Metod, technologií a systémů na měření průtoku (prošlého množství) kapalin je v současné době velké množství. Každá je více či méně vhodná pro jiný typ dopravované kapaliny či pasty. Ty však obvykle nejsou vhodné pro měření materiálů v tzv. pevné fázi, tedy různé sypké a hrudkovité produkty, které se při přepravě, ať již potrubím či žlabem, chovají zcela odlišně. A tak pro aplikace měření průtoku (dopravního výkonu) či prošlého množství sypkých materiálů zase tak široká nabídka možností neexistuje.

Sypké či hrudkovité materiály se obvykle přepravují jedním z následujících způsobů:

• na dopravním pásu po válečkové trati
• pomocí otevřených žlabů v podobě skluzů a třásadlových systémů
• potrubním systémem prostřednictvím sekcí volného pádu a vodorovných či vynášecích sekcí tvořené šnekovým podavačem či foukáním.

V prvním případě u pásových dopravníků, které se obvykle využívají pro větší množství přepravovaného materiálu tvořené většími kusy, se měření množství provádí pomocí tzv. pásových vah (viz článek Co jsou to pásové váhy ?). Ty převádějí zatížení pásu a tím i válečků válečkové tratě pomocí tenzometrického snímače na elektrický signál, který se pak již dále elektronicky zpracovává. Výsledkem je informace v podobě aktuálního přepravního výkonu v kilogramech či tunách za sekundu či hodinu a obvykle i informace o celkovém nasčítaném prošlém množství materiálu. Provozní přesnost tohoto měření bývá již od 0,5% v širokém rozsahu dopravního výkonu (několik kg/hod. až tisíce tun/hod.)

V druhém případě, tedy přepravy sypkého materiálu systémem žlabů, lze mimo možnosti vložení krátké válečkové sekce s pásovou váhou, využít i tzv. nárazové desky, kde se materiál volným pádem přesypává ze žlabu na speciální šikmou desku po níž dále sklouzává. Její zatížení se opět převádí prostřednictvím tenzometrického snímače na elektrický signál a dále elektronicky (dnes již obvykle digitálně) vyhodnocován. Nevýhoda nárazových desek proti pásovým vahám je 2x až 3x horší přesnost měření (obvykle provozně okolo hranice 5% v přepravním rozsahu desítek až stovek tun/hod.).

V posledním třetím případě, tedy potrubního přepravního systému vhodného pro prachové či jemnozrnné materiály, lze též využít potřeby nárazové desky. Ta se však z povahy materiálu, který se obvykle potrubním systémem přepravuje (velmi jemný a prašný), zde příliš nehodí. Materiál totiž musí být z trubky vysypáván do „volného prostoru“ a následně násypkou do potrubí zpět sbírán. Navíc mnoho materiálů je chemicky agresivní nebo je jejich prach při určité koncentraci se vzduchem výbušný. Zde je tedy výrazně provozně příznivější měřit dopravované množství přímo v trubce / potrubí. K tomu pak slouží tzv. průtokoměry sypkých materiálů, které navíc jsou schopny měřit nejen v režimu „volného pádu“, tedy ve vertikálním potrubí, ale i ve vodorovném potrubí, kam je materiál  tlačen například uzavřeným šnekovým podavačem. Chyba (přesnost) měření těchto systémů bývá cca 2 až 5% pro potrubí o průměru max. několik stovek milimetrů, což je zde limitující faktor.

Příklad použití průtokoměru sypkých materiálů.

Protože první dva uvedené měřící systémy (tj. pásové váhy a nárazové desky) jsou již všeobecně mnoho desítek let známy a využívány, v následujících řádcích se blíže podíváme na možnosti „průtokoměrů sypkých materiálů“. Konkrétně na výrobky německé společnost SWR Engineering Messtechnik GmbH (www.swr-engineering-messtechnik.de), jejíž zařízení v ČR mimo jiné systémy distribuuje a instaluje společnost POLZ Instruments s.r.o. (http://www.polz.cz).

