Измерительный преобразователь перепада давления для измерения расхода воды

В статье на примере изделий компании Microbridge Technologies рассмотрены основные характеристики датчиков потока воздуха, работающих по принципу термометра-анемометра.

Канадская компания Microbridge Technologies представила датчики, регистрирующие слабейшие потоки воздуха. Датчики работают по принципу термометра-анемометра и фиксируют минимальную разницу давления. Особенностью разработки является возможность замены датчиков в устройствах и отсутствие необходимости в проведении индивидуальной калибровки. Кроме того, для их работы требуется минимальный набор внешних компонентов, что делает их универсальным и недорогим решением для широкого круга задач.

В основе работы датчика лежит принцип работы термометра-анемометра, т.е. датчик регистрирует изменение температуры и движение воздушных масс. В датчике имеется канал, по которому проходит воздух (см. рис. 1). Расположенный в канале нагревательный элемент нагревает окружающий его объем воздуха. Температура воздушной массы повышается, вследствие чего на паре термодатчиков, расположенных на противоположных сторонах нагревательного элемента, возникает разница температур.

Скорость воздушного потока в канале рассчитывается исходя из разницы давления на противоположных концах канала и по импедансу потока, который по определению равен отношению разницы давлений к скорости передвижения.Структурная схема датчика приведена на рисунке 2. Устройство состоит из самого датчика со встроенным воздушным каналом и аналоговой схемы с регулируемыми резисторами. Резисторы Rejustor (разработка компании Microbridge) — электрически программируемые элементы, сопротивление которых настраивается прямо на плате. Они применяются для калибровки и компенсации в аналоговых схемах.

Схема питается от источника постоянного напряжения 5 В и имеет аналоговый выход, выход регулировки и смещения и выход температуры. В зависимости от требований, коэффициент усиления аналоговой схемы можно сделать большим или маленьким. Плавная настройка коэффициента усиления осуществляется с помощью регулируемых резисторов, расположенных на плате. Чувствительность датчиков имеет нелинейный вид. Чем ниже импеданс потока, тем выше чувствительность (см  рис. 3). Существуют два режима работы датчика: 1. Без усиления или с небольшим усилением. Датчики без усиления используются, например, в медицинском оборудовании, когда нужен широкий динамический диапазон (около 104) и нелинейная форма выходного сигнала (см рис. 3). При большой разнице давлений выходной сигнал ведет себя примерно как квадратный корень из дифференциального давления. В этом режиме выходной сигнал может быть линеаризован с помощью стандартных методов цифровой коррекции.

2. С усилением. В этом режиме сигнал усиливается так, чтобы он достигал насыщения до того, как появится заметная нелинейность на выходной характеристике датчика (см. рис. 4). Это полезно в схемах, где нужен линейный выход и малый динамический диапазон (порядка 102). Датчики с усилением применяются в автомобильной и промышленной электронике, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т.д.

Преимущества высокого импеданса потока

Одним из преимуществ рассматриваемых датчиков потока является их универсальность. Они содержат практически все необходимые элементы и схемы. В обоих режимах для работы датчика требуется только простая схема смещения и компенсации усиления. Коррекция температуры и барометрического давления производится с помощью стандартных таблиц соответствия в цифровом блоке посткоррекции. Характеристики датчиков имеют небольшой разброс от прибора к прибору, поскольку они в основном определяются внешними факторами (температура, давление). На рисунке 4 приведены зависимости выходного напряжения от давления для пяти датчиков одного и того же типа. Как видно, кривые практически совпадают (с погрешностью 0,5%), что говорит о высокой стабильности параметров. Благодаря высокому импедансу потока, при замене трубопровода или самого датчика не требуется индивидуальная калибровка. Все это позволяет использовать датчики Microbridge в самых разных областях применений.

1. Micro-flow based differential pressure sensor//Microbridge Technologies, White paper.

Дифференциальный датчик давления

Принцип действия датчика дифференциального давления (датчика перепада давления) заключается в измерении разности давлений между двумя полостями сенсора – плюсовой и минусовой. С помощью применения сужающих устройств, можно измерять расход среды. Расположенное на трубопроводе сужающее устройство, создает препятствие потоку жидкости или газа. Перед зауженным участком трубы давление потока возрастает, а после него – снижается. Чем больше будет разность показаний на входе и выходе, тем выше будет расход. Такие приборы также известны, как датчики разности или перепада давления.

Датчики дифференциального давления представлены в спецификациях:

• 143 с фланцевым присоединением;
• 153 датчик разности давления с высоким статическим давлением с фланцевым присоединением;
• 183 с выносной плоской мембраной;
• 184 с выносной погружной мембраной;
• 185 с одной выносной плоской, второй погружной мембраной;
• 193 с фланцевым присоединением, для сверхмалых перепадов.

Спецификации 186, 187, 188 являются датчиками разрежения. То есть они измеряют давление ниже атмосферного.

Датчик перепада давления, как и все интеллектуальные датчики линейки «ЭМИС-БАР», имеет выходные сигналы 4–20 мА + HART с DD-файлами. Все приборы поддерживаются фирменным программным обеспечением «ЭМИС-Интегратор». Кроме того, при работе с устройством доступны FDT-файлы, которые можно применять при наличии программного обеспечения DTM (DEVICE TYPE MANAGER).

Датчик разности давления можно заказать как в стандартном исполнении, так и в специальном. Например, в карте заказа предусмотрено исполнение AST – для применения на средах с содержанием сероводорода. При этом обращаем внимание, что данное специсполнение позволяет эксплуатировать устройство при содержании сероводорода в окружающей среде в нормальном режиме не более 10мг/м3, в аварийной ситуации до 100 мг/м3 в течение не более 1 часа. Содержание растворенного сероводорода в жидкости до 6% по объему.

Также в число дополнительных опций входит возможность внешней защитной обработки прибора, грозозащита и Госповерка.

Узнать подробности или задать вопрос Вы можете по телефону: +7 (351) 729-99-12. Либо заполните опросный лист онлайн с описанием технологического процесса, чтобы получить технико-коммерческое предложение.

* – температуру окружающей среды см. РЭ. ** – в соответствии с моделью датчика давления.

В процессе эксплуатации сложных и разветвлённых воздуховодов и трубопроводов из-за наличия многочисленных гидравлических сопротивлений и фитингов давление в различных участках сети изменяется. Чаще всего оно падает, что может вызывать технические и экологические проблемы (например, в сетях газораспределения). Своевременно проконтролировать и предупредить подобные явления призваны датчики (или реле) перепада давления.

Зачем необходим мониторинг перепада давлений

Датчик перепада давления, называемый ещё датчиком дифференциального давления, является составной частью различных приборов, которые измеряют поток, скорость и уровень жидкости или газа в промышленных или бытовых процессах.  Они крупнее и надежнее, чем полупроводниковые, но концепция та же: измерение разности давлений на диафрагме с использованием тензометрической сети с тонкопленочными резисторами или датчиками дифференциальной емкости.

Измерение расхода и давления является одним из наиболее распространенных приложений для дифференциальных датчиков.  Измеряя разницу в давлениях, когда жидкость или воздух транспортируются по трубе, можно рассчитать расход рабочей среды.

Информация о давлении воздуха также позволяет косвенно измерять другие переменные, такие как скорость воздушного потока.  Важно отметить, что для любого оборудования, использующего сжатый воздух, существует максимальный безопасный уровень, выше которого поток становится опасным. При внезапном высвобождении воздух может причинить разрушение использующих его устройств. Поэтому датчики давления воздуха так же важны, как узлы управления и коммутации, устанавливаемые в воздухораспределительных сетях. Вот несколько примеров:

• Способность сжатого воздуха для передачи высоких уровней энергии является решающей для управления транспортными средствами.  Ключевой проблемой при использовании такого рода энергии является безопасность при эксплуатации. Например, для поездов и транспортных средств большой грузоподъемности часто используются пневматические тормоза высокой эффективности и надёжности.  Для поддержания их безотказной работы необходимо контролировать уровни давления.
• Концентрированные, контролируемые, точные уровни мощности необходимы для таких устройств, как пневматические инструменты, которые используются в современной промышленности.
• В медицине системы, обеспечивающие помощь дыханию пациентов, зараженных короновирусом, требуют точных стабильных во времени значений воздушных потоков.  То же требование касается пневматических устройств, используемых в стоматологии.
• Рекомендуемые значения скоростей воздушного потока существуют для систем вентиляции и кондиционирования, которые устанавливаются в общественных зданиях и на промышленных предприятиях.  Если давление и, следовательно, поток упадут ниже идеального, датчики давления воздуха зарегистрируют это изменение, после чего могут быть выполнены корректировки, устраняющие причины неисправности.

Схемы изменения перепада давления воздуха

Основным способом измерения данного параметра считается оценка разности давлений между двумя точками (например, до и после фильтра) в системе подачи или кондиционирования воздуха. С этой целью эффект от перемещающегося по воздуховоду воздуха должен быть преобразован в соответствующий электрический сигнал. Используются следующие разновидности датчиков:

• Тензометрические (или резистивные).
• Ёмкостные.
• Индуктивные.

Тензометрический тип устройства

Принцип действия резистивного датчика основан на следующем. Диафрагма, контактирующая с воздухом, давление которого измеряется, деформируется при увеличении давления. При этом датчики, прикрепленные к бесконтактной поверхности диафрагмы, также деформируются.  Пьезорезистивный эффект, при котором сопротивление материала тензодатчика при деформации изменяется, преобразуется в электрический сигнал.

Одна сторона диафрагмы соединена с портом низкого давления, а другая сторона диафрагмы — с портом высокого давления.  Диафрагма изгибается и воспринимается преобразователем как электрический сигнал, который пропорционален разности соответствующих показателей потока.

Датчик перепада давления воздуха помещается в корпус, изготовленный из нержавеющей стали или других материалов, имеющих повышенную коррозионную стойкость.  Для систем вентиляции это обуславливается необходимостью работы с воздухом, имеющем повышенные показатели относительной влажности. Получаемый электрический сигнал пропускается через встроенный микропроцессор, который выдаёт аналоговый сигнал высокого разрешения (от 4 до 20 миллиампер), либо цифровой сигнал.  Конструктивной особенностью такого типа устройств является наличие двух резьбовых портов, предназначенных для «высокого» и «низкого» технологических подключений.  При этом верхнее резьбовое отверстие для электрического подключения обычно составляет 24 В постоянного тока.

Аналоговые и цифровые выходные сигналы передаются на управляющую панель, которая снабжается несколькими десятками (или даже сотнями) разъёмов, благодаря чему возможен компьютерный мониторинг текущего состояния прокачки воздуха в различных точках вентиляционной системы.

Ёмкостной тип устройства

Ёмкостной датчик функционирует так. Две ёмкостных контактных пластины отделены друг от друга небольшим зазором.  Одна из них неподвижна, а другая, находящаяся в контакте с воздухом, действует подобно гибкой диафрагме.  Повышение давления воздуха деформирует диафрагму, что сужает зазор и уменьшает ёмкость.  Изменение ёмкости преобразуется в электрический сигнал.

Поскольку датчики емкостного типа некоторое время сравнивают показания текущего давления воздуха относительно предварительно заданных его значений, они работают медленнее резистивных.

Индуктивный тип устройства

В индуктивных датчиках, оценивающих перепад давления, деформация диафрагмы преобразуется в линейное движение ферромагнитного сердечника с использованием принципа индуктивности.  Движение сердечника вызывает изменение индуцированного тока, который генерируется катушкой с питанием от переменного тока на другой вторичной измерительной катушке.  Это изменение, в свою очередь, преобразуется в электрический сигнал. Работа такого устройства ясна из рисунка.

Индуктивные датчики срабатывают быстрее ёмкостных, но конструктивно сложнее, и нуждаются во внешнем дополнительном питании.

Конструктивные элементы устройства

Независимо от способа преобразования и передачи управляющего сигнала, в дифференциальных датчиках можно выделить следующие части:

• Первичный элемент, посредством которого создаётся разность давлений. При этом расход воздуха в единицу времени изменяется. Наиболее распространёнными типами первичных элементов являются диафрагма, трубка Вентури, сопло или трубка Пито;
• Вторичный элемент — собственно датчик, при помощи которого максимально точно фиксируется перепад давлений, создаваемый первичным элементом.  В частности, важно, чтобы на измерение такого показателя не влияли изменения свойств воздуха, его температуры или другие параметры, например, температура окружающей среды;
• Корпус, главное назначение которого — обеспечить максимальную защиту устройства от вредного влияния внешних факторов, в том числе, и длительно действующих (например, влажности воздуха).

Часто сюда относят также комплект передающе-коммутационных проводов, по которым сигнал передаётся на панель управления.

Внешний вид устройства, предназначенного для установки в систему вентиляции, представлен на рисунке:

Как выбрать типоразмер устройства

Исходными данными для выбора служат следующие факторы:

• Желаемая точность в показаниях прибора.
• Минимальные габаритные размеры пространства, в котором предполагается установка.
• Внешние условия функционирования.
• Необходимое быстродействие.
• Требования к комплектации.
• Трудоёмкость регламентного обслуживания.

Общая схема системы вентиляции общественного или промышленного здания довольно сложна, и включает в себя использование приборов разного назначения.

Для них требуется широкий диапазон предельных значений давления, как правило, от 2500 Па до 250 Па, при периодически возникающих запросах до 25 Па.  Традиционные сенсорные изделия для поддержания необходимой производительности сенсора поддерживают только один калиброванный полный диапазон шкалы, что требует использования 3–5 или даже более отдельных систем для покрытия требуемого диапазона контролируемых величин.

Важно использовать по месту несколько систем, оснащённых рассматриваемыми датчиками, что позволяет пользователю изменять диапазоны измерений по мере необходимости. Это обеспечивает баланс воздушных потоков в помещениях и оптимизирует производительность для каждой отдельной системы воздуховодов здания.

Видео по теме

Ниже та же статья для тех, кто хочет почитать ее прямо здесь

Что такое давление?

Давление – это физическая величина, равная отношению силы давления движущихся молекул вещества к площади поверхности. Разделяют давление твёрдых и текучих сред. И именно для измерения давления сплошных текучих сред (жидкостей и газов) используются преобразователи (датчики) давления.

Особенности измерения давления текучих сред

Давления текучих сред измеряются относительно двух различных уровней (опорных точек):
• уровень абсолютного вакуума – состояние среды, из которого удалены все молекулы и атомы (состояние вещества в космосе);• уровень текущего атмосферного (барометрического) давления – давление на открытом воздухе в данной местности. Этот уровень постоянно меняется из-за метеорологических процессов.

Типы давлений в измеряемых датчиками процессах

Давление абсолютное (ДА) – это давление, отсчитываемое от точки абсолютного нуля («космического» вакуума). Измеряется крайне редко в силу сложной технической реализации, как правило, в лабораторных или сверхвысокоточных установках.
Примеры точек измерения ДА:
· установка по верификации авиационных двигателей;· сублимационная сушка;· узел коммерческого учёта газа.
Для измерения абсолютного давления в подобных процессах обычно используют преобразователи давления ОВЕН ПД100И-ДА модели 1х1. Наиболее применяемая модификация – ОВЕН ПД100И-ДА1,0-111-0,25.

Давление избыточное (ДИ) – это давление, отсчитываемое от текущего атмосферного давления в сторону увеличения. Избыточное давление указывает, насколько давление внутри процесса больше атмосферного. Избыточное давление – самое распространённое.
Примеры точек измерения ДИ:
· давление в подающем трубопроводе в ИТП, ЦТП, котельной;· давление воды после насоса «подъёма» воды на водоканале;· давление до и после редуктора в газораспределительном узле ГРП / ГРЩ.
Для измерения избыточного давления в гидро- и пневмосистемах, системах водоподготовки, котельной автоматике и объектах газового хозяйства применяются датчики ОВЕН ПД100-ДИ модели 1х1, которые характеризуются повышенной точностью измерения и устойчивостью к гидроударам. Наиболее востребованная модификация – ОВЕН ПД100-ДИ1,0-111-0,5.

Давление дифференциальное (ДД) или «перепад» – это разница давлений между двумя произвольными точками (местами) в измеряемом процессе, как правило, отсчитываемое от точки с меньшим абсолютным давлением в сторону большего.

Примеры точек измерения ДД:

· уровень жидкостей в герметичных ёмкостях с избыточным давлением;
· засорение вентиляционного фильтра и контроль работы вентилятора;
· контроль износа подшипника ротационного счётчика газа.

Для измерения перепада давления или расхода измеряемой среды применяются преобразователи давления ОВЕН ПД200-ДД модели 155. Наиболее востребованная модификация ОВЕН ПД200-ДД0,007-155-0,1-2-Н.

Давление вакуумметрическое (ДВ) или «разрежение» («тягометрия») – это давление, отсчитываемое от текущего атмосферного давления в сторону уменьшения.
Примеры точек измерения ДВ:
· разрежение в топке котла котельной;· давление в испытательной вакуум-камере.
Для данных измерений применяют преобразователи ОВЕН ПД100И-ДВ модели 121 с высокочувствительным сенсором. Присоединение «торцевая мембрана» позволяет производить измерение сильнозагрязнённых и вязких сред. Наиболее востребованная модификация – ОВЕН ПД100И-ДВ0,1-121-0,5.

Давление избыточно-вакуумметрическое (ДИВ) или «тягонапорометрия» – это давление, средняя точка (12 мА) характеристики которого соответствует текущему атмосферному давлению. Одним датчиком измеряется как разрежение (4 мА), так и избыточное давление (20 мА) относительно средней точки.
Примеры точек измерения ДИВ:
· давление в дымоходе котельной;· дымосос литейной печи;· давление в «чистом» помещении.
Для данных измерений применяют преобразователи ОВЕН ПД100И-ДИВ модели 811. Они измеряют низкие давления неагрессивных газов, в том числе печных и горючих. Самая востребованная модификация ОВЕН ПД100И-ДИВ0,0005-811-1,5.

Давление гидростатическое (ДГ) – это избыточное давление столба жидкости над точкой погружения датчика, отсчитываемое от текущего атмосферного.

Примеры точек измерения ДГ:

· уровень воды над насосом в скважине водозабора;
· уровень воды в сточной ёмкости водоканала;
· уровень воды в водонапорной башне Рожновского.

Для измерений уровня жидкости используют датчики ОВЕН ПД100И-ДГмодели 167 с измерительной мембраной из нержавеющей стали и встроенным гидрометрическим кабелем. Данная модель имеет степень пылевлагозащиты IP68. Самая применяемая модификация ОВЕН ПД100И-ДГ0,04-167-0,5.10.

Это контрольно-измерительный прибор или КИП, который измеряет разность давления при помощи чувствительной мембраны. Она располагается в металлическом или пластиковом корпусе. Принцип работы датчика перепада давлений основан на воздействии газов или жидкостей на мембрану с двух сторон. Разница между давлением с одной и с другой стороны фиксируется, и эти данные передается на управляющее устройство.

Принцип работы

Устройства измерения перепада давления оснащаются первичным и вторичным элементом. К ним присоединяются подводы в виде шлангов или трубок. При этом устройство должно быть откалибровано в соответствии с их диаметром, свойствами измеряемой среды. Регулируется и чувствительность прибора.

Первичный элемент вызывает изменение кинетической энергии, создает перепад давления. Вторичный, – фиксирует разницу давлений, а тензорезисторы преобразуют ее в фактическое значение. Этот процесс основан на замере отклонения чувствительной мембраны, которая зачастую выполнена из прецизионных металлов. Они обладают определенными физическими и механическими свойствами, что обеспечивает точность определения разности давлений.

С двух сторон мембраны размещаются разделительные элементы, а пространство между ними заполнено жидкостью. Все элементы измерительного прибора рассчитаны на воздействие относительно небольшого давления. Зачастую это несколько сот килопаскаль.

Виды датчиков

Для измерения разницы давления используются различные виды датчиков. Они отличаются в зависимости от конструкции чувствительного элемента, делятся на:

Отличаются эти измерительные устройства и по материалу, из которого изготовлена мембрана. Для ее производства используются металлические сплавы (в основном титан или нержавеющая сталь), керамика или оксид алюминия, а также кремний (мембраны из этого материала дороже, отличаются высокой чувствительностью).

Где применяются

Принцип работы датчика дифференциального давления используется в различных сферах, включая автомобилестроение. Это устройство на современных машинах осуществляет контроль уровня загрязнения сажевого фильтра. Оно измеряет противодавление отработавших газов и на основании полученных параметров ЭБУ определяет, нужно ли активировать процесс регенерации (очистки путем сжигания скопившихся отложений) сажевого фильтра.

Принцип действия дифференциальных датчиков давления, устанавливаемых на автомобили, основан на измерении разницы давления выхлопных газов на входе и на выходе из сажевого фильтра. Для этого они подключаются к системе выхлопа через штуцеры силиконовыми трубками, а к ЭБУ с помощью электрического разъема.

От того, как работает датчик перепада давления, зависит расход топлива, комфорт эксплуатации автомобиля. При его поломке из-за перегрева, воздействия вибрации, засорения шлангов (к этому приводит использование топлива низкого качества) электроника сообщает водителю о неисправности, переводит автомобиль в аварийный режим работы.

Чтобы точно определить, что проблема в дифференциальном клапане, необходимо знать расшифровку кодов ошибок, которые сообщают о проблеме с измерительным элементом или провести диагностику. Даже если водитель знает, как работает дифференциальный датчик давления, устранение проблем с ним необходимо доверить опытному специалисту, чтобы не усугубить ситуацию, сэкономить время и деньги.

Измерение расхода по перепаду давлений на сужающем устройстве

Для получения сравнимых результатов измерений объемный расход газа или пара приводят к стандартным условиям.

Приборы, измеряющие расход вещества, называют расходомерами. Приборы, измеряющие количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени, называют счетчиками количества. При этом количество вещества определяется как разность двух последовательных показаний счетчика в начале и конце этого промежутка времени. Показания счетчика выражаются в единицах объема, реже — в единицах массы. Прибор, одновременно измеряющий расход и количество вещества, называют расходомером со счетчиком. Расходомер измеряет текущее значение расхода, а счетчик выполняет интегрирование текущих значений расхода.

В последнее время граница между счетчиками и расходомерами практически исчезает. Расходомеры оснащают средствами для определения количества жидкости или газа, а счетчики — средствами для определения расхода, что позволяет объединить счетчики и расходомеры в одну группу приборов — расходомеры.

Устройство (диафрагма, сопло, напорная трубка), непосредственно воспринимающее измеряемый расход и преобразующее его в другую величину, удобную для измерения (например, в перепад давления), называют преобразователем расхода.

Принцип действия расходомеров этой группы основан на зависимости перепада давления, создаваемого неподвижным устройством, устанавливаемым в трубопроводе, от расхода вещества.

При измерении расхода методом переменного перепада давления в трубопроводе, по которому протекает среда, устанавливают сужающее устройство (СУ), создающее местное сужение потока. Из-за перехода части потенциальной энергии потока в кинетическую средняя скорость потока в суженном сечении повышается. В результате статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед СУ. Разность этих давлений тем больше, чем больше расход протекающей среды, и, следовательно, она может служить мерой расхода. Перепад давления на СУ (рис. 78, а) равен

— давление на входе в сужающее устройство;

— давление на выходе из него.

Измерение расхода вещества методом переменного перепада давления возможно при соблюдении условий:

1) поток вещества заполняет все поперечное сечение трубопровода;

2) поток вещества в трубопроводе является практически установившимся;

3) фазовое состояние вещества, протекающего через СУ, не изменяется (жидкость не испаряется; газы, растворенные в жидкости, не десорбируются; пар не конденсируется).

Рис.5.78. Расходомеры переменного перепада давления:

а — структура потока проходящего через диафрагму; б — распределение статического давления р вблизи диафрагмы по длине трубопровода

— сечение потока вещества, в котором не сказывается возмущающее воздействие диафрагмы;

— сечение потока вещества в месте его наибольшего сжатия; в — сопло; г — сопло Вентури

В качестве сужающих устройств для измерения расхода жидкостей, газов, пара широко применяются стандартные сужающие устройства. К ним относят стандартную диафрагму, сопло ИСА 1932, трубу Вентури и сопло Вентури.

Стандартная диафрагма (далее — диафрагма) — диск с круглым отверстием, имеющий острую прямоугольную входную кромку.

Сопло ИСА 1932 (далее — сопло) — СУ с круглым отверстием, имеющее на входе плавно сужающийся участок с профилем, образованным двумя сопрягающимися дугами, переходящий в цилиндрический участок на выходе, называемый горловиной (рис. 78, в).

Расходомерная труба Вентури (далее — труба Вентури) — СУ с круглым отверстием, имеющее на входе конический сужающийся участок, переходящий в цилиндрический участок, соединенный на выходе с расширяющейся конической частью, называемой диффузором.

Эти наиболее изученные средства измерения расхода и количества жидкостей, газа и пара могут применяться при любых давлениях и температурах измеряемой среды.

Установим диафрагму в трубопроводе так, чтобы центр ее отверстия находился на оси трубопровода (рис. 78, а). Сужение потока вещества начинается до диафрагмы, на некотором расстоянии за диафрагмой поток достигает своего минимального сечения. Затем поток постепенно расширяется до полного сечения. На рис. 78, б изображено распределение давлений вдоль стенки трубопровода (сплошная линия), а также распределение давлений по оси трубопровода (штрихпунктирная линия). Давление потока около стенок трубопровода после СУ не достигает своего прежнего значения на величину

Отбор статических давлений

возможен с помощью соединительных импульсных трубок 2, вставленных в отверстия, расположенные до и после диафрагмы / (рис. 78, а), а измерение перепада давления возможно с помощью какого-нибудь измерителя перепада давления (в данном случае

Сопло (рис. 78, в) конструктивно изготовляется в виде насадки с круглым концентрическим отверстием, имеющим плавно сужающуюся часть на входе и развитую часть на выходе. Профиль сопла обеспечивает практически полное сжатие потока вещества и поэтому площадь цилиндрического отверстия сопла может быть принята равной минимальному сечению потока, т. е.

. Характер распределения статического давления

в сопле по длине трубопровода

такой же, как и у диафрагмы. Такой же и отбор давлений

Сопло Вентури (рис. 78, г) конструктивно состоит из цилиндрического входного участка; плавно сужающейся части, переходящей в короткий цилиндрический участок; из расширяющейся конической части — диффузора. Сопло Вентури благодаря диффузору обладает меньшей потерей давления, чем диафрагма и сопло. Характер распределения статического давления

в сопле Вентури по длине трубопровода

такой же, как и у диафрагмы и сопла. Отбор давлений

осуществляется с помощью двух кольцевых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью сопла Вентури группой равномерно расположенных по окружности отверстий.

Теперь уравнение объемного расхода для несжимаемой жидкости принимает вид:

С учетом введения поправочного коэффициента е, учитывающего расширение измеряемой среды, окончательно перепишем уравнение:

Для несжимаемой жидкости поправочный коэффициент е равен единице, при измерении расхода сжимаемых сред (газа, пара) поправочный коэффициент

и определяется по специальным номограммам.

Расход – это продукт или сырье проходящий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени.

Существуют два вида расхода – объемный (Qv) и массовый (Qm) . Они рассчитываются по формулам:

где α – расчетный коэффициент расхода;

К²t – температурный коэффициент (коэффициент расширения), эта величина выбирается из справочника;

ρ — плотность продукта или сырья;

d20 – диаметр сужающего устройства при температуре t = 20˚С;

∆Р – перепад давления на сужающем устройстве.

Из этих формул видно, что разница между объемным и массовым расходом заключается в подкоренном выражении, т.е. в одном случае под корнем перепад давления ∆Р делится на плотность ρ, а в другом случае эти две величины перемножаются.

Единицы измерения объемного расхода : м3/ч; м3/с.

Единицы измерения массового расхода : кг/ч; кг/с; т/ч; т/с.

При измерении расхода существует такое понятие, как »Количество вещества». Количество вещества – это продукт или сырье, проходящее через поперечное сечение трубопровода за промежуток времени (смену, вахту, час, месяц и т.д.).

Количество вещества измеряется счетчиками, которые устанавливаются:

1. По месту (в трубопроводе);

2. В операторной (вторичный прибор).

Количество вещества – выражают в единицах объема (м3) или массы (кг).

Существует несколько методов измерения расхода:

1. Расходомеры постоянного перепада давления.

2. Расходомеры переменного перепада давления.

3. Электромагнитные расходомеры.

5. Акустические расходомеры.

6. Приборы измеряющие расход по эффекту »Кориолисовых сил».

Метод постоянного перепада давления.

Ротаметр – расходомеры обтекания. Ротаметры устанавливают в вертикальный участок трубопровода. Он представляет собой стеклянную трубку в форме конуса, обращенную широким концом вверх, внутри которой находится поплавок. Наибольшее давление будет в кольцевом зазоре между поплавком и стенками сосуда, а наименьшее сверху.

а) нижнюю коническую часть;

б) среднюю цилиндрическую часть;

в) верхнюю со скошенными бортиками, косые линии предназначены для предания поплавку устойчивости.

В зависимости от пределов измерения поплавок изготовляют из: эбонита, дюралюминия или нержавеющей стали. Шкала нанесена непосредственно на стеклянной трубке.

2. Возможность измерения малых расходов

3. Значительный диапазон измерения

4. Возможность измерения агрессивных сред

Существуют ротаметры с электрической дистанционной передачей показаний. Они являются бесшкальными датчиками. Ротаметры типа РЭ (ротаметр электрический) – могут использоваться при t˚С от -40˚С до +70˚С.

Используются для измерения расхода неагрессивных жидкостей.

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:

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:

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).

Сужающие устройства соединяются с дифманометрами соединительными импульсными проводками, а те в свою очередь преобразуют перепад давления в унифицированный пневматический или электрический сигнал. Этот сигнал передается на вторичный прибор, а затем, если имеется компьютер, на монитор.

Электромагнитные расходомеры.

Электромагнитные расходомеры применяют для измерения расхода электропроводящих жидкостей.

Расходомер представляет собой отрезок трубы из нержавеющей стали, с расположенными снаружи полюсами электромагнита. По оси в трубопроводе 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 наводиться ЭДС (электродвижущая сила, т.е. напряжение) пропорциональная скорости ее движения, т.е. расходу жидкости. Степень агрессивности для таких приборов определяется материалом изоляции трубы и электродов первичного преобразователя.

Турбинные расходомеры.

Турбоквант предназначен для измерения объемного и массового расхода различных жидкостей и газов. Также этот прибор осуществляет суммирование расхода, выдает количество вещества.

Турбинка устанавливается только в горизонтальных трубопроводах. Поток измеряемой среды проходит через турбинку и приводит во вращение ее лопасти. Число оборотов крыльчатки пропорционально расходу. На турбинке установлен преобразователь, который состоит из катушки с магнитным сердечником.

Лопасти крыльчатки выполнены из ферромагнитного сплава (т.е. из не магнитящегося материала). При вращении они поочередно пересекают магнитное поле, которое наводит магнит и в катушке наводится ЭДС в виде импульса, причем число импульсов за один оборот крыльчатки будет равно числу лопастей. Таким образом, частота импульсов пропорциональна расходу. Этот выходной сигнал от турбинки по кабелю поступает на частотомер, т.е. на Турбоквант.

Ультразвуковые расходомеры.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на пьезоэлектрическом эффекте, т.е это фактическая скорость распространения ультразвуков в движущейся среде, которая равна геометрической сумме скорости движения среды и скорости звука в этой среде.

Ультразвуковой расходомер представляет собой отрезок трубы, в который установлены излучатель ультразвука и его приемник. Время, за которое сигнал проходит от излучателя к приемнику преобразуется в величину расхода.

Расходомеры по эффекту »Кориолисовых сил».

Принцип работы основан на использовании эффекта Кориолисовых сил.

Конструкция расходомера TRIO-MASS выполнена с использованием двух параллельных труб, что позволяет уменьшить габаритные размеры, увеличить жесткость конструкции и выпускать расходомеры в широком диапазоне диаметров.

Использование в конструкции TRU-MASS однотрубной спирали дает возможность предлагать широкий диапазон вариантов соединения с трубопроводом.

При прохождении массовым потоком трубы, к которой приложены принудительные колебания, Кориолисовы силы вызывают крутящий момент в сечении трубы. Труба расходомера постоянно вибрирует со своей резонансной частотой, которая является функцией массы измерительной системы, составленной из массы трубы и протекающей рабочей жидкости.

Как только резонансная частота колебаний начинает изменяться, как результат изменения плотности рабочей жидкости автоматически производится изменение частоты возбуждения внешним источником вибраций. Это позволяет одновременно с измерениями расхода проводить измерения плотности рабочей жидкости. Встроенный температурный датчик позволяет производить эти измерения с поправкой на температуру.

Тепловые расходомеры.

Принцип действия основан на теплопроводности измеряемого вещества. При постоянной мощности нагревателя количество тепла, забираемое от него потоком, при постоянном расходе будет постоянно.

С увеличением расхода нагрев потока будет уменьшаться, что определяется разностью температур.

Вихревые расходомеры.

Основаны на явлении возникновения вихрей при встрече потока с телом не обтекаемой формы. В результате от его тела (противоположных граней) будут отлетать вихри.

Скорость отрыва вихрей зависит от расхода вещества.

Принцип действия преобразователя основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся в потоке жидкости, при обтекании ею призмы, расположенной поперек потока.

Преобразователь состоит из проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части расположены тело обтекания – призма трапецеидальной формы (1) и пьезоизлучатели ПИ1 и ПИ2 (2), пьезоприемники ПП1 и ПП2 (3) и термодатчик (7).

Электронный блок включает в себя генератор (4), фазовый детектор (5), микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов (6).

3 thoughts on “ Измерение расхода ”

Для объяснения самой физики принципов измерения очень даже красиво

А может такое быть, что перепад давления есть, а расхода нет??

Сенсор давления, датчик давления, преобразователь давления – в чем разница?

Очень часто приходится слышать от наших потребителей использование каждого из этих терминов с совершенно разными смысловыми посылами.

Попробуем разобраться и сформулировать определения этих терминов.

Сенсор давления – это чувствительный элемент, который определенным образом реагирует на изменение давления. Т.е. создаваемое давление непосредственно изменяет свойства сенсора  емкость, сопротивление и пр.) и таким образом, мы получаем информацию об этом давлении.

На рисунке изображена пластина с пьезорезистивными сенсорами давления

Датчик давления – это наиболее часто встречающееся и всеобъемлющее понятие. Многие специалисты к датчикам давления относят и реле давленияпрессостаты), т.е.  приборы, задача которых не выдавать значение давление, а срабатывать на Включение/ Выключение контактов при достижении определенных заданных изначально давлений. Иногда можно даже встретить специалистов, которые называют и манометры датчиками давления.

Но какое же все-таки определение датчиков давления является наиболее правильным? С нашей точки зрения датчик давления – это устройство готовое к измерению давления. Т.е. устройство содержащие в своем составе сенсор давления, имеющее корпус с возможностью монтажа в процесс и электрические выводы виде штырьков, проводов или даже специальных электрических коннекторов.

На рисунках изображены:

Cлева – датчик абсолютного давления со специальным фланцем под сварку Справа – датчик дифференциального давления, крепление датчика производится при помощи уплотнительных колец

Эксплуатация многих промышленных и бытовых приборов нуждается в контроле состояния находящейся внутри них рабочей среды. Этой средой могут быть жидкие (вода, моторное или компрессорное масло, химические продукты) либо газообразные вещества (воздух, водяной пар, природный газ, кислород и иные технические среды). Чтобы устройство исполняло свои функции, оно должно как-то измерять рабочие параметры и реагировать на них заданным образом. Для этого предназначены датчики контроля давления и температуры.

Что такое датчик давления

Датчиком давления называют контрольное оборудование, отвечающее непосредственно за измерение указанного показателя.

Области его применения бывают разнообразными:

• нефтедобывающая, газодобывающая, перерабатывающая отрасль;
• химическая промышленность;
• энергетика;
• пищевое производство;
• множество других направлений.

В быту самый очевидный пример — это сенсоры давления для насосной станции в системе автономного водоснабжения жилого дома (дачи, коттеджа).

Схематическое изображение, где находится датчик давления в водопроводе:

На схеме можно найти два измерителя, управляющие включением основного и дополнительного насосов. Они обеспечивают равномерную подачу воды независимо от ее потребления конечными пользователями.

Иногда такие устройства называют манометрами. Это не совсем верно, поскольку манометр — это готовый прибор, визуально показывающий величину давления в удобном для человеческого восприятия виде. Датчик же лишь элемент системы измерения, непосредственно воспринимающий физическую величину и передающий измерительный сигнал для дальнейшей обработки.

Устройство и типы сенсоров

Принцип работы датчиков давления основан на фиксации изменения состояния среды чувствительным элементом (приемником). Электронный каскад вторичной обработки преобразует выходной сигнал до принятых стандартных параметров.

По типу чувствительного элемента существует несколько решений.

Емкостные

Данный вариант использует эффект изменения электрической емкости элемента, в котором гибкая мембрана является одной из обкладок конденсатора совместно с неподвижным корпусом. Преимущества в прямом измерении электрических характеристик без промежуточных преобразований; защищенности сенсора от перегрузок и импульсного удара; стабильности показаний. Именно такие датчики давления чаще применяют в промышленном оборудовании. Например, в компрессорах, воздушных и гидравлических насосах, диагностической аппаратуре.

Особый интерес представляет возможность изготовить именно такой датчик давления своими руками. Ведь из всех прочих разновидностей только емкостные сенсоры не требуют для производства точной механики или особого оборудования. Две токопроводящие пластины несложно соединить через прокладку из упругого диэлектрика, а настраивать самодельный датчик давления можно, используя в качестве эталона надежный проверенный манометр.

