Mennyire megbízható az ultrahangos áramlás- és hőmennyiségmérés?

Az ultrahangos áramlásmérők és hőmennyiségmérők az elmúlt években a társasházi, irodaépületi és ipari energetikai rendszerek egyik legfontosabb mérési technológiájává váltak. A modern távfűtési, hűtési és épületgépészeti rendszerekben ma már gyakran alkalmaznak ultrahangos mérőket a hagyományos mechanikus mérők helyett, mivel:

• nincs bennük mozgó alkatrész,

• kisebb a kopás,

• hosszabb az élettartam,

• alacsonyabb a karbantartási igény,

• digitálisan integrálhatók épületfelügyeleti rendszerekbe.

A technológia megbízhatósága azonban nagymértékben függ:

• a közeg minőségétől,

• a rendszer szennyezettségétől,

• az áramlási viszonyoktól,

• és a hosszú távú lerakódásoktól.

Az ultrahangos mérés mögött ugyanakkor valós fizikai törvények és évtizedes méréstechnikai kutatások állnak.

Az ultrahangos áramlásmérés fizikai alapja

A legelterjedtebb ultrahangos mérési elv az úgynevezett transit-time (futásidő-különbséges) mérés.

A működés alapelve:

• két ultrahangos érzékelő helyezkedik el a cső két oldalán,

• az egyik jeladó az áramlás irányába küld hanghullámot,

• a másik az áramlással szemben,

• az áramló közeg módosítja a hang terjedési idejét.

A két terjedési idő különbségéből számítható a folyadék sebessége, ebből pedig a térfogatáram.

A működés teljes egészében:

• akusztikai,

• fluiddinamikai,

• és időmérési fizikai törvényeken alapul.

Az ultrahangos hőmennyiségmérők ezt egészítik ki:

• előremenő hőmérsékletméréssel,

• visszatérő hőmérsékletméréssel.

A hőenergia számítása:

Q = dot{m} cdot c_p cdot Delta T

ahol:

• (Q) = hőteljesítmény,

• (dot{m}) = tömegáram,

• (c_p) = fajhő,

• (Delta T) = hőmérsékletkülönbség.

A képlet közvetlenül a termodinamika első főtételéből vezethető le.

Miért számítanak megbízhatónak?

Az ultrahangos mérők egyik legnagyobb előnye, hogy nincs bennük mechanikus kopó alkatrész.

Ez különösen fontos:

• társasházi rendszerekben,

• fan-coil hűtési rendszerekben,

• irodaépületek HVAC hálózataiban,

• távhő rendszerekben.

A mechanikus mérőknél:

• a rotor,

• turbinakerék,

• csapágyazás

az évek során elkopik, ami pontatlanságot okoz.

Ultrahangos mérőknél ezzel szemben:

• nincs mechanikus súrlódás,

• kisebb a hidraulikai ellenállás,

• stabilabb marad a kalibráció hosszú távon.

A korszerű mérők tipikus pontossága:

• ±0,5–2%.

Az áramlási profil hatása a pontosságra

A mérés pontosságát jelentősen befolyásolja az áramlási profil.

Ideális esetben:

• egyenletes,

• lamináris,

• stabil sebességeloszlás

alakul ki a csőben.

Valós rendszerekben azonban:

• könyökök,

• strangszabályzók,

• szivattyúk,

• háromjáratú szelepek,

• részlegesen nyitott motoros szelepek

örvénylést hoznak létre.

Ez:

• torzíthatja az ultrahang terjedését,

• instabil futásidő-különbséget okozhat,

• mérési hibát eredményezhet.

A szakirodalom szerint rossz beépítési körülmények között akár több százalékos eltérés is kialakulhat. (ScienceDirect)

Hőmennyiségmérés társasházakban és irodaházakban

A társasházak és irodaépületek hő- és hűtési rendszerei különösen összetett hidraulikai környezetet jelentenek.

Jellemző problémák:

• változó térfogatáram,

• részterheléses működés,

• időszakos levegősödés,

• szennyeződés,

• iszaplerakódás,

• korróziós részecskék,

• vízkőkiválás.

A hűtési rendszerekben további probléma:

• glikolos közeg használata,

• mikrobiológiai lerakódás,

• biofilm képződés.

Ezek a tényezők nemcsak a rendszer hatásfokát rontják, hanem az ultrahangos mérés pontosságát is befolyásolják.

A fűtési és hűtési közeg szennyeződésének hatása

1. Lebegő szennyeződések

A transit-time ultrahangos mérők tiszta közegben működnek a legpontosabban.

A közegben található:

• magnetit,

• rozsda,

• homok,

• iszap,

• vízkőszemcsék

szórhatják az ultrahangot.

Ennek következménye:

• jelgyengülés,

• instabil jelfeldolgozás,

• pontatlan futásidő-meghatározás.

Adott pillanatban ez:

• zajos mérési értékeket,

• ugráló térfogatáramot,

• hibás energiaelszámolást

okozhat.

2. Légbuborékok és mikrogázok

A levegő különösen problémás az ultrahangos mérésnél.

