Разходомери за течности и газове

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2010

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

Част II. Ултразвукови, кориолисови и термоанемометрични разходомери

  В двете части на статията - от миналия и настоящия брой на сп. Инженеринг ревю, разглеждаме най-разпространените методи за измерване разхода на флуиди в промишлени условия. Всеки от тях има своите специфики и изисква определена конструкция на измервателния прибор и/или тръбопроводната система. Намирането на работещо инженерно решение при избора на измервателно средство за конкретно приложение, налага детайлно познаване характеристиките на различните видове разходомери. В много от случаите това решение е оптимален компромис между цена, точност, надеждност, разходи за монтаж и поддръжка, загуби на налягане и пр.
В настоящия материал ще предстаим ултразвуковите, кориолисовите и термоанемометричните разходомери.

Ултразвукови разходомери
Подобно на вихровите и електромагнитните разходомери, ултразвуковите (УЗР) измервателни прибори се използват в индустриални приложения през последните 20-30 години. Заслуга за това има развитието на електрониката, чиято елементна база претърпя бурно развитие в посока навлизане на цифровите технологии.
Съществуват два основни вида ултразвукови разходомери. Работата на първите се базира на измерване на времето за преминаване, а на вторите - на Доплеровия ефект.

УЗР, използващи времето на преминаване
Според резултатите от направени проучвания, този вид разходомери са по-разпространени. На фиг. 1 е показан принципът им на действие, който - както е видно, е много елементарен. Нека си  представим, че трябва да пресечем река с лодка, но не точно на отсрещния бряг, а малко встрани. Тогава, тръгвайки от т. А за т. В, течението на реката ще помага в някаква степен. Нека времето за достигане от т. А в т. В да е равно на t1. После, ако тръгнем по обратния път, т.е. от т. В за т. А, тогава течението ще възпрепятства преминаването и необходимото време вече ще е t2. Очевидно е, че t1<t2.
На основата на същия принцип работи и ултразвуковия разходомер, показан на фиг. 2.
В точките А и В на описаната по-горе схема обикновено се монтират пиезоелектрически излъчватели-приемници. Изискването е те да лежат в една равнина с оста на тръбопровода. Първоначално датчикът в т. А излъчва ултразвукова вълна, а този в  т. В я приема, като уредът засича времето t1. След това сензорът в т. В излъчва сигнал, а този в А го приема. Измерва се времето t2. На основата на получените резултати лесно се пресмята, че: t1= L / (C0 + Vm .cosj), а t2= L / (C0 - Vm .cosj). Във формулите с L е означено разстоянието между точките А и В; C0 е скоростта на ултразвука в конкретната среда, а Vm – скоростта на потока.
Ако се означи Dt = t1 - t2  и ако се вземе под внимание, че Vm / C0 >>1, то: Dt = 2LVm.cosj.(1 / C02).
От формулата би могло да се направи констатацията, че разликата между времената е правопропорционална на скоростта на потока, а следователно и на разхода на флуида.

Основно предимство на УЗР е линейността
Основно предимство на метода е линейната зависимост между разхода на флуида и разликата между измерените времена. Използването на този тип разходомери не води до смущаване на потока. Други предимства са отсъствието на загуби на налягане, завихряния и т.н. Ултразвуковите разходомери нямат подвижни части, измерването не зависи от физико-химическите свойства на флуида. Сред възможностите им е да измерват течности и газове.
Предлагат се в типоразмери от DN15 до 3000 мм и повече (най-големите диаметри са приложими, например, при измерване количеството на димните газове в комин на ТЕЦ). За малките диаметри обикновено се използва едностранен монтаж, като се използва отражението на ултразвуковата вълна от отсрещната страна на тръбопровода.
Едно от най-големите преимущества на ултразвуковия метод е, че на негова база са разработени и се предлагат разходомери, които могат да бъдат монтирани без нарушаване целостта на тръбопровода. Този факт е от особена важност за редица специални случаи, в които инсталацията не може да бъде изолирана, както и когато е необходимо използването на преносим разходомер за временно измерване. В подобни приложения сензорите се закрепват външно към тръбопровода посредством специални скоби (версия clamp-on). Тези разходомери обикновено работят с по-голяма грешка (2-3%). Използваните честоти на ултразвука са в диапазона 200 kHz – 1.25 MHz.
Наред с предимствата, методът има и редица недостатъци. Например, съществува ограничение в работната температура на флуида от -25 до +100 °C, за някои специални изпълнения и до +180 °C. УЗР са много чувствителни към замърсявания и отлагания върху стените на тръбопровода.
По отношение на версиите с външни сензори провеждането на измерване би могло да е невъзможно, дори и при наличие на корозия от вътрешната страна на тръбопровода (получава се т.нар. разсейване на вълната).

