Принцип действия расходомеров постоянного перепада давления основан на

Как и в чем измеряется расход газа: методы измерения + обзор всех видов газовых расходомеров

Расходомер – устройство для измерения объемного или массового расхода вещества, включая природный газ, горючие, агрессивные газы, продукты разделения воздуха.  Вычисление объемов потока на предприятиях промышленной отрасли или в быту можно выполнить и без привлечения специалистов.

Далее мы расскажем как и в чем измеряется газ, приведем описание приборов которые используются для этой цели, а также рассмотрим основные методы определения расхода газа.

Термоанемометрические расходомеры – одна из разновидностей тепловых расходомеров, измеряющих массовый расход газа. При относительной простоте конструкции термоанемометрические расходомеры обладают отличными эксплуатационными характеристиками. Они с высокой точностью измеряют массовый расход газа (разница между массовым и объемным расходом газа обсуждается в этой статье), их показания в малой степени зависят от рабочих температуры и давления газа.

Кроме того, они могут работать в системах с минимально допустимыми перепадами давления на приборе; у них низкая чувствительность к наличию загрязнений в газовом потоке; они дешевле других тепловых расходомеров. В случае, если Вам необходимо измерять, а тем более регулировать расход газа, обратите внимание на этот тип расходомеров. Да-да, расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться регулирующим клапаном и самостоятельно контролировать расход газа.

Если перед Вами встала задача по выбору расходомера для своей системы, то Вы вряд ли будете испытывать недостаток предложения. И это неудивительно, ведь технологии измерения расхода постоянно развиваются. Существующие методики постоянно совершенствуются, и периодически появляются новые техники измерения. В настоящий момент на рынке широко представлены вихревые, тахометрические, ультразвуковые, электромагнитные, тепловые, кориолисовые расходомеры, расходомеры переменного перепада давления, расходомеры обтекания. Это уже восемь больших групп приборов. А ведь есть еще специализированные расходомеры (оптические, меточные, концентрационные и т.д.), менее распространенные, но отлично справляющиеся с решением отдельных задач.

Каждый тип расходомеров имеет свои достоинства и особенности применения, которые в одной ситуации позволят с успехом решить Вашу задачу, а в другой – будут приводить к значительным погрешностям измерения расхода. Как не потеряться в разнообразии расходомеров при выборе прибора для Вашей системы? Какие факторы надо принять во внимание перед тем, как совершить покупку? Ниже в статье мы постарались ответить на эти вопросы.

Косвенные методы измерения

Эти методы предусматривают вычисление, к примеру, скорости потока вещества через заданную площадь сечения. Для получения максимально точных результатов необходимо выровнять скорость движения газа.

Измерение расхода газа по перепаду давлений

Один из самых распространенных и изученных методов расхода газа, основанный на использовании сужающего устройства, имеет несколько преимуществ, включая простоту механизма преобразователя расхода, действие которого направлено на измерение перепада давления вещества, протекающего через местное сужение в газовом трубопроводе. Для проведения расчетов не потребуются расходомерные стенды.

Несмотря на наличие полной научно-технической базы, этот метод измерения имеет несколько существенных недостатков — небольшой диапазон измерения, который даже с учетом многопредельных датчиков давления, не превышает значение 1:10.

Стандартные сужающиеся устройства производят по специальной технологии, с высокими требованиями к шероховатости. Допускается их использование исключительно на гладких трубопроводах

Гидравлические сопротивления в газовых трубопроводах повышают чувствительность к графику изменения у средненных скоростей по глубине или ширине потока на входе в диафрагму. Длина прямых участков перед сужающими устройствами должна составлять не менее 10 диаметров Ду сооружения из труб.

Скоростной метод определения расходов

Для этого метода используются преобразователи турбинного типа. Эти приборы имеют несколько преимуществ, включая небольшие габариты и вес, доступную цену в своей категории.

У этих устройств отсутствует чувствительность к пневматическим ударам. Интервал значений измерения расхода составляет до 1:30, что существенно превышает аналогичный показатель для сужающих устройств.

ТПР преобразователь расхода турбинный может использоваться в среде, при температуре от минус 200 до +200 °С, если устройство установлено для неагрессивных и однофазных криогенных жидкостей. Для агрессивных жидкостей показатель составит от минус 60 до +50 °С

К недостаткам можно отнести чувствительность, хоть и незначительную, к искажениям потока на входе и выходе прибора, отклонение результатов измерений пульсирующих потоков газа. На небольших расходах, в диапазоне от 8 до 10  м 3 /ч, расходомеры неработоспособны.

Ультразвуковой метод измерения

Популярность акустических расходомеров, с помощью которых измеряется количество газа , в особенности в коммерческом учете, возросла с развитием микроэлектроники. В акустических расходомерах отсутствуют подвижные части, а также детали, выступающие в поток, что существенно повышает их надежность.

Измерение производится в широком интервале значений благодаря способности устройства продолжительное время работать от встроенного источника питания. Отечественные приборы не отвечают всем необходимым требованиям, так как во избежание влияния искажений потока газа на результаты расчетов необходимо использовать исключительно многолучевые ультразвуковые расходомеры.

