Разходомери за течности и газове

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2009

Разходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газовеРазходомери за течности и газове

Част I. Специфики на разходомери с променлив пад на налягане, турбинни и вихрови разходомери

   Трудно, да не кажем невъзможно, е да се намери индустриално производство, в което не се налага да се измерва разходът на флуиди. За да се контролират и управляват технологичните инсталации, е необходимо да се измерват количествата на входните и изходните потоци. По този начин могат да се отчетат обобщени характеристики, характеризиращи работата на инсталацията, като производителност, себестойност, ефективност, а и все по-актуалните напоследък екологични показатели. Затова и измерването на параметъра разход е сред най-разпространените, наред с температурата, налягането и нивото на запълване на определен съд.
Обект на настоящата статия са методите за измерване дебита на течности и газове в тръбопроводи с кръгло сечение и под налягане.

Обемен и масов дебит
Разходът на флуид през тръбопровод се дефинира като скоростта на преминаване на определено количество вещество през дадено напречно сечение. Измерват се два вида дебит – обемен и масов. Обемният дебит се изчислява по формулата: Fv = dV/dt, където Fv е обемен разход; V – обем на флуида, а t – време. Съответно за масовия разход е в сила равенството: Fm = dm/dt, където Fm е масовият разход, m – масата на флуида, а t - времето.
Връзката между обемния и масовия разход се определя с израза: Fm = r . Fv , където r [kg/m3] е плътността на даденото вещество.
Най-често използваните единици за измерване на обемния разход са m3/h, m3/s, l/h, cm3/s и др., а за масовия са t/h, t/s, kg/h, kg/s и др. Изброените единици се използват от разходомерни устройства, които служат за измерване на моментния разход. Ако се налага измерването на газове, полезно от практическа гледна точка е да се знае количеството вещество, което се съдържа в даден обем газ. Характеристиката е важна и поради съществената зависимост на плътността на газовете от температурата и налягането. Затова, обикновено, обемната единица за газове е „нормален кубически метър” [Nm3]. Резултатите от измерването се привеждат към нормални условия (температура 20° С и налягане 101 325 Ра).
Съществуват и прибори, които отчитат натрупано количество, наричани
интегратори на разход или броячи на разход
Единиците, които те използват, са съответно m3, l, cm3 и др. - за натрупан обем, и t, kg и др. - за натрупана маса.
Интеграторите на разход са удобни, когато е необходимо да се отчита количеството флуид за определен период от време – денонощие, седмица, месец и т.н. Повечето от съвременните конструкции разходомери могат да отчитат и двата типа разход – моментен и натрупано количество.

Приложимост на различните измервателни методи
Използването на различните методи за измерване на разход и на съответстващите им първични преобразуватели, респективно разходомерни устройства, се предопределя от следните основни фактори:
l Физически свойства и характеристики на флуида (температура, налягане, вискозитет и др.);
l Химически и биохимически свойства и характеристики;
l Диаметър на тръбопровода;
l Конструкция на тръбопроводната система (хоризонтална, вертикална, наклонена, наличие на прави участъци и т.н.);
l Изисквания по отношение точността на измерване.
Всеки метод за измерване на разход се характеризира с типични особености, които задължително трябва да се отчитат при прилагането му за всеки конкретен случай.

