Датчики потока жидкости — подбор по характеристикам

Датчики потока жидкости - подбор по характеристикам Анемометр

Виды реле потока жидких материалов и их назначение

Современные виды реле потока жидкости имеют общее основное назначение – контроль наличия или отсутствия потока рабочей жидкости в трубопроводе. Различия заключаются в принципах работы и возможностях применения датчиков.

  1. Механическое лопастное реле потока представляет собой встраиваемое в трубу устройство, снабженное специальной лопастью. При наличии потока в трубопроводе лопасть отклоняется, приводя к замыканию контактов и срабатыванию датчика. Лопастное реле практически не имеет ограничений в применении, мало подвержено износу и не нуждается в обслуживании.
  2. Тепловое реле потока контролирует наличие потока с помощью измерения уровня рассеивания тепловой энергии от встроенного нагревательного элемента. В зависимости от скорости изменения температуры нагревательного элемента регистрируется поток, а также его скорость при наличии такой функции. Термоанемометрический принцип измерения потока не подходит для некоторых опасных видов жидкостей. Для сохранения надежности регистрации необходимо поддерживать чистоту чувствительных элементов датчика. Некоторые виды устройств не подходят для работы в условиях постоянно изменяющейся скорости потока.
  3. Механический поршневой датчик потока работает на базе магнитно-поршневой системы. При наличии потока встроенный поршень с магнитом поднимается, вызывая замыкание контактов и срабатывание датчика. При отсутствии потока поршень возвращается в исходное положение. Поршневой датчик оптимально подойдет для работы в условиях высокого давления и имеет различные варианты конструкции для монтажа в наиболее удобном положении.
  4. Принцип действия ультразвуковых реле потока жидкости базируется на свойствах акустического эффекта, который возникает при передаче УЗ-импульсов через поток продукта. Наибольшее распространение в настоящее время получили приборы, использующие перемещение УЗ-колебаний движущимся потоком.
  5. Индикаторы потока – это устройства с одним или двумя окнами для визуального контроля и вращающейся лопастью или поворачивающейся створкой в качестве сигнализатора наличия и направления потока, кроме того есть трубные конструкции с устройствами очистки от веществ.  В некоторых моделях возможно  получение электрических выходных сигналов контроля (реле, расход).

Выбрать и купить датчики потока вы можете в интернет-магазине …

Измерение расхода жидкости в безнапорных потоках. анализ современных методов

Разрабатывая нашим клиентам решения по измерению расхода жидкостей, мы создали отличную методику выбора расходомеров, которой готовы поделиться. Три несложных шага – и вы безошибочно выберете нужный расходомер даже из сотни моделей.

Испытательная лаборатория «Технометр», г. Санкт-Петербург

Tehnometr.png

скачать pdf >>

За последние 10–15 лет рынок средств измерений безнапорных потоков стал весьма разнообразным. Европейские и западные технологии, активно внедряющиеся на территории Российской Федерации, значительно преобразили ассортимент доступных приборов.

Сегодня рынок предлагает сотни расходомеров, а каждый поставщик очень убедительно призывает покупать именно у него. Конечно, простым мониторингом цен не обойтись. Нужно иметь представление о том, на основании чего делается выбор, а только потом заказывать само средство измерения.

Мы часто выбираем приборы измерения безнапорных потоков для своих клиентов, поэтому разработали систему, позволяющую уже на втором шаге отсеять до 90 % неподходящих к конкретной задаче расходомеров:
1. Оцениваем характеристики объекта измерения.
2. Выбираем метод измерения, подходящий под характеристики.
3. Из расходомеров, использующих этот метод, отбираем прибор по соотношению «цена/качество».

Ключевой шаг – выбор метода. На сегодняшний день в мировой практике активно используются всего четыре метода измерения расхода безнапорного потока: бесконтактный радарный, погружной доплеровский, ультразвуковой и электромагнитный метод. Определившись с методом измерения, мы значительно сокращаем диапазон поиска.

В этой статье мы представим анализ существующих в настоящий момент методов измерения расхода воды в безнапорных потоках с описанием как их практической области применения, так и ограничений в применении. Для каждого метода мы подобрали имеющиеся на российском рынке модели расходомеров, которые уже внесены в Государственный реестр средств измерений РФ, а также те, которые, возможно, будут внесены в реестр.

Подход к измерению

Расход воды для любого сечения определяется формулой: Q = Vср. × S, где Q – это расход воды, Vср. – средняя скорость, S – измеренное сечение. Таким образом, для того чтобы вычислить расход в безнапорном потоке, нам необходимо достоверно определить геометрические размеры измерительного створа, а с помощью средства измерения измерить скорость и уровень потока.

Методы измерения расхода воды в безнапорных потоках можно подразделить на две основные группы:
— двухканальные расходомеры, основанные на принципе измерения «площадь – скорость», выполняющие прямые измерения скорости и уровня потока. К этому типу относятся и гибридные системы, которые применяются для обеспечения достоверного определения объемного расхода воды в безнапорных трубопроводах, как правило, при имеющемся широком диапазоне значений расхода и скорости, например, для городской ливневой канализации;
— одноканальные расходомеры, которые измеряют только значения уровня, а скорость потока вычисляется на основании существующих методик измерения.

В табл. 1 приведены все существующие методы измерения скорости и уровня потока и их возможные сочетания в различных моделях расходомеров для безнапорных потоков.

Таблица 1. Методы измерения скорости и уровня потока и их возможные сочетания в различных моделях расходомеров для безнапорных потоков (увеличить изображение)

Tab_small.png

Двухканальные расходомеры

Эти приборы, основанные на методе «площадь – скорость», выполняют измерения и скорости потока, и уровня потока.

Измерение значений уровня потока принято считать самым простым в организации процесса определения объемного расхода воды в безнапорных потоках, но и этому параметру стоит уделить внимание. Уровень потока может быть измерен тремя способами:
— с использованием бесконтактного радарного метода измерения, который является, пожалуй, оптимальным. Ввиду высокой частоты измерения ему не страшны образование пара и пены над потоком. При возможном переполнении трубопровода датчик имеет степень защиты IP68 и с легкостью выдержит погружение;
— с помощью погружного гидростатического метода измерения. При выборе датчика уровня, основанного на этом методе, необходимо уделять внимание качеству исполнения самого устройства, способности применяемых материалов выдержать длительную работу в агрессивной среде (например, если речь идет об измерениях сточной воды или жидкостей с содержанием абразивных веществ);
— с применением бесконтактного ультразвукового метода измерения. Необходимо оценить вероятность появления пара над потоком в зимний период времени. Практика показывает, что датчики уровня, основанные на ультразвуковом методе измерения, могут воспринять поверхность пара как поверхность воды, тем самым значительно искажая уровень потока в сторону увеличения, а значит, увеличивая и значение расхода.

Между тем главным параметром для выбора расходомера служит метод измерения скорости потока. Именно для измерения скорости используются сложные технологии, предназначенные для применения в определенных измерительных условиях. Давайте разберемся в них.

Бесконтактный радарный метод

Один из самых универсальных методов, обеспечивающий точность данных даже в сложных условиях измерений.

Для измерения скорости потока используется бесконтактный радарный датчик скорости. Скорость потока жидкости определяется бесконтактным радарным методом. Микроволновое излучение, формируемое датчиком скорости, попадая на свободную поверхность воды, отражается от неоднородностей, присутствующих на поверхности потока, и попадает обратно в датчик скорости, который по разности частот (излучаемой и принимаемой) измеряет скорость движения поверхности потока жидкости. Объемный расход и объем жидкости определяются на основании эпюры распределения скоростей, уровня потока и площади внутреннего сечения трубопровода. Радарные волны имеют высокую частоту излучения (24 ГГц), поэтому являются радиопрозрачными, то есть способны выполнять измерения через пластиковые поверхности, пар и пену.

Важно! Выбирая бесконтактный радарный датчик скорости, нужно понимать, какую антенну использует датчик: рупорную или планарную.

Рупорная антенна – металлическая конструкция, состоящая из волновода переменного (расширяющегося) сечения с открытым излучающим концом. Как правило, рупорную антенну возбуждают волноводом, присоединенным к узкому концу рупора. По форме рупора различают E‑секториальные, H‑секториальные, пирамидальные и конические рупорные антенны.

Планарная, или патч-антенна – СВЧ-антенна, состоящая из плоского металлического лепестка, закрепленного параллельно пластине земли. Обычно эту конструкцию заключают в пластиковый радиопрозрачный кожух как для защиты от механических повреждений, так и из эстетических соображений. Такие антенны просты в изготовлении и легко могут быть модифицированы под требуемые технические условия.

Для своих клиентов чаще всего мы выбираем приборы, оснащенные рупорными антеннами, тем более что в настоящий момент только они внесены в Государственный реестр СИ РФ. Они имеют очевидные преимущества перед измерителями скорости с патч-антеннами при измерениях скорости потока в трубопроводах и узких каналах:
— рупорные антенны хорошо экранированы, что обеспечивает лучшую помехоустойчивость, нежели у патч-антенн;
— рупорные антенны имеют узкую диаграмму направленности и низкий уровень боковых лепестков, что обеспечивает точные измерения в стесненных условиях, например, в колодцах (рис. 1). Патч-антенна в силу широкой диаграммы направленности и высокого уровня боковых лепестков, находясь в стесненных условиях, собирает большое количество переотраженных «паразитных» шумов именно от боковых лепестков. Мощность «паразитных» шумов значительно выше мощности сигналов, отраженных от поверхности потока воды, что и является причиной невозможности их применения в колодцах и других закрытых пространствах (рис. 2);

Ris_1.png

Рис. 1. Условная схема диаграммы направленности основного лепестка и боковых лепестков рупорной антенны датчика скорости, установленного в канализационном колодце: 1 – датчик скорости, 2 – диаграмма направленности основного лепестка, 3 – диаграмма направленности боковых лепестков

Ris_2.png

Рис. 2. Условная схема диаграммы направленности основного лепестка и боковых лепестков патч-антенны датчика скорости, установленного в колодце: 1 – датчик скорости, 2 – диаграмма направленности основного лепестка, 3 – диаграмма направленности боковых лепестков

— узкая направленность излучения радарного датчика с рупорной антенной позволяет использовать его более эффективно в сложных задачах измерений, например, при измерениях на большой высоте над каналом, при чрезмерном испарении или больших слоях пены на поверхности потока. Именно поэтому датчики скорости на базе рупорных антенн могут применяться как в безнапорных трубопроводах, так и в открытых каналах, а датчики скорости на базе патч-антенн предназначены для измерения скорости потока в реках и широких открытых каналах;
— измеряемое значение минимальной скорости потока для рупорной антенны составляет от 0,08 м/с, а для патч-антенны – от 0,1 м/с до 0,3 м/с. Некоторые производители датчиков скорости на базе патч-антенн для улучшения потребительских свойств своей продукции указывают минимальную скорость потока от 0,1 м/с, но стоит учитывать, что у некоторых моделей датчиков скорости диапазон от 0,1 м/с до 0,3 м/с является не измеряемым, а рассчитываемым, исходя из полученных значений уровня потока по принципу расходомеров‑уровнемеров. При выборе расходомера рекомендуем проверить его работу при минимальной скорости потока, подключив только датчик скорости (без использования датчика уровня).

Про анемометры:  Windscribe VPN: 60 ГБ в месяц бесплатно на 1 год ВПН Бесплатно | Пикабу

Практическая область применения

Бесконтактный радарный метод измерения на базе рупорной антенны идеально подходит для безнапорных потоков со скоростью более 0,08 м/с (измерение расхода сточных, ливневых, промышленных стоков, промывной воды, других типов агрессивных жидкостей. Измерение расхода в трубопроводах диаметром от 150 до 8000 мм, каналах шириной до 20 м).

Бесконтактный радарный метод измерения на базе патч-антенны идеально подходит для использования в широких каналах и реках (равнинных, горных).

Ограничения в применении

При скорости ниже 0,08 м/с датчик скорости на базе рупорной антенны перестает измерять. Радарное излучение датчика скорости использует эффект Доплера, то есть луч датчика скорости отражается от неровностей, образующихся на поверхности потока. При скорости ниже 0,08 м/с поверхность потока становится зеркальной и луч радара не возвращается к датчику, а переотражается в обратном датчику направлении.

Датчик скорости на базе патч-антенны не работает в условиях тоннельных коллекторов, безнапорных трубопроводов, проложенных под землей, потоков с образованием пара и пены.

Датчик скорости на базе рупорной антенны

Для измерения скорости потока в трубопроводах и узких каналах важно использовать датчики скорости с узкой диаграммой направленности, разработанные на базе рупорной антенны, которая формирует наиболее стабильный и концентрированный сигнал. Минимальная скорость измерения таких датчиков составляет 0,08 м/с.

Датчик скорости на базе патч-антенны

Датчики, разработанные на ба­зе патч-антенны, используются для измерений расхода воды в открытых каналах и реках. Широкополосность диаграммы направленности в этих случаях выступает преимуществом этих расходомеров. Минимальная скорость измерения таких датчиков составляет 0,3 м/с (для некоторых моделей 0,1 м/с), при скорости потока ниже 0,3 м/с расходомер определяет расход как одноканальный расходомер-уровнемер.

Представленные на рынке РФ расходомеры, применяющие бесконтактный радарный метод

Датчик на базе конструкции рупорной антенны: расходомер Raven-Eye (номер в Государственном реестре: 63805-16), производство Flow-Tronic, Бельгия.

Датчик на базе конструкции планарной антенны (патч-антенны):
— расходомер NivuFlow 7550 (не внесен в Государственный реестр СИ), производство Nivus, Германия;
— расходомер Q‑Eye (не внесен в Государственный реестр СИ), производство Hydrovision (Seba), Германия;
— расходомер Phoenix (не внесен в Государственный реестр СИ), производство Flow-Tronic, Бельгия.

Погружной доплеровский метод

Для измерения скорости потока используется погружной датчик скорости. Скорость потока жидкости определяется ультразвуковым датчиком, излучающим и принимающим отраженные от частиц в потоке ультразвуковые сигналы. Согласно эффекту Доплера, излучаемый и принимаемый сигналы имеют частотный сдвиг, пропорциональный скорости движения частиц в потоке.

Погружной доплеровский метод может быть представлен двумя типами датчиков: датчик непрерывного излучения и датчик импульсного излучения. Оба типа датчиков используют один и тот же метод измерения – эффект Доплера. Но есть некоторые различия в выполнении измерений.

Датчик скорости непрерывного действия имеет два кристалла: первый – излучающий ультразвуковые сигналы, второй – принимающий сигналы, отраженные от частиц в потоке. Оба кристалла непрерывно излучают и принимают сигналы, отсюда и понятие «непрерывного действия».

Датчик скорости импульсного излучения имеет один кристалл, который выступает и в роли излучателя, и в роли кристалла, принимающего сигнал. После отправки сигнала датчик скорости еще находится в состоянии вибрации, которое можно сравнить с состоянием языка колокола после удара. Пока вибрация не успокоится, кристалл не будет способен принять отраженные сигналы обратно. Вследствие этого образуется «временное» окно, когда датчик не способен работать. Такая «слепая зо­на» измерений составляет 7–10 см над датчиком.

К датчикам скорости импульсного излучения относятся также и кросскорреляционные датчики скорости. Эти датчики тоже используют метод измерения, основанный на эффекте Доплера, но обработка полученного датчиком сигнала выполняется кросскорреляционным методом.

Практическая область применения

Доплеровский метод измерения обычно применяют для определения расхода ливневых и хозяйственно-бытовых стоков на трубопроводах диаметром до 1,5 м и открытых каналах шириной до 2 м.

Ограничения в применении

При высокой концентрации взвешенных частиц в потоке датчик скорости измеряет только пристеночную (придонную) скорость, а значит, занижает как значение средней скорости потока, так и расход. Такой эффект возникает в связи с тем, что ультразвуковой сигнал отражается от взвешенных частиц, проходящих вблизи датчика, что не позволяет измерить скорость по всему смоченному сечению.

На рис. 3 условно показана ситуация с умеренным содержанием взвешенных частиц в потоке. На рис. 4 – с повышенным содержанием взвешенных частиц в потоке, а на рис. 5 – с высоким содержанием взвешенных частиц в потоке.

Ris_3.png

Рис. 3. Установленный датчик скорости в условиях умеренной концентрации взвешенных частиц: 1 – датчик скорости, 2 – покрытие ультразвукового сигнала датчика скорости, 3 – профиль скоростей потока

Ris_4.png

Рис. 4. Установленный датчик скорости в условиях повышенной концентрации взвешенных частиц: 1 – датчик скорости, 2 – покрытие ультразвукового сигнала датчика скорости, 3 – профиль скоростей потока

Ris_5.png

Рис. 5. Установленный датчик скорости в условиях высокой концентрации взвешенных частиц: 1 – датчик скорости, 2 – покрытие ультразвукового сигнала датчика скорости, 3 – профиль скоростей потока

Работу датчика скорости в данных условиях можно сравнить с работой фонаря в густом тумане – чем гуще туман, тем короче луч света. Этот эффект также можно назвать поглощением сигнала.

Представленные на рынке РФ расходомеры, применяющие доплеровский метод

Доплер непрерывного действия:
— расходомер Beluga (номер в Государственном реестре: 63804-16), производство Flow-Tronic (Бельгия);
— расходомер Greyline AVFM (но­мер в Государственном реестре: 48751‑11), производство Greyline Technologies (Канада);
— расходомер Взлет РБП (номер в Государственном реестре: 52517-13), производство АО «Взлет» (Россия).

Доплер импульсного действия:
— расходомер Nivus OCFM (номер в Государственном реестре: 41981-09), производство Nivus (Германия);
— расходомер Nivus OCFM Pro (номер в Государственном реестре: 34977-07), производство Nivus (Германия).

Ультразвуковой метод Transit-Time

Ультразвуковой метод измерения скорости потока Transit-Time, или времяимпульсный, является одним из наиболее распространенных, потому как имеет самый большой опыт применения по всему миру ввиду его давности.

Для измерения скорости потока используются парные ультразвуковые датчики скорости. Измеряется время прохождения ультразвуковых импульсов по направлению движения жидкости и против него. Разность этих времен пропорциональна скорости движения жидкости по трубопроводу или каналу. Зная эпюру распределения скоростей в месте установки ультразвуковых датчиков и площадь измерительного сечения трубопровода, можно определить расход и количество жидкости.

Практическая область применения

— Обычно ультразвуковой метод измерения скорости применяют в трубопроводах большого диаметра с вероятностью появления принулевых значений скорости либо в каналах шириной более 15 м.

— Длина прямого участка для установки – не менее 13 Нмакс (Нмакс – максимальный уровень потока в измерительном створе).

Ограничения в применении

Сложность монтажа и демонтажа датчиков скорости, например для последующей поверки.

Для получения средней скорости потока с помощью ультразвукового метода необходимо выполнить измерения в разных плоскостях измерительного сечения. Как известно, скорость по поперечному сечению потока изменяется: ближе к стенкам сечения скорость ниже, ближе к поверхности потока – выше, такое распределение называется профилем скоростей потока по поперечному сечению. В связи с этим необходимо как минимум предусмотреть установку датчиков на дне трубопровода (канала) и в центре. Выбор количества пар датчиков скорости определяется, исходя из размеров сечения трубопровода или канала и диапазона изменения уровня потока. На рис. 6 показан неправильный способ установки датчиков скорости, на рис. 7 – правильный способ установки датчиков.

Ris_6.png

Рис. 6. Неправильная установка ультразвуковых датчиков скорости Transit-Time в зависимости от наполнения трубопровода: 1 – датчик скорости, 2 – ультразвуковой сигнал от датчика к датчику, 3 – профиль скоростей потока

Ris_7_small.png

Рис. 7. Правильная установка ультразвуковых датчиков скорости Transit-Time в зависимости от наполнения трубопровода: 1 – датчик скорости, 2 – ультразвуковой сигнал от датчика к датчику, 3 – профиль скоростей потока (увеличить изображение)

Измерение уровня

Для измерения уровня потока применяются различные методы: бесконтактный ультразвуковой метод, бесконтактный радарный метод, погружной гидростатический метод.

Представленные на рынке РФ расходомеры, применяющие метод Transit-Time

— Расходомер Accusonic (номер в Государственном реестре: 42521‑09), производство Accusonic Technologies (США).
— Расходомер NivuChannel (номер в Государственном реестре: 39714‑08), производство Nivus (Германия).
— Расходомер Flo-Sonic модели FPFM, OCFM, OC Hybrid (номер в Государственном реестре: 55609‑13), производство Flow-Tronic (Бельгия).

Электромагнитный метод

Принцип действия электромагнитного метода для случаев применения измерителя в безнапорных потоках основан на изменении режима работы частично заполненного трубопровода в трубопроводе, идущем полным сечением.

Принцип действия электромагнитного расходомера основан на использовании закона электромагнитной индукции Фарадея. В проводнике, движущемся в электромагнитном поле, индуцируется напряжение, величина которого пропорциональна скорости его движения. В качестве проводника выступает электропроводящая жидкость – вода. Электромагнитные катушки внутри первичного преобразователя создают магнитное поле, а электроды на его внутренней поверхности воспринимают разность потенциалов, возникающую при движении воды в электромагнитном поле. Расход жидкости определяется с учетом внутреннего диаметра измерительного участка трубопровода.

Практическая область применения

Электромагнитный метод измерения применяется для потоков с широким диапазоном расходов: от нулевых до величин пропускной способности измерительного участка расходомера.

Про анемометры:  Обзор различных видов анемометров и их применение.

Ограничения в применении

При использовании в качестве технического решения по измерению сточной воды в трубопроводе перед узлом учета образуется застойная зона, которая нуждается в периодической профилактике в виде очистки канализационных сетей (рис. 8).

Ris_8.png

Рис. 8. Наполнение приходящего трубопровода при установке электромагнитного датчика скорости с вертикальным изливом: 1 – датчик скорости, 2 – уровень потока в приходящем трубопроводе, 3 – уровень излива измерительного участка

Представленные на рынке РФ расходомеры, применяющие электромагнитный метод

— Расходомер Jaeger Observer (но­мер в Государственном реестре: 71634‑18), производство Jaeger Mes­stechnik (Австрия).
— Расходомер Sewer-Mag (номер в Государственном реестре: 46039‑10), производство Flow-Tronic (Бельгия).
— Расходомер АЭФТ Экосток (номер в Государственном реестре: 68933‑17), производство ООО «ТД АЭфТ» (Россия).

Одноканальные расходомеры

Это расходомеры, выполняющие только измерение уровня потока (измерение по одному каналу). Скорость потока рассчитывается на основании калибровки расходомера по месту его установки (рис. 9). Суть калибровки состоит в том, что в момент монтажа расходомера-уровнемера в выбранном измерительном створе производится мгновенное измерение максимальной или средней скорости потока (в зависимости от выбранной методики измерений). Далее на основании полученных значений, а также с учетом параметров фактического строительного уклона трубопровода и коэффициента шероховатости стенок выполняют калибровку измерительного створа. Такая калибровка в последующем используется расходомером-уровнемером для автоматического расчета расхода по измеренному уровню без измерения значений скорости.

Ris_9.png

Рис. 9. Расходомер-уровнемер, установленный на безнапорном трубопроводе: 1 – ультразвуковой датчик уровня, 2 – волновод, 3 – ультразвуковое излучение

Практическая область применения

Безнапорные трубопроводы или открытые каналы без местных сопротивлений, имеющие длину прямого участка более 30 Нмакс (Нмакс – максимальный уровень потока в измерительном створе).

Ограничения в применении

— Дно измерительного створа не должно подвергаться заилению или отложению осадка.

— В измерительном сечении и вблизи него не должно быть местных выступов, закладных деталей и других предметов местных сопротивлений, вызывающих искажение уровня за счет местных возмущений потока.

— Длина прямого участка – не менее 30 Нмакс (Нмакс – максимальный уровень потока в измерительном створе).

— Влияние пара над поверхностью потока в холодное время года на результаты измерения уровня потока. Датчики, основанные на ультразвуковом методе измерения, могут воспринять поверхность пара как поверхность воды, тем самым значительно искажая уровень потока в сторону увеличения, а значит, увеличивая и значение расхода.

Представленные на рынке РФ одноканальные средства измерения (расходомеры-уровнемеры)

— Эхо-Р‑02 (номер в Госреестре: 21807-06), производство ООО ПНП «Сигнур» (Россия).
— Взлет РСЛ (номер в Госреестре: 60777-15), производство АО «Взлет» (Россия).
— LT-US (номер в Госреестре: 61687-15), производство компании Lacroix Sofrel (Франция).

Определив метод измерения и тип расходомера, по возможности произведите кратковременное измерение расхода воды, установив выбранный прибор в будущем узле учета, чтобы подтвердить правильность своего выбора.

Опубликовано в журнале ИСУП № 3(81)_2021

А.В. Конев, главный метролог,
испытательная лаборатория «Технометр», г. Санкт-Петербург,
e-mail: tm-metrology@yandex.ru,
сайт: tehnometr.ru

Метод переменного перепада давления.

Для того, чтобы создать перепад давлений в трубопроводе, устанавливают сужающее устройство. На нашем предприятии в качестве сужающего устройства применяют диафрагмы. Конструктивно диафрагма представляет из себя диск с отверстием, который вставляется в трубопровод.

Р1 – самое большое давление перед диафрагмой;

Р2, Р3 – промежуток, в котором будет самое маленькое давление;

Р4 – самое большое давление после диафрагмы;

Рn – давление потерь (это и есть перепад давлений между Р и Р4, для которого устанавливается сужающее устройство).

Перепад давления обозначается ∆Р и находится по формуле:

∆Р = Р – Р2

Перед диафрагмой давление измеряемой среды возрастает, а скорость ее перемещения по трубопроводу снижается. После диафрагмы давление измеряемой среды снижается, а скорость ее перемещения возрастает.

Отбор давления производится рядом с сужающим устройством.

Перепад давления ∆Р на сужающем устройстве является мерой расхода. Из формулы определения расхода видно, что они связаны между собой зависимостью через корень квадратный, поэтому на выходе из дифманометра сигнал имеет форму параболы.

Таким образом, если не предусмотреть дополнительного устройства на выходе из дифманометра, то шкала вторичного прибора по всей длине будет неравномерной, но особенно это просматривается в нижней части шкалы.

Для того, чтобы преобразовать нелинейную зависимость в линейную и чтобы шкала была равномерной устанавливают приборы извлечения квадратного корня. Во многих электронных вторичных приборах эти преобразователи устанавливаются программно, т.е. устанавливаются при программировании контроллера.

Существует несколько видов сужающих устройств:

1. Диафрагмы – они подразделяются на стандартные и нестандартные.

Стандартные диафрагмы устанавливаются в трубопроводах таким образом, чтобы скосы были на выходе.

К нестандартным диафрагмам относятся:

а) Конические;

б) Секторные.

Конические диафрагмы применяют для измерения расхода запыленных, загрязненных и очень вязких сред. Их устанавливают в трубопроводе таким образом, чтобы скоси были на входе.

Секторные диафрагмы применяют для измерения сыпучих материалов.

2. Сопло Вентури.

3. Труба Вентури.

4. Дроссель (переменный, постоянный).

Датчик дифференциального давления

Постановка задачи

С чего же следует начать? Конечно же, с правильной постановки задачи. И в первую очередь необходимо ответить на вопрос: что же предстоит измерять. Ниже приведены данные, которые необходимо собрать, прежде чем приступать к подбору расходомера.

  • Фазовое состояние: газ, жидкость, суспензия, пар, при рабочих условиях. Как известно, одно и то же вещество при разных условиях может принимать различные фазовые состояния. И важно таким образом подбирать рабочие условия, чтобы внутри расходомера не происходили фазовые переходы.
  • 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 можно будет определить/рассчитать физические свойства среды, необходимые для оценки работоспособности расходомера в Ваших условиях. Какие свойства понадобятся – зависит от принципа действия выбранного расходомера. 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 5-10%. Хотя некоторые расходомеры могут давать показания и для расходов более 100% верхнего предела измерения (ВПИ), но паспортная точность гарантируется только при расходах менее 100%. Будет обидно, если какие-то изменения в параметрах вашей системы приведут к незначительному увеличению расхода, который Вы не сможете корректно измерить. Нижний предел измерения также важен. Не бывает расходомеров, измеряющих расход от 0 до 100% ВПИ. Всегда есть нижний предел измерения, ниже которого показания расходомера не будут укладываться в паспортную точность. Диапазон рабочих расходов должен укладываться в интервал между Верхним и нижним пределами измерения расходомера. Иначе придется подбирать несколько расходомеров, чтобы перекрыть весь ваш рабочий диапазон.
  • Рабочий диапазон температур среды. Этот параметр может стать фильтром, по которому придется отказаться от использования целого ряда расходомеров. Экстремально низкие и высокие температуры требуют специальных методов измерения. Или же переноса точки измерения в часть системы, где температура среды ближе к комнатной.
  • Рабочий диапазон давлений среды. Также может выступать в качестве своеобразного ограничения. Работа в условиях, близких к вакууму, или при высоких давлениях сильно сокращает круг расходомеров для рассмотрения.
  • Наличие посторонних включений. В том числе пары воды и масла, твердые частицы в газе, взвешенные частицы и пузырьки газа в жидкости и т.д. На самом деле важно всё. Так, конденсация воды или масла внутри газового расходомера может приводить к ухудшению его точности. А накопление твердых частиц в измерительной части расходомера может привести к выходу прибора из строя. Для ряда расходомеров жидкости 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. Речь идет не только о самой среде, но и о малых включениях.
  • Параметры места эксплуатации. Будет ли расходомер работать в лабораторных, промышленных условиях, условиях чистого производства или на улице. Диапазон температуры, влажности окружающей среды по месту эксплуатации. Какая потребуется степень пыле- и влагозащиты. Нужна ли взрывозащита. Возможно ли коррозионное воздействие на расходомер извне. Присутствуют ли рядом источники мощного электромагнитного излучения.
  • Это основная информация. На более поздних стадиях, в зависимости от типа выбранного расходомера, для корректного подбора могут понадобиться дополнительные данные. А теперь, определившись с задачей, можно приступить к выбору расходомера для ее решения.

    Принцип действия расходомера и фазовое состояние измеряемой среды

    Второе, на что следует обратить внимание – принципиальная возможность работы расходомера определенного типа с Вашей рабочей средой. Физически принципы, лежащие в основе измерения расхода, и особенности исполнения расходомеров могут накладывать ограничения на их применение. Поэтому немного подробнее остановимся на описании наиболее распространенных сейчас типов расходомеров.

