Fluidikové měření tepla

Ing. Petr Holyszewski, ENBRA, spol. s r.o.

Rozvoj nových technologií a především elektroniky umožňuje v mnoho oblastech prakticky využití fyzikálních principů, které jsou již delší dobu známé, ale nebyly pro technické problémy dosud prakticky aplikovatelné. Jednou z těchto oblastí je i oblast praktické metrologie - měření průtoku a měření tepla.

 
Pro měření spotřeby vody a měření průtoku jako součástí měřičů tepla byly v minulosti používány převážně mechanické průtokoměry rychlostního a objemového typu. Teprve v posledních letech se výrazněji prosadily průtokoměry založené na magnetoindukčním a ultrazvukovém principu a nejnověji také fluidikové průtokoměry, o kterých pojednává tento článek.

 
Fluidikové průtokoměry mají - proti mechanickým, indukčním a ultrazvukovým, některé podstatné výhody - pro které lze předpokládat jejich bouřlivý rozvoj a výrazné zvyšování podílu na trhu jako součásti měřičů tepla s oddělitelnými částmi, později i měřičů tepla kompaktního typu.

 

Fliuidikové průtokoměry patří do skupiny senzorových hydrodynamických průtokoměrů, kterou dělíme na:

• vírové (pracují na principu snímání vírových oscilací vznikajících při proudění usměrněné proudu kapaliny za vírovým elementem = překážkou)
• vířiví (princip snímání oscilací kapaliny za napevno upevněnou vrtulkou)
• fluidikové (princip hydrodynamického bistabilního zpětnovazebního oscilátoru)

 

Princip fluidikových průtokoměrů je poměrně jednoduchý. Proud kapaliny vycházející z trysky (1) kmitá mezi dvěma alternativními polohami (první a druhý obrázek).  Pokud by nebylo zpětné vazby, měl by proud kapaliny snahu setrvávat v jedné z poloh vlivem přilnutí ke stěně jedné ze dvou přepážek (2). Vlivem zavedení zpětné vazby přes zpětnovazební kanálky (4) dochází k periodickému překlápění proudu kapaliny, které je vyhodnocováno senzorem (3). Frekvence oscilací je závislá na průřezu a délce zpětnovazebních kanálků, tj. při konstantních mechanických rozměrech labyrintu je frekvence oscilací závislá  pouze na rychlosti proudění kapaliny.

 

Tvar a uspořádání labyrintu oscilátoru na horním obrázku, kdy zpětnovazební kanálky jsou ve stejné rovině s tryskou, odpovídá starší konstrukci oscilátoru (například systém Moore - USA). Nové průtokoměry mají mnohem propracovanější tvar labyrintu, který má prostorové členění a senzor nesnímá tlakové změny pouze v jednom z kanálků, ale proměnný diferenční tlak mezi oběma zpětnovazebními proudy. Při použití piezoelektrického snímače bývá tlakový vzorek z jednoho kanálku přiveden na jednu stranu senzoru a tlakový vzorek z druhého kanálku na druhou stranu senzoru. Tím se dosáhne silnějšího signálu a také nezávislosti na statickém tlaku kapaliny vůči vnějšímu okolí (spodní obrázek).

 
Měřící charakteristika průtokoměru, tj. závislost frekvence oscilací na rychlosti kapaliny (tj. i průtoku) je nezávislá na druhu proudící kapaliny. Mezi další podstatné výhody patří:

• velký poměr Q_max/Q_min (typicky větší než 100)
• lineární měřící charakteristika
• otřesy a chvění neovlivňují podstatně správnost měření
• velmi dobrá přesnost měření (typicky ± 0,5%)
• absence pohyblivých částí = žádné mechanické opotřebení
• konstrukční jednoduchost
• snímač oscilací nepotřebuje napájení, vyhodnocovací elektronika má zanedbatelnou spotřebu energie a lze ji snadno realizovat s napájením bateriemi

  Praktické provedení a vlastnosti fluidikového průtokoměru Superstatic 440 a Superstatic 442 firmy Sontex.

K rozšiřování fluidikových průtokoměrů dochází v Evropě poměrně rychlým tempem. Nejinak je tomu i v České republice, kde jsou společností ENBRA distribuovány a osazovány ve velkém množství průtokoměry Superstatic od švýcarské firmy SONTEX.