Разходомери с променлив пад на налягане
Използват се диафрагми, дюзи, тръби на Вентури и тръби на Пито. Те функционират на базата на един от най-разпространените методи за измерване на разход в промишлеността. Действието на разходомерите с променлив пад на налягане (pressure drop) се основава на зависимостта между разхода на флуида и пада на налягане, създаван от специални стесняващи (диафрагми, дюзи, тръби на Вентури) или други устройства, монтирани в тръбопроводите или в техни елементи. Уредите, използващи стесняващи устройства, могат да се срещнат и под наименованието „дроселни разходомери”. Подходящи са за:
l Измерване разхода на течности, газове, пари и колоидни разтвори (б.ред. разтвори, близки по физически свойства до еднофазни течности и газове) в хоризонтални, вертикални и наклонени тръбопроводи с кръгло сечение и диаметър, равен или по-голям от 50 mm;
l Приложения, в които измерваното вещество запълва изцяло напречното сечение на тръбопровода - преди и след стесняващото устройство, както и когато кондензатът или механичните примеси (прах и утайки), носени от флуида, не се наслагват върху стесняващото устройство;
l Флуиди, които не изменят фазовото си състояние (разтвореният в течността газ не се отделя от нея; течността не се изпарява; влажният газ остава с неизменна относителна влажност) при преминаване през стесняващото устройство;
Измерване разхода на замърсени с механични примеси агресивни течности, нефтопродукти, химически и биологично активни среди и прахосъдържащи газове, при които падът на налягане се осъществява чрез специални стесняващи устройства – сегментни диафрагми, диафрагми с ексцентрично разположен отвор и др.
Стесняващите устройства играят роля на първичен преобразувател на разходомерите с променлив пад на налягане. Те преобразуват измерваната величина - разход, в пад на налягане. Той се подава към следващия преобразувател, който най-често е диференциален манометър.
Според конструкцията и месторазположението на отвора, стесняващите устройства се подразделят на:
диафрагми, дюзи и тръба на Вентури
Стандартните дроселиращи устройства се характеризират с достатъчно точно определени параметри, по експериментален път. Те се наричат нормални дроселиращи устройства (нормални диафрагми, нормални дюзи и нормални тръби на Вентури). Най-голямо приложение в практиката са намерили нормалните диафрагми.

Диафрагми
Стандартната диафрагма представлява тънък диск с кръгъл отвор с диаметър d, оста на който съвпада с оста на тръбопровода (фиг. 1). При преминаване на флуида през диафрагмата се изменя налягането и средната му скорост. Ако с А-А се означи сечението на тръбопровода, от което диафрагмата започва да влияе на потока, то от него струята започва да се стеснява, скоростта да нараства, а налягането да намалява. Вследствие на инерцията, струята продължава да се стеснява и на някакво разстояние след диафрагмата. Ето защо мястото на най-голямото стеснение на струята ще се намира в сечение В-В. Установено е, че разстоянието между сечението А-А и диафрагмата не надвишава диаметъра на тръбопровода, а разстоянието от диафрагмата до сечението В-В е приблизително равно на 0,50 d.
В някои източници на подобна фигура се изобразява налягане от входната страна на диафрагмата, което е по-високо от налягането Pa. Това се дължи на ефекта на т.нар. ударно налягане. Както е видно от фигурата, по продължение на участъка от А-А до В-В средната скорост на потока нараства от Va до Vb. Съответно, нараства и кинетичната енергия на потока. То е за сметка на потенциалната енергия и налягането намалява от Pa до Pb.
След сечение В-В, струята започва да се разширява и при достигане на сечение С-С отново достига стените на тръбопровода. Този процес е съпроводен с намаляване на скоростта и нарастване на налягането. В сечението С-С скоростта Vc ще стане равна на Va, ако се приеме, че плътността на средата не се е изменила, но налягането Pc ще бъде по-малко от Pa. Причината е в значителните загуби на енергия в мъртвите зони, намиращи се зад диафрагмата. В тях възниква силно вихрообразно движение. Загубата на налягане Pa - Pc представлява от 30 до 90 % от пада на налягане DP=Pa–Pb и намалява с увеличаване на относителния диаметър на диафрагмата.
Функционалната зависимост между разхода Fv и пада на налягане DP се получава от две уравнения: на Бернули и за непрекъснатостта на потока, чрез несложни преобразувания. Крайният му вид изглежда така: Fv = cv.ЦDP, където cv е коефициент, зависещ от диаметъра на тръбопровода, хидравличното съпротивление на стеснението и др. Видно е, че връзката между разхода и пада на налягане не е линейна, а квадратична, което е един от недостатъците на метода.

Измерителни дюзи
(фиг. 2). Представляват дроселно устройство с кръгъл отвор, който има плавно стесняваща се входна част и цилиндрична изходна част. Използват се два вида дюзи: стандартни и дюзи за измерване на разхода на флуиди при малки стойности на критерия на Рейнолдс.