Индуктивные

Регистрируют токи в катушках с переменным полем, одна из которых располагается на упругой мембране. Небольшое перемещение магнита относительно воздушного зазора, приводит к сильному изменению индуктивности. Благодаря этому достигают высокой чувствительности сенсора.

Электронные

Кроме перечисленных, электронный датчик давления воздуха может быть реализован и на других физических принципах: изменении теплопроводности, ионизации газа. Такие сенсоры требуют точной настройки и используются в сложной аппаратуре и научных приборах. Их достоинство в способности измерять сверхнизкие давления, включая глубокий вакуум.

Тензометрические

Используется изменение электрического сопротивления при деформации тензорезистора, который расположен на упругом элементе. Сам тензорезистор изготовлен в виде тонких проводников на слюдяной или бумажной подложке площадью 2–10 квадратных мм.

По-другому этот тип сенсоров называется резистивным.

Механические

Группа устройств, в которых давление внутри системы приводит к механическому движению частей сенсора относительно неподвижного основания. Это перемещение регистрируется прибором.

Достоинством измерителей данной группы служит их очень высокая чувствительность в некоторых диапазонах, где другие конструкции недостаточно эффективны. Так датчик низкого давления в вакуумной системе должен реагировать на изменения порядка 0.01 Мпа. Этого можно добиться, применяя чувствительную мембрану. Другой тип механического измерителя — трубка Бурдона. Используется в приборах, в которых нет электроники, непосредственно воздействуя на стрелку. По этому принципу действуют механические манометры, а также глубиномеры (включая наручные для водолазов).

Похожий принцип реализован в знакомых многим автомобильных указателях моторного масла. Упругий элемент реагирует на сжатие, через толкатель перемещая подвижный контакт по обмотке реостата. Электрическое сопротивление изменяется, что и регистрирует прибор.

Различия по использованию

По характеру измеряемого параметра различают следующие разновидности датчиков:

• абсолютного давления;
• избыточного давления;
• дифференциальные.

Измерение давления чаще всего требуется для задания общих режимов работы оборудования: включения или выключения подающих насосов, системы подогрева и множества других управляемых автоматикой процессов. Простые по конструкции устройства прошлых лет измеряли перепад показателя по отношению к атмосферному, что не всегда удовлетворяло требованиям точности. Это связано с тем, что величина, с которой атмосфера давит на поверхность, может ощутимо меняться (в истории зафиксированы измерения от 641 до 816 мм ртутного столба).

Датчик абсолютного давления

Чтобы избежать ошибок из-за влияния погоды, более современные приборы способны отсекать влияние атмосферы. Они регистрируют измеряемую величину по отношению к глубокому вакууму. Такой сенсор называют абсолютным. Полученные от него показания чаще всего применяют для последующей цифровой обработки, чтобы расчетным путем привести характеристику давления к стандартным условиям. Это необходимо для правильной фиксации расхода тепловой энергии или газа в системах учета.

Датчик избыточного давления

Более простые в устройстве датчики избыточного давления учитывают суммарный показатель абсолютного и атмосферного. Без них не обойтись в коммунальном хозяйстве, в производственных или коммерческих устройствах, регистрирующих расход жидкости или газа. Другая область применения простых и надежных измерителей избыточного давления — устройства аварийной сигнализации о превышении допустимого уровня.

Датчик дифференциального типа определяет разницу давлений в двух раздельных полостях. Обычно такие приборы установлены в приборе, который постоянно контролирует расход вещества, протекающего по трубе, без использования вращающихся деталей. Его принцип действия основан на эффекте увеличения давления потока перед сужением диаметра и уменьшения после него. Чем такая разница выше, тем больше и протекающий по трубе поток.

Одна из возможных схем подключения этих устройств приведена на рисунке.

Диапазон измеряемой величины

Поскольку интервал показателя давления весьма широк, то инженерам требуются сенсоры, способные качественно измерять параметры в интересующем диапазоне. Изготовить прибор, одинаково хорошо и с удовлетворительной чувствительностью применимый как в глубоком вакууме, так и на промышленном компрессоре высокого уровня сжатия, на практике невозможно. Поэтому существуют отдельные датчики: вакуумные, низкого и высокого давления. В числовом выражении:

• вакуумные датчики — для измерения низкого (1 мм. рт. ст.) или высокого (105 мм. рт. ст.) вакуума;
• датчики низкого давления — от атмосферного до величин порядка 10 Па (встречается также другое название: форвакуумные);
• датчики высокого давления — измеряют параметр выше 1 атм., также делятся на диапазоны по возрастанию компрессии.

Датчики низкого давления широко применяют в научном и лабораторном оборудовании, в медицине, в промышленности, производящей электронные компоненты и сверхчистые вещества.

По типу контролируемой среды

Потребность узнать степень сжатия или разрежения рабочей среды может возникнуть для самых разных веществ или агрегатных состояний. Чтобы обеспечить долгий срок службы и достаточную точность показаний, регистрирующие приборы также делают с учетом условий, в которых им предстоит работать.

• датчики давления воздуха — замеряют показатель сжатия газообразной среды в широком интервале величин;
• топливные — устанавливают в системе питания двигателей, например, в топливной рампе инжекторного мотора с целью оптимизировать состав и количество горючей смеси в цилиндрах;
• водяные — для трубопроводов и магистралей в коммунальном хозяйстве, для установки на насосной станции;
• для агрессивных сред — в защищенном исполнении используют в химическом производстве, при перекачке нефти и газа.