Tyto průtokoměry jsou dodávány ve dvou variantách:

• Superstatic 440 - nemá vlastní elektroniku a je určen jako průtokoměr v kompletu měřiče tepla s kalorimetrickým počítadlem SONTEX Supercal 531 (vyhodnocovací elektronika je součástí kalorimetrického počítadla)
• Superstatic 442 - má vlastní elektronickou část se standardním impulsním výstupem a je určen především jako náhrada nevyhovujících průtokoměrů v kompletech měřičů tepla s kalorimetrickým počítadlem libovolného typu

Způsob činnost fluidikového průtokoměru Superstatic 440 a 442 odpovídá principiálně popisu uvedeného v prvním dílu tohoto seriálu. Tvar hlavních a zpětnovazebních kanálů i celé provedení průtokoměru je však podstatně důmyslnější a propracovanější (obr. 4). Spodní hydraulický díl (1) přivádí kapalinu ze vstupu průtokoměru (2) do hlavního kanálu labyrintu (3). Z hlavního kanálu protéká kapalina přes akcelerační trysku (4) do jedné z výstupních komor (5). Vlivem zpětné vazby se paprsek kapaliny přechýlí do druhé výstupní komory. Tento děj se stále opakuje - paprsek kmitá střídavě vlevo a vpravo. Zpětná vazba hydrodynamického oscilátoru je zavedena zpětnovazebními kanály (6) a piezosenzor (7) snímá proměnný diferenční tlak mezi nimi. Tím je dosaženo nezávislosti na statickém tlaku měřené kapaliny.

 


Celý průtokoměr je velmi jednoduchý a sestává pouze ze čtyř hlavních částí, které jsou vidět na obr. 2:

Jednotlivé díly průtokoměru jsou těsněny speciálními třemi těsněními a celek je stažen deseti nerezovými šrouby. Rychlostní poměry při proudění kapaliny labyrintem ukazuje obr.7, který zachycuje stav těsně po překmitu paprsku. Za zmínku stojí, že rychlému překlopení paprsku významně napomáhá půlkruhové vybrání naproti vyústění akcelerační trysky a že rychlost proudění kapaliny kanálky (červená barva) je značná, čímž dochází v kanálcích k výraznému samočisticímu efektu a kanálky se v provozu nezanáší.

Průtokoměry Superstatic jsou určeny pro měření průtoku od 1 m³/hod až do 1500 m³/hod. Podstatnou výhodou tohoto typu průtokoměru je, že celá hlava průtokoměru průtokoměru (labyrint, deska, piezosenzor a víko) zůstává stejná pro všechny dimenze a nominální průtoky. Tato vlastnost je dána tím, že hlavou průtokoměru protéká pouze část kapaliny a hlavní část toku kapaliny protéká přímo ze vstupu na výstup průtokoměru. Poměr mezi průtokem hlavou a hlavním tokem je dán kalibrovanou tryskou v hydraulické části (obr. 1 a obr. 2) u menších dimenzí průtokoměru nebo Bernoulliho ejektorem u větších dimenzí průtokoměrů. Princip ejektoru je patrný z obrázku č. 3 - průtokem kapaliny zúžením vzniká v tomto místě podtlak, který nasává v definovaném poměru k hlavnímu toku kapalinu z hlavy.

Z uvedeného technického řešení vyplývá hlavní výhoda tohoto typu fluidikových průtokoměrů - při následném metrologickém ověřování průtokoměru není nutno demontovat spodní hydraulický díl průtokoměru z potrubí - ověřuje se pouze hlava průtokoměru, čímž dochází k podstatnému snížení nákladů na ověřování.

Úspora nákladů je zvláště výrazná u velkých dimenzí, neboť místo demontáže mnohokilogramového průtokoměru z potrubí, obtížné následné manipulace a dopravy a zpětné montáže postačuje pouze demontovat jediný díl s hmotností kolem 1 kg, který je upevněn několika lehce přístupnými šrouby M6. Hlavu průtokoměru lze navíc provést výměnným způsobem. Uvedeným způsobem lze snížit náklady spojené s ověřením průtokoměru až o 80%.

Hydraulická část průtokoměrů do dimenze DN40 je řešena tak, že tyto průtokoměry nepotřebují žádné uklidňující délky před a za průtokoměrem, což výrazně šetří montážní prostor a umožňuje bez problémů osazení v kompaktních předávacích stanicích.

Obrázky 4. až 8. ukazují praktické provedení průtokoměrů Superstatic 440 a obrázek č. 9 autarktního průtokoměru Superstatic 442 s vlastní elektronickou částí.

Zkušenosti z provozu

Po více jak čtyřleté zkušenosti s prodejem, montáží a provozem fluidikových průtokoměrů můžeme konstatovat, že metrologické i provozní vlastnosti těchto průtokoměrů jsou velmi dobré a v některých ohledech (například dlouhodobé stabilitě a nízkých nákladech na metrologické ověřování) předčí ultrazvukové průtokoměry. Společnost ENBRA v současné době nabízí fluidikové průtokoměry firmy SONTEX ve dvou variantách:

o         Superstatic 440 - nemá vlastní elektronickou část a je určen jako průtokoměr v kompletu měřiče tepla s kalorimetrickým počítadlem Supercal 531 (vyhodnocovací elektronika průtokoměru je součástí kalorimetrického počítadla).

o         Superstatic 442 - má vlastní elektronickou část se standardním impulsním výstupem a je určen především jako náhrada nevyhovujících mechanických průtokoměrů v kompletech měřičů tepla s kalorimetrickým počítadlem libovolného typu.