Дюза (тръба) на Вентури
(фиг. 3). Има плавно стесняваща се входна част, цилиндричен участък и конична изходна част. Дюзите на Вентури се изработват с дълга или скъсена (горната половина на фиг. 3) изходна част. При дългата дюза на Вентури (долната половина на фиг. 3) най-големият диаметър на изходния конус е равен на диаметъра на тръбопровода.
От фиг. 2 и фиг. 3 е видно, че дюзите имат по-сложен профил, изработването им е трудно, което обяснява и по-ограниченото им използване. Предимствата им спрямо диафрагмите са по-малката загуба на налягане и по-високата точност на измерване. Намират приложение за тръбопроводи с диаметър от 50 до 500 mm.
Елементи на разходомерите с променлив пад на налягане
За изграждането на цялостен разходомер, към посочените до момента стесняващи устройства следва да се свържат импулсни линии (тръбопроводи с минимален вътрешен отвор 8 мм, служещи за предаване на наляганията преди и след дроселирането), спирателни и дренажни вентили, байпасен вентил и диференциален манометър. Понякога се използват и допълнителни устройства, като газосборници, утаители, кондензатори и разпределителни съдове.
Във функцията на диференциален манометър най-често се използва dP трансмитер с унифициран изходен сигнал. Обикновено във вторичната част на измервателната система (вторичен прибор, управляваща система, програмируем контролер и др.) се извършва линеализиране на показанието, корекция на разхода по температура и налягане, както и интегриране на количеството флуид.

Универсален метод с висока точност
Основни предимства на метода, базиран на стесняващи устройства, е относителната простота на първичния преобразувател и отсъствието на движещи се елементи. Друго преимущество е универсалността на метода – използва се за течности, газове и пара (с избор на правилно стесняващо устройство). Сред плюсовете му са и възможността да използването на този тип разходомери за много големи тръбопроводи (най-вече с диафрагми), както и за много високи стойности на налягането и температурата. Вече бе посочено, че методът е приложим при произволно разположение на тръбопровода. Исторически, методът е сред най-старите, а с времето този тип разходомери са получили широко разпространение и унификация.
Съвременните dP трансмитери се отличават с много висока точност, а дроселиращите устройства се изчисляват чрез специализиран софтуер, което е предпоставка за висока точност на разходомера като цяло. Постигането на грешка под 1% за горната половина от измервателния обхват (от 50 до 100%) не е трудно. За постигане на още по-висока точност и чувствителност в първите 30% от скалата се използва схема с два трансмитера, като единият от тях е настроен на по-малък обхват.

Нелинейна характеристика и по-скъпа поддръжка
Сред недостатъците на този тип разходомери са неизбежната загуба на налягане и нелинейната характеристика на измерване. Друг недостатък са по-големите изисквания за наличие на прави участъци, преди и след стесняващото устройство. Понякога те достигат до 30 пъти D20 преди и над 5 пъти D20 след дроселирането. Например, за един тръбопровод с D20=600 mm това изисква над 21 метра прав участък, което не винаги е изпълнимо.
От друга страна, използването на дренажни, спирателни и байпасни вентили усложнява и оскъпява поддръжката. Наличието на дори и на минимално изпускане на флуида рязко влошава точността, а запушването може да компрометира напълно резултатите от измерването.
При измерване на разхода на замръзващи течности, импулсните линии и трансмитерът се налага да бъдат отоплявани и термоизолирани. Това, освен че изисква по-висока първоначална инвестиция, води и до консумацията на допълнителна енергия за отопление през студения сезон.

Тръба на Пито
В групата на разходомерите с променлив пад на налягане спадат и моделите с първичен елемент тръба на Пито (Pitot). Тя е наречена на френския инженер Анри Пито, който я изобретява през 1732 г. Тръбата на Пито се изработва във вид на сонда, която се вмъква през отвор в тръбопровода, диаметрално и перпендикулярно на оста му. На фиг. 6 са показани примерни монтажи на сондата в тръбопровод, както и свързване към тривентилна батерия.
Напречното сечение на сондата би могло да има различна форма – повечето от водещите производители на разходомери са патентовали собствените си разработки. На фиг. 7 е показан подобен разрез, като с 1 е означен отворът срещу, а с 2 - отворите по посока на движението на флуида (т.е. отвор 1 се свързва към камера „+”, а отвори 2 към камера „-” на dP трансмитера).
Измерването на разхода е подчинено на посочената вече зависимост, характерна за всички разходомери с променлив пад на налягането, с тази разлика, че моделите с тръба на Пито работят с много по-малки стойности на диференциалното налягане. Оттук произтича и основното им преимущество спрямо разходомерите с диафрагми – много малка загуба на налягане. Други предимства са по-лесният и по-евтин монтаж, а също така и възможността за ревизия на сондата (при някои версии) дори и под налягане, без да се изолира основния тръбопровод.
Към недостатъците на метода, освен загубата на налягане (макар и много малка), може да се добави и повишената чувствителност към замърсявания на измервания флуид, а също и необходимостта от използване на по-чувствителен dP трансмитер.
Разходомерите с тръба на Пито се приемат като ефективно решение и са приложими за много високи температури и налягания. Произвеждат се от повечето водещи производители на контролно-измервателни прибори и обикновено работят с максимална грешка от 0,75%. Тя се приема за много добра стойност за индустриални приложения.

