj podmienky, za ktorých platia použité výpočtové vzťahy a koeficienty.
Pri vysoko viskóznych kvapalinách môže byť ďalšou nevýhodou tlaková strata.
Diferenciálne meranie preto môže byť technicky možné, ale nie vždy predstavuje najefektívnejšie riešenie.
Orientačné porovnanie technológií
| Technológia | Viskózne kvapaliny | Hlavná poznámka |
|---|---|---|
| Oválne kolesá / PD | veľmi vhodné | dobré aj pri vysokých viskozitách, pohyblivé časti |
| Coriolis | veľmi vhodný | hmotnostný prietok, široké použitie |
| Elektromagnetický | vhodný pri vodivom médiu | médium musí byť elektricky vodivé |
| Vortex | obmedzene | problém pri nízkom Reynoldsovom čísle |
| Turbínový | podľa aplikácie | viskozita výrazne ovplyvňuje charakteristiku |
| Ultrazvukový | podľa aplikácie | treba preveriť médium a profil prúdenia |
| Diferenciálny tlak | možné | treba zohľadniť Re a tlakovú stratu |
Tabuľka je orientačná. Konečný výber vždy závisí od parametrov konkrétneho zariadenia a procesu.
Pozor na príliš veľký prietokomer
Pri viskóznych médiách môže vzniknúť tendencia vybrať väčší priemer prietokomeru s cieľom znížiť tlakovú stratu.
To však môže vytvoriť ďalší problém.
Väčším prierezom klesne rýchlosť média a prietokomer sa môže dostať mimo svojho optimálneho meracieho rozsahu.
Preto neplatí:
väčší prietokomer = lepší prietokomer.
Správna dimenzia musí predstavovať kompromis medzi:
- meracím rozsahom,
- rýchlosťou prúdenia,
- tlakovou stratou,
- viskozitou,
- presnosťou.
DN prietokomeru preto nemusí byť automaticky rovnaké ako DN potrubia.
Tlaková strata môže byť rozhodujúca
Pri hustej kvapaline je na jej dopravu potrubím potrebný vyšší tlakový rozdiel než pri kvapaline s nízkou viskozitou.
Ak do systému vložíme prietokomer s úzkymi kanálmi alebo výrazným hydraulickým odporom, tlaková strata môže ešte narásť.
To môže ovplyvniť:
- výkon čerpadla,
- dostupný tlak v technológii,
- spotrebu energie,
- maximálny dosiahnuteľný prietok.
Pri návrhu preto treba hodnotiť nielen otázku:
Bude prietokomer merať?
ale aj:
Akú tlakovú stratu pri danom médiu a prietoku vytvorí?
Čo ak sa viskozita počas procesu mení?
Toto je častý praktický problém.
Napríklad produkt môže byť pri spustení technológie studený a veľmi viskózny. Po zahriatí jeho viskozita výrazne klesne.
Prietokomer potom musí zvládnuť dva výrazne odlišné prevádzkové stavy.
Pri návrhu preto treba poznať najhorší reálny prevádzkový stav, nie iba nominálne údaje.
Zvlášť dôležité je preveriť studený štart technológie, keď môže byť:
- viskozita najvyššia,
- tlaková strata najväčšia,
- prietok najnižší.
Viskozita nie je jediný parameter
Ani znalosť presnej viskozity ešte nestačí na výber správneho prietokomeru.
Potrebujeme poznať aj:
- názov a zloženie média,
- hustotu,
- elektrickú vodivosť,
- teplotu,
- procesný tlak,
- minimálny prietok,
- normálny prietok,
- maximálny prietok,
- DN potrubia,
- požadovanú presnosť,
- prípustnú tlakovú stratu,
- obsah pevných častíc,
- prítomnosť vzduchu alebo plynových bublín,
- požiadavky na materiály a tesnenia.
Pri potravinárskych alebo farmaceutických aplikáciách môžu pribudnúť požiadavky na hygienické vyhotovenie a čistenie.
Objemový alebo hmotnostný prietok?
Pri výbere treba zároveň vedieť, čo chceme skutočne merať.
Objemový prietok môže byť napríklad:
l/min alebo m³/h
Hmotnostný prietok:
kg/h alebo t/h
Ak je cieľom presné dávkovanie určitého množstva produktu podľa hmotnosti, môže byť priame hmotnostné meranie Coriolisovým prietokomerom zaujímavejšie než objemové meranie s následným prepočtom.
Najmä ak sa počas procesu mení hustota alebo teplota produktu.
Praktický príklad: olej
Predstavme si požiadavku:
Potrebujeme merať olej, DN25, približne 20 l/min.
Na prvý pohľad máme základné údaje.
Na správny návrh však stále nevieme:
- aký olej,
- akú má viskozitu,
- pri akej teplote,
- aký je rozsah prietoku,
- aký je tlak,
- akú presnosť zákazník potrebuje,
- či chce objemový alebo hmotnostný prietok.
Rozdiel medzi olejom s viskozitou 10 cP a produktom s viskozitou niekoľko tisíc cP môže zásadne zmeniť vhodnú technológiu.
Preto je údaj „médium: olej“ podobne nedostatočný ako údaj „prietokomer DN25“.
Ako teda vybrať prietokomer pre viskózne médium?
Pri výbere odporúčame postupovať v tomto poradí:
- Identifikovať médium.
- Zistiť viskozitu a teplotu.
- Určiť minimálny, normálny a maximálny prietok.
- Skontrolovať tlak a prípustnú tlakovú stratu.
- Určiť požadovanú presnosť.
- Rozhodnúť, či potrebujeme objemový alebo hmotnostný prietok.
- Overiť materiálovú kompatibilitu.
- Posúdiť nečistoty, bubliny a další charakter média.
- Až následne vybrať vhodný merací princíp a dimenziu.
Takýto postup výrazne znižuje riziko, že síce vyberieme prietokomer so správnym DN a rozsahom, ale nevhodný pre samotné médium.
Záver
Viskozita môže zásadne ovplyvniť výber prietokomeru. Mení charakter prúdenia, Reynoldsovo číslo, tlakovú stratu aj správanie niektorých meracích princípov.
Pre vysoko viskózne médiá bývajú zaujímavou voľbou najmä objemové prietokomery s oválnymi kolesami alebo Coriolisove prietokomery. Elektromagnetický princíp môže byť veľmi vhodný pri elektricky vodivých médiách, zatiaľ čo pri vortexových, turbínových či ďalších technológiách treba dôsledne preveriť prevádzkové limity konkrétneho zariadenia.
Najväčšou chybou je vyberať prietokomer iba podľa DN potrubia, maximálneho prietoku a názvu média.
Pri viskóznych kvapalinách potrebujeme poznať predovšetkým viskozitu spolu s teplotou, pri ktorej platí.
Spoločnosť REFLOW SK dodáva prietokomery pre rôzne priemyselné aplikácie vrátane merania olejov, chemikálií a ďalších procesných kvapalín. Pri návrhu vhodného riešenia vieme posúdiť vlastnosti média, prevádzkový rozsah, tlakovú stratu a požadovaný princíp merania.