Расходомеры

Расходомеры применяются для измерения массового либо объемного расхода рабочей среды, что необходимо для корректного ведения технологического процесса, а также учета использования реагентов, химикатов, энергоносителей и продуктов переработки.

Агрегатное состояние веществ: газ, жидкость, суспензия, пар, при рабочих условиях. Также важно чтобы во время работы расходомера не осуществлялся фазовый переход из одного агрегатного состояния в другое, т. к это негативно сказывается на сроке службы прибора и точности измерений.

Химический состав: В случае смеси из различных веществ – химический состав отдельных компонентов, их доля (объемная, массовая, мольная) в смеси. По химическому составу, а также рабочим условиям возможно определить физические свойства среды, необходимые для оценки работоспособности расходомера в текущих условиях. Химический состав также позволяет оценить совместимость среды с материалом корпуса и уплотнений расходомера.

Диапазон рабочих расходов: При определении верхнего предела измерения лучше сделать запас в 5-15%, однако некоторые расходомеры могут давать показания и для расходов более 100% верхнего предела измерения (ВПИ), но паспортная точность гарантируется только при расходах менее 100%. Нижний предел измерения также важен, т.к. не бывает расходомеров, измеряющих расход от 0 до 100% ВПИ. Всегда есть нижний предел измерения, ниже которого прибор не способен обеспечить паспортную точность.

Рабочий диапазон температур среды: очень низкие и высокие температуры требуют специальных методов измерения, либо переноса точки измерения в часть системы, где температура среды ближе к комнатной.

Рабочий диапазон давлений среды: как при высоком давлении, так и в условиях вакуума, страдает ресурс прибора, также изменяются требования к самому прибору.

Наличие посторонних включений. Пары воды и масла, твердые частицы в газе, взвешенные частицы и пузырьки газа в жидкости и т.д. Так, конденсация среды внутри газового расходомера может приводить к ухудшению его точности, а при накоплении твердых частиц в измерительной части расходомера может произойти выход прибора из строя. Для ряда жидкостных расходомеров с подвижными частями наличие растворенного воздуха будет приводить к кавитации, разрушающей корпус прибора.

Стабильность потока. На этапе подбора прибора необходимо определиться, будет ли поток постоянным, или он будет разрываться. Труба заполнена полностью или частично.

Коррозионные свойства. Может ли среда при условиях эксплуатации повредить корпус, уплотнения расходомера и встроенные датчики. В данном критерии учитываются также включения в рабочую среду.

Параметры места эксплуатации. Диапазон температуры, влажности окружающей среды по месту эксплуатации, степень пыле- и влагозащиты, взрывозащита, коррозионное воздействие на расходомер извне, наличие источников мощного электромагнитного излучения.

Вихревые расходомеры

Принцип действия вихревого расходомера основан на явлении Кармана. Тело обтекания, помещенное в поток, проходящий через вихревой расходомер, создает после себя чередующиеся вихри, представляющие собой две вихревые дорожки, которые называются дорожками Кармана. В одной дорожке вихри вращаются по часовой стрелке, в другой - против. Вихри образуются в вихревом расходомере один за другим поочередно, сначала с одной стороны тела обтекания, затем - с другой, создавая неоднородность давления в окружающем потоке газа или жидкости. Расстояние между вихрями (длина волны возмущения) является измеряемой константой.

За телом обтекания вихревого расходомера расположен датчик скорости, который фиксирует прохождение вихрей. Считая количество вихрей, проходящих мимо датчика скорости в единицу времени (частоту), вычислитель вихревого расходомера определяет полный объем рабочей среды.

Сенсор скорости вихревого расходомера включает в себя пьезоэлектрический элемент, измеряющий частоту вихрей. При образовании вихря на пьезодатчик действует деформирующая сила, которая преобразуется в электрический сигнал. Частота этого переменного сигнала пропорциональна частоте образовавшихся вихрей.

Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры предназначены для автоматического измерения объёмного количества и объёмного расхода жидкостей. Его принцип действия основан на изменении скорости распространения ультразвукового сигнала в движущейся среде в зависимости от значения составляющей скорости этой среды в направлении распространения ультразвукового сигнала.

В комплект расходомера входят измерительно-управляющий прибор и кратное двум количество пьезодатчиков, увеличение числа которых позволяет добиться более высокой точности измерения. Первичным преобразователем ультразвукового расходомера является отрезок трубы, на котором под углом к её оси установлены пьезоэлектрические датчики. При сжатии и растяжении в определённых направлениях пьезоэлементов на их поверхностях возникают электрические заряды. Если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмётся в зависимости от того, на какой из этих поверхностей будет больше напряжения. Это явление называется обратным пьезоэффектом. Оно лежит в основе работы излучателей ультразвуковых колебаний, преобразующих переменное электрическое напряжение в механические колебания той же частоты. Приёмники, преобразующие эти колебания в переменное электрическое напряжение, работают на прямом пьезоэффекте. Каждый из двух пьезоэлементов по очереди является излучающим и приёмным, с помощью высокочастотных кабелей они соединяются с измерительно-управляющим прибором.

Схемы ультразвуковых преобразователей расходомеров:

а — одноканального; б — с отражателями; в — двухканального

Кориолисовые массовые расходомеры

Принцип действия основан на том что поток жидкости в датчике проходит через пару симметричных изогнутых измерительных трубок, колеблющихся с определенной частотой. Форма колебаний одной из этих трубок показана на рисунке ниже. Трубка приводится в движение электромагнитной катушкой, расположенной в центре изгиба трубки. Колебания трубки подобны колебаниям камертона и имеют амплитуду менее 1 мм и частоту в диапазоне 80 – 100 Гц.

Измеряемой среде, проходящей через трубку, придается вертикальная составляющая движения вибрирующей трубки. При движении вверх во время первой половины цикла колебания (рисунок ниже) жидкость, втекающая в трубку, создает сопротивление движению вверх, давя на трубку вниз. Поглотив вертикальный импульс при движении вокруг изгиба трубки, жидкость, вытекающая из трубки, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, толкая трубку вверх это приводит к закручиванию трубки. Когда трубка движется вниз во время второй половины цикла колебания, она закручивается в противоположную сторону. Это закручивание называется эффектом Кориолиса.

На основании второго закона Ньютона, угол закручивания трубки датчика прямо пропорционален количеству жидкости, проходящей через трубку в единицу времени. Электромагнитные катушки-детекторы, расположенные с каждой стороны трубки, снимают сигнал, соответствующий колебаниям трубки. Массовый расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами детекторов. При отсутствии потока закручивания трубы не происходит, и между сигналами детекторов нет временной разности. При наличии потока труба закручивается, при этом возникает разность по времени в поступлении двух сигналов по скорости. Эта разница во времени прямо пропорциональна массовому расходу.

Измерение плотности - Собственная частота колебаний сенсорных трубок зависит от их геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самих трубок и массы измеряемой среды в трубках. Для конкретного типоразмера сенсора масса трубок постоянна. Поскольку масса измеряемой среды в трубках равна произведению плотности среды и внутреннего объема, а объем трубок является также постоянным для конкретного типоразмера, то частота колебаний трубок может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения периода колебаний.

Термические массовые расходомеры

Данный тип расходомеров выполняет измерения массового расхода, определяя теплоотвод от нагретой поверхности. Датчик состоит из двух равных по массе элементов с точно подобранными термометрами сопротивления. Опорный сенсор измеряет температуру контролируемой среды (до +200 °С); второй термометр сопротивления измеряет температуру нагретого сенсора. Мощность, подводимая к нагревателю, меняется так, чтобы поддерживать постоянную положительную разность температуры относительно опорного значения. Между подводимой мощностью и массовым расходом существует физическая зависимость, имеющая нелинейный характер. Микропроцессор, входящий в состав прибора, определяет по требуемой мощности соответствующее значение массового расхода, используя для этого калибровочную кривую. Измеряется также и температура, по которой определяется температурная поправка к массовому расходу во всем диапазоне рабочих температур прибора.