Работа вихревого расходомера основана на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. В потоке на пути проходящего по трубопроводу воздуха устанавливается тело обтекания, чаще всего имеющее форму трапеции. Это препятствие создает в потоке цепочку вихрей, называемую дорожкой Кармана. Расстояние между вихрями постоянно и зависит от размера препятствия, а частота вихрей пропорциональна скорости потока. Ниже в потоке, за телом обтекания устанавливается элемент, осуществляющий индикацию проходящих мимо вихрей. Обычно эту роль выполняет пьезоэлектрический преобразователь, фиксирующий частоту колебаний давления, создаваемых при прохождении вихрей. Также фиксация может осуществляться с помощью термоанемометра, ультразвукового или оптоэлектронного преобразователя. Частота изменений давления позволяет рассчитать скорость потока, а, следовательно, и расход.

Преимуществом данного типа расходомеров является отсутствие подвижных частей и устойчивость к загрязнению. Тем не менее данный расходомер не подходит для измерения малых скоростей, характеризуется достаточно высокой потерей давления, а также требует проведение компенсации температуры и давления.

Кориолисовы расходомеры снабжены одной или двумя U-образными трубками, колеблющимися в результате внешнего вибрационного воздействия, генерируемого специальным возбудителем. В случае отсутствия потока, колебания трубки будут происходить равномерно и синхронно. Если же по трубке проходит газ, под действием силы Кориолиса происходит сдвиг фазы колебаний: разные части трубы начинают отклоняться в разные стороны. Степень отклонения при этом пропорциональна скорости проходящего газа. Датчики, находящиеся на входе и на выходе расходомера регистрируют характер этих колебаний, а затем данные значения переводятся в значения скорости потока и расход.

Преимуществами данного типа приборов является высокая точность, работа при любом состоянии потока в обоих направлениях и отсутствие подвижных частей. К недостаткам относятся серьезные потери давления, высокая цена, большая масса и габариты.

Принцип измерения основан на зависимости теплоотдачи нагретого элемента, помещённого в поток, от скорости течения потока. В зависимости от того как осуществляется измерение, тепловые расходомеры подразделяют на термоанемометрические и калориметрические.

Термоанемометрические расходомеры построены на принципе измерения потерь теплоты телом в результате обтекания его проходящим потоком. В данной конструкции чувствительный элемент состоит из двух резистивных элементов. Первый производит измерение температуры среды. На втором постоянно поддерживается температура, на определенное значение превышающая температуру среды. Проходящий мимо второго чувствительного элемента поток газа охлаждает его, так что для поддержания на нем определенной температуры начинает требоваться больше энергии. Чем выше скорость потока, тем сильнее охлаждается чувствительный элемент, и тем больше мощности нужно для нагрева. Таким образом, учитывая электрическую мощность, затрачиваемую для нагрева, датчик определяет пропорциональную ей скорость потока, которая затем переводится в расход.

В некоторых конструкциях сила тока, подаваемого для нагрева чувствительного элемента, является постоянной. В этом случае фиксируется значение сопротивления чувствительного элемента, меняющегося в зависимости от скорости потока. Измерение же температуры потока производится вторым датчиком, стоящим ниже в течении потока.

К термоанемометрическим расходомерам относятся, к примеру, такие модели приборов как VA 400, SS 20.500 или SS 20.600.

В этом случае конструкция подразумевает наличие нагревательного элемента и двух датчиков температуры, расположенных ниже и выше по течению относительно нагревателя. Воздух, проходящий рядом с нагревательным элементом, становится теплее и это изменение температуры фиксируется датчиком, стоящим ниже по течению. Производя сравнение его показания с показаниями термометра, который находится до нагревателя в потоке, прибор рассчитывает скорость движения газа. Так как датчики температуры располагаются с обоих сторон от нагревательного элемента, данная конструкция расходомера позволяет также определять направление потока газа.

К калориметрическим расходомерам относится, например, приборы SS 20.400 и SS 20.415.

Тепловые расходомеры имеют множество преимуществ. Они производят прямое измерение расхода, приведенного к нормальным условиям, и не требуют компенсации температуры и давления. Диапазон измерений данных приборов крайне широк, причем они могут использоваться даже при крайне малых скоростях потока. Данные датчики не создают падения давления. Кроме этого, они могут быть не только врезными, но и погружными, что значительно облегчает монтаж (который может производиться даже в работающей системе) и делает их применимыми в трубопроводах крайне больших диаметров. Также тепловые расходомеры достаточно надежны, так как не имеют подвижных частей. Наконец, данные приборы относительно недороги по сравнению с большинством других расходомеров.

К особенностям можно отнести требование к установке на относительно длинных прямых участках трубопровода (длиной не менее 10 ДУ), а также отклонения в результатах измерений в случае возникновения конденсата.

Классификация расходомеров газа – часть 1Классификация расходомеров газа – часть 2

Подобрать расходомер, подходящий для решения Вашей задачи, можно в каталоге продукции или обратившись к нашим техническим специалистам.

Приборы для измерения количества газа

Устройства для измерения расхода газа по способу вычисления делятся на несколько категорий. Скоростные используются для определения объемного числа исследуемой среды. В этих приборах отсутствуют измерительные камеры. Чувствительной деталью выступает турбинка (тангенциальная или аксиальная), которую приводит во вращение поток вещества.

Объемные счетчики отличаются меньшей зависимостью от типа продукта. К их недостаткам можно отнести сложность конструкции, высокую цену и внушительные габариты. Устройство состоит из нескольких измерительных камер, отличается более сложной конструкцией. Делится этот тип приборов на несколько видов – поршневые, лопастные, шестеренчатые.

Известна и другая классификация счетчиков количества газа, которая включает три типа устройств: роторные, барабанные и клапанные.

Роторные счетчики обладают большой пропускной способностью. Их действие основано на вычислении количества оборотов лопастей внутри устройства, показатель соответствует объему газа. К основным их преимуществам можно отнести долговечность, независимость от электроэнергии, повышенную устойчивость к кратковременным перегрузкам.

Газовые счетчики барабанного типа работают по принципу вытеснения. Такие поправочные показатели как температура, состав газа и уровень влажности не учитываются

Барабанные счетчики состоят из корпуса, счетного механизма и барабана с измерительными камерами. Принцип действия устройства для измерения потребления газа состоит в определении количества оборотов барабана, который вращается за счет разности давления. Несмотря на точность вычислений, этот тип приборов не нашел широкого применения по причине своих громоздких размеров.

Принцип действия последнего типа счетчиков, известного как клапанный, базируется на перемещении подвижной перегородки, на которую действует разность давления вещества. Устройство состоит из нескольких частей – счетного и газораспределительного механизма, а также корпуса. Имеет большие габариты, поэтому в основном используются в быту.

Измерение расхода газа – одна из ключевых задач на производстве. На рынке расходомеров представлено огромное количество устройств с различными конструкциями и принципами действия, которые подойдут и для бытовых нужд. С их помощью можно определить практически любое количество жидкости или газа, при этом не потребуется специальная поверочная образцовая установка.

Объемный или Массовый расход

Мера количества газа: масса или объем. Количество молекул (масса) газа в обоих цилиндрах совпадает. Однако объем и давление отличаются в два раза.

Расходомеры можно разделить на две большие группы – расходомеры, измеряющие объемный или массовый расход. Какой расходомер выбрать – зависит от применения, цели измерения и уже использованных в системе компонентов.

Надо отметить, что показания объемных расходомеров определяются рабочими условиями. Так, два объемных расходомера, установленные на одном непрерывном трубопроводе при высоком и низком давлении будут давать кратно отличающиеся показания (в соответствии с изменением давления). Корректное сравнение показаний объемных расходомеров возможно только при приведении их показаний от рабочих условий к единым условиям, например, стандартным условия для газа по ГОСТ 2939-63.

Показания массовых расходомеров в значительно меньше зависят от рабочих условиями. А показания кориолисовых расходомеров практически от них не зависят, поскольку напрямую измеряют массу проходящего вещества. Возвращаясь к примеру из предыдущего абзаца, сравнивать показаний массовых расходомеров можно без дополнительных пересчетов. Сравнение показаний объемных и массовых расходомеров также возможно. Для этого объемный расход необходимо перевести в массовый через плотность среды при рабочих условиях. Или же наоборот, массовый расход перевести в объемный расход при рабочих или стандартных условиях.

Спецификация расходомера

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

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

Устройство и принцип действия измерительного сенсора

За счет чего достигаются такие технические характеристики? Рассмотрим устройство расходомера MASS-STREAM. Измерительная часть прибора представляет собой прямую трубку, внутри которой расположены два стальных зонда: первый по ходу движения газа – нагреватель, второй – датчик температуры (см. рисунок 1). На входе в прибор устанавливаются сетчатые экраны, формирующие требуемый профиль потока газа внутри измерительной части.

Рисунок 1. Устройство измерительной части термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

Из рисунка видно, что перепад давления на измерительной части прибора чрезвычайно мал и не превышает падения давления в прямой трубе того же диаметра. Сетчатые экраны чистого расходомера создают минимальный дополнительный перепад порядка нескольких миллибар.

Если в потоке газа имеются маленькие твердые частицы (размером несколько десятком микрометров) или капли жидкости, то они смогут пройти измерительную часть расходомера насквозь, не задерживаясь внутри прибора. В отличие от калориметрических расходомеров с разделением потока, где загрязнения с очень большой вероятностью остаются внутри пропорционального делителя потока.

При наличии в потоке крупных твердых частиц они будут задерживаться сетчатым экраном со стороны входного коннектора. Накапливаясь, загрязнения могут искажать профиль газового потока внутри измерительной части, что негативно скажется на точности показаний расходомера. Эффективным способом очистки прибора в этой ситуации будет продувка расходомера сухим инертным газом со стороны выходного коннектора (в обратном направлении). Загрязнения будут удалены потоком газа, а прибор будет снова готов к работе, восстановив свою точность.

Обсудим формирование сигнала измерительным сенсором расходомера MASS-STREAM при прохождении газового потока. Управляющая плата контролирует ток через зонд-нагреватель таким образом, чтобы между двумя зондами поддерживалась постоянная разность температур ΔT (см. Рисунок 2а). Проходящий газ охлаждает зонд-нагреватель (см. Рисунок 2б). Компаратор управляющей платы регистрирует уменьшение разности температур между двумя зондами. Для поддержания постоянного значения ΔT на нагреватель подаётся дополнительная электрическая мощность (см. Рисунок 2в). Это увеличение мощности нагревателя оказывается пропорциональным массовому расходу газа. Чем выше расход газа, тем больше мощности подается на нагреватель.

Рисунок 2. Принцип измерения расхода газа термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

В процессе калибровки расходомера на заводе внутрь прибора записывается калибровочная кривая. Она устанавливает взаимосвязь между сигналом от измерительного контура (током/мощностью нагрева зонда) и расходом газа, с которым будет работать прибор. Динамический диапазон такой калибровочной кривой достигает 1:100. Например, один измеритель расхода может достоверно измерять расход от 1 до 100 н.л/мин N2.

Здесь необходимо затронуть вопрос чувствительности показаний прибора к температуре и давлению рабочего газа. В самом начале статьи отмечено, что эта чувствительность слабая. Обусловлено это тем, что коэффициент пропорциональности между мощностью нагревателя и расходом определяется такими физическими свойствами газа, как теплопроводность, удельная теплоемкость, динамическая вязкость и плотность. А они, как правило, слабо зависят от температуры и давления газа. Однако эта зависимость есть, и для сохранения точности измерения расхода ее необходимо учитывать.

Место установки

Выходим на финишную прямую. Для целого ряда расходомеров корректность их работы зависит от правильности установки по месту эксплуатации. Выяснить, возможна ли корректная установка подобранных приборов в Вашу систему, – еще одна задача, которую надо решить при подборе расходомера. Вот некоторые аспекты, которые следует учитывать.

• Конфигурация трубопровода до и после расходомера (наличие и количество изгибов, сужения, клапаны), длина прямых участков на входе и выходе расходомера.
• Размер трубопровода. Некоторые расходомеры плохо работают с трубами малого сечения, а некоторые не могут измерять расход жидкости в больших трубах.
• Материал, из которого изготовлена труба.
• Будет ли расходомер установлен под определенным углом? Это может серьезно повлиять на работу расходомера.

Мы почти закончили, основная часть работы по подбору расходомера выполнена. Осталось определиться с дополнительными опциями конкретной модели расходомера, которую Вы выбрали (способ подключения к трубопроводу, аналоговые и цифровые интерфейсы, варианты питания и управления и т.д.). И теперь точно настало время связаться с поставщиком, чтобы разместить заказ J

При размещении заказа рекомендуем всё же сообщить всю информацию, собранную на этапе постановки задачи. Специалист поставщика сможет проверить корректность подбора. Ведь одна голова хорошо, а две – лучше! Тем более, что всегда существуют исключения, когда с формальной точки зрения расходомер может применяться, но на практике лучшие результаты показывают расходомеры других моделей. Поставщик сможет предложить Вам расходомер, который точно будет работать в Вашей системе.

Постановка задачи

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

• Фазовое состояние: газ, жидкость, суспензия, пар, при рабочих условиях. Как известно, одно и то же вещество при разных условиях может принимать различные фазовые состояния. И важно таким образом подбирать рабочие условия, чтобы внутри расходомера не происходили фазовые переходы.
• Химический состав. В случае смеси из различных веществ – химический состав отдельных компонентов, их доля (объемная, массовая, мольная) в смеси. По химическому составу, а также рабочим условиям можно будет определить/рассчитать физические свойства среды, необходимые для оценки работоспособности расходомера в Ваших условиях. Какие свойства понадобятся – зависит от принципа действия выбранного расходомера. Химический состав также позволяет оценить совместимость среды с материалом корпуса и уплотнений расходомера.
• Диапазон рабочих расходов. При определении верхнего предела измерения лучше сделать запас в 5-10%. Хотя некоторые расходомеры могут давать показания и для расходов более 100% верхнего предела измерения (ВПИ), но паспортная точность гарантируется только при расходах менее 100%. Будет обидно, если какие-то изменения в параметрах вашей системы приведут к незначительному увеличению расхода, который Вы не сможете корректно измерить. Нижний предел измерения также важен. Не бывает расходомеров, измеряющих расход от 0 до 100% ВПИ. Всегда есть нижний предел измерения, ниже которого показания расходомера не будут укладываться в паспортную точность. Диапазон рабочих расходов должен укладываться в интервал между Верхним и нижним пределами измерения расходомера. Иначе придется подбирать несколько расходомеров, чтобы перекрыть весь ваш рабочий диапазон.
• Рабочий диапазон температур среды. Этот параметр может стать фильтром, по которому придется отказаться от использования целого ряда расходомеров. Экстремально низкие и высокие температуры требуют специальных методов измерения. Или же переноса точки измерения в часть системы, где температура среды ближе к комнатной.
• Рабочий диапазон давлений среды. Также может выступать в качестве своеобразного ограничения. Работа в условиях, близких к вакууму, или при высоких давлениях сильно сокращает круг расходомеров для рассмотрения.
• Наличие посторонних включений. В том числе пары воды и масла, твердые частицы в газе, взвешенные частицы и пузырьки газа в жидкости и т.д. На самом деле важно всё. Так, конденсация воды или масла внутри газового расходомера может приводить к ухудшению его точности. А накопление твердых частиц в измерительной части расходомера может привести к выходу прибора из строя. Для ряда расходомеров жидкости с подвижными частями наличие растворенного воздуха будет приводить к кавитации, разрушающей корпус прибора.
• Стабильность потока. На этапе подбора прибора необходимо определиться, будет ли поток постоянным, или он будет разрываться. Труба заполнена полностью или частично
• Коррозионные свойства. Может ли среда при условиях эксплуатации повредить корпус, уплотнения расходомера и встроенные датчики. Речь идет не только о самой среде, но и о малых включениях.
• Параметры места эксплуатации. Будет ли расходомер работать в лабораторных, промышленных условиях, условиях чистого производства или на улице. Диапазон температуры, влажности окружающей среды по месту эксплуатации. Какая потребуется степень пыле- и влагозащиты. Нужна ли взрывозащита. Возможно ли коррозионное воздействие на расходомер извне. Присутствуют ли рядом источники мощного электромагнитного излучения.

Это основная информация. На более поздних стадиях, в зависимости от типа выбранного расходомера, для корректного подбора могут понадобиться дополнительные данные. А теперь, определившись с задачей, можно приступить к выбору расходомера для ее решения.

Цена и популярность расходомера – не первостепенные критерии

Практика показывает, что часто используемые критерии выбора расходомеров: цена и популярность. Очень спорные критерии. Если ставить цену во главу угла, то в итоге легко получить расходомер, который либо вообще не подходит для Вашего применения, либо не охватывает всего рабочего диапазона расходов и условий эксплуатации, либо требует значительных затрат на обслуживание. Экономия при покупке в этом случае может обернуться значительными тратами на этапе эксплуатации.

Характерный пример – кориолисовые массовые расходомеры. Цена этих приборов выше, чем для многих других типов расходомеров. При этом кориолисовые расходомеры осуществляют прямое измерение массового расхода рабочей среды. В то время как все объемные расходомеры дают показания расхода при рабочих условиях. И эти показания зачастую необходимо переводить к стандартным условиям. Для чего объемный расходомер должен оснащаться дополнительными датчиками и блоком, осуществляющим пересчет показаний («флоу компьютер»). Кроме того, кориолисовые расходомеры легче обслуживать в процессе эксплуатации, что в итоге будет сокращать время простоя всей системы.

Виды расходомеров

С популярностью определенного типа расходомеров тоже не все так просто. Конечно же, важно знать, какие типы расходомеров чаще всего используется в вашей отрасли. Однако простой выбор того, что является наиболее популярным, также может привести к ошибке. Прибору предстоит работать в Вашей системе при Ваших рабочих условиях. Если он не подходит Вам, то показания прибора могут значительно отличаться от реального расхода. Со всеми сопутствующими негативными последствиями. При этом менее известные расходомеры могут обеспечить необходимую Вам точность измерения.

Еще один пример. Новые достижения в области технологий производства расходомеров позволяют выводить на рынок всё более совершенные приборы. Конечно же, сначала эти расходомеры не так хорошо известны, но могут обеспечивать лучшее решение. Например, в прошлом ультразвуковые расходомеры приходилось заново калибровать при замене рабочей жидкости, и их нельзя было использовать в применениях, где требовалось гигиеническое исполнение. В настоящее время появились новые ультразвуковые расходомеры, в которых эти проблемы решены. Это открывает возможность использования ультразвуковых расходомеров для еще более широкого круга задач и применений.

Расходомер – это высокотехнологичное устройство, на работу которого влияет множество параметров. Ниже отмечены самые важные из них. При этом каждое применение уникально и требует индивидуального подхода.

Классификация расходомеров по принципу действия

Расходомеры отличаются по нескольким параметрам, включая давление, тип используемого газа, температурный режим. Выбирать устройство следует в зависимости от условий применения, а также поставленных задач.

Измерительные приборы состоят из таких частей, как преобразователь, отвечающий за перепад давления, соединяющего элемента и манометра.

Тип #1 — струйные автогенераторные расходомеры

Расходомер этого типа, предназначенный также для измерения расхода природного газа, имеет несколько отличительных характеристик. Прибор охвачен отрицательными обратными связями, частота подключений струи зависит от расхода газа.

Счетчики, выпущенные на основе струйных расходомеров, применяются для коммерческого учета без предварительной экспертизы.

1 — струйный элемент; 2 и 3 — преобразователи; 4 — устройство выделения сигнала; 5 — сопло питания; 6 — рабочая камера; 7 и 8 — стенки рабочей камеры; 9 — разделитель; 10 и 11 — сопла управления; 12 и 13 — приемные каналы; 14 и 15 — сливные каналы; 16 и 17 — каналы обратной связи; 18 — расширение сопла питания; 19 — уступ на сопле питания

Расходомер струйного автогенераторного типа подвержен засорению, в числе его недостатков также нестабильность показателя преобразования.

Эти приборы имеют схожие недостатки с вихревыми устройствами:

• зависимость от искажений графика скоростей, при условии использования в комплекте с сужающими приборами;
• массовые потери напора невозвратимы;
• основная часть расходомера имеет огромные габариты;
• значительная нестабильность показателя преобразования.

Достоинства автогенераторного расходомера не отличаются от вихревого устройства, за исключением способности работать с загрязненными газами. Эти расходомеры не нашли широкого практического применения в коммерческом учете.

Тип #2 — вихревые расходомеры-счетчики

Выделяют несколько сильных сторон приборов, включая точность проведенных измерений, отсутствие чувствительности к загрязнениям и пневматическим ударам, легкость эксплуатации, в устройстве также отсутствуют подвижные части.

Приборы выдерживают самые сложные внешние условия, точность показателей гарантирована при температуре окружающей среды до 500 градусов по Цельсию, максимальный уровень давления – 30 МПа

Известны и существенные недостатки использования этого типа расходомеров — повышенная чувствительность к механическим колебаниям, просадка давления. Диаметр труб должен находиться в диапазоне 15-30 см.

Тип #3 — ультразвуковые расходомеры

Устройство, также известное как акустическое, имеет несколько неоспоримых преимуществ:

• отсутствие гидравлического сопротивления;
• в приборе нет подвижных деталей, что усиливает его надежность;
• повышенная прочность механизма;
• быстрое действие.

Расходомер этого типа базируется на определении разницы во времени прохождения сигнала.

Работа ультразвуковых расходомеров не зависит от температуры, давления окружающей среды, вязкости и электропроводности, что гарантирует точность полученных данных

Ультразвуковые сенсоры, расположены по диагонали относительно друг друга, выполняют функцию приемника и излучателя. Задействование нескольких каналов компенсирует деформацию профиля потока.

Тип #4 — барабанные расходомеры

Эта категория устройств используется, как правило, для проведения лабораторных исследований. Давление, возникающее во время вращения барабана, приводит к заполнению секцию газом и их последующему опорожнению.

Для полноценной работы барабанных счетных механизмов (без импульсного генератора) не нужен постоянный источник питания, что является их неоспоримым преимуществом

Количество оборотов барабана пропорционально кубическим единицам газа, показатель передается на циферблат счетной конструкции. Барабанные расходомеры обладают высокой точностью измерения.

Тип #5 — левитационные устройства

Подвижная деталь тахометрического устройства вращается в подшипниках, скорость равняется объемному расходу газа. Превращение быстроты кругового движения в электрический сигнал осуществляется с помощью вторичного преобразователя, результаты отражаются на индикаторе.

Левитационные приборы учета функционируют в условиях от -30 до +50 градусов по Цельсию, погрешность значений находится в диапазоне ± 1,5%

Левитационные приборы востребованы в коммерческом учете потребления природного газа, как в бытовых, так и в коммунальных целях.

Тип #6 — мембранные счетчики

Патент на изготовление одного из самых распространенных приборов учета для измерения газа был выдан во второй половине девятнадцатого века на территории Англии.

Принцип действия механического расходомера основан на изменении положения подвижных камерных мембран в момент поступления газа.  Поочередное перемещение осуществляется во время впуска и выпуска вещества.

Прибор для учета расхода газа мембранного типа может состоять из 2 или 4 камер в зависимости от объемов измеряемого вещества и конструкции

Тип #7 — ротационные приборы

В устройстве механического типа в измерительной камере расположены два ротора, которые начинают двигаться под напором вещества. Вращающиеся детали расположены под прямым углом друг к другу, их начальное местонахождение фиксируется с помощью колес-синхронизаторов.

Количество газа пропорционально числу оборотов роторов. С помощью магнитной муфты и редуктора вращение ротора передается на счетное устройство, отвечающее за накопление объема прошедшего вещества.

Ротационный расходомер обладает большой пропускной способностью, используется в коммунальных хозяйствах, предприятиях средних и малых объемов по потреблению газа

К основным достоинствам ротационных расходомеров можно отнести высокую точность измерения, компактность прибора, широкий диапазон измерений расходов. Среди недостатков выделяют шумность механизма, его высокую стоимость, чувствительность к внешним факторам, в том числе загрязнению.

Тип #8 — турбинные расходомеры

Прибор механического типа имеет форму отрезка трубы, внутри расходомера размещена турбина с валом и движущимися опорами. Силовое устройство двигается за счет вещества, проходящего через измерительную камеру.

Скорость движения механизма равняется скорости потока и расходу газа. Накопленный объем отражается на счетном механизме, передача на него осуществляется механическим способом с помощью редуктора, системы шестеренок.

Турбинное счетное устройство может использоваться только с чистыми движущими веществами — газом, жидкостью или паром во взвешенном состоянии, при условии, что они не содержат твердые частицы

Помимо перечисленных, существуют и другие устройства, но они используются, как правило, в научных исследованиях. В коммерческой сфере они практически не задействованы.

Регулирование расхода газа

Производитель предлагает не только измерители, но и регуляторы расхода газа (РРГ). Расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться регулирующим клапаном, работой которого управляет сам расходомер. Пользователю достаточно задать расходомеру требуемый расход по аналоговому или цифровому интерфейсу. Управляющая плата прибора сама преобразует поданный сигнал в значение требуемого расхода, сравнит текущий измеренный сигнал расхода и сформирует управляющий сигнал на регулирующий клапан.

Управляющий сигнал на клапан формируется встроенным ПИД-регулятором. Чем больше отклонение текущего расхода от требуемого, тем быстрее изменяется управляющий сигнал. На Рисунке 5 показан график, поясняющий работу ПИД-регулятора в приборах MASS-STREAM. Зеленая и красная кривые показывают измеренный и требуемый расход, а фиолетовая кривая – управляющий сигнал на клапан, формируемый ПИД-регулятором.

Рисунок 5. Формирование ПИД-регулятором управляющего сигнала на регулирующий клапан

Двумя синими овалами обведены участки графика, где изначально отличие измеренного и требуемого расходов велико. ПИД-регулятор сразу же старается резко изменить сигнал на клапан. В первом случае сигнал на клапан увеличивается, во втором – уменьшается. Как только разница измеренного и требуемого расхода уменьшается, ПИД-регулятор медленнее изменяет сигнал клапана, чтобы расходы точно совпали. На обоих участках графика в конце наблюдается «перерегулирование», когда измеренный сигнал становится немного больше, чем заданный. ПИД-регулятор сразу же начинает снижать сигнал на клапан, и спустя секунду измеренный и требуемый сигнал совпадают.

Управляющая плата корректирует управляющий сигнал на клапан в течение нескольких миллисекунд. Процесс формирования сигнала на клапан динамический, ПИД-регулятор постоянно отслеживает разницу измеренного и требуемого сигнала. Это позволяет быстро реагировать на резкие изменения давления в трубопроводе, поддерживая расход стабильным. Или быстро отрабатывать изменения величины требуемого расхода.

В большинстве случаев в качестве регулирующего клапана в регуляторах расхода MASS-STREAM используются электромагнитные клапаны. Схема электромагнитного клапана прямого действия для расходов до 10 н.л/мин N2 показана на Рисунке 6.

Рисунок 6. Схема встроенного электромагнитного клапана регулятора расхода газа MASS-STREAM

Для электромагнитных клапанов управляющая плата контролирует силу тока через катушку. При подаче тока внутри электромагнитной катушки формируется магнитное поле, которое воздействует на держатель плунжера, изготовленный из ферромагнитного материала. Катушка стремится поднять плунжер над орифайсом. Это воздействие компенсируется упругой силой плоской пружины, которая наоборот прижимает плунжер к орифайсу. В ситуации, когда на катушку подается достаточно сильный ток, плунжер отрывается от орифайса и между ними образуется зазор. Через расходомер начинает идти расход газа.

Ток через катушку регулируется таким образом, чтобы расстояние между плунжером и орифайсом в точности соответствовало пропусканию требуемого количества газа.

Проходное сечение орифайса подбирается в зависимости от необходимой пропускной способности клапана. Для каждого прибора расчет проводится индивидуально. Для клапанов, показанных на Рисунке 6, диаметр орифайса варьируется в диапазоне от 0,05 до 1,3 мм. Для надежной работы такой клапан требует перепада давления, значительно больше, чем для измерительной части. Речь идет о сотнях миллибар и более. Это необходимо учитывать при подборе регулятора расхода газа MASS-STREAM.

Точность измерения расходомеров MASS-STREAM

Еще одна важнейшая характеристика любого расходомера – точность измерения. До недавнего времени производитель поставлял расходомеры MASS-STREAM с точностью 2% от ВПИ. Приборы внесены в Госреестр средств измерения РФ в 2016 году с такой же точностью. Начиная с мая 2019 года, производителю удалось улучшить точность выпускаемых расходомеров, теперь погрешность измерений не превышает 1% от показаний + 0,5% от ВПИ. Таким образом, расход 100% ВПИ измеряется с погрешностью не более 1,5% ВПИ, расход 50% ВПИ – с погрешностью не более 1% ВПИ, а расход 1% ВПИ – с погрешностью не более 0,51% ВПИ. Значимое улучшение точности. Такого результата удалось добиться за счет целого ряда усовершенствований в процессах производства и калибровки приборов.

Принцип действия расходомера и фазовое состояние измеряемой среды

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

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

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

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

Прямой метод измерения потребления газа

Объем газа вычисляют в кубических метрах, реже используются другие единицы массы, такие как тонны или килограммы, как правило, для технологических газов.

Прямой метод — это единственный метод, обеспечивающий  прямое измерение объема проходящего газа.

К слабым сторонам приборов, вычисляющих объемный или массовый расход вещества, относятся:

Многочисленные достоинства этого метода перекрывают перечисленные недостатки, благодаря чему и он и получил наибольшее распространение по числу установленных счетчиков.

С помощью расходомера можно вычислить объем или массу вещества в единицу времени. Установка на наклонном участке трубопровода позволит уменьшить ошибку измерения

В их числе — прямое измерение объема газа, отсутствие зависимости от искажений графика скоростей потока, как на входе, так и на выходе, что позволяет сократить УУГ . Ширина диапазона составляет до 1:100. Для этой цели применяются приборы мембранного и ротационного типа. Они могут использоваться в помещениях, с установленными котлами импульсного типа.

Измерение расхода различных газов

Отсюда есть еще одно важное следствие. В случае, если мы поочередно будем подавать на термоанемометрический расходомер одинаковый массовый расход двух различных газов, то расходомер будет давать различные показания расхода. Ведь физические свойства разных газов отличаются. На Рисунке 3 схематично показаны зависимости показания расходомера от величины расхода для различных газов. Многоатомные молекулы газа обладают большей теплоемкостью и эффективнее охлаждают зонд-нагреватель. Соответственно, плата подает большую электрическую мощность для поддержания перепада температур ΔT, и тем выше становится сигнал от сенсора.

Рисунок 3. Зависимость показаний термоанемометрического расходомера от величины расхода для Ar, N2, CO2, C3H8

Итак, максимально точные показания расходомер MASS-STREAM будет давать в случае, когда рабочие условия (рабочий газ, температура и давление газа) совпадают с условиями калибровки, указанными в заводском калибровочном сертификате. В ситуации, когда рабочие условия отличаются от условий калибровки, для сохранения точности показания прибора следует пересчитывать. Повторимся, что получившаяся корректировка будет составлять не более нескольких процентов, а, зачастую, и доли процента. Производитель предлагает удобный онлайн сервис для коррекции показаний расходомеров MASS-STREAM: www.fluidat.com (FOTN), раздел CFDirect (Рисунок 4).

Рисунок 4. Онлайн сервис FOTN для коррекции показаний термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

Наличие цифровой управляющей платы в расходомерах MASS-STREAM позволяет реализовать еще один способ коррекции показаний под изменяющиеся условия эксплуатации. Если расходомер будет использоваться в нескольких фиксированных режимах работы, то прибор можно откалибровать для этих режимов уже на заводе. В прибор будет записано несколько калибровочных кривых, максимально 8. При изменении режима работы пользователь сможет с помощью встроенного дисплея или цифрового интерфейса выбрать подходящую калибровочную кривую.

Используя дополнительные калибровочные кривые, можно легко решить проблему пересчета показаний расходомера при значительном изменении температуры и давления рабочего газа.

Еще одна типичная ситуация – использование одного и того же расходомера при работе с различными газами. В этом случае необходимо убедиться в совместимости материала корпуса и уплотнительных колец со всеми рабочими газами. Если расходомер оснащен регулирующим клапаном, то также необходимо проверить пропускную способность клапана Kv и возможность поддержания клапаном стабильного расхода для каждого газа. При размещении заказа на новый расходомер с калибровочными кривыми для разных газов эту работу проводит инженер отдела продаж. Если в Вашем распоряжении имеется расходомер MASS-STREAM, который Вы хотите использовать с новым газом, рекомендуем предварительно проконсультироваться с нашей службой технической поддержки.

Также с помощью дополнительных калибровочных кривых можно расширить динамический диапазон расходомера MASS-STREAM. Стандартный измеритель расхода имеет динамический диапазон до 1:100. Однако, записав в прибор две калибровочные кривые для рабочего газа, одну – в нижней части рабочего диапазона для выбранной модели, другую – в верхней части, динамический диапазон можно расширить вплоть до 1:500.

Цифровые возможности MASS-STREAM

Термоанемометрические расходомеры MASS-STREAM комплектуются электронной платой с микропроцессорным управлением. Это позволяет реализовывать в приборах полезный и востребованный функционал помимо того, что описан выше. Расходомеры измеряют мгновенный расход газа, но при этом могут измерять количества газа, прошедшего через прибор, с помощью встроенного счетчика. Счетчик имеет два режима работы: простой учет количество газа; отсчет заданного количества газа с подачей сигнала и автоматическим изменением требуемого расхода (для регуляторов расхода) по достижении установленного лимита.

Прибор имеет функцию сигнализатора с несколькими режимами работы: выход измеренного сигнала за заданные пределы, достижение лимита счетчиком, аварийное отключение питания. Расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться интегрированным многофункциональным дисплеем с кнопками управления. Он позволяет выполнять целый ряд функций, в том числе отображение фактического расхода, показаний счетчика и сигнализации, выбор необходимой калибровочной кривой и т.д.

Вы можете посмотреть видеоролик, наглядно показывающий принцип действия термоанемометрического регулятора расхода газа MASS-STREAM.