Moderní průtokoměry sypkých materiálů obvykle využívají jednu z následujících technologií měření:

• detekci odrazu mikrovln od částic materiálu
• změnu vlastností vysokofrekvenčního elektromagnetického pole

V nabídce německé společnosti SWR pak jde o řady SolidFlow (princip mikrovln) a DensFlow (princip mag. pole).

Průtokoměr SWR SolidFlow

SolidFlow je senzor vyvinutý právě přímo pro měření hodnoty průtoku různých sypkých materiálů, jakými jsou jemný i hrubý prach a různé granuláty o velikosti zrna od jednotek nanometrů až po jednotky centimetrů přepravované v kovovém potrubí. Senzor je schopen měřit v režimu volného pádu produktu, tak ji při pneumatické přepravě (tlakovým vzduchem unášený materiál).

Snímač (snímací část průtokoměru), který se v provedení „patrony“ umísťuje přes přírubu přímo do stěny přepravné kovové trubky, využívá ke své funkci právě tohoto spojení. Snímačem vysílaný mikrovlnný paprsek totiž využívá stěny kovového potrubí ke svému šíření a samotné potrubím se tak stává nedílnou součástí měřícího principu. Proto jej lze tento systém použít pouze v kovovém potrubí (např. v plastovém tato technologie nefunguje). Mikrovlnná energie je následně odrážena / rozptylována jednotlivými pevnými částicemi materiálu zpět do přijímače snímače, který ji převádí na elektrické signály (elektrické pulsy), u nichž se následně vyhodnocuje jejich frekvence a amplituda.

Oddělená vyhodnocovací elektronika měřícího systému pak pracuje jako čítač částic, která počítá množství pohybujících se částeček materiálu v daném časovém úseku. Protože vyhodnocuje signály od určité frekvence, přítomnost usazenin v měřící části potrubí měření neovlivňuje. Během kalibrace průtokoměru na dopravovaný materiál se ke naměřenému množství materiálu přiřadí skutečná hmotnost zadáním referenční hodnoty. Průtokoměry SolidFlow tak na svém displeji či výstupu poskytují přímo údaj o aktuálním průtoku v kilogramech za sekundu (kg/s) a pulsy množství prošlého materiálu v kg.

Příklady reálného použití ve skutečných linkách:

• Měření absorbentu v elektrárnách
• Měření množství vápna
• Měření množství salmiaku
• Řízení množství prachu do spalovací komory
• Monitorování toku dextrózy / D-glukózy
• Měření množství pigmentu
• Dávkování bisulfátu železa při výrobě cementu
• Odměřování polystyrénových kuliček do stavební hmoty
• Optimalizace chodu mlýnů na hliník
• Optimalizace řízení drtičů oxidu titanu
• Optimalizace procesu lisování plastů
• Měření prachu v cementárnách

Průtokoměry SWR DensFlow

Podobně jako průtokoměr SolidFlow, i typ DensFlow byl vyvinut speciálně pro měření průtoku a množství sypkých (pevných) materiálů. Také slouží pro instalaci do potrubních přepravních systémů a měření materiálu pohybující se volným pádem či „poháněný“ tlakem. Tedy lze jej nainstalovat do vodorovné, kolmé či různě šikmé pozice.

Zde však veškerá podobnost končí. Snímač DensFlow je svojí masivnější konstrukcí a rozdílným měřícím principem zaměřený na aplikace s většími průměry potrubí, pro materiál i s hrudkami větší než 1 cm, pro větší průtoky, větší rychlosti pohybu materiálu či větší tlaky v potrubí při dopravě. Masivnější konstrukce i kompaktní provedení, kdy se při montáži nijak nezasahuje do stávajících potrubí, je i více odolné proti vnějšími mechanickému poškození.

