Интеллектуальные датчики расхода.

Из всех классов общепромышленных датчиков наибольшее разнообразие типов, используемых методов измерения, свойств и характеристик имеют датчики расхода газа (в том числе пара) и жидкости, что заставляет потенциальных покупателей особенно тщательно относиться к их выбору. Эти обстоятельства обусловили особое внимание, уделяемое этому классу датчиков в данном обзоре.

Расходомеры по перепаду давления и их характеристики.

Измерение расхода по перепаду давления на каком либо сужении трубопровода (обычно в качестве сужения используется диафрагма, или сопло, или труба Вентури, или трубка Пито и т.д.) является обычным, до сих пор часто используемым на практике методом измерения расходов газов и жидкостей. В этом методе для измерения расхода газа используется три сенсора: сенсор перепада давления на установленном сужении в трубе, сенсор статического давления газа в месте замера, сенсор температуры газа в месте замера; а для измерения расхода жидкости используется два сенсора: сенсор перепада давления на установленном сужении в трубе, сенсор температуры жидкости в месте замера. По полученным от этих сенсоров текущих значений выходов преобразователь датчика по известной типовой формуле рассчитывает искомый расход. Следует отметить, что применение приборов, использующих данный, наиболее привычный для практиков метод измерения, имеет ряд недостатков по сравнению с некоторыми другими классами приборов расхода, базирующихся на других принципах определения расхода. Сужение требуется устанавливать на достаточно длинном прямолинейном участке трубопровода, чтобы в месте измерения не было никаких турбулентных завихрений; энергетически эксплуатация сужения трубы, при наиболее распространенном типе сужения - диафрагме, приводит к существенным дополнительным затратам, т.к. на диафрагме происходит постоянная, значимая потеря давления; точность измерения расхода существенно зависит от постоянства размеров сужения: должны быть исключены его истирание, налипание на нем каких-либо веществ, задержка им посторонних включений, которые могут находиться в измеряемой среде.

Рассмотрим один из вариантов такого датчика, распространяемый фирмой Emerson. В трубопровод по диаметру вставляется достаточно тонкая трубка с рядом отверстий, расположенных на двух сторонах трубки: со стороны течения потока и с противоположной стороны. Число отверстий с каждой стороны пропорционально диаметру трубопровода. Измеряемая среда, проникающая во все отверстия со стороны течения внутрь трубки, попадает в одну усредняющую камеру, в которой измеряется среднее давление скоростного напора. Измеряемая среда, проникающая во все отверстия с противоположной стороны внутрь трубки, попадает в другую усредняющую камеру, в которой измеряется статическое давление среды. Разность этих давлений определяет искомый перепад давлений, пропорциональный расходу. В отдельный защитный карман сенсора встроен необходимый для расчета расхода термометр сопротивления. Преимущества подобной реализации измерения расхода методом перепада давления: низкая постоянная потеря давления на вставленной в трубопровод трубке; простая установка, заключающаяся в монтаже в трубе только одной трубки; возможность установки сенсора на расстоянии всего нескольких диаметров трубопровода от его изгибов.

Вихревые расходомеры и их характеристики.

Измерение объемного расхода газов, паров, жидкостей в этих расходомерах основано на принципе вихревой дорожки Кармана. Поперек трубопровода помещается специальное тело обтекания (обычно это призма трапецеидального сечения). Вихри потока, образующиеся за ним, имеют регулярный периодический характер. Эти вихри образуют периодические колебания давления за сенсором, частота которых определяется скоростью протекания (т.е. расходом) измеряемой среды. Изменяющееся во времени давление воздействует, например, на пьезоэлемент, преобразующий колебания действующего на него давления в электрические импульсы. Далее эти импульсы усиливаются, преобразуются и формируют выходной сигнал, пропорциональный расходу. Точность измерения не зависит от плотности, температуры, давления измеряемой среды. Вихри очищают тело обтекания от возможных отложений. Сенсоры достаточно чувствительны к вибрации и к попаданию в поток достаточно крупных инородных предметов, в последнем случае при задержке предмета у тела обтекания может полностью исказиться процесс измерения. Чтобы, в этом случае знать о возникновении неверных показаний датчика следует иметь в нем детектор инородных предметов в потоке.