Турбинни разходомери (turbine flowmeters)
Принципът им на действие се основава на преобразуване скоростта на флуида в скорост на въртене на преобразователен елемент, представляващ турбина. От своя страна, скоростта на турбината се преобразува в електрически импулси. Предлагат се и модели, при които с помощта на редуктор и броячен механизъм скоростта на турбината се преобразува директно в цифри, показващи количеството вещество.
Турбинните разходомери се изработват с винтова (аксиална) - фиг. 8, или тангенциална турбина - фиг. 9. Разходомерите от първия тип се използват за измерване на големи разходи, а от втория - за сравнително малки разходи.
Аксиалният ротор на турбинния разходомер, показан на фиг. 8, има формата на многоходов винт. Броят на лопатките с винтова форма варира от 4 до 24. При малък диаметър на турбинката, броят на лопатките е малък (от 4 до 6), но дължината им е относително голяма. При големите диаметри броят на лопатките се увеличава съществено (до 20-24), а дължината им се ограничава.
Честотата на въртене на ротора n е пропорционална на средната скорост на потока Vср и обратно пропорционална на стъпката I на лопатките, т.е.: n = (k .Vср) / I , където k е коефициент на пропорционалност. Разходът би могъл да се изрази като: Fv = S .Vср, където S е напречното сечение на потока (т.е. на тръбопровода). Тогава: n = (k . Fv) / I . S = k1 . Fv. Следователно, честотата на въртене е правопропорционална на разхода, респективно и на обема на измерваната течност. От формулата не е трудно да се стигне до извода, че честотата на въртене зависи от вискозитета на измерваната течност. За течности с вискозитет над 12.10-6 m/s използването на турбинните разходомери е нежелателно.
За тангенциалните турбинни разходомери се извежда аналогична зависимост между разхода и честотата на въртене. Характерни за тях са две конструкции – едноструйни (фиг. 9, вляво) и многоструйни (фиг. 9, вдясно). В едноструйните потокът на общата струя действа върху лопатките на турбинката тангенциално от едната й страна. В многоструйните уреди потокът се разделя в направляващ апарат на няколко отделни струи, които действат тангенциално от всички страни на ротора. Устройството на едноструйните разходомери е по-елементарно, но условията на работа на лагерите им са значително по-тежки.
Показаният на фиг. 8 аксиален турбинен разходомер е предназначен за механично отчитане на измервания обемен разход. Конструкцията е била в употреба дълги години и е създала предубеждение по отношение на точност на този тип прибори. Причината е, че грешката от измерването рядко е била под 2%. В съвременните конструкции се използва тахометрично устройство за измерване на честотата на въртене на подвижния елемент. То се състои от две самостоятелни части - тахометричен преобразувател на честота на въртене на вала в честота на импулсите и измервател на честотата на тези импулси. Подобна конструкция, реализирана с модерни електронни компоненти, на практика не товари измервателния вал и осигурява висока точност от 0,5%.
Въпреки че методът е универсален – може да се използва както за течности, така и за газове, той има редица съществени недостатъци за индустриални приложения. Първият е, че продължителната работа води до механично износване на движещите се елементи, което влошава метрологичните характеристики на приборите. Вторият недостатък е, че турбинните разходомери трябва да работят с флуиди, които не съдържат абразивни или склонни към отлагане компоненти.