УЗР с доплеров ефект
В промишлени условия, флуидите често имат различни включвания – твърди частици или капчици конденз (при газовете). Те могат да направят невъзможно измерването на дебита с УЗР, работещ с време на преминаване. Причината е появата на дифракция на ултразвуковите вълни при съприкосновението си с включванията. Именно тези включвания обаче, създават условия за работа на ултразвуковите разходомери, която се базира на доплеровия ефект.
Той представлява промяната в приеманата от наблюдателя честота или дължина на вълната, когато източникът и/или наблюдателят (приемникът) се движат по дадено направление, един срещу друг. Честотата се увеличава, когато източникът и наблюдателят се доближават и намалява, когато се отдалечават.
Ако показаната на фиг. 1 схема е само с единия излъчвател (например А), то: f1 – f2 = 2.v.f1.cosj.(1/C0) , където: f1 е излъчената честота на предавателя; f2 е честотата на приемането, а v – скоростта на твърдата частица, от която се отразява вълната (тази скорост е равна на скоростта на потока).
Принципът на работа на доплеровите разходомери накратко би могъл да бъде описан по следния начин: излъчвателят излъчва кратък импулс ултразвукова вълна, след това приема отражението й, като измерва разликата в честотите.
Предимство на описания метод е, че доплеровите разходомери се отличават с по-елементарна конструкция (работят само с един сензор излъчвател-приемник). За разлика от това обаче, те са по-ненадеждни в сравнение с разходомерите, използващи времето на преминаване. Също така съществува изискване за минимален размер на частиците от 200 микрометра. Начините за инсталиране и монтаж са подобни на УЗР с време на преминаване.

Кориолисови разходомери
Всички описани вече разходомери измерват обемния разход на даден флуид. Когато обаче, е необходимо да се измери масовият разход, се определя обемният разход, като допълнително се отчита плътността или налягането и температурата. Кориолисовите разходомери измерват директно масовия разход. Функционират на основата на т.нар. жироскопичен принцип. Първият разходомер, който използва този принцип е патентован от компанията Micro Motion (понастоящем Emerson Process Management) през 1977 г.
Редно е да се отбележи, че са правени редица неуспешни опити да се конструира разходомер, който работи на основата на втория закон на Нютон (F = m x a), но измерването на силата и ускорението в затворени тръбопроводи за момента се оказва трудна и все още ненадеждно решена за промишлени условия задача.
Известно е, че във всички системи, които се въртят спрямо точка, се образува кориолисова сила, вследствие на радиалното движение на масата в системата. На фиг. 3 може да се види как едно тяло с маса m, което е разположено в центъра на въртящ се диск и се движи към неговата периферия, би могло да измине радиално най-краткия път, ако реагира на силата, която се стреми да отклони тялото от правия път. Кориолисовите сили възникват винаги, когато са налице едновременно двете движения – въртеливо и линейно-постъпателно.