Ультразвуковые расходомеры и их характеристики

Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения объемного расхода жидкостей любого типа и газов, проницаемых к акустическому сигналу. По принципу измерения они подразделяются на два подтипа. Принцип измерения большинства ультразвуковых расходомеров - разница в скорости распространения ультразвуковой волны вдоль и против потока среды. Два приемопередающих сенсора располагаются на разных концах диаметра трубы, со сдвигом по ее длине. Если поток движется по направлению от первого к второму сенсору, то время прохождения ультразвуковой волны от первого до второго сенсора (по течению) будет меньше, чем от второго до первого сенсора (против течения). Измеряемая разность времени прохождения этих двух волн прямо пропорциональна средней скорости продукта, а, следовательно, его объемному расходу. Ультразвуковые расходомеры различаются числом лучей, испускаемых сенсорами. При многолучевых сенсорах полученные разности времен усредняются, что увеличивает точность прибора. Обычно используются датчики с числом лучей от одного до пяти. При установке датчиков требуется наличие прямого участка трубы порядка 10-20 диаметров условного прохода трубы до датчика и порядка 5-10 диаметров условного прохода трубы после датчика. Поскольку сами сенсоры, независимо от исполнения (накладные или встраиваемые в трубу), не перекрывают поперечное сечение измерительного участка трубы, то потеря давления в датчике отсутствует. Точность измерения не зависит от вязкости, температуры, давления и электропроводности измеряемой среды.

Некоторые ультразвуковые расходомеры имеют другой принцип измерения - Доплер-эффект. Звуковая волна определенной частоты ударяется о твердые частицы или газовые пузырьки, находящиеся в потоке жидкости, и, отражаясь от них, возвращается назад уже с другой частотой. Разность этих частот пропорциональна скорости частиц, от которых произошло отражение волны, т.е. скорости потока или его объемному расходу (при этом считается, что отражающие волну частицы имеют скорость потока). В этом подтипе расходомера измеряемая разность частот зависит не только от расхода потока, но и от скорости звука в потоке, поэтому она должна быть известна и заложена в алгоритм расчета. Поскольку на скорость звука влияют температура и плотность среды, в которой он распространяется, то показания расходомера данного подтипа зависят от их значений.

Электромагнитные расходомеры и их характеристики

Электромагнитные расходомеры предназначены для измерения объемного расхода жидкостей, в том числе различных пульп, шламов, паст (возможно с содержанием твердых частиц), у которых электрическая проводимость не ниже определенного минимума (для разных типов электромагнитных расходомеров этот минимум составляет 20, 5, 0.01 mS/см). Индуктивная катушка, намотанная на трубе, по которой идет поток жидкости, создает магнитное поле внутри трубы. Электропроводная жидкость пересекает магнитное поле и индуцирует напряжение, которое прямо пропорционально средней скорости потока жидкости. Это напряжение снимается двумя электродами, которые либо находятся в прямом контакте с потоком жидкости, либо измеряют его через емкостную связь. Чтобы напряжение не замыкалось накоротко на стенке трубы, сама труба в датчике изготавливается из электроизоляционного материала, либо футеруется им изнутри. Полученные значения напряжения пересчитываются в объемный расход, причем измеряемые датчиком значения практически почти не зависят от профиля потока; от свойств жидкости (давления, температуры, вязкости, плотности, состава, электропроводности); от загрязнения электродов.

При установке датчиков не требуется длинных участков трубопровода до и после датчика (у многих расходомеров минимальный прямой участок трубы до датчика - 5 и менее диаметров условного прохода; после датчика - 2 и менее диаметра условного прохода); поперечное сечение измерительного участка трубы ничем не перекрывается и потеря давления в датчике отсутствует. Индуцируемое электропроводной жидкостью напряжение достаточно мало (менее 0.5 мВ при скорости потока 1 м/с), поэтому в расходомерах основное внимание уделяют исключению различных помех (стабильности магнитного поля, подавлению шумов напряжения, качеству усиления индуцируемого напряжения), чтобы получить достаточно точные и стабильные показания.

Ротаметры и их характеристики

Эти приборы используют наиболее простой и дешевый метод измерения объемного расхода газа и жидкости, который заключается в перемещении под влиянием потока вещества поплавка (конической или другой близкой формы) внутри вертикально расположенной цилиндрической трубы, либо цилиндрического или близкого к цилиндру по форме поплавка внутри вертикально расположенной конической трубы. Газ или жидкость движется вверх по трубе, вынуждая поплавок подняться на определенную высоту и образовать такой кольцевой зазор между ним и стенками трубы, при котором все силы, действующие на поплавок, уравновесятся. Указанными силами являются: сила гравитации; выталкивающая сила, постоянная при неизменной плотности среды; динамический напор потока вещества, зависящий от его расхода. Каждое положение поплавка соответствует определенной величине расхода вещества. В зависимости от формы поплавка его показания более или менее чувствительны к изменениям параметров измеряемой среды, но такая зависимость всегда существует и поэтому шкала ротаметра рассчитывается с учетом всех влияющих на показания параметров измеряемой среды: плотности, вязкости, давления и температуры. Занятое поплавком положение, характеризующее объемный расход, передается во внешнюю среду магнитным или индукционным способом. Данный метод измерения достаточно прост и надежен; прямые участки трубы до и после ротаметра либо очень короткие, либо совсем не требуются; потери давления на ротаметре достаточно малы.

