Jak i w czym mierzy się zużycie gazu: metody pomiaru + przegląd wszystkich typów gazowych mierników przepływu

Przepływomierz – urządzenie do pomiaru objętościowego lub masowego przepływu substancji, w tym gazu ziemnego, gazów palnych, agresywnych, produktów rozdziału powietrza. Obliczanie objętości przepływu w zakładach przemysłowych lub w gospodarstwie domowym można wykonać bez angażowania specjalistów.

Następnie opowiemy, jak i w czym mierzy się gaz, podamy opis urządzeń używanych do tego celu, a także omówimy główne metody określania zużycia gazu.

Bezpośrednia metoda pomiaru zużycia gazu

Objętość gazu oblicza się w metrach sześciennych, rzadziej używa się innych jednostek masy, takich jak tony lub kilogramy, zazwyczaj dla gazów technologicznych.

Metoda bezpośrednia – to jedyna metoda zapewniająca bezpośredni pomiar objętości przepływającego gazu.

Do słabych stron urządzeń obliczających objętościowy lub masowy przepływ substancji należą:

1. Ograniczona wydajność przepływomierzy w warunkach zanieczyszczonego gazu.
2. Istnieje wysokie prawdopodobieństwo awarii w wyniku częściowego zablokowania przepływu lub uderzenia pneumatycznego.
3. Wysoki koszt liczników rotacyjnych w porównaniu z innymi urządzeniami.
4. Duże gabaryty urządzeń.

Liczne zalety tej metody przewyższają wymienione wady, dzięki czemu zyskała ona największe rozpowszechnienie pod względem liczby zainstalowanych liczników.

Za pomocą przepływomierza można obliczyć objętość lub masę substancji w jednostce czasu. Instalacja na pochyłym odcinku rurociągu pozwoli zmniejszyć błąd pomiaru.

Wśród nich – bezpośredni pomiar objętości gazu, brak zależności od zniekształceń profilu prędkości przepływu, zarówno na wlocie, jak i na wylocie, co pozwala skrócić UUG. Szerokość zakresu wynosi do 1:100. Do tego celu stosuje się urządzenia typu membranowego i rotacyjnego. Mogą być używane w pomieszczeniach z zainstalowanymi kotłami impulsowymi.

Pośrednie metody pomiaru

Metody te polegają na obliczaniu, na przykład, prędkości przepływu substancji przez określone pole przekroju. Aby uzyskać jak najdokładniejsze wyniki, należy wyrównać prędkość przepływu gazu.

Pomiar przepływu gazu na podstawie spadku ciśnienia

Jedna z najpowszechniejszych i najlepiej zbadanych metod pomiaru przepływu gazu, oparta na zastosowaniu zwężki, ma kilka zalet, w tym prostotę mechanizmu przetwornika przepływu, którego działanie polega na pomiarze spadku ciśnienia substancji przepływającej przez lokalne zwężenie w gazociągu. Do przeprowadzenia obliczeń nie są potrzebne przepływomierzowe stanowiska.

Pomimo posiadania pełnej bazy naukowo-technicznej, ta metoda pomiaru ma kilka istotnych wad – niewielki zakres pomiarowy, który nawet przy uwzględnieniu wielozakresowych czujników ciśnienia nie przekracza wartości 1:10.

Standardowe zwężki są produkowane według specjalnej technologii, z wysokimi wymaganiami co do chropowatości. Dopuszcza się ich stosowanie wyłącznie na gładkich rurociągach.

Opory hydrauliczne w gazociągach zwiększają wrażliwość na wykres zmian uśrednionych prędkości w głębokości lub szerokości przepływu na wlocie do kryzy. Długość odcinków prostych przed zwężkami powinna wynosić co najmniej 10 średnic DN konstrukcji rurowej.

Prędkościowa metoda określania przepływów

Do tej metody stosuje się przetworniki typu turbinowego. Urządzenia te mają kilka zalet, w tym niewielkie wymiary i wagę, a także przystępną cenę w swojej kategorii.

Urządzenia te nie są wrażliwe na uderzenia pneumatyczne. Zakres wartości pomiaru przepływu wynosi do 1:30, co znacznie przewyższa analogiczny wskaźnik dla zwęzek.

TPR turbinowy przetwornik przepływu może być stosowany w środowisku o temperaturze od minus 200 do +200 °C, jeśli urządzenie jest zainstalowane dla nieagresywnych i jednofazowych cieczy kriogenicznych. Dla cieczy agresywnych zakres ten wynosi od minus 60 do +50 °C.

Do wad można zaliczyć wrażliwość, choć niewielką, na zniekształcenia przepływu na wlocie i wylocie przyrządu, a także odchylenia wyników pomiarów pulsujących przepływów gazu. Przy małych natężeniach przepływu, w zakresie od 8 do 10 m³/h, przepływomierze są niesprawne.

Ultradźwiękowa metoda pomiaru

Popularność akustycznych przepływomierzy, za pomocą których mierzy się ilość gazu, szczególnie w rozliczeniach handlowych, wzrosła wraz z rozwojem mikroelektroniki. W akustycznych przepływomierzach nie ma ruchomych części ani elementów wystających w strumień, co znacznie zwiększa ich niezawodność.

Pomiar jest przeprowadzany w szerokim zakresie wartości dzięki zdolności urządzenia do długotrwałej pracy z wbudowanego źródła zasilania. Krajowe przyrządy nie spełniają wszystkich wymaganych norm, ponieważ aby uniknąć wpływu zniekształceń strumienia gazu na wyniki obliczeń, należy stosować wyłącznie wielowiązkowe ultradźwiękowe przepływomierze.

Klasyfikacja przepływomierzy według zasady działania

Przepływomierze różnią się kilkoma parametrami, w tym ciśnieniem, rodzajem używanego gazu, zakresem temperatur. Urządzenie należy wybierać w zależności od warunków zastosowania oraz postawionych zadań.

Przyrządy pomiarowe składają się z takich części, jak przetwornik odpowiedzialny za spadek ciśnienia, element łączący oraz manometr.

Typ #1 – strumieniowe autogeneratorowe przepływomierze

Przepływomierz tego typu, przeznaczony również do pomiaru przepływu gazu ziemnego, ma kilka charakterystycznych cech. Urządzenie objęte jest ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi, częstotliwość podłączeń strumienia zależy od przepływu gazu.

Liczniki wykonane na bazie przepływomierzy strumieniowych są stosowane do rozliczeń komercyjnych bez wstępnej ekspertyzy.

1 – element strumieniowy; 2 i 3 – przetworniki; 4 – układ wyodrębniania sygnału; 5 – dysza zasilająca; 6 – komora robocza; 7 i 8 – ściany komory roboczej; 9 – rozdzielacz; 10 i 11 – dysze sterujące; 12 i 13 – kanały odbiorcze; 14 i 15 – kanały spustowe; 16 i 17 – kanały sprzężenia zwrotnego; 18 – rozszerzenie dyszy zasilającej; 19 – występ na dyszy zasilającej

Przepływomierz strumieniowego autogeneratorowego typu jest podatny na zatykanie, a wśród jego wad znajduje się również niestabilność współczynnika konwersji.

Te przyrządy mają podobne wady jak urządzenia wirowe:

• zależność od zniekształceń profilu prędkości, pod warunkiem stosowania w zestawie z urządzeniami zwężkowymi;
• masowe straty ciśnienia są nieodwracalne;
• główna część przepływomierza ma ogromne rozmiary;
• znaczna niestabilność współczynnika konwersji.

Zalety autogeneratorowego przepływomierza nie różnią się od urządzenia wirowego, z wyjątkiem zdolności do pracy z zanieczyszczonymi gazami. Te przepływomierze nie znalazły szerokiego praktycznego zastosowania w rozliczeniach komercyjnych.

Typ #2 – wirowe przepływomierze-liczniki

Wyróżnia się kilka mocnych stron przyrządów, w tym dokładność przeprowadzanych pomiarów, brak wrażliwości na zanieczyszczenia i uderzenia pneumatyczne, łatwość obsługi, a w urządzeniu brak również ruchomych części.

Urządzenia wytrzymują najtrudniejsze warunki zewnętrzne, dokładność odczytów jest gwarantowana przy temperaturze otoczenia do 500 stopni Celsjusza, maksymalne ciśnienie – 30 MPa.

Znane są także istotne wady stosowania tego typu przepływomierzy – zwiększona wrażliwość na drgania mechaniczne, spadek ciśnienia. Średnica rur powinna mieścić się w zakresie 15-30 cm.

Typ #3 – ultradźwiękowe przepływomierze

Urządzenie, znane również jako akustyczne, ma kilka niepodważalnych zalet:

• brak oporu hydraulicznego;
• w urządzeniu nie ma ruchomych części, co zwiększa jego niezawodność;
• podwyższona wytrzymałość mechanizmu;
• szybkie działanie.

Przepływomierz tego typu opiera się na określeniu różnicy czasu przejścia sygnału.

Działanie przepływomierzy ultradźwiękowych nie zależy od temperatury, ciśnienia otoczenia, lepkości i przewodności elektrycznej, co gwarantuje dokładność uzyskanych danych.

Czujniki ultradźwiękowe, umieszczone po przekątnej względem siebie, pełnią funkcję odbiornika i nadajnika. Zaangażowanie kilku kanałów kompensuje deformację profilu przepływu.

Typ #4 – bębnowe przepływomierze

Ta kategoria urządzeń jest używana zazwyczaj do badań laboratoryjnych. Ciśnienie powstające podczas obrotu bębna powoduje wypełnianie sekcji gazem i ich późniejsze opróżnianie.

Do pełnoprawnej pracy bębnowych mechanizmów liczących (bez generatora impulsów) nie jest potrzebne stałe źródło zasilania, co jest ich niepodważalną zaletą.

Liczba obrotów bębna jest proporcjonalna do jednostek sześciennych gazu, wskazanie jest przekazywane na tarczę mechanizmu liczącego. Przepływomierze bębnowe charakteryzują się wysoką dokładnością pomiaru.

Typ #5 – lewitacyjne urządzenia

Ruchoma część urządzenia tachometrycznego obraca się w łożyskach, prędkość jest równa objętościowemu przepływowi gazu. Zamiana szybkości ruchu okrężnego na sygnał elektryczny odbywa się za pomocą przetwornika wtórnego, wyniki są wyświetlane na wskaźniku.

Lewitacyjne przyrządy pomiarowe działają w warunkach od -30 do +50 stopni Celsjusza, błąd wartości mieści się w zakresie ± 1,5%.

Lewitacyjne przyrządy są poszukiwane w komercyjnym rozliczaniu zużycia gazu ziemnego, zarówno do celów bytowych, jak i komunalnych.

Typ #6 – membranowe liczniki

Patent na wytwarzanie jednego z najpopularniejszych przyrządów pomiarowych do pomiaru gazu został wydany w drugiej połowie dziewiętnastego wieku na terenie Anglii.

Zasada działania mechanicznego przepływomierza opiera się na zmianie położenia ruchomych membran komorowych w momencie dopływu gazu. Naprzemienny ruch odbywa się podczas wlotu i wylotu substancji.

Urządzenie do pomiaru przepływu gazu typu membranowego może składać się z 2 lub 4 komór, w zależności od objętości mierzonej substancji i konstrukcji.

Urządzenie liczące jest napędzane przez system reduktora i dźwigni. Mechanizmy charakteryzują się szerokim zakresem pomiarowym – do 1:100.

Typ #7 – rotacyjne urządzenia

W urządzeniu mechanicznym w komorze pomiarowej znajdują się dwa wirniki, które zaczynają się poruszać pod naporem substancji. Obracające się części są ustawione pod kątem prostym względem siebie, a ich początkowe położenie jest ustalane za pomocą kół synchronizujących.

Ilość gazu jest proporcjonalna do liczby obrotów wirników. Za pomocą sprzęgła magnetycznego i reduktora obrót wirnika jest przenoszony na urządzenie liczące, które odpowiada za akumulację objętości przepływającej substancji.

Rotacyjny przepływomierz ma dużą przepustowość, stosowany jest w gospodarstwach komunalnych oraz w przedsiębiorstwach o średnim i małym zużyciu gazu.

Do głównych zalet rotacyjnych przepływomierzy można zaliczyć wysoką dokładność pomiaru, kompaktowość urządzenia oraz szeroki zakres pomiarów przepływu. Do wad zalicza się hałaśliwość mechanizmu, jego wysoki koszt oraz wrażliwość na czynniki zewnętrzne, w tym zanieczyszczenia.

Typ #8 – turbinowe przepływomierze

Urządzenie mechaniczne ma kształt odcinka rury, wewnątrz przepływomierza umieszczona jest turbina z wałem i ruchomymi podporami. Urządzenie napędzane jest przez substancję przepływającą przez komorę pomiarową.

Prędkość ruchu mechanizmu jest równa prędkości przepływu i strumieniowi gazu. Zgromadzona objętość jest odzwierciedlana na mechanizmie liczącym, a przeniesienie na niego odbywa się mechanicznie za pomocą reduktora i układu kół zębatych.

Turbinowe urządzenie liczące może być używane tylko z czystymi substancjami ruchomymi – gazem, cieczą lub parą w stanie zawieszonym, pod warunkiem że nie zawierają cząstek stałych.

Oprócz wymienionych istnieją również inne urządzenia, ale są one zwykle używane w badaniach naukowych. W sferze komercyjnej praktycznie nie są wykorzystywane.

Polecamy również przeczytać inny nasz artykuł, w którym szczegółowo opisaliśmy, jak wybrać licznik gazu do domu. Więcej – przejdź pod linkiem.

Urządzenia do pomiaru ilości gazu

Urządzenia do pomiaru przepływu gazu według metody obliczeniowej dzielą się na kilka kategorii. Prędkościomierze służą do określania objętościowego przepływu badanego medium. W tych przyrządach nie ma komór pomiarowych. Częścią czułą jest turbinka (styczna lub osiowa), którą wprawia w ruch strumień substancji.

Przepływomierze objętościowe różnią się mniejszą zależnością od rodzaju produktu. Do ich wad można zaliczyć skomplikowaną konstrukcję, wysoką cenę i imponujące gabaryty. Urządzenie składa się z kilku komór pomiarowych, charakteryzuje się bardziej złożoną konstrukcją. Ten typ przyrządów dzieli się na kilka rodzajów – tłokowe, łopatkowe, zębate.

Znana jest również inna klasyfikacja liczników ilości gazu, która obejmuje trzy typy urządzeń: rotorowe, bębnowe i zaworowe.

Liczniki rotorowe charakteryzują się dużą przepustowością. Ich działanie opiera się na obliczaniu liczby obrotów łopatek wewnątrz urządzenia, a wskaźnik odpowiada objętości gazu. Do ich głównych zalet można zaliczyć trwałość, niezależność od energii elektrycznej oraz zwiększoną odporność na krótkotrwałe przeciążenia.

Gazomierze bębnowe działają na zasadzie wypierania. Takie współczynniki korekcyjne jak temperatura, skład gazu i poziom wilgotności nie są brane pod uwagę.

Gazomierze bębnowe składają się z obudowy, mechanizmu liczącego i bębna z komorami pomiarowymi. Zasada działania urządzenia do pomiaru zużycia gazu polega na określeniu liczby obrotów bębna, który obraca się wskutek różnicy ciśnień. Pomimo dokładności obliczeń, ten typ przyrządów nie znalazł szerokiego zastosowania ze względu na swoje gabarytowe rozmiary.

Zasada działania ostatniego typu liczników, znanego jako zaworowy, opiera się na przesuwaniu ruchomej przegrody, na którą działa różnica ciśnień substancji. Urządzenie składa się z kilku części – mechanizmu liczącego i rozdzielającego gaz, a także obudowy. Ma duże gabaryty, dlatego jest używane głównie w gospodarstwach domowych.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

O tym, jak działają wirowe przepływomierze gazu, dowiecie się z następnego filmu:

Pomiar przepływu gazu jest jednym z kluczowych zadań w produkcji. Na rynku przepływomierzy dostępna jest ogromna liczba urządzeń o różnych konstrukcjach i zasadach działania, które nadają się również do użytku domowego. Za ich pomocą można określić praktycznie dowolną ilość cieczy lub gazu, przy czym nie będzie potrzebne specjalne wzorcowe stanowisko pomiarowe.

Możecie Państwo uzupełnić nasz materiał o interesujące informacje na temat artykułu, zadać nurtujące pytania lub wziąć udział w dyskusji. Prosimy o pozostawienie komentarzy w znajdującym się poniżej bloku.