Пресмятане на кориолисовата сила
Кориолисовата сила се пресмята от израза: Fc = m.ac = 2.m.w.v , където: m е масата на тялото, kg; w - ъгловата скорост на тялото, rad/s;  v - радиална скорост на тялото,
m/s; ac – m/s2.
Повечето кориолисови разходомери са с конструкция с “S”-  или с “U”-образно огънати тръби (фиг. 4), за да се облекчи създаването на вибрации, но за малки диаметри се предлагат и уреди с прави тръби.
Нека разгледаме фиг. 5. Потокът флуид преминава през една или две огънати тръби, които са подложени на принудителни вибрации от специален електромагнит - фиг. 5а. По този начин системата от тръби се привежда в резонанс посредством възбуждане. В случай че не протича флуид, сензорите А и В отчитат усуквания на тръбата, които съвпадат абсолютно. Ако е налице разход на флуид се появява допълнително усукване на тръбата, което е вследствие на възникналите кориолисови сили - фиг. 5.б и 5.в. Те се дължат на едновременното линейно (премествайки се по тръбата) и кръгово (поради вибрацията на тръбата) движение на частиците на флуида.
Масата на флуида, протичащ през тръбната система, ще получи странично ускорение от кориолисовата сила. Това ще доведе до изкривяване на формата на вибриране на входа и на изхода на измервателните тръби. Следователно, сензорите А и В ще отчитат усуквания, които са отместени по фаза - фиг. 6. Фазовата разлика е толкова по-голяма, колкото по-голям е масовият разход на протичащия флуид. При използване на две тръби се улеснява отчитането на вибрациите – двете тръби трептят противоположно, тъй като се доближават и отдалечават - фиг. 7.

Отличават се с висока точност на работа
Кориолисовите разходомери се отличават с редица преимущества. Освен че измерват директно масовия разход, те са изключително точни прибори. Повечето модели работят с максимална грешка 0,2%, но се предлагат и уреди с грешка 0,1% и дори с 0,05%. Този вид разходомери не изискват необходими прави участъци преди и след уреда. Измерването в определени граници, не се влияе от проводимостта, вискозитета, плътността, температурата, налягането и профила на потока. Имат и широк динамичен диапазон на работа, достигащ до 1000:1.
Чрез кориолисовите разходомери е възможно да се измерва сравнително лесно и плътността на флуида. Тъй като измервателните тръби са подложени на резонансни вибрации при промяна на плътността на флуида, микропроцесорът в уреда настройва честотата така, че отново да е налице резонанс. От пряката връзка честота-плътност, уредът би могъл да генерира сигнал, съответстващ на плътността.

По-скъпи и чувствителни към вибрации
Както електро-магнитните, вихровите и ултразвуковите разходомери, имащи интегрирани микропроцесори, така и кориолисовите уреди разполагат с интегратор на разход с индикация и импулсен изход за натрупано количество.
Кориолисовите разходомери притежават и редица недостатъци. Те имат по-висока цена, отличават се със сложна конструкция, по-голяма маса и по-труден монтаж.
Като най-удачен материал за изработка на измервателните тръби се приема титанът (устойчив е на корозия и на явлението умора на материала), който е доста скъп. Някои по-изгодни в ценово отношение версии се изработват от хастелой. Сравнително скъпи са и сензорите, отчитащи преместването на тръбите. Обикновено се използват оптични сензори, работещи в наносекундния обхват.
Серийно произвежданите прибори, които се предлагат на пазара са с размери от DN1 до DN200 или DN250. Съществуват също ограничения по температура (до 300 °C) и по налягане на произвежданите прибори. Кориолисовите разходомери са чувствителни и по отношение на вибрациите, които се пренасят по тръбопроводите. За някои модели е необходима и периодична настройка на нулата.

Термоанемометрични разходомери
Представляват друг вид прибори, измерващи масов разход. Основно (с много малки изключения) се използват за измерване дебита на газове. Методът им на работа се основава в промяната на интензивността на топлообмена между едно нагрято тяло и охлаждащия го (и обдухващ) газ. Той протича през измервателната част на прибора, като обдухва две термосъпротивления Pt 100 - фиг. 8. Едното се използва като конвенционален измервател на температура, а другото - като нагревател. Температурният преобразувател измерва актуалната процесна температура, докато нагревателният поддържа константна температура, която е по-висока от тази на измервания газ (с около 40-60 °C). При увеличаване на количеството на протичащ газ, се увеличава отдадената топлина от нагревателния елемент. За да поддържа той постоянна своята температура следва да консумира повече енергия. Увеличението на енергията е правопропорционално на масовия разход на газа.