Датчики массового расхода

Принципы измерения массового расхода

Все рассмотренные в предыдущем разделе датчики объемного расхода могут использоваться и для расчета массового расхода: для этого микропроцессорный вычислитель датчика должен умножить полученный объемный расход на заранее заданную, известную или специально замеряемую отдельным датчиком плотность измеряемой среды. В этом разделе рассматриваются датчики, которые имеют своим выходом массовый расход.

Расходомеры по перепаду давления

Достаточно простой и привычный принцип действия: измерение перепада на встроенном в трубопровод сужении. Практически датчики данного типа имеют два или три сенсора: сенсор перепада давления, сенсор статического давления (нужен только, если измеряемая среда - газ или пар) и термометр сопротивления. В качестве сужения, на котором измеряется перепад давления, используется любое из типовых видов сужения. По известной формуле преобразователь датчика определяет объемный расход газа (по данным трех сенсоров) или объемный расход жидкости (по данным двух сенсоров), а затем по заданной плотности измеряемой среды пересчитывает объемный расход в массовый.

Кориолисов расходомеры

Принцип действия расходомера - эффект Кориолиса, который в расходомерах реализован по следующей обобщенной схеме. В трубопровод вставляется труба прибора, изогнутая, например, в виде полуовала или другой фигуры и закрепленная в корпусе трубопровода своими концами. С одного конца трубы прибора вещество втекает в нее, затем оно, проходя по трубе, делает изгиб на 180 градусов и вытекает из другого конца трубы в направлении, противоположном входу в трубу. Труба прибора приводится в поперечные колебания электромагнитной катушкой, расположенной в центре изгиба трубы. Колебания трубы аналогичны колебаниям камертона. Измеряемая среда, протекающая через трубу, вместе с ней совершает вертикальные колебания. Когда во время первой половины цикла колебания труба движется вверх, то втекающая в нее среда, сопротивляясь этому движению, давит на трубу вниз. Этот силовой вертикальный импульс поглощается при движении среды вокруг изгиба трубы. В это же время вытекающая из трубы измеряемая среда сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения трубы и толкает трубу вверх. Это приводит к закручиванию трубы. Когда во время второй половины цикла колебания труба движется вниз, то силовые импульсы измеряемой среды противоположны и труба закручивается в противоположную сторону. Этот эффект закручивания трубы носит название эффекта Кориолиса. По второму закону Ньютона угол закручивания трубы прибора пропорционален массе среды, проходящей через трубу в единицу времени. Измерение этого угла закручивания происходит следующим путем. С противоположных концов трубы прибора устанавливаются электромагнитные детекторы скорости колебаний трубы. При отсутствии потока через трубу она не закручивается и между сигналами детекторов нет временной разницы. При наличии потока через трубу она закручивается и при этом возникает разность во времени в поступлении двух сигналов по скорости. Измеряется величина этой разности, которая прямо пропорциональна массовому расходу через трубу прибора.

Тепловые расходомеры.

Принцип действия тепловых расходомеров основан на эффекте охлаждения нагретого тела, помещенного в газовый поток. В газовый поток помещаются два сенсора - термосопротивления. Одно из них используется как обычный измеритель температуры газового потока, а другое нагревается проходящим через него током. Сам принцип измерения расхода может реализоваться разными путями. При первом пути ток изменяется так, чтобы разность температур между этими двумя термосопротивлениями сохранялась постоянной. Чем большая масса в единицу времени протекает через нагреваемый сенсор, тем сильнее будет охлаждающий эффект и тем больший ток потребуется для сохранения постоянным разности температур между сенсорами. Измеряемое значение этого тока будет пропорционально массе продукта, протекающего по трубопроводу в единицу времени. При втором пути ток, нагревающий термосопротивление, сохраняется постоянным во времени, а измеряется разница температур между не нагреваемым и нагреваемым термосопротивлениями, которая является функцией массы протекающего продукта.