- Прямое измерение массового расхода воздуха и газов.

- Не требуется поправка на температуру и давление.

- Широкий динамический диапазон измерений 100:1.

- Высокая чувствительность при измерении малых расходов.

- Малое падение давления.

- Значения текущего расхода, температуры и суммарного расхода можно передавать по протоколу HART®.

- Рабочая температура до +200 °C.

- Высо рабочее давление, в зависимости от типа монтажа на технологическом оборудовании.

- Замена зонда может быть выполнена на месте установки.

- Предусмотрена защита датчика на случай слишком глубокого ввода в трубу.

- Дополнительно: - устройство для “горячего” ввода и извлечения зонда (позволяющие не приостанавливать технологический процесс) или клапан с обжимным фитингом.

Температурная компенсация

Измерение расхода термическим методом не требует введения поправок на давление и температуру, необходимых для большинства расходомеров, используемых для измерений расхода газа в реальных условиях. Однако, изменение температуры будет приводить к изменению свойств газа, влияющих на конвективный теплообмен. В расходомерах данного типа предусмотрено измерение температуры и автоматическая коррекция результатов измерений массового расхода, обеспечивающая учет изменений свойств газа во всем рабочем диапазоне температур прибора.

Сумматор

Программный сумматор выводит на дисплей девятизначное значение суммарного расхода, отображаемое в единицах измерения, выбранных пользователем. Использование электронно-перепрограммируемого ПЗУ для хранения значений суммарного расхода устраняет необходимость в резервных аккумуляторах и обеспечивает максимальную сохранность данных в случае перерыва в электроснабжении. Сумматор можно установить на нуль с помощью дисплейного модуля или HART.

Для выбранных газов, используя ранее полученные калибровочные данные воздух-газ, можно выполнить эквивалентную калибровку по воздуху.

Для зондов предусмотрены различные варианты соединений с контролируемой средой, включая резьбовые и фланцевые, а также монтаж с использованием обжимного фитинга. Зонд можно устанавливать в трубы диаметром не менее 1 1/2" (при использовании резьбового соединения – не менее 2"/DN 50).

Датчик защищен от повреждения на случай удара о “дно” при слишком глубоком вводе в трубу. При монтаже зонда с использованием обжимного фитинга можно отрегулировать положение датчика в трубе, чтобы добиться оптимального расположения. Обычно такое расположение достигается, если низ зонда находится на 25 мм ниже осевой линии трубы.

Каждый расходомер калибруется на заводе-изготовителе на определенный тип газа и требуемый расход. Конфигурирование прибора выполняется по информации о конкретной области применения. Благодаря этому прибор можно установить и сразу же ввести в эксплуатацию, не проводя настройку на месте установки.

ПРИМЕНЕНИЕ

Сжатый воздух или газ

Измерение массового расхода в различных газопроводах для получения информации об использовании газов на предприятии, позволяющей организовать их распределение внутри предприятия.

Преимущества:

- прямые измерения массового расхода

- широкий динамический диапазон

- определение суммарного расхода

- простота монтажа

Трубопроводы факельных установок

Измерение расхода в различных точках трубопроводов факельных установок.

Преимущества:

- хорошая чувствительность при измерении малых расходов

- широкий динамический диапазон

- легкость демонтажа для очистки

Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения расхода электропроводящих жидкостей.

Расходомер представляет собой отрезок трубы из нержавеющей стали, с расположенными снаружи полюсами электромагнита, в котором по оси расположены токосъемные электроды. Участок трубопровода по обе стороны от электродов покрыт электроизоляцией. Роль проводника в таком расходомере выполняет электропроводная жидкость, перемещающаяся по трубопроводу и пересекающая магнитное поле электромагнита. В жидкости будет возникать пропорциональная скорости ее движения ЭДС. Степень агрессивности для таких приборов определяется материалом изоляции трубы и электродов первичного преобразователя.