Průtokoměr je totiž tvořené kompaktní krátkou speciální měřící trubkou s přírubami (délka 500 mm), která se vkládá jako další segment do nebo mezi stávající segmenty potrubí. Samotný snímač je tak prakticky mechanicky nerozbitný. To, že trubka je měřící zařízení pak prozrazuje k ní pevně přimontovaná kovová krabice obsahující elektrické obvody. Ty jednak generující signál pro vysílač a také zesilující a vyhodnocující signál z přijímače.

Tím jsme se dostali k samotnému měřícímu principu. Ten jen úplně odlišný od průtokoměru SolidFlow. Zde se využívá jevu, který je například nežádoucí a potlačovaný o detektorů kovů. Tedy vliv produktu na homogenní elektromagnetické pole. Ten kdo nikdy pracoval a nastavoval detektor kovů (ať již ruční či pevnou průmyslovou dopravníku verzi), jistě zjistil, že i libovolný produkt či materiál více či méně ovlivňuje vytvářené magnetické pole. Jde o tzv. efekt produktu, kdy většina materiálů není absolutní izolant a vlivem svého chemického složení či jen z okolí získané vlhkosti se více či méně elektricky vodivý (ať již přítomností drobných kovových zrnek, uhlíku, vody v libovolné formě, soli či cukru apod.).

Snímací část průtokoměru (DMS 100) proto uvnitř  okolo potrubí obsahuje vysílací cívku generující vysokofrekvenční střídavé homogenní magnetické pole a přijímací cívku, které  snímá jeho malinkaté výkyvy způsobené pohlcováním mag. pole procházejícím materiálem. Změny indukují v cívce rozdílný proudový signál v závislosti na množství materiálu v potrubí (kg/m3). Ten je následně okamžitě zesílen a upraven elektronickými obvody přijímače. Z tohoto je také patrné, že větší signál a lépe měřitelné jsou sypké materiály s větší vodivostí, ale na druhou stranu by občasné cizí kovové částečky, mohou měření zkreslovat. Tento systém však není tolik závislý na průměru potrubí a hlavně vykazuje výrazně rychlejší odezvu než „počítání“ u předchozího snímače SolidFlow a tedy je ideální jak pro malé, tak i pro velké dopravné výkony.

Protože však magnetické pole i signál přijímače je analogový kontinuální, neexistuje zde z principu funkce informace o tom, zda materiál stojí či se pohybuje a případně jak rychle. Tato informace je zásadní pro výpočet průtoku i sumarizaci prošlého množství. Zde k tomu další dvě stejná čidla na dvou dalších místech vzdálené 8 nebo 16 mm (přepínatelná). Porovnáváním průběhu výstupního signálu a ze známé vzdálenosti obou snímačů se počítá rychlost pohybu materiálu v m/s.

Z měřeného množství materiálu, rychlosti a známého průřezu potrubí pak od snímače oddělená vyhodnocovací jednotka s displejem (DME 100)počítá aktuální hodnota průtoku (dopravního množství Q) v kg/s či t/hod. , která se pak následně vysílá z průtokoměru v podobě standardního analogového signálu 4-20 mA či 0-10 V.

Průtokoměry DensFlow jsou například používané ve vysokých pecích nebo spalovnách pro potrubní dopravu tuhého paliva ke spalování. Spalování je totiž optimální a nejvíce účinné, jestliže rychlost průtoku a množství je stejnoměrné ve všech potrubích. Také jsou vhodné pro mnoho pevných hmot v tuhé fázi, které jsou většinou velmi drahé, je přepravováno pomalým, pro materiál opatrným způsobem. DensFlow zde poskytuje přesné měřené hodnoty rychlosti průtoku a množství hmoty pro optimalizaci dopravy.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky českého prodejce průtokoměrů SWR - společnost POLZ Instruments s.r.o. - http://www.polz.cz
• Stránky výrobce - společnosti SWR Engineering Messtechnik GmbH - www.swr-engineering-messtechnik.de
  
• Článek "Zajímavé principy měření - Elektromagnetické (indukční) průtokoměry" na serveru automatizace.HW.cz  
• Článek "Co jsou to pásové váhy ?" na serveru automatizace.HW.cz
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz