Измерване на водни дебити в индустриални процеси

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 9/2018 • 09.01.2019

Измерване на водни дебити в индустриални процеси
Измерване на водни дебити в индустриални процеси

В промишлените предприятия водата намира редица приложения – за охлаждане, използване в производствените процеси, за технически цели и др. Точното измерване на дебитите на различни процесни потоци е от критично значение за осигуряване на нормалния експлоатационен режим на оборудването и постигането на оптимална ефективност на завода.

Понякога обаче измерването на водни дебити може да е предизвикателство. Сред факторите, които оказват влияние върху определянето на дебит, са обемът на водата и диаметърът на тръбопровода, липсата на прави тръбни участъци с голяма дължина, съдържанието на примеси, наличието на променливи дебити, както и възможността за монтаж на дебитомери в съществуващи инсталации с минимално нарушаване на работния режим.

Диференциални дебитомери

При този вид уреди стеснен участък в тръбата води до падане на налягането и повишаване на кинетичната енергия вследствие на увеличаващата се скорост на водния поток. Диференциалното налягане се получава от разликата в наляганията преди и при/след стеснението.

Методът за измерване на дебит на база диференциално налягане се прилага в световен мащаб, като според проучвания уредите от този вид отговарят за 21-процентен дял от глобалния пазар на дебитомери. Диференциалните разходомери могат да бъдат използвани както за вода, така и за други течности и газове дори при екстремно високи температури и налягания.

Предлагат се различни конструкционни разновидности, които могат да осигурят оптималното решение за конкретните експлоатационни условия и изисквания на индустриалните потребители. Важни фактори при избора на диференциален дебитомер са падът на налягането, който по правило следва да е малък, дължината на правите входни и изходни участъци, както и разходите.

Диференциалните разходомери могат да бъдат използвани безпроблемно само при определени специфични условия на потока. Нееднородните скоростни профили след препятствия предотвратяват формирането на осовосиметричен профил в гърлото на уреда и по този начин стойностите за диференциалното налягане се променят. Поради това тези дебитомери трябва да се монтират между два прави участъка от цилиндричен водопровод, в които не се наблюдават изменения на диаметъра.

Основен елемент на диференциалните разходомери е предавателят, който трябва да отговаря на няколко изисквания. Той следва да издържа на високото статично налягане във водопровода и да се отличава с висока чувствителност, позволяваща използването му при ниски диференциални налягания, които често са предпочитани, тъй като високите стойности обикновено