Dosavadní zkušenosti z provozu ukazují, že fluidikové průtokoměry jsou v provozu zcela bezproblémové, pokud jsou při projektování a montáži dodrženy všechny požadavky montážního návodu.  Velmi důležité je zejména dodržení předepsaných montážních poloh. Fluidikové průtokoměry není povoleno montovat průtokoměrnou hlavou směrem nahoru (při horizontální montáži), neboť v této poloze může dojít k zavzdušnění zpětnovazebních kanálků hydraulického oscilátoru a tím k přerušení oscilací.

 

Průtokoměr je doporučeno montovat průtokoměrnou hlavou do boku. Rychlost proudění kapaliny v průtokoměrné hlavě je značná (asi 9m/s) a navíc má oscilační charakter. To má za následek velmi vysokou samočistící schopnost hlavy, která brání zanášení labyrintu oscilátoru a tím poruchám v měření. K zanesení hlavy by však mohlo dojít výjimečně tam, kde otopný systém obsahuje velké množství hrubých mechanických nečistot, před průtokoměrem není osazen filtr a průtokoměr je osazen hlavou dolů. K zanesení průtokoměru může také dojít, pokud je topný systém objektu napouštěn ze zdroje vratným potrubím (tento způsob je doporučován výrobci termostatických radiátorových ventilů). V tomto případě dochází k vypláchnutí nečistot z vratného potrubí (filtr je osazen na přívodu) a může dojít k zanesení průtokoměru. Z uvedeného důvodu se „pro jistotu" montáž průtokoměru hlavou dolů nedoporučuje.

Instalace fuidikového průtokoměru SONTEX Superstatic  440 v OPS MINITHERM (lokalita VIMPERK)


Další obvyklou chybou je nedodržování předepsaných uklidňujících délek před a za průtokoměrem. Tato chyba vzniká pouze u průtokoměrů s dimenzí nad DN40, nižší dimenze nemají uklidňující délky předepsány. Častým prohřeškem je montáž teploměrů a neplnoprůtočných kulových ventilů do úseku uklidňující délky.

Oproti jiným typům průtokoměrů mohou být fluidikové průtokoměry náchylné k vznikům chyb, pokud jsou vystaveny chvění a vibracím nebo rázům. K těmto jevům může docházet tam, kde je potrubí nedostatečně upevněno, zvláště pokud je průtokoměr namontován v bezprostřední blízkosti čerpadla s nedokonale vyváženým rotorem.

Při volbě typu kalorimetrického počítadla a především způsobu napájení (baterie nebo síť) je třeba brát v úvahu rychlost změn průtoku a teploty a periodu měření. Obecně (pro kalorimetrická počítadla většiny výrobců) platí, že z důvodu omezené kapacity baterií je perioda měření při bateriovém napájení podstatně delší, než při napájení síťovém. Pokud dochází k opakovaným výrazným změnám průtoku nebo teploty (senzor průtokoměru je teplotně kompenzován) během jedné měřící periody, může to vést k větší chybě měření. S tímto problémem jsme se setkali například ve Vimperku u jednoho typu domovní předávací stanice vybavené rychloohřevem TUV, kdy vlivem specifického algoritmu řízení stanice docházelo k velmi častému přestavování elektromagnetického ventilu na vstupu deskového výměníku a tím častým skokovým změnám teplot. Po konzultaci se specialisty firmy SONTEX byl problém byl odstraněn přemontáží průtokoměru na přívod výměníku, kdy byly podmínky pro měření korektní. Pokud je fluidikový průtokoměr provozován ve spojení s kalorimetrickým počítadlem Supercal 531, pak při síťovém napájení je potřeba zajistit, aby nedocházelo k jeho dlouhodobému odpojování (mimo topnou sezónu), neboť to má za následek postupné vybíjení obou záložních baterií v komunikační a posléze i metrologické části. Při bateriovém napájení v kombinaci s komunikací přes rozhraní M-Bus je nutno zvážit počet M-Busových dotazů, neboť intenzívní komunikace se výrazně podílí na odběru proudu z baterie.



Literatura:

o         Firemní materiály firmy Sontex, Enbra, Optimux a Moore

o         S. Ďaďo, L. Bejček, A. Platil: Měření průtoku a výšky hladiny, BEN 2005

o         J. Mikan: Měření plynu, GAS 2003

o         J. Cikhart a kol.: Soustavy centralizovaného zásobování teplem, SNTL 1977