Принцип на работа на термоанемометър
Отделената топлина се дължи най-вече на конвективния топлообмен с газа. Следва да се има предвид обаче, че съществува една малка част от топлината, която се отделя кондуктивно (през механичните части на прибора), както топлина, която се излъчва лъчисто.
При стационарни условия на работа, температурата на нишката, свързана с тока I, протичащ през нея и падът на напрежението в двата й края, се задава с израза: I2.R(tw) = I . U = h . S (tw – tf) + Qзаг. Във формулата: R(tw) е електрическото съпротивление на нишката в зависимост от температурата й на загряване tw; h е коефициент на топлоотдаване при напречно обтичане на нишката, зависещ от скоростта на течението v; S – площ на нишката; tf – температура на флуида, а Qзаг – топлинни загуби (отдадена топлина освен конвективно).
Съпротивлението на металната нишка се променя в зависимост от температурата, съгласно израза: R = R0(1 + a. tw) , като R0 е температура на сензора при 0 °C; а
a - температурен коефициент на съпротивление на сензора. От своя страна, коефициентът на топлоотдаване h е функция на скоростта на потока, съгласно закона на Кинг: h = a + b.vc , като a, b и c са коефициенти, получени при калибриране. Ако приемем, че загубите са пренебрежимо малки, т.е. Qзаг ~ 0, то: v = {[I2 . R0(1 + a. tw) / S . (tw – tf) . b] – a / b}1/c, c ~ 0,5.
Следователно, полезният сигнал за един термоанемометър се явява токът през нишката или падът на напрежение през нея - фиг. 9.

Термоанемометри за течности
Съществуват различни електронни схеми за измерване на полезния сигнал, като най-традиционно използвани са мостовите схеми. Градуировъчните им характеристики се определят по опитен път за различните видове флуиди. Затова термоанемометрите намират приложение най-вече за измерване разхода на газове.
За измерване скоростта на течности се използват термоанемометри с нанесен тънък слой от платина или никел върху стъклена подложка с клиновидна или цилиндрична форма. Температурата на нагряване на сензора трябва да е съобразена с цел недопускане на изпаряване или кипене по повърхността му.
За размери на тръбопроводите над DN200 е разработена конструкцията тип сонда. Това превръща термоанемометрите в икономически изгодно решение за големите размери тръбопроводи. Друго тяхно преимущество е, че могат да се използват и за тръбопроводи с правоъгълно сечение.

Изискват равномерен скоростен профил на потока
Много от специалистите по автоматизация подценяват термоанемометрите като точност на работа, но повечето уреди от водещи производители работят с максимална грешка 1,5% от пълната скала (или по-малка, след специално калибриране). Други преимущества на тези прибори са отсъствието на движещи се части, както и фактът, че те оказват незначително съпротивление на потока и динамичният им диапазон е достатъчно широк - 100:1.
Недостатък на термоанемометрите е специалното им изискване за профил на потока. Протичащият газ трябва да има равномерен скоростен профил в измервателния участък. Това налага използването на прави участъци от 15D преди прибора, при наличие на коляно до 50D преди прибора, при наличие на регулираща арматура. Тези тежки изисквания могат да се редуцират чрез специална ламинираща решетка. Тя представлява диск с множество отвори, който се монтира преди разходомера и създава равномерен скоростен профил на потока по цялото сечение на тръбопровода. Използването на ламинираща решетка естествено води до допълнителна загуба на налягане, но тя е съизмерима със загубата, създавана от дългите прави участъци.
Термоанемометрите са чувствителни към наличие на твърди частици или капчици конденз в измервания газ.

Разходомери в процес на усъвършенстване
Разходомерите за флуиди в тръбопроводи под налягане покриват широка област от контролно-измервателните прибори. Освен разгледаните типове, съществуват и много други, които по редица причини са намерили ограничено използване в индустрията или са останали в развойните лаборатории. Днес звучат екзотично уреди като лазерен доплеров анемометър, разходомер с ядрено-магнитен резонанс, напречен корелатор и др., но в бъдеще някои от тях може би  ще навлязат повсеместно в индустрията, благодарение на прогреса в автоматизацията.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top