  • Расходомеры переменного перепада давления (с сужающим устройством – труба Вентури, сопло Вентури, сопло, диафрагма; центробежные; с напорными устройствами – трубка Пито). Измеряют объемный расход. Основаны на зависимости разницы давлений, создаваемых конструкцией расходомера, от расхода. Это универсальные расходомеры, они могут работать с газами, жидкостями. Некоторые виды расходомеров переменного перепада давления могут измерять расход суспензий.
  • Расходомеры обтекания (ротаметры; поплавковые и поршневые расходомеры). Измеряют объемный расход. Их чувствительный элемент воспринимает давление потока и перемещается под его воздействием. Величина смещения пропорциональна расходу. Хорошо работают с газами и жидкостями.
  • Вихревые расходомеры. Измеряют объемный расход. Их конструкция обеспечивает возникновение колебаний давления в потоке в результате вихреобразования или колебания струи. Величина расхода зависит от частоты колебания давления. Успешно применяются с газами, жидкостями и даже паром.
  • Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые, камерные, роторно-шаровые). Измеряют объемный расход. Имеют подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна расходу. Тахометрические расходомеры работают с газами, жидкостями, в том числе вязкими жидкостями. Могут использоваться для измерения расхода криогенных сред и сжиженных газов.
  • Ультразвуковые расходомеры. Измеряют объемный расход. Осуществляется измерение зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Часто применяются для работы с жидкостями, реже с газами. Ультразвуковые расходомеры, одни из немногих, могут работать с суспензиями и паром.
  • Электромагнитные расходомеры. Измеряют объемный расход. В основе работы лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем. Чаще всего применяются расходомеры, в которых расход пропорционален величине электродвижущей силы, возникающей в жидкости, при пересечении ею магнитного поля.
  • Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические). Измеряют массовый расход. Перенос тепла движущейся средой от нагретого тела пропорционален расходу. Обеспечивают измерение расхода газа и жидкости с высокой точностью, в том числе микрорасходов, недоступных для других типов расходомеров.
  • Кориолисовые расходомеры. Измеряют массовый расход. Основаны на использовании силы Кориолиса, возникающей в колебательной системе, в которой одновременно имеет место поступательное и вращательное движение. Величина кориолисовой силы зависит от расхода измеряемой среды. Успешно используются с газами, жидкостями, суспензиями.
  • Существует целый ряд специализированных расходомеров, позволяющих решать довольно специфичные задачи. Сюда можно отнести оптические расходомеры (допплеровские, на эффекте Физо-Френеля, корреляционные), ионизационные, концентрационные, меточные расходомеры и т.д. Как правило, они применяются там, где использование традиционных способов измерения не дает желаемых результатов или невозможно.
  • Про анемометры:  Датчик для метеостанции в Москве: 458-товаров: бесплатная доставка, скидка-46% [перейти]

    Видно, что при выборе расходомера некоторые типы приборов можно сразу исключить из рассмотрения в связи с тем, что они не смогут работать с Вашей рабочей средой. Например, электромагнитные расходомеры работают только с токопроводящими жидкостями. Многие расходомеры не подходят для измерения расхода газа или суспензии. Ниже для различных фазовых состояний рабочей среды перечислены основные типы применяемых расходомеров:

  • Газ – кориолисовый, тепловой, переменного перепада давления, ротаметр, вихревой, турбинный, камерный
  • Жидкость – кориолисовый, тепловой, переменного перепада давления, ротаметр, вихревой, турбинный, камерный, ультразвуковой, электромагнитный
  • Суспензия – кориолисовый, ультразвуковой, электромагнитный, некоторые расходомеры переменного перепада давления
  • Пар – вихревой, ультразвуковой, диафрагменный
  • Ротаметр пневматический фторопластовый типа рпф

    Ротаметры типа РПФ предназначены для измерения объемного расхода плавно меняющихся однородных потоков чистых и слабозагрязненных агрессивных жидкостей с дисперсными немагнитными включениями инородных частиц, нейтральных к фторопласту и преобразование величины расхода в унифицированный пневматический сигнал.

    РПФ состоит из ротаметрической и пневматической части (пневмоголовки).

    Корпус ротамометрической части 1 (рис.5) представляет собой прямоточную трубу с приваренными на концах кольцами 6.

    Внутри корпуса расположены: перемещающийся под действием измеряемого потока поплавок 2, жестко связанный со сдвоенными магнитами 7, конус мерительный 4, направляющие 3, 12.

    Корпус ротамометрической части футерован фторопластом-4, а направляющие 3, 12, поплавок 2, конус мерительный 4 выполнены из фторопласта-4.

    Пневмоголовка предназначена для обеспечения местных показаний и представляет круглый корпус 20, в котором размещены: сервопривод 16, реле пневматическое 13, манометры 18, стрелка 9, механизм перемещения 10, шкала местных показаний, входной и выходной штуцера.

    Сервопривод 16 представляет собой металлический стакан 15, в котором находится узел сильф она 17. Сильфон 17 разделяет внутреннюю полость сервопривода от внешней среды и в комплекте с пружиной 24 служит в качестве упругого элемента.

    Нижний конец сильфона припаян к подвижному дну, с которым жестко связан шток 14. На противоположном конце штока 14 закреплено сопло 25 и реле механическое 8.

    При работе реле механическое обеспечивает закрытие сопла заслонкой при увеличении расхода и открытие сопла при уменьшении расхода.

    Реле механическое (рис.6) состоит из кронштейна 1, закрепленного на колодке 3, заслонки 2, установленной вместе со следящим магнитом 5 на кернах в скобе 4. Скоба 4 крепится винтами к колодке 3. Регулировка положения реле механического относительно сопла производится перемещением реле механического вдоль оси штока сервопривода.

    Рисунок 6.

    Механизм перемещения 10 шарнирно соединен с реле механическим 8 тягой 11, преобразует перемещение вертикальное штока 14 во вращательное движение стрелки 9.

    Все детали пневмоголовки защищены от воздействия окружающей среды (пыли, брызги) и механических повреждений крышкой.

    Принцип действия ротаметра основан на восприятии поплавком, перемещающемся в мерительном конусе 4, динамического напора, проходящего снизу вверх измеряемого потока (рис.6).

    При подъеме поплавка проходной зазор между мерительной поверхностью конуса и кромкой поплавка увеличивается, при этом уменьшается перепад давления на поплавке.

    Когда перепад давления становится равным весу поплавка, приходящемуся на единицу площади его поперечного сечения, наступает равновесие. При этом каждой величине расхода измеряемой жидкости при определенной плотности и кинематической вязкости соответствует строго определенное положение поплавка.

    В принципе магнитопневматического преобразователя используется свойство восприятия следящим магнитом 6, механического перемещения сдвоенных магнитом 7, жестко связанным с поплавком, и преобразование этого перемещения в выходной пневматический сигнал (рис.7).

    Перемещение поплавка вверх вызывает изменение положения следящего магнита 6 и жестко связанной с ним заслонки 5. При этом зазор между соплом и заслонкой уменьшается, командное давление увеличивается, Увеличивая давление на выходе пневматического реле 4 (рис. 7).

    Усиленный по мощности сигнал поступает во внутреннюю полость стакана 15 (рис.5). Под действием этого сигнала происходит сжатие упругого элемента (сильфон 17-пружина 24) сервопривода 16, перемещение вверх штока 14, жестко связанного с нижним концом сильфона 17, сопла 25, реле механического 8, укрепленных на штоке 14.

    Движение штока 14 происходит до тех пор, пока следящий магнит 5 с заслонкой не займут первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов 7.

    Рисунок 7.

    При движении поплавка вниз изменяется положение следящего магнита 5 и связанной с ним заслонки, при этом зазор между заслонкой и соплом 25 увеличивается, уменьшая тем самым командное давление и давление на выходе пневматического реле. Избыточный воздух из полости стакана 15 (рис. 4) через клапан пневматического реле стравливается в атмосферу.

    Так как давление в стакане 15 уменьшилось, шток 14 под действием упругого элемента (сильфон-пружина) месте с механическим реле 8 перемещается вниз (в сторону движения поплавка) до тех пор, пока следящий магнит 5 с заслонкой не займут первоначальное положение относительно сдвоенных магнитов.

    Пневматическое реле предназначено для усиления выходного пневмосигнала по мощности.

    Спецификация расходомера

    Сейчас самое время обратить внимание на технические характеристики расходомеров, которые остались в Вашем списке для рассмотрения. Обязательно обратите внимание на:

  • Совместимость с рабочей средой. Совместимость с точки зрения фазового состояния среды мы рассмотрели на предыдущем шаге. Здесь необходимо проверить, позволяют ли физические свойства (плотность, вязкость, тепловые, электрические, акустические свойства и т.д.) расходомеру определенного типа работать с Вашей средой. Необходимо оценить коррозионную стойкость прибора. На этом этапе было бы разумно связаться с поставщиками расходомеров. Не всегда всю необходимую информацию по расходомерам можно найти в интернете. Кроме того, поставщик, зная специфику предлагаемой продукции, может указать на нюансы применения выбранного расходомера в Ваших условиях.
  • Получить консультацию

  • Диапазон расходов. Это тот диапазон расходов, в котором может работать расходомер выбранной модели, точность измерения в котором соответствует паспортным значениям. Ваш рабочий диапазон расходов должен умещаться в измеряемый диапазон прибора. Конечно же, лучше выбирать расходомер с наибольшим доступным диапазоном расходов без ущерба для других, не менее важных параметров.
  • Точность. Естественно, важнейшей характеристикой расходомера является точность. И не все расходомеры обладают одинаковой точностью. Как правило, чем прибор точнее, тем он дороже. Требования к точности зависят в первую очередь от Вашего применения. В одних применениях (аналитических) требуется максимально доступная абсолютная точность, а в других применениях (ряд технологических процессов) достаточно и точности 10%.
  • Повторяемость. Мера того, как часто Вы получаете одни и те же результаты при выполнении одного и того же измерения в одних и тех же условиях. Точность требует повторяемости, но при этом повторяемость не требует точности. Повторяемость просто требует воспроизводимости измерений. Зачастую повторяемость расходомера может становиться даже более важной характеристикой, чем точность.
  • Диапазон допустимых температур и давления эксплуатации. Установленные Вами ранее диапазоны рабочих температур и давлений измеряемой среды не должны выходить за соответствующие диапазоны для расходомера. В противном случае возможно повреждение внутренних элементов прибора, а также нарушение герметичности корпуса прибора (кратное превышение давления) и попадание измеряемой среды в окружающую среду.
  • Специальное исполнение. В случае, когда эксплуатация расходомера будет осуществляться на просто в лаборатории с постоянной температурой и влажностью, а в особых условиях, может потребоваться применение прибора в специальном исполнении. Процессы в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности особенно нуждаются в сохранении стерильности рабочей среды. Часто производители предлагают специальные исполнения для расходомеров под такие задачи. Обратите внимание на класс пыле- и влагозащиты IP (Ingress Protection). Лабораторные приборы зачастую не имеют защиты от попадания влаги (IP40), в то время как для промышленного оборудования она обязательна (IP65 и выше). Многие производители предлагают расходомеры во взрывозащищенном исполнении, и как правило, это отдельные серии приборов. Эксплуатация в уличных условиях или при наличии коррозионного воздействия извне также требует особых конструктивных решений.
  • Стоимость. Как указано выше, здесь необходимо учитывать не только стоимость расходомера, но и затраты на установку, техническое обслуживание и ремонт прибора с течением времени. И в первую очередь надо рассматривать функциональность расходомера, его возможности по решению стоящей перед Вами задачи. А цена всё же должна быть вторичным фактором. Хотя бывают ситуации, когда цена заставляет пересмотреть всю концепцию системы с целью ее усовершенствования или упрощения.
  • Оцените статью
    Анемометры
    Добавить комментарий