A légbuborékok:

• jelentősen visszaverik az ultrahangot,

• megszakíthatják a jelutat,

• hamis mérési adatokat okozhatnak.

Társasházi rendszerekben gyakori:

• szezonális feltöltés,

• nem megfelelő légtelenítés,

• részleges vákuumosodás.

Hűtési rendszerekben:

• oldott gázok kiválása,

• alacsony nyomású szakaszok,

• glikolos keverékek

szintén fokozhatják a problémát.

3. Magnetit és feketeiszap hatása

A modern acélcsöves rendszerek egyik legnagyobb problémája a magnetitképződés.

A magnetit:

• rendkívül finom szemcseméretű,

• folyamatosan kering a rendszerben,

• lerakódik érzékelőkön és szűk keresztmetszetekben.

Hosszú távon:

• módosíthatja az ultrahang terjedési tulajdonságait,

• csökkentheti a jel amplitúdóját,

• növelheti a mérési bizonytalanságot.

Ez különösen:

• alacsony térfogatáramoknál,

• részterheléses működésnél,

• fan-coil rendszereknél

okoz problémát.

4. Vízkő és lerakódások

Kemény víz esetén:

• vízkőréteg képződhet,

• megváltozhat a cső belső átmérője,

• torzulhat az áramlási profil.

A lerakódások:

• megváltoztatják az ultrahang törési viszonyait,

• módosíthatják az érzékelő akusztikai csatolását.

Ez lassan kialakuló, hosszú távú hibát eredményezhet.

A mechanikus mérőkkel szemben azonban az ultrahangos rendszerek általában kevésbé érzékenyek a vízkőre, mert nincs bennük forgó mechanika.

Rövid és hosszú távú pontossági hatások

Rövid távon

Azonnali hibát okozhat:

• levegősödés,

• pulzáló áramlás,

• szelepnyitások,

• szivattyúindítás,

• nagy mennyiségű lebegő szennyeződés.

Ilyenkor:

• ingadozó mérési értékek,

• ideiglenes hibakódok,

• kommunikációs zavarok

jelentkezhetnek.

Hosszú távon

Hosszabb idő alatt:

• biofilm,

• magnetit,

• korrózió,

• vízkő,

• glikolos öregedés

okozhat pontosságromlást.

A jó minőségű ultrahangos mérők azonban még így is:

• stabilabbak,

• lassabban öregszenek,

• és kisebb driftet mutatnak,

mint a mechanikus rendszerek.

A megfelelő rendszerkezelés szerepe

A hosszú távú pontosság érdekében különösen fontos:

• iszapleválasztó alkalmazása,

• mágneses szűrés,

• megfelelő vízkezelés,

• inhibitor használata,

• rendszeres légtelenítés,

• glikol koncentráció ellenőrzése,

• hidraulikai beszabályozás.

Modern épületgépészeti rendszerekben ma már szinte kötelező:

• mágneses iszapleválasztó,

• automata légtelenítő,

• szűrőegység alkalmazása.

Clamp-on ultrahangos mérők sajátosságai

A külső, úgynevezett clamp-on mérők:

• nem igényelnek csőbontást,

• gyorsan telepíthetők,

• diagnosztikai célra kiválóak.

Viszont érzékenyebbek:

• csőfal állapotára,

• lerakódásra,

• korrózióra,

• festékrétegre,

• rossz akusztikai csatolásra.

Szennyezett rendszereknél az inline ultrahangos mérők általában stabilabb eredményt adnak.

Szakmai összegzés

Az ultrahangos áramlás- és hőmennyiségmérés ma az egyik legmegbízhatóbb épületgépészeti mérési technológia.

Előnyei:

• nagy pontosság,

• hosszú élettartam,

• alacsony karbantartási igény,

• digitális integrálhatóság,

• minimális kopás.

A pontosságot azonban jelentősen befolyásolja:

• a rendszer tisztasága,

• a közeg minősége,

• a levegősödés,

• a magnetitképződés,

• és a hidraulikai kialakítás.

Megfelelő vízkezeléssel és rendszerkarbantartással az ultrahangos mérők hosszú távon is kiváló pontosságot biztosítanak társasházi és irodaépületi rendszerekben egyaránt.

Magyar szakirodalom és szakmai források

1. Sztraka Lajos: Méréstechnika biomérnököknek – Ultrahangos áramlásmérők
   MeRSZ – Magyar Elektronikus Referenciamű Szolgáltatás
   MeRSZ – Ultrahangos áramlásmérők

2. Hőmennyiségmérők típusai és működési elve
   SZRFK szakmai cikk
   SZRFK – Hőmennyiségmérők működési elve

3. Maxim: nagy pontosságú, kis fogyasztású áramlásmérő
   Magyar Elektronika szaklap

4. Érzékelés piezoelektromos ultrahangos átalakítókkal
   DigiKey magyar műszaki cikk

5. EN 1434 szabvány – Hőmennyiségmérők európai szabványa.

6. Oventrop, Siemens, Kamstrup és Danfoss ultrahangos hőmennyiségmérő műszaki dokumentációk.

7. Épületgépész szakmai ajánlások magnetit- és iszapleválasztásról.