Вихрови разходомери
(Vortex flowmeters). Образуването на вихри в поток от флуид се смята за нежелателно явление от гледна точка измерването на разход. Но това явление има и положителна страна – именно тя се използва като база за работа на вихровите разходомери. С цел образуването им, в потока флуид се въвежда препятствие, чрез което принудително се създават вихри (фиг. 10).
Функционирането на вихровите разходомери се базира на явление, наречено „вихрово изхвърляне”. То се наблюдава, когато поток от флуид (газ, течност или пара) е насочен срещу обтекаемо тяло. Граничният слой на флуида не може да следва контурите на тялото и се откъсва от неговата повърхност, при което се образуват вихри. Те се отнасят от течението (фиг. 10) по начин, известен като „вихров път на Карман” (Karman vortex street), наречен на името на унгарския инженер Теодор фон Карман, открил през 1912 г. явлението. Вихрите се откъсват последователно от всяка страна на обтекаемото тяло с честота, пропорционална на скоростта на течението.
Честотата на вихрите се улавя като импулси, от капацитивни, пиезо- или друг вид сензори, обработва се по електронен път и се преобразува в сигнал (аналогов или цифров), съответстващ на измерения разход.
Формулата, по която се получава обемният разход, е: Fv = K . f, където f е честотата на вихрите, а K е константа, зависеща от диаметъра на тръбопровода. За идеалния вихров разходомер е в сила критерият на Струхал. Винценц Струхал е чешки физик, открил явлението, че една струна започва да трепти при обтичането й с въздух. Това явление може да се наблюдава при автомобили и сгради, като създаденото свистене на въздуха зависи силно от скоростта на вятъра. Критерият на Струхал гласи, че числото на Струхал (St) следва да се запазва константно в широк диапазон на изменение на стойността на Рейнолдс. За St е в сила зависимостта: St = (f х d)/v, където f е честотата на вихрите, d е диаметърът на обтичаното тяло, а v е скоростта на флуида. В процеса на конструирането им, вихровите разходомери се изследват експериментално за определяне зоната на валидност на критерия на Струхал (фиг. 11).

Измерват течности, газ и пара
Честотата на вихрите не се влияе от промени в налягането, температурата, вискозитета или плътността на флуида. Затова един и същ прибор би могъл да се използва за измерване на течност, газ или пара, което е сред най-сериозните предимства на този тип разходомери. Друго важно предимство на вихровите разходомери е улесненият им монтаж. По това си качество те са много сходни с електромагнитните разходомери - на фланци, между фланци и т.н. (фиг. 12), но леко им отстъпват по отношение на точността. Според някои маркетингови проучвания, в бъдеще вихровите разходомери ще заемат все по-голям дял от пазара на електромагнитните разходомери, главно заради способността си да измерват непроводими флуиди. Аналогично на електромагнитните разходомери, и при вихровите съществува версията тип сонда, която е изгодно решение за много големи тръбопроводи, с известен компромис по отношение на точността (грешката при тях е около 3%).
Вихровите разходомери имат сериозни предимства спрямо вече описаните уреди с променлив пад на налягане, а именно: линейна зависимост от разхода, нищожна загуба на налягане, улеснен монтаж и по-висока точност. Все още им отстъпват по отношение на стойностите на максималните налягания и температури, но тези им характеристики непрекъснато се подобряват. Серийно произвеждани вихрови разходомери за температура 400 °C или за налягане 40 бара вече не се приемат за “екзотика”.
Някои производители на разходомери предлагат интересен модел – т.нар. спирални вихрови разходомери (фиг. 13). Потокът от флуид, преминавайки през специално конструиран многоходов винт на входа на прибора, се завихря силно и частиците му се движат по траектория във вид на спирала. Честотата на вихрите отново е пропорционална на скоростта на потока и се отчита посредством сензори, които са аналогични на използваните при обикновените вихрови разходомери. На изхода на прибора се поставя друго устройство, което ламинизира потока. Преимущество на този тип разходомери е, че грешката е много малка (под 0,5%). Също така те имат много по-ниски изисквания към правите участъци от тръбопровода (3 пъти диаметъра преди и 1 път диаметъра след прибора), но като правило цената им е по-висока, и то съществено.

Статията продължава в следващ брой
на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top