Диапазоны измерения расходомеров

Купим -Отходы и неликвиды электронной и радиопромышленности

Евгений Викторович · ООО Строй-Комплект · 12 июня · Россия · Пензенская обл

В первой части руководства были рассмотрены особенности применения расходомеров различных принципов измерения расхода и ограничения по их использованию в зависимости от физико-химических свойств измеряемой среды.

Теперь, после того, как мы примерно определились с тем какие расходомеры лучше подходят для решения поставленной измерительной задачи, необходимо выяснить, какого типоразмера и какой динамический диапазон измерения должен иметь расходомер, чтобы обеспечить измерение расхода с требуемой точностью в заявленном диапазоне.

10 часов назад, boss сказал:

Вот вы в самом деле уверены, что EJX-110A измеряет перепад давления 0,8 мм.вод.ст. да еще с погрешностью менее 5%?

Убеждён! Действительно: для классических РППД такое невозможно. А для РППД с автокалибровкой нуля (мы для краткости такие необычные РППД называем “АКС” – АвтоКалибровка Сигнала) это норма. И вы в этом тоже убедитесь, если самостоятельно проделаете расчёт отн. погрешности измерения расхода, вносимой дифманометром, по указанной формуле.

На это нужно некоторое время, которое, я надеюсь, будет найдено.

Не-а. Не заронили. Нужное количество воды всегда доходит до потребителя благодаря насосам. И не совсем понятно, как параметры, “загоняемые в считалку”, влияют на надёжность водоснабжения ТЭЦ?

Вы точно на ТЭЦ работаете?

Точно не на ТЭЦ. (См. мой профиль – там всё указано).

Дела обстоят хорошо. А с шероховатостью ещё лучше – входные съёмные участки перед СУ у нас изготовлены из нержавейки. Хотите посмотреть, как это выглядит на практике? Методика ГОСТ полностью соблюдается (это многократно проверено и доказано). На самом деле узел коммерческий – взаиморасчёты с Водоканалом ведутся по этому УУХВ.

Анализ потребления на рынке расходомеров России показал, что сегодня клиенту предлагается большое количество российских и зарубежных производителей расходомеров, каждый из которых представляет множество серий для различных применений. Уровень цен, на первый взгляд, аналогичных расходомеров может отличаться в несколько раз от самых дешевых моделей до дорогих устройств премиум сегмента. Ежегодно разрабатываются внедряются новые технологии и возможности измерения расхода в различных отраслях экономики. Среди такого многообразия клиент нередко теряется и задается вопросами: «А что же все-таки покупать?» И «Как правильно выбрать расходомер?»

В части коммерческой составляющей у заказчика, проектировщика, монтажника проблем обычно не возникает, то вопрос правильного технического и технологического подбора является самым актуальным при выборе расходомера.

Многим интересно самим детально разобраться в вопросе и уделение времени на вникание во все технические тонкости стоит в приоритете. В таком случает при самостоятельном подборе расходомера необходимо выполнить следующие основные шаги:

1. Определить тип перекачиваемой среды и её свойства;

2. Определить цель проведения измерений и выбыть метод измерения;

3. Подобрать расходомер(ы) с необходимыми характеристиками;

4. Оценка стоимости и выбор оптимального варианта.

1. Самым первом шагом необходимо определить тип и параметры измеряемой среды.

Таблица 1. Параметры измеряемой среды.

2. Следующим шагом уточняется цель измерения. На этом этапе определяется принцип измерения, а также точность и диапазон измерения расходов.

На сайте www.rashodomery.pro Вы можете подробно ознакомиться с различными типами расходомеров, а также их принципами измерения.

В таблице 2 и 3 представлены различные типы и принципы измерения, рекомендуемые для тех или иных характеристик среды.

Таблица 2. Типы расходомеров

Таблица 3. Варианты применения различных типов расходомеров.

3. После определения требований к измерениям и выбора способа измерения можно приступать к выбору подходящих вариантов расходомеров с соответствующими характеристиками.

На данном этапе необходимо сравнить подходящие для Вашего процесса способы измерения и определиться с возможными брендами и конкретными сериями расходомеров. В качестве примера в Таблице 4 приведено сравнение технических характеристик для различных принципов измерения. Описания, характеристики, а также техническую документацию различных производителей расходомеров Вы можете найти на сайте www.rashodomery.pro в разделе Производители.

Таблица 4. Сравнение принципов измерения

4. Наконец, последним этапом остается просчитать экономическую составляющую выбранных вариантов.

Необходимо учитывать не только затраты на приобретение оборудования, но и затраты на монтаж, пуско-наладку, обслуживание и ремонт. Оптимальным вариантом принятия верного решения будет сравнение стоимостей жизненного цикла оборудования.

1. www.omega.com. Flowmeter Selection Guide

2. www.keyence.com. Introduction к flow meters

3. Экспертно – Технологический Совет РАВВ. Методика расчета стоимости Затрат Жизненного Цикла оборудования, систем и сооружений водоснабжения и водоотведения

Статья подготовлена коллективом Расходомеры.ПРО

Расходомер – устройство, измеряющее расход жидкого или газообразного вещества, проходящего сечение трубопровода.

Расходомер по сути является датчиком, измеряющим расход вещества в единицу времени. На практике проводят измерения расхода не только в единицу времени, но и за определенный период.

Для этих целей выпускаются так называемые счетчики расхода, состоящие из расходомера и электронного блока для сбора и обработки данных с расходомера. Обработка показаний расходомера может также выполняться удаленно при помощи проводного или беспроводного информационного интерфейса.

По типу измерений счетчики можно разделить на однофункциональный (для измерения только расхода) и многофункциональные (для измерения различных параметров потока: давление, температура, скорость течения).

По способу измерения расхода можно выделить 2 основные группы расходомеров: массовые и объемные. Массовые расходомеры осуществляютизмерение массового расхода через сечение, в то время как объемные расходомеры измеряют скорость потока и его характеристики (температуру, давление); на основании этих данных впоследствии вычисляется массовый расход.

В самом общем случае выпускаемые расходомеры можно разделить на бытовые и промышленные. Промышленные расходомеры применяются для автоматизации различных производственных процессов, где существует ток жидкостей, газов, высоковязких сред. Бытовые расходомеры обычно используются для расчета коммунальных платежей и предназначены для измерения расхода водопроводной воды, теплоносителя, газа.

По принципу действия расходомеры делятся на следующие виды:

Помимо типа и способа измерения расходомеры имеют ряд важных характеристик, которые определяют их область применения:

Требования к измеряемой среде:

Кроме того, расходомеры гигиенического исполнения, используемые в пищевой промышленности, часто соединяются так называемой “молочной муфтой”;

Большая часть датчиков расхода передают информацию по проводному интерфейсу. На сегодняшний день одним из наиболее популярныхстандартов является цифровой протокол HART, который, по сути, является стандартом современных промышленных датчиков. Первоначально он был проприетарным решением компании Rosemount, но в 90 годы был дополнен и стал открытым. Вместе с тем официальные спецификации в открытом доступе отсутствуют, и каждый новый производитель должен их заказывать в фонде HART-коммуникаций.

Особенность HART заключается в том, что цифровой сигнал о состоянии прибора и аналоговое питание от центральной системы сосуществуют в одной паре проводов. Достигается это благодаря наложению на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4-20 мА модулированного цифрового сигнала.

Альтернативными протоколами также являются: Profibus, Fieldbus и Modbus.

Внастоящее время беспроводные протоколы связи набирают всё большую и большую популярность. И по мнению ведущих специалистов в большинстве случаев беспроводной протокол позволяет сократить затраты на монтаж за счет отсутствия необходимости в канале передачи данных, что во многих случаях оправдать высокую стоимость беспроводного датчка.

Методы измерения расхода жидкости

Для измерения расхода используется множество различных технологий, включая технологии на основе дифференциального давления, эффекта Кориолиса, ультразвуковых и электромагнитных измерений. Расходомеры на основе дифференциального давления наиболее распространены, однако они чувствительны к изменениям давления в системе. Кориолисовые расходомеры потенциально обеспечивают наименьшую погрешность (до 0,1%), однако они дороги и имеют большие габариты. Ультразвуковые расходомеры достаточно малы и недороги, но их недостатком является ограниченная точность (типичное значение 0,5%). В ультразвуковых расходомерах используется бесконтактный метод измерения, который повышает надежность и минимизирует деградацию чувствительного элемента со временем, однако они не подходят для работы с загрязненными жидкостями.

Электромагнитные расходомеры также обеспечивают бесконтактное измерение. Их можно использовать для работы с кислотосодержащими, щелочными и ионизованными жидкостями, имеющими удельную электропроводность от 10 до 10–6 См/м, а также с чистыми, загрязненными, коррозионноактивными, эрозивными или вязкими жидкостями и растворами, но они не подходят для измерения расхода углеводородов или газа. Они способны поддерживать относительно низкую погрешность (0,2%) как для малых, так и для больших скоростей потока, при минимальном диаметре примерно 3,2 мм и максимальном объеме примерно 280 л. Показания сохраняют повторяемость даже при более низких скоростях. Датчики данного типа позволяют измерять скорость потока в обоих направлениях. Сравнение ряда распространенных технологий измерения расхода жидкости приведено в таблице 1.

Электромагнитные расходомеры

В электромагнитных расходомерах используется закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что движение проводника в магнитном поле порождает напряжение. В роли проводника в данном случае выступает жидкость, а магнитное поле порождается возбуждаемыми катушками с наружной стороны трубы, по которой эта жидкость протекает. Величина наводимого напряжения прямо пропорциональна скорости проводника, его типу, диаметру трубы и напряженности магнитного поля, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Электромагнитный расходомер

Математически закон Фарадея может быть описан формулой:

E = k × B × L × V,

где V — скорость проводящей текучей среды; B — напряженность магнитного поля; L — расстояние между электродами, на которых наводится напряжение; E — напряжение на электродах; k — константа. B, L и k фиксированы или могут быть откалиброваны, поэтому формула упрощается до E ∝ V (E пропорционально V).

Управляемое электромагнитное поле порождается током, протекающим через катушки электромагнита. Важным аспектом электромагнитных расходомеров является форма используемого сигнала возбуждения. На практике применяется множество различных типов сигналов возбуждения, включая низкочастотные прямоугольные колебания, синусоидальные сигналы на частоте сети питания, двухчастотные колебания и колебания с программируемой длительностью импульса. Примеры сигналов возбуждения катушек датчика приведены в таблице 2.

В большинстве задач для возбуждения катушки датчика применяется низкочастотное прямоугольное колебание на частоте, равной 1/25, 1/16, 1/10, 1/8, 1/4 или 1/2 от частоты сети питания (50 Гц/60 Гц). Для поддержания близкого к нулю дрейфа при формировании низкочастотного возбуждающего колебания используется ток с постоянной амплитудой и переменным направлением. Переключением направления тока управляет транзистор или Н‑образная мостовая схема на полевых МОП-транзисторах (MOSFET). Когда ключи SW1 и SW4 замкнуты, а ключи SW2 и SW3 разомкнуты (рис. 3a), катушка датчика возбуждается в положительной фазе, а постоянный ток втекает в EXC+ и вытекает через EXC–. Когда SW1 и SW4 разомкнуты, а SW2 и SW3 замкнуты (рис. 3б), катушка датчика возбуждается в отрицательной фазе, а постоянный ток втекает в EXC– и вытекает через EXC+.

Рис. 3. Управление фазами возбуждения катушки датчика при помощи Н образного моста:
а) положительная фаза возбуждения;
б) отрицательная фаза возбуждения

По сравнению с другими методами измерения расхода, токи, используемые для возбуждения электромагнитных измерителей, довольно велики. В большинстве случаев в измерителях, питаемых от сети, применяется ток в диапазоне 125–250 мА. При больших диаметрах трубы может потребоваться ток до 500 мА или 1 A. На рис. 4 приведен пример схемы прецизионного генератора тока возбуждения 250 мА для катушки датчика. Опорное напряжение 1,2 В для задания тока формируется источником ADR3412 с дрейфом 8 ppm/°C.

Рис. 4. Источник втекающего тока с линейной стабилизацией

Комбинация источника опорного напряжения, усилителя и транзисторной схемы, используемая в этом традиционном методе формирования тока, обеспечивает высокую точность и низкий уровень шума. В то же время недостатком схемы являются значительные потери мощности из-за линейного падения большого напряжения при большом токе. Высокая рассеиваемая мощность требует применения теплоотвода, который увеличивает габариты и стоимость системы. Большую популярность в последнее время приобретает формирование постоянного тока возбуждения с помощью импульсных источников питания. На рис. 5 изображен синхронный понижающий преобразователь постоянного напряжения ADP2441 в конфигурации, обеспечивающей постоянный выходной ток. Данная схема позволяет избежать потерь, характерных для стандартных источников, и значительно повысить характеристики системы.

Рис. 5. Схема импульсного источника постоянного тока возбуждения

В диагностических целях в системах с высокой мощностью производится измерение тока возбуждения для отслеживания его изменений в зависимости от условий нагрузки, напряжения питания, температуры и во времени, а также детектирования обрывов в цепях катушек датчика. Для реализации данной функции может быть использован усилитель — датчик тока AD8219, обладающий коэффициентом усиления 60 В/В и погрешностью 0,3% в диапазоне синфазных напряжений 80 В. Схема измерения тока с гальванической развязкой показана на рис. 6. Кроме AD8219, она включает в себя изолированый Σ∆-модулятор AD7400A и фильтр нижних частот 4‑го порядка на базе усилителей AD8646, воссоздающий эквивалентное измеренному току аналоговое напряжение.

Рис. 6. Измерение тока возбуждения с гальванической развязкой

Массовый (кориолисовый) расходомер дает возможность проводить измерения массового расхода жидкостей и газа (потока) и их плотности.

1) при измерении величины массового расхода.

Массовый расходомер включает в свой состав сенсор и преобразователь. Сенсор представляет из себя 2 трубки изогнутые параллельно, в которых движется измеряемый поток. Поток поступает в сенсор и разделяется на два одинаковых, перемещающихся через обе трубки. Перемещение катушки приводит к колебанию трубок вверх и вниз с противоположной направленностью по отношению друг друга.

Итак, при перемещении потока через сенсор появляется физическое явление, называемое эффект Кориолиса. Поступательное перемещение потока в колеблющейся трубке сенсора образует ускорения Кориолиса, что обеспечивает возникновение силы Кориолиса, которая является направленной в другую сторону относительно движения трубки, вызванного задающей катушкой, то есть когда трубка перемещается вверх в момент половины ее собственного цикла, то для потока, поступающей внутрь, сила Кориолиса имеет противоположное направление. Когда поток проходит изгиб трубки, направление силы изменяется на обратное. Итак, в первой части трубки сила, приложенная со стороны потока, препятствует перемещению трубки, а в другой половине способствует, что обеспечивает изгиб трубки. При этом в следующей фазе вибрационного цикла трубка перемещается вниз, направление изгиба изменяется на обратное. Сила Кориолиса и массовый расход являются прямо пропорциональными друг к другу. Детекторы определяют фазовый сдвиг при перемещении противоположных частей трубки.

Из-за изгиба трубок сенсора на детекторах появляются сигналы, которые не совпадают по фазе, потому что сигнал с первого детектора опаздывает по отношению к сигналу со второго. Массовый расход прямо пропорционален числу микросекунд опоздания.

2) при определении величины плотности.

Главный закон определения плотности это отношение массы к величине собственной частоты колебаний трубки сенсора.

В режиме эксплуатации задающая катушка питается от преобразователя, а трубки сенсора колеблются с их собственной частотой. Когда масса потока повышается, собственная частота понижается; а также наоборот.

Частота колебаний находится в зависимости от их массы, формы и материала. В массу входят массы трубок и потока в них. Для определенных типовых размеров сенсора масса трубок является неизменной. Поскольку масса потока в трубках равна произведению внутрен. объема, который является неизменным для определенного размера, на плотности, то частота колебаний связана с плотностью потока и определяется путем определения периода колебаний.

Частота колебаний (в Гц) измеряется детектор, расположенном на выходе, и  находится в обратной зависимости с периодом колебаний. Преобразователи определяют плотность потока, применяя информацию о периоде колебаний, которые прямо пропорциональны периоду колебаний трубок сенсора.

Таким образом, расходомер определяет и массовый расход, и плотность потока, а также путем несложных математических преобразование объемный расход. Также в сенсоре располагается температурный датчик, который измеряет температуру трубок сенсора. Таким путем программный механизм проведет все температурные коррекции в полученные результаты.

Точность измерений

Кориолисовые расходомеры имеют относительную погрешность при приведении измерения расхода потока от 0,1 до 2 процентов в диапазоне расходов 100 к 1 (отношение max к minрасходам). Главным образом расходомеры с изогнутыми трубками имеют значительный диапазон (100 к 1 до 200 к 1), при этом расходометры с прямой трубкой являются  ограниченными в более узком диапазоне (30 к 1 до 50 к 1) и их точность более низкая.

Суммарная погрешность механизма включает в себя две погрешности: основную и нулевого сдвига. Последняя связанна с ошибочным выходным сигналом, генерируемым при отсутствии потока. Погрешность нулевого сдвига вносит большой вклад в суммарную погрешность в начале диапазона расходов, где она находится в пределах до 2 процентов. Хотя некоторые производители устанавливают суммарную погрешность, как сумму относительных погрешностей измерения расхода в верхней и нижних частях диапазона, поэтому необходимо внимательно ознакомится с тех. документацию.

Для определения плотности погрешность массового расходомера равен 0,002-0,0005 г/см3.

Погрешности появляются из-за наличия газового фактора в жидкости. При равномерном распределении небольших пузырьков необходимо большее количество энергии для вибрации трубок, так как если газовая фаза отделится от жидкости, то это понизит силовое воздействие жидкости на трубки, что приведет к образованию погрешности. Незначительные пустоты проводят к шуму из-за ударов жидкости по трубам. Значительные пустоты приводят к повышению необходимой энергии для вибрации трубок до недопустимого уровня, результатом чего может стать авария.

Расходометру необходима перенастройка, если эксплуатационные свойства данного механизма поменялись, то есть изменение температуры или давления потока или окружающей среды влияют на аксиальные, изгибающие и скручивающие силы, которые приложены к трубке.

Размеры и падение давления

Из-за большого диапазона расходов массового расходомера, один и тот же расход может измеряться 2 или 3 трубками различных размеров. Применение расходомера min размера приводит к снижению затрат на его покупку, но при этом повышается скорость коррозии или эрозии, появляется необходимость в повышении давления в линии, что приведет к значительным эксплуатационным убыткам.

Применение расходомера меньшего размера, чем труба возможно лишь тогда, когда размер трубы завышен и в жидкости нет механических примесей, а также имеет низкую вязкость. Не рекомендуется применять расходометров небольших размеров при работе с коррозионными, абразивными или вязкими средами. Каталог приемлемых размеров труб и соответствующих падений давления, погрешностей и скоростей потока может быть получен у производителя.

В основном массовые расходомеры требуют значительного перепада давления, из-за уменьшенных диаметров трубок, по сравнению с трубопроводом и криволинейной траекторией потока в расходомере (гидравлическое сопротивление).

Достоинствами массового расходометра являются:

·                     изделия высокой точности;

·                     на эксплуатацию устройства направление потока не оказывает влияния;

·                     монтаж массового расходометра не требует прямых участков до и после него;

·                     при правильном монтаже на работу массового расходометра не влияют вибрации, перепад температуры и давления потока;

·                     возможно определение расхода сред со значительной вязкостью;

·                     длительный срок эксплуатации и прост в работе.

Применения и ограничения наложенные на расходометр

Массовые расходометры могут применяться для потоков всех жидкостей, а также газов с достаточной плотностью. Данные устройства используются там, где существуют жесткие требования к санитарным условиям.

Показания кориолисова расходометра будут неправильными при сливе жидкости, так как может возникнуть поток, который состоит из 2 отдельных фаз (жидкой и газообразной). Если устройство имеет свойства по обнаружения возникновения двух фаз, то измерения стразу автоматически прекращаются.

Массовый расходомер применяется для жидкостей с вязкостью до 300000 мПа/c, содержание газа в которых может быть до двадцати процентов, при этом газ может быть только в виде небольших пузырьков, гомогенно диспергированных. В жидкостях с незначительной вязкостью газ отделится при концентрации до одного процента.

Расходометр с прямой трубкой применяются для многофазных жидкостей. Поток в расходометре с 2 трубками делятся на 2 и эти потоки не обязаны быть абсолютно равными. Различные плотности в 2 трубках разбалансируют систему, что приведет к ошибкам при измерении. Итак, если в потоке есть вторая фаза, то разделитель может не поделить поток на равные части.

Расходометры с 1 трубкой также предпочтительны для применения с потоками жидкостей, которые могут создавать отложения и/или привести к засорению. Прямая трубка имеет невысокую вероятность засорения при условии что её размеры выбраны по всем техническим требованиям. Очищение прямой трубки осуществляется с помощью механических средств, а для изогнутых чаще применяются специальные растворы на скоростях выше 3 м/c. Прямые трубки применяются в санитарных условиях, поскольку они обладают возможностью самозаполнения. Расходометры с данными типами труб способны работать при высоких напряжениях и вибрации, легко монтируются и требуют меньше места для установки и небольшой перепад давление.

Массовый расходомер может эксплуатироваться с жидкостью при температуре до 2300С.

Монтаж массовых (кориолисовых) расходометров

К данному виду расходометров не предъявляются требования к подводу и отводу жидкости по прямым трубам к расходомеру, так как массовые расходометры не ограничены по величине числа Рейнольдса и не чувствительны к смене распределения скорости по сечению и к вихрям.

Монтаж устройства должен проводиться так, чтобы расходометр всегда был заполнен и не возникало образование воздушных пробок в устройстве.

Самой предпочтительной схемой монтажа является вертикальная при которой поток движется вверх (однако если поток движется вниз такой монтаж не рекомендован), но горизонтальное крепление тоже допустимо.

В современных массовых расходомерах нормальная вибрация трубопровода не образует помехи механизму при условии его правильного монтажа. Нет необходимости в применении доп. суппортов, но стандартные конструкции суппортов должны располагаться с двух сторон от расходометра. Если в технической документации по монтажу изделия указано, что необходимо применение дополнительных изделий, это чаще всего говорит о том, что расходометр чувствителен к вибрации, и пульсационные демпферы. Гибкие соединения и спец. разъемы указанные изготовителями должны быть смонтированы в установленном порядке.

Фильтрация шумов

За входным каскадом следует активный полосовой фильтр, который устраняет постоянную составляющую и устанавливает коэффициент усиления, позволяющий полностью использовать динамический диапазон следующего за ним АЦП. Частота сигнала возбуждения датчика выбирается в диапазоне 1/25–1/2 от частоты сети питания и определяет значения частот среза полосового фильтра. Схема полосового фильтра для электромагнитного расходомера изображена на рис. 9.

Рис. 9. Полосовой фильтр

Первый каскад фильтра представляет собой фильтр верхних частот с единичным коэффициентом усиления, связью по переменному току и частотой среза 0,16 Гц. Передаточная характеристика первого каскада фильтрации имеет вид:

H (ω) = (jωR91 C/(1+jωR91 C)) × (1+((R97/R98)/(1+jωR97 C162))) × ((jωR94 C152)/(1+jωR94 C152)) × ((–R95/R89)/(1+jωR95 C160))

Совместно с последующими каскадами он образует полосовой фильтр с нижней частотой среза 0,37 Гц, верхней частотой среза 37 Гц, пиковым значением характеристики 35,5 дБ на частоте 3,6 Гц, скоростью спада характеристики –40 дБ на декаду и эквивалентной полосой шума 49 Гц. Выбираемый для данного каскада усилитель не должен вносить дополнительный шум в систему.

При использовании малопотребляющего прецизионного операционного усилителя AD8622, обладающего уровнем шума 1/f, равным 0,2 мкВ (полный размах), и широкополосным шумом с плотностью 11 нВ/√Гц, приведенное ко входу среднеквадратическое напряжение шума составляет 15 нВ. Эквивалентный уровень шума, приведенный ко входу усилителя, равен 1,5 нВ (с. к.з.), и он пренебрежимо мал по сравнению с уровнем шума датчика (±1,5 мкВ при скорости потока 0,01 м/с). Сложение источников шума, включая синфазное напряжение, шум входного усилителя и шум полосового фильтра, по закону корня суммы квадратов дает среднеквадратическое напряжение шума, приведенное ко входу AD8228, равное 0,09 мкВ (размах приблизительно 0,6 мкВ).

Выходной сигнал фильтра содержит информацию о скорости потока в амплитуде и направлении потока в фазе. Этот биполярный сигнал демодулируется при помощи аналоговых ключей, конденсаторов хранения и усилителя разностного сигнала, как показано на рис. 10. Аналоговые ключи должны обладать низким сопротивлением во включенном состоянии и умеренной скоростью коммутации. Микросхема ADG5412, содержащая четыре высоковольтных, устойчивых к эффекту «защелкивания» ключа типа SPST (однополюсный ключ на одно направление) с типичным RON = 9,8 Ом и частотной неравномерностью RON = 1,2 Ом, не вносит существенных погрешностей усиления и искажений в сигнал.

Рис. 10. Схема синхронного демодулятора

Интерфейс с АЦП, имеющим диапазон полной шкалы входного сигнала 5 В, обеспечивается при помощи малопотребляющего, недорогого усилителя разностного сигнала с единичным коэффициентом усиления AD8276. Его вывод REF подключается к опорному напряжению 2,5 В для отображения биполярного выходного сигнала усилителя в однополярном диапазоне входных напряжений АЦП. Выходные напряжения выше 2,5 В соответствуют протеканию жидкости в прямом направлении, а ниже 2,5 В — в обратном.

Влияние гидравлического сопротивления

Необходимо также учитывать и то, что расходомер может оказывать определенное сопротивление движению измеряемой среды и вносить дополнительное гидравлическое сопротивление. Наибольшим гидравлическим сопротивлением обладает вихревой расходомер из-за наличия в измерительной части прибора тела обтекания довольно большого объема. Кориолисовый расходомер также обладает гидравлическим сопротивлением, приводящим к потере давления, из-за наличия в конструкции изгибов и разветвлений трубопроводов.

Наименьшим гидравлическим сопротивлением обладают электромагнитные и ультразвуковые измерители расхода, так как они не имеют изгибов и частей, выступающих внутрь измерительной части. Они относятся к полнопроходным. Некоторые потери давления могут быть вызваны материалом футеровки измерительной части (например, резиновой футеровкой) или неправильной установкой (уплотнительные прокладки выступают внутрь проточной части расходомера).

В таблице 3 приведены значения динамического диапазона измерения расхода и максимальные значения скорости потока для расходомеров различного принципа действия.

Метрологические характеристики и их влияние на выбор

В настоящее время встречаются электромагнитные расходомеры с заявленным динамическим диапазоном 500:1 и даже 1000:1. Такие значительные динамические диапазоны измерения достигаются путем применения многоточечной калибровки при выпуске расходомера из производства. К сожалению, в процессе дальнейшей эксплуатации метрологические характеристики ухудшаются и реальный динамический диапазон значительно сужается.

Метрологические характеристики расходомеров выходят на первый план в случае их применения для коммерческого учета энергоресурсов. Необходимо помнить, что все приборы, которые планируется использовать для целей коммерческого учета, должны быть в обязательном порядке внесены в Государственный реестр средств измерений после прохождения соответствующих испытаний, по результатам которых подтверждаются заявленные производителем метрологические характеристики. Именно действующим описанием типа средства измерения следует руководствоваться при оценке погрешностей. Так как, например, в некоторых случаях, заявленная производителем низкая погрешность измерения может быть обеспечена не во всем диапазоне, а только в некоторой его узкой части. И, к сожалению, производители не всегда отражают этот факт в своей технической документации и рекламных материалах.

В таблице 4 приведены метрологические характеристики измерителей расхода с различным способом измерения, пожалуй, с лучшими на сегодняшний день показателями точности. Если предлагаемое вам поставщиком решение обладает еще более высокими показателями точности, то следует более тщательно подойти к вопросу проверки заявленных метрологических характеристик данного оборудования.

На точность измерения объемного и массового расхода влияет не только метод измерения, качество применяемых при изготовлении материалов, примененные схематические решения и программные алгоритмы вычислений, но и правильность монтажа и настройки, своевременность и полнота технического обслуживания. Этим вопросам будет посвящена заключительная, третья часть руководства по выбору расходомеров, так как затраты на монтаж и последующее обслуживание, а также возможные технические особенности применения тоже должны учитываться в процессе выбора расходомера.

Роль инструментальных усилителей

Типичный диапазон измеряемых скоростей потока составляет от 0,01 до 15 м/с (динамический диапазон измерений 1500:1). Типичный электромагнитный расходомер с питанием от сети имеет чувствительность от 150 мкВ/(м/с) до 200 мкВ/(м/с). Таким образом, датчик с чувствительностью 150 мкВ/(м/с) будет формировать напряжение с размахом 3 мкВ при измерении двунаправленного потока со скоростью 0,01 м/с. При отношении сигнал-шум 2:1 полный приведенный ко входу шум не должен превышать 1,5 мкВ. Скорость потока изменяется довольно медленно, с низкой частотой, поэтому критически важным параметром является уровень шума в полосе 0,1–10 Гц. Кроме того, датчик может иметь довольно высокое выходное сопротивление. Учитывая эти факторы, входной усилитель должен обладать низким шумом, высоким ослаблением синфазного сигнала и малым входным током смещения.

Синфазное выходное напряжение датчика ослабляется на величину коэффициента ослабления синфазного сигнала (КОСС) входного (интерфейсного) усилителя. При КОСС, равном 120 дБ, постоянное напряжение смещения 0,28 В уменьшается до 0,28 мкВ. Это смещение может быть устранено калибровкой или использованием связи по переменному току. Динамическая составляющая проявляется в виде переменного шума на выходе усилителя, который ухудшает минимальный детектируемый уровень. При КОСС, равном 120 дБ, шум с размахом 0,1 В уменьшается до 0,1 мкВ.

Выходное сопротивление датчика может составлять от нескольких десятков Ом до 107 Ом, в зависимости от типа электрода и проводимости жидкости. Для минимизации потерь входной импеданс интерфейсного усилителя должен быть значительно выше выходного сопротивления датчика. Это требует применения компонентов с входным каскадом на КМОП-транзисторах или полевых транзисторах с управляющим p‑n‑переходом (JFET), которые имеют высокое входное сопротивление. Низкие входные токи смещения интерфейсного усилителя также крайне важны для поддержания минимальных значений шума тока и синфазного напряжения. Характеристики ряда рекомендуемых усилителей приведены в таблице 4.

На рис. 8 изображен расходомер на базе прецизионного инструментального усилителя AD8228. Интерфейсный усилитель ослабляет синфазное напряжение и одновременно усиливает слабый сигнал датчика. Грамотно спроектированная топология и лазерная подгонка резисторов позволяют компоненту гарантированно поддерживать заявленные в спецификации значения погрешности коэффициента усиления, дрейфа коэффициента усиления и ослабления синфазного сигнала. В целях минимизации тока утечки выходной сигнал высокоимпедансного датчика можно окружить немаскированным защитным проводником, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Схема подключения входного усилителя к электромагнитному расходомеру

Коэффициент усиления первого каскада обычно выбирается равным от 10 до 20, но не выше, поскольку, с одной стороны, слабый сигнал необходимо усилить перед постобработкой, а с другой — смещение постоянной составляющей должно поддерживаться на достаточно низком уровне во избежание насыщения последующих каскадов.

Структура системы управления технологическим процессом

На рис. 1 изображена базовая система управления технологическим процессом, в которой используется расходомер и исполнительный механизм, управляющий потоком жидкости. На самом нижнем уровне системы осуществляется контроль переменных параметров процесса, таких как температура, расход жидкости и концентрация газов. Эту функцию реализует модуль ввода, который обычно входит в состав программируемого логического контроллера (ПЛК). Полученные показания подвергаются локальной обработке пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором. Используя эту информацию, ПЛК устанавливает уровни выходных сигналов, необходимые для стабилизации процесса. Значения переменных параметров процесса, диагностические и иные данные могут передаваться на эксплуатационный уровень, а команды, установочные и калибровочные данные — на самый нижний уровень, к датчикам и исполнительным механизмам.

Рис. 1. Базовая система измерения и управления расходом жидкости

Тестирование аналоговой сигнальной цепочки

Обсуждавшиеся в данной статье составные блоки были использованы для возбуждения и тестирования электромагнитного датчика расхода жидкости в калибровочной лаборатории. Полнофункциональный входной интерфейс, включающий в себя входной каскад с высоким КОСС, полосовой фильтр и усилительный каскад, также был испытан в составе реальной системы. При тестировании двух плат была достигнута точность ±0,2% в диапазоне измерения от 1 до 5 м/с при повторяемости 0,055%. Эти результаты хорошо коррелируются с международными стандартами. Сигнальная цепочка электромагнитного расходомера изображена на рис. 12.

Рис. 12. Электромагнитный расходомер

Процессы возбуждения датчика и измерения напряжения определяют общие характеристики системы, поскольку сигнал с амплитудой, равной милливольтам, который формируется на электродах, в конечном итоге преобразуется в измеренное значение скорости потока. Полученные показания могут передаваться в системный контроллер при помощи ряда протоколов связи, включая RS‑485 и интерфейс токовой петли 4–20 мА. Ключевые преимущества токовой петли состоят в том, что данный интерфейс не подвержен влиянию падения напряжения в проводах, может использоваться для передачи информации на большие расстояния и более устойчив к шумам по сравнению с интерфейсами, в которых информация передается напряжением. В заводских системах автоматизации более распространены протоколы цифровых шин, которые обеспечивают высокую скорость связи на небольших расстояниях с использованием дифференциальных напряжений. На рис. 13 изображена схема передачи информации по токовой петле 4–20 мА с применением протокола HART. На рис. 14 показано решение для передачи данных при помощи интерфейса RS‑485 с гальванической развязкой.

Рис. 13. Передача информации через интерфейс токовой петли 4–20 мА с использованием протокола HART

Рис. 14. Приемопередатчик RS 485 с гальванической развязкой

Для поддержания безопасных уровней напряжений на стороне пользовательского интерфейса и предотвращения передачи импульсных бросков напряжения от источника между каналом связи и системным контроллером обычно реализуется гальваническая развязка. В таблице 6 приведен перечень компонентов для различных стандартов связи, обладающих наивысшим уровнем интеграции.

Выбор АЦП

При анализе бюджета погрешностей системы основной вклад обычно дает датчик, погрешность которого может составлять 80–90% от общей погрешности. В соответствии с требованиями международного стандарта на электромагнитные расходомеры повторяемость измерений должна быть лучше, чем 1/3 от максимальной девиации системы при температуре +25 °C и постоянной скорости потока. При общем бюджете погрешности, равном 0,2%, повторяемость должна быть лучше 0,06%. Если 90% этого бюджета отнимает датчик, то максимальная допустимая погрешность электронных схем должна быть равна 60 ppm.

Для минимизации погрешностей можно усреднить выходные отсчеты АЦП. Так, например, из каждых пяти отсчетов можно отбросить максимальный и минимальный и усреднить оставшиеся три. АЦП в этом случае должен выдавать пять отсчетов в течение каждого интервала стабилизировавшегося состояния сигнала (последние 10% периода возбуждения). Для этого частота дискретизации АЦП должна быть, по меньшей мере, в 50 раз больше частоты возбуждения датчика. То есть при максимальной частоте возбуждения 30 Гц минимально необходимая частота дискретизации составляет 1500 Гц. Дальнейшее повышение частоты дискретизации позволяет усреднить больше отсчетов данных и, как следствие, улучшить подавление шума и добиться большей точности.

Перечисленным выше требованиям соответствуют АЦП на основе Σ∆-архитектуры, которые поддерживают превосходные характеристики шума и имеют умеренное быстродействие. Благодаря эффективному разрешению 16,5 бит без шумов при частоте выходных данных 4800 Гц Σ∆-АЦП AD7192 прекрасно подходит для применения в электромагнитных расходомерах. В таблице 5 приведены значения его эффективного разрешения в зависимости от коэффициента усиления и частоты выходных данных.

Примечание: * — в скобках указано значение разрешения, полностью свободного от шума.

На рис. 11 изображена схема подключения АЦП, которая включает выходной каскад демодулятора и микропотребляющий прецизионный источник опорного напряжения 2,5 В ADR3425.

Рис. 11. Схема подключения АЦП

В некоторых областях применения, например в задаче розлива напитков, необходимо применение более высоких частот сигнала возбуждения датчика. Возбуждение катушек датчика сигналом с частотой 150 Гц позволяет выполнять процесс розлива примерно за одну секунду. Требования к шуму в этом случае сохраняются, однако АЦП должен иметь большее быстродействие. Сигма-дельта АЦП AD7176-2 обладает временем установления 20 мкс и поддерживает разрешение 17 бит без шума при частоте дискретизации 250 kSPS, а также обеспечивает подавление гармоник с частотой 50 Гц и 60 Гц на 85 дБ.

Особенности выбора типоразмера расходомера

В большинстве случаев величина расхода, которую требуется измерять, изменяется в довольно широких пределах от Qmin (минимальный расход) до Qmax (максимальный расход). Отношение величины максимального к величине минимального расхода называется динамическим диапазоном измерения. Необходимо помнить, что под минимальной и максимальной величинами расхода, в данном случае, понимаются такие значения, при измерении которых расходомер обеспечивает заявленную точность.

Выбор типоразмера измерителя расхода является наиболее сложной задачей. Номинальный диаметр его измерительной части (Ду) и диаметр трубопровода определяют расход измеряемой среды, скорость движения которой должна находиться в определенных пределах.

При измерении расходов жидкостей скорость потока не должна превышать 10 м/с. При измерении расхода газов и пара скорость потока, в большинстве случаев, не должна быть выше 80 м/с.

Ориентировочные значения расхода жидкости в зависимости от диаметра трубопровода и измерительной части расходомера при разных скоростях движения среды приведены в таблице 1.

На диапазон измерения расхода также влияют температура и давление измеряемой среды. В таблице 2 для примера показаны диапазоны измерения расхода воздуха при температуре 20°С и различном избыточном давлении вихревого расходомера Vortex VN2000.

Более точное определение минимального и максимального значения расходов для данного типоразмера расходомера производится с помощью специальных программных средств, разработанных производителем. При расчете учитывается влияние минимальных и максимальных значений температуры и давления среды, ее плотность, вязкость и другие характеристики, влияющие на скорость потока и объемный расход.

Выбор измерительного элемента

Еще один важный вопрос — выбор электрода или измерительного элемента. Основной метод измерения — емкостный, который имеет две разновидности: с электродами, монтируемыми с наружной стороны трубы, и, более широко распространенный, с электродами, помещаемыми в трубу и омываемыми жидкостью.

Хорошим примером высококачественного материала электрода является платина. Она обладает скоростью корродирования менее 0,005 мм в год и может работать при температурах среды до +120 °C. В то же время электроды из платины обладают сравнительно высоким потенциалом (1,2 В). Этот потенциал проявляется в виде синфазного напряжения, которое необходимо подавить. Синфазное напряжение, возникающее при использовании электродов из нержавеющей стали, составляет всего несколько сотен милливольт, и оно легко устраняется. Нержавеющая сталь широко используется для измерения расхода жидкостей с низкой коррозионной активностью.

Если электроды изготовлены из одинакового материала и имеют одинаковые размеры и качество поверхности, на них будет появляться одинаковый потенциал. Однако на практике напряжение поляризации медленно флуктуирует из-за физического трения или электрохимических эффектов, возникающих между жидкостью и электродами. Любое рассогласование в параметрах электродов также будет проявляться в виде дифференциального шума. Напряжение смещения в сумме с потенциалом электрода дают синфазное напряжение в диапазоне от нескольких сотен милливольт примерно до 1 В на входе усилителя первого каскада, поэтому электронные схемы должны обладать адекватным коэффициентом ослабления синфазного сигнала. На рис. 7 приведена осциллограмма потенциала электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и шумом, имеющим размах 0,1 В. Данный рисунок относится к электродам из нержавеющей стали № 316, установленным в водопроводной трубе диаметром 50 мм.

Рис. 7. Потенциал электрода в дифференциальной системе с постоянным напряжением смещения 0,28 В и синфазным напряжением шума размахом 0,1 В

Заключение

Электромагнитные датчики являются одним из наиболее распространенных средств измерения расхода жидкости на сегодня. Они преобладают в задаче измерения жидкостей и приобрели особую популярность в Европе в области очистки сточных вод. Основными тенденциями при проектировании электромагнитных расходомеров являются уменьшение площади печатных плат и повышение точности измерения. Характеристики проектируемых систем определяются преимущественно аналоговым входным блоком, что требует применения малошумящего усилителя с высоким импедансом и высоким КОСС и сигма-дельта АЦП с низким шумом и высоким разрешением. В будущем при создании электромагнитных расходомеров потребуются АЦП с еще большей производительностью. Компоненты семейства АЦП AD719x удовлетворяют требованиям современных систем, а преобразователи семейства AD7176 обладают достаточной производительностью для систем следующего поколения. Линейки преобразователей напряжения с высоким КПД, интегрированных интерфейсных компонентов, АЦП с высоким разрешением, прецизионных усилителей и источников опорного напряжения компании Analog Devices позволят разработчикам создавать новые проекты, отвечающие всем требованиям с запасом.