Áramlásmérésről alapfokon 3. rész

Hozamszámító készülékek Ebben a részben azokról a készülékekről adunk rövid tájékoztatást, amelyek az áramlásmérő rendszerek primer eszközeinek és terepi távadóinak jelét fogadják, feldolgozzák és ennek eredményeként kiszámítják, kijelzik, regisztrálják, tárolják és esetenként továbbítják a mért anyagáram pillanatnyi és összegzett értékeit. Ez az alapvető funkció. Ezen túlmenően a korszerű hozamszámítók már számos egyéb szolgáltatást is nyújtanak, pl. ellenőrzik és kijelzik a mérőrendszer állapotát (hurokszakadás), hozzáférhetővé teszik a tervezési adatokat, különféle határértékeket képeznek, trendeket figyelnek sőt műveleteket végezhetnek un. "virtuális" adatokkal, amelyeket a felhasználó konfigurálhat a készülék billentyűzetéről vagy kapcsolódó PC-ről.

Többféle elnevezés A hozamszámító készülékeket többféle elnevezéssel is illeti a külföldi és hazai szakirodalom és maguk az ipari gyakorló szakemberek is. Hívják őket elsősorban "Flow Computer"-nek, mennyiségszámító-műnek, aritmetikai egységnek, "hozamkorrektornak", áramlásmérő jelfeldolgozónak stb. Ezeknek a műszereknek a feladatáról és elvárható teljesítőképességéről közel azonos véleményen vannak ma a gyártó- és a felhasználó szakemberek. Természetesen vannak nagyon egyszerű és olcsó eszközök, és kaphatóak nagyon bonyolult, sok feladatot elvégző, intelligens, megbízható - és jóval drágább - készülékek is. A kiválasztás fontos szempontja a készülékek flexibilis programozhatósága és üzem közbeni kezelésének egyszerűsége, valamint a kapcsolódó mérőrendszerek gyors áttekinthetősége. Követelmények: A legfontosabb követelmények, amelyeket egy korszerű, ipari üzemben jól használható hozamszámító készüléknek teljesítenie kell, a következők:

• az üzembiztonság és működési megbízhatóság legyen nagy (nagy élettartam, kellő redundancia, hardver állékonyság, automatikus memóriavédelem stb.)
• a hosszú idejű relatív mérési bizonytalanság 0,15 %-nál ne legyen nagyobb egyetlen funkcióban sem (ehhez ajánlott a 12 bites bemeneti A/D átalakítás és 16/32 bites CPU)
• a beépített szoftver feleljen meg a vonatkozó nemzetközi szabványoknak, ajánlásoknak és/vagy fejlesztési eredményeknek
• az átfolyási egyenletek megoldásán kívül egyéb fizikai-kémiai és termodinamikai számításokat is el tudjon végezni a készülék (pl. sűrűség - és entalpia-számítás, hőtágulások számítása stb.).
• közvetlenül legyen illeszthető a leggyakoribb primer mérőeszközökhöz
• nagy adattárolási kapacitás (pl. 30...60 nap minden mért és számított adatra!)
• optimális fizikai csatornaszám
• informatív és esztétikus kezelőfelület (jól látható kijelző, biztonságos billentyűzet, feltűnő hibajelzések)
• legyen közvetlen csatlakozási felülete üzemi számítógépes hálózatokhoz és az internethez
• kedvező ár/teljesítmény mérőszám (pl. az egyetlen mérőhelyre lebontott költség minimalizálása)

Miért ne a PC-ben számoljunk mennyiséget?

Itt kell említést tenni arról a sokszor felbukkanó kérdésről, hogy miért kell külön (autonóm) készüléket alkalmazni a hozamszámítás céljára, amikor az asztali vagy ipari számítógépek közvetlenül is meg tudnák oldani azokat a feladatokat, amiket egy korszerű intelligens hozamszámító készülék elvégez? Ilyen véleményt általában csak azok hangoztatnak, akik az áramlásmérés mai technikáját és a hozamszámító készülékek teljesítőképességét nem ismerik. Az ipari mérések egyik legbonyolultabb, legtöbb elméleti fizikai és metrológiai ismeretet, kutatási és kísérleti eredményt valamint modern eszközt felhasználó ága az anyagárammérés. A korszerű, nagy teljesítményű hozamszámító eszközökben futó szoftverek olyan bonyolult áramlástani-, hidromechanikai-, gáz-kinematikai-, egyéb fizikai-kémiai és termodinamikai számításokat hajtanak végre, hogy ezeknek a szoftvereknek az egyenkénti megírása minden tekintetben nagyon drága, egészében gazdaságtalan lenne. A program ráadásul olyan méretű erőforrásokat venne el az adatgyűjtés, a megjelenítés, az üzemirányítás és gazdasági elemzés eredetileg kifejezetten PC-re tervezett kapacitásából, hogy ezzel felborítaná az egész feladat orientált struktúra ésszerűségét. Véleményem szerint mind a megbízhatóság, kezelhetőség, és gazdaságosság szempontját tekintve a legjobb megoldás az, ha autonóm, különválasztott funkcióként kezeljük a folyadékok, gőzök és gázok áramlásának ipari méretű és ipari igényű méréseit. Az anyag- és energiaáramokkal történő szigorú elszámolás (OMH) is azt követeli meg, hogy kompakt, külön ellenőrizhető, kalibrálható és/vagy hitelesíthető mérőeszköz álljon rendelkezésre, az ilyenfajta mérésekre. Az áramlásmérők metrológiai értékelése Egy áramlásmérés mindig több komponensből áll, s az eredő pontosság megállapítása (metrológiai értékelés) nem egyszerű dolog. A metrológiai értékelést mindig az egész, megvalósult mérőrendszerre kell elvégezni. Sok félreértés és torz, hiteltelen tájékoztatás származik abból, ha a rendszernek csak egy-egy elemét ragadjuk ki, és azt minősítjük. Az egyes mérőeszközöket gyártó cégek törekvése természetesen megérthető amikor a saját eszközüket, módszerüket ajánlják mint a legjobbat, de ezeket az állításokat a hozzáértő tervező és rendszerépítő szakember józan kritikával kell hogy kezelje. Átfogás A korszerű áramlásmérő rendszerektől elvárják, hogy nagy mérési tartományban tudjanak mérni, azaz a legkisebb és legnagyobb mérhető mennyiség minél távolabb legyen egymástól. Ezt az arányt szoktuk átfogásnak nevezni, ami a ma használatos mennyiségmérők esetében 1:10 és 1:50 között valósítható meg, típustól és kiépítettségtől függően. Katalógusok közölnek 1:100 vagy még nagyobb értékeket is. Ekkora átfogást elektromágneses folyadékmérővel, ultrahangos mérővel és némely Coriolis tömegárammérővel ma már valóban el lehet érni, de az ilyen eszközök meglehetősen drágák, és ritka az a mérőkör is, ahol ugyanolyan fontos pl. a 100 liter/h és a 10 m3/h mennyiség megmérése is ! Minden mérés bizonytalan A legfontosabb metrológiai adat a mérőrendszer eredő pontossága vagy divatosabb szóhasználattal az eredő mérési bizonytalansága. Ennek számítással történő meghatározására a mérési fajták egyik részében a nemzetközi szabványok és ajánlások konkrét módszereket adnak meg, más részükben azonban nincsenek ilyen kidolgozott számítási módok, csak az áramlásmérésre mint összefoglaló mérési kategóriára vannak ajánlásai a nagy szabványosító világszervezeteknek (pl. ISO, CEN, ASME, OIML stb.) és egyéb intézményeknek. Etalonnal kell összehasonlítani Bármilyen matematikai formulát és eljárási módszert használunk is, a hibaszámítások helyességét mindig valós ellenőrző méréseknek, kalibrálásoknak kell igazolniuk. Nálunk elsősorban a nagy német, holland, brit és észak-amerikai mérőállomások mérési eredményei alapján szoktuk elfogadni a primer mérőeszközök és mérőrendszerek bizonytalanságának gyakorlati adatait. Az ellenőrző etalonok vagy etalon-módszerek közül a legjelentősebbek a következők:

• köbözés etalon edényekkel
• az átfolyt tömegek mérlegeléssel való meghatározása
• kalibrálás golyós vagy dugattyús kalibráló (prover) berendezéssel
• tömegárammérés szónikus mérőtorokkal (kritikus Venturi fúvókával)
• precíziós mérőperemes mérőhidak alkalmazása
• úgynevezett "mestermérők"-kel történő kalibrálás (mester turbina, használati etalon, stb.)

A számítás sem egyszerű Az eredő mérési bizonytalanság számítására a következő általános matematikai (Pitagorasz) kifejezést adhatjuk meg ( ahogyan azt az ISO/TR 5168:1998. nemzetközi ajánlás is tartalmazza): Uq = [Bq2 + (2*Sq)2]1/2 ahol Uq = az áramlásmérő rendszer eredő mérési bizonytalansága Bq = a rendszerben résztvevő készülékek és a mérési egyenlet tényezőinek eredő rendszeres bizonytalansága Bq = [BF2 +BG2 + BC2 + Bd2 +BA2 ]1/2 BF = a primer jelképző és távadó összes rendszeres bizonytalansága BG = a mérőrendszer geometriai és telepítési bizonytalanságai BC = a mérési egyenlet együtthatóinak rendszeres hibái Bd = a mérendő (átáramló) anyag sűrűség-meghatározásának rendszeres bizonytalansága BA = a járulékos bizonytalanságok rendszeres része (pl. távadók hőmérsékletfüggése, járulékos hidrosztatikai vagy hidromechanikai hibák stb.) Sq = a mérési folyamatból és a technológiai körülményekből származó véletlen bizonytalanságok eredője Sq = [Sd2 +SA2]1/2 ahol Sd = a mérendő anyag sűrűség-meghatározásának véletlen bizonytalansága SA = a járulékos bizonytalanságok véletlen összetevői A Bd értéket általában az áramló anyag nyomásának, hőmérsékletének, hőtágulási és/vagy kompresszibilitási tényezőjének mérési (számítási) bizonytalanságaiból származtatjuk. Ha a közeg sűrűségét folyamatosan mérjük, akkor ennek a mérésnek a hibáját közvetlenül lehet figyelembe venni a tömegáram vagy az üzemi térfogatáram eredő bizonytalanságának számításakor. Látható, hogy a gőzök és gázok áramlásmérésének bizonytalanság-számítása jóval bonyolultabb, mint a folyadékoké. A hibaszámítás konkrét és részletes matematikai alakja természetesen minden mérési eljárásnál és primer mérőeszköznél más és más, ami a fenti egyenletek általános alakjának eseti alkalmazásából természetesen következik. Egyes tagok kiszámításakor a lineáris hibaösszegzést kell alkalmazni, mint pl. a mérőperem átfolyási tényezője alaphibájának és az áramlási kép szabálytalanságából adódó hibanövekménynek az összeadásakor. A gyakorlat A mérési bizonytalanság számítása manapság eléggé neuralgikus pontja a gyakorlati metrológiának. Az elmúlt 15 évben sok ellentmondó és nehezen elfogadható állásfoglalás látott napvilágot pl. a BIPM, és az EA részéről. Véleményünk szerint nekünk egyelőre a CEN és a CENELEC illetve az ISO ajánlásait kell követnünk. A következő sorokban megadjuk néhány gyakran használt mérési eljárás 10-szeres átfogásra vonatkozó tipikus eredő relatív mérési bizonytalanságát, mint tájékoztató adatot:

A szerző megjegyzése: Szerény cikksorozatunknak ezúttal végére értünk. Tudatában vagyunk annak, hogy a témáról még sok-sok lényeges ismeretet lehetne közölni, de mindezek meghaladnák egy ismeretterjesztő rovat terjedelmét. Megköszönjük mindazoknak a figyelmét, akik végigolvasták vagy időnként beleolvasnak ezután is a cikkekbe. Szívesen veszünk és várunk mindennemű tisztességes hozzászólást, véleményt, akár kritikát is.