Εισαγωγή σε Μαγνητικούς Μετρητές Ροής και Πομπούς Πίεσης

Οι μαγνητικοί μετρητές ροής και οι πομποί πίεσης αντιπροσωπεύουν δύο θεμελιώδεις τεχνολογίες στη βιομηχανική οργανολογία, παρέχοντας κρίσιμα δεδομένα για τον έλεγχο της διαδικασίας, την παρακολούθηση της ασφάλειας και τη βελτιστοποίηση του συστήματος. Οι μαγνητικοί μετρητές ροής χρησιμοποιούν τον νόμο του Faraday της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής για τη μέτρηση του ογκομετρικού ρυθμού ροής αγώγιμων υγρών, ενώ οι πομποί πίεσης μετατρέπουν την πίεση του ρευστού σε τυποποιημένα ηλεκτρικά σήματα για εφαρμογές παρακολούθησης και ελέγχου. Αυτά τα όργανα είναι απαραίτητα σε διάφορες βιομηχανίες, όπως η επεξεργασία νερού και λυμάτων, η χημική επεξεργασία, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο, τα φαρμακευτικά προϊόντα και η παραγωγή τροφίμων. Η παγκόσμια αγορά για αυτές τις τεχνολογίες συνεχίζει να επεκτείνεται, οδηγούμενη από την αυξανόμενη ζήτηση για ακριβή μέτρηση, αυτοματοποίηση διεργασιών και συμμόρφωση με διεθνή πρότυπα. Η ικανότητά τους να ενσωματώνονται με ψηφιακά συστήματα ελέγχου και πλατφόρμες IoT ενισχύει περαιτέρω τον ρόλο τους στις σύγχρονες βιομηχανικές λειτουργίες, επιτρέποντας την απόκτηση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, την προγνωστική συντήρηση και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας.

Αρχές λειτουργίας και θεμελιώδεις τεχνολογίες

Οι μαγνητικοί μετρητές ροής λειτουργούν με βάση τον νόμο του Faraday, ο οποίος αναφέρει ότι μια τάση επαναφέρεται σε οποιονδήποτε αγωγό που κινείται σε ορθή γωνία μέσω ενός μαγνητικού πεδίου, με την τάση να είναι ανάλογη με την ταχύτητα του αγωγού. Στους μαγνητικούς μετρητές ροής, ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται σε όλο τον σωλήνα ροής και καθώς το αγώγιμο υγρό ρέει μέσα από αυτό το πεδίο, τα ηλεκτρόδια ανιχνεύουν την επαγόμενη τάση, η οποία είναι ανάλογη με την ταχύτητα ροής. Η τάση σήματος (Ε) εξαρτάται από τη μέση ταχύτητα του υγρού (V), την ένταση του μαγνητικού πεδίου (Β) και την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων (D), ακολουθώντας τη σχέση E ∝ V × B × D. Οι σύγχρονοι μαγνητικοί μετρητές ροής χρησιμοποιούν τυπικά διέγερση παλμικού συνεχούς ρεύματος για την εξάλειψη του θορύβου και την παροχή αυτόματης διόρθωσης μηδέν, με επίπεδα ακρίβειας που φτάνουν το ±0,5% του ρυθμού ροής.

Οι πομποί πίεσης χρησιμοποιούν διάφορες τεχνολογίες ανίχνευσης για τη μετατροπή της μηχανικής πίεσης σε ηλεκτρικά σήματα. Οι πομποί πίεσης με μετρητές καταπόνησης είναι οι πιο συνηθισμένοι, χρησιμοποιώντας το φαινόμενο της πιεζοαντίστασης όπου η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού αλλάζει όταν υποβάλλεται σε καταπόνηση. Καθώς η πίεση παραμορφώνει ένα διάφραγμα, οι μετρητές καταπόνησης μετρούν την αλλαγή αντίστασης, η οποία ενισχύεται και μετατρέπεται σε τυπικές εξόδους όπως 4-20 mA ή 0-10 VDC. Οι χωρητικοί πομποί πίεσης μετρούν τις αλλαγές στη χωρητικότητα μεταξύ δύο πλακών καθώς η πίεση μετακινεί ένα διάφραγμα, ενώ οι πιεζοηλεκτρικοί πομποί δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο όταν υποβάλλονται σε μηχανική καταπόνηση. Οι σύγχρονοι πομποί πίεσης ενσωματώνουν μικροεπεξεργαστές για ψηφιακή επεξεργασία σήματος, αντιστάθμιση θερμοκρασίας και προηγμένα διαγνωστικά, επιτυγχάνοντας ακρίβειες έως και ±0,15% FS.

Βασικά σενάρια εφαρμογών σε όλες τις βιομηχανίες

Οι μαγνητικοί μετρητές ροής και οι πομποί πίεσης εξυπηρετούν συμπληρωματικούς ρόλους σε πολυάριθμες βιομηχανικές διεργασίες. Στο βιομηχανία επεξεργασίας νερού και λυμάτων, οι μαγνητικοί μετρητές ροής μετρούν τα επεξεργασμένα και μη επεξεργασμένα λύματα, το νερό διεργασίας και τις ροές δοσολογίας χημικών, ενώ οι πομποί πίεσης παρακολουθούν τις πιέσεις των αγωγών και τις λειτουργίες των αντλιών για να εξασφαλίσουν αποτελεσματική διανομή και να αποτρέψουν διαρροές. Αυτά τα όργανα είναι απαραίτητα για εφαρμογές μεταφοράς επιμέλειας μεταξύ των περιφερειών νερού και για τη διατήρηση της βέλτιστης πίεσης στα δίκτυα διανομής.

Η χημική βιομηχανία​ βασίζεται και στις δύο τεχνολογίες για τον κρίσιμο έλεγχο της διαδικασίας. Οι μαγνητικοί μετρητές ροής χειρίζονται διαβρωτικά υγρά όπως οξέα και καυστικά, με υλικά όπως το Hastelloy και το τιτάνιο να εξασφαλίζουν συμβατότητα με επιθετικά μέσα. Οι πομποί πίεσης παρακολουθούν τις πιέσεις των αντιδραστήρων, των στηλών απόσταξης και των δεξαμενών αποθήκευσης, παρέχοντας δεδομένα σε πραγματικό χρόνο για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας και την ασφάλεια. Στα συστήματα τροφοδοσίας χημικών, οι μαγνητικοί μετρητές ροής εξασφαλίζουν ακριβή δοσολογία χημικών, ενώ οι πομποί πίεσης διατηρούν ασφαλείς συνθήκες λειτουργίας.

Οι λειτουργίες πετρελαίου και φυσικού αερίου

​ χρησιμοποιούν αυτά τα όργανα εκτενώς. Οι μαγνητικοί μετρητές ροής μετρούν το παραγόμενο νερό και τις ροές έγχυσης άλμης, ενώ οι πομποί πίεσης παρακολουθούν τις πιέσεις των κεφαλών φρεατίων, τις πιέσεις των αγωγών και τα επίπεδα των δεξαμενών αποθήκευσης. Στις ανάντη λειτουργίες, οι πομποί πίεσης βοηθούν στον προσδιορισμό των ρυθμών ροής πετρελαίου και φυσικού αερίου και παρακολουθούν την ακεραιότητα των φρεατίων, ενώ οι μαγνητικοί μετρητές ροής χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μεταφοράς νερού. Η υψηλή ακρίβεια και η αξιοπιστία αυτών των οργάνων είναι κρίσιμη για τη δημοσιονομική συμμόρφωση και την επιχειρησιακή ασφάλεια.Οι

φαρμακευτικές και βιομηχανίες τροφίμων​ χρησιμοποιούν υγιεινές εκδόσεις και των δύο τεχνολογιών. Οι μαγνητικοί μετρητές ροής με συμβατότητα καθαρισμού επί τόπου (CIP) μετρούν συστατικά σε αποστειρωμένη επεξεργασία, ενώ οι πομποί πίεσης παρακολουθούν τα συστήματα διήθησης και διατηρούν υγιεινές συνθήκες διεργασίας. Στην παραγωγή τροφίμων και ποτών, οι μαγνητικοί μετρητές ροής χειρίζονται υγρά όπως γάλα, χυμούς και σιρόπια, με την ακρίβεια να εξασφαλίζει τη συνέπεια της συνταγής και την ποιότητα του προϊόντος.

Οι

εφαρμογές εξόρυξης και επεξεργασίας ορυκτών​ χρησιμοποιούν μαγνητικούς μετρητές ροής για λειαντικά πολτώματα και ροές νερού διεργασίας, όπου ο σχεδιασμός τους χωρίς εμπόδια και η έλλειψη κινούμενων μερών παρέχουν ανθεκτικότητα σε σκληρές συνθήκες. Οι πομποί πίεσης παρακολουθούν τα υδραυλικά συστήματα και τις πιέσεις μεταφοράς πολτού, εξασφαλίζοντας αποτελεσματικό χειρισμό υλικών και προστασία εξοπλισμού.Πλεονεκτήματα και τεχνικές δυνατότητεςΟι μαγνητικοί μετρητές ροής προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα για τη μέτρηση αγώγιμων υγρών. Παρέχουν χωρίς εμπόδιο στη ροή, με αποτέλεσμα ελάχιστη πτώση πίεσης σε σύγκριση με τους μετρητές διαφορικής πίεσης. Η απουσία κινούμενων μερών μειώνει τις απαιτήσεις συντήρησης και ενισχύει την αξιοπιστία, χωρίς πρωτεύοντα στοιχεία που να φθείρονται με την πάροδο του χρόνου. Οι μαγνητικοί μετρητές ροής δεν επηρεάζονται από τις ιδιότητες του ρευστού​ όπως η πυκνότητα, το ιξώδες, η θερμοκρασία και οι αλλαγές πίεσης, καθιστώντας τα ιδανικά για εφαρμογές με μεταβαλλόμενες συνθήκες διεργασίας. Προσφέρουν υψηλούς λόγους turndown

​ (έως 100:1) και αμφίδρομη μέτρηση ροής​ δυνατότητα. Επιπλέον, μπορούν να χειριστούν βρώμικα υγρά, πολτώματα και διαβρωτικά μέσα με κατάλληλα υλικά επένδυσης και ηλεκτροδίων, παρέχοντας ευελιξία σε πολλές βιομηχανίες.Οι πομποί πίεσης παρέχουν κρίσιμα πλεονεκτήματα για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της διαδικασίας. Παρέχουν άμεση έξοδο ηλεκτρικού σήματος​ (4-20 mA, 0-10 VDC ή ψηφιακά πρωτόκολλα), επιτρέποντας την απρόσκοπτη ενσωμάτωση με συστήματα ελέγχου και εξαλείφοντας τις απαιτήσεις χειροκίνητης ανάγνωσης. Οι σύγχρονοι πομποί προσφέρουν υψηλή ακρίβεια​ (±0,1% έως ±0,5% FS) και εξαιρετική επαναληψιμότητα​ (±0,03% FS), καθιστώντας τα κατάλληλα για κρίσιμες εφαρμογές. Διαθέτουν ψηφιακά πρωτόκολλα επικοινωνίας

​ όπως HART, PROFIBUS και Foundation Fieldbus, επιτρέποντας την απομακρυσμένη διαμόρφωση, διαγνωστικά και καταγραφή δεδομένων. Οι πομποί πίεσης είναι

κατασκευασμένοι με ανθεκτικότητα​ με υλικά όπως ανοξείδωτο χάλυβα 316, Hastelloy ή τιτάνιο, εξασφαλίζοντας αξιόπιστη λειτουργία σε σκληρά περιβάλλοντα. Οι μηχανισμοί αντιστάθμισης θερμοκρασίας διατηρούν την ακρίβεια σε μεγάλα εύρη λειτουργίας (-40°C έως +125°C), ενώ η μακροχρόνια σταθερότητα (±0,1% έως ±0,25% FS/έτος) μειώνει τη συχνότητα βαθμονόμησης και το κόστος συντήρησης.Θέματα εφαρμογής και οδηγίες εγκατάστασηςΗ επιτυχής εφαρμογή των μαγνητικών μετρητών ροής απαιτεί προσεκτική προσοχή στις απαιτήσεις εγκατάστασης. Το υγρό πρέπει να είναι αγώγιμο

​ (ελάχιστη αγωγιμότητα τυπικά 5-20 microSiemens/cm) και ο σωλήνας πρέπει να είναι εντελώς γεμάτος για ακριβή μέτρηση. Η θέση εγκατάστασης θα πρέπει να εξασφαλίζει ένα πλήρως ανεπτυγμένο προφίλ ροής, με ελάχιστο 5-10 διαμέτρους σωλήνων ευθείας διαδρομής κατάντη και 1-2 διαμέτρους κατάντη για μετρητές ενσωμάτωσης. Οι μετρητές τύπου εισαγωγής ενδέχεται να απαιτούν 10-20 διαμέτρους κατάντη. Η σωστή γείωση είναι κρίσιμη​ για την αποφυγή παρεμβολών ηλεκτρικού θορύβου, με συνιστώμενο καλώδιο γείωσης μεγαλύτερο από 4mm². Ο μετρητής ροής θα πρέπει να εγκαθίσταται στην πλευρά ώθησης των αντλιών, όχι στην πλευρά αναρρόφησης και η κάθετη εγκατάσταση με ανοδική ροή προτιμάται για την αποφυγή παγίδευσης αέρα. Για εφαρμογές με παγιδευμένο αέρα ή φυσαλίδες αερίου, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή, καθώς οι μαγνητικοί μετρητές ροής δεν μπορούν να διακρίνουν μεταξύ του υγρού διεργασίας και του παγιδευμένου αέρα.Η εγκατάσταση πομπού πίεσης απαιτεί την εξέταση αρκετών παραγόντων. Το εύρος πίεσης​ θα πρέπει να επιλέγεται σε περίπου 1,5 φορές τη μέγιστη πίεση λειτουργίας για να φιλοξενήσει αιχμές διατηρώντας παράλληλα την ακρίβεια. Η συμβατότητα μέσων​ καθορίζει την επιλογή υλικού—ανοξείδωτο χάλυβα για γενικές εφαρμογές, Hastelloy για διαβρωτικά χημικά και εξειδικευμένα υλικά όπως ταντάλιο για επιθετικά οξέα. Οι συνδέσεις διεργασίας

​ πρέπει να ταιριάζουν με το σύστημα σωληνώσεων, με επιλογές που περιλαμβάνουν σπειροειδείς (NPT, BSP), φλαντζωτές ή υγιεινές συνδέσεις.

Οι περιβαλλοντικές συνθήκες​ συμπεριλαμβανομένων των ακραίων θερμοκρασιών, της υγρασίας και των ταξινομήσεων επικίνδυνων περιοχών (ATEX, IECEx) πρέπει να ευθυγραμμίζονται με τις προδιαγραφές του πομπού. Ο σωστός προσανατολισμός τοποθέτησης και η απομόνωση από τους κραδασμούς είναι απαραίτητες για ακριβή μέτρηση. Η τακτική βαθμονόμηση και οι έλεγχοι μηδέν διατηρούν τη μακροχρόνια ακρίβεια, με προηγμένα διαγνωστικά που προειδοποιούν για υποβάθμιση της απόδοσης ή συσσώρευση επίστρωσης.Μελλοντικές τάσεις και τεχνολογικές εξελίξειςΤόσο οι μαγνητικοί μετρητές ροής όσο και οι πομποί πίεσης εξελίσσονται με σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις. Η ενσωμάτωση IIoT​ επιτρέπει την ασύρματη επικοινωνία μέσω πρωτοκόλλων όπως WirelessHART και LoRaWAN, διευκολύνοντας την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και την ανάλυση που βασίζεται στο cloud. Οι έξυπνοι πομποί

​ με ενσωματωμένους μικροεπεξεργαστές προσφέρουν προηγμένα διαγνωστικά, δυνατότητες αυτοβαθμονόμησης και χαρακτηριστικά προγνωστικής συντήρησης, μειώνοντας τον χρόνο διακοπής λειτουργίας και το κόστος συντήρησης. Η μικρογραφία​ μέσω της τεχνολογίας MEMS παράγει συμπαγείς, ενεργειακά αποδοτικούς αισθητήρες κατάλληλους για εφαρμογές με περιορισμένο χώρο.Για τους μαγνητικούς μετρητές ροής, οι εξελίξεις στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος​ βελτιώνουν την καταστολή θορύβου και την ακρίβεια μέτρησης σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Οι δυνατότητες μέτρησης χαμηλής αγωγιμότητας​ επεκτείνονται, με ορισμένους μετρητές να μπορούν πλέον να μετρούν υγρά με αγωγιμότητα κάτω από 5 microSiemens/cm. Οι δυνατότητες μέτρησης πολλαπλών μεταβλητών

​ επιτρέπουν σε μεμονωμένες συσκευές να μετρούν τη ροή, την πυκνότητα και τη θερμοκρασία ταυτόχρονα, μειώνοντας την πολυπλοκότητα του συστήματος. Τα διαγνωστικά που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη​ ανιχνεύουν τη συσσώρευση επίστρωσης ή την υποβάθμιση των ηλεκτροδίων νωρίς, αποτρέποντας την απρογραμμάτιστη διακοπή λειτουργίας.Η τεχνολογία πομπού πίεσης προχωρά με την τεχνολογία ψηφιακού διδύμου​ για βελτιστοποίηση βάσει προσομοίωσης, μειώνοντας τον χρόνο θέσης σε λειτουργία και βελτιώνοντας την απόδοση του συστήματος. Οι τεχνολογίες συλλογής ενέργειας​ επιτρέπουν τη λειτουργία με μπαταρία για εφαρμογές απομακρυσμένης παρακολούθησης. Οι δυνατότητες μέτρησης πολλαπλών παραμέτρων

​ επιτρέπουν σε μεμονωμένους πομπούς να μετρούν την πίεση, τη θερμοκρασία και τη διαφορική πίεση για τον υπολογισμό της ροής, αντικαθιστώντας πολλαπλά όργανα.

Τα βελτιωμένα υλικά

​ όπως το γραφένιο και τα νανοσύνθετα βελτιώνουν την χημική αντοχή και τη μακροζωία των αισθητήρων σε σκληρά περιβάλλοντα.Η σύγκλιση αυτών των τεχνολογιών με τα οικοσυστήματα Industry 4.0 θα ενσωματώσει περαιτέρω τους μαγνητικούς μετρητές ροής και τους πομπούς πίεσης σε αυτοματοποιημένες και βιώσιμες βιομηχανικές λειτουργίες, ενισχύοντας τον ρόλο τους στις πρωτοβουλίες έξυπνης κατασκευής και βελτιστοποίησης της διαδικασίας.

-Endress+Hauser

-

ALLEN BRADLEY 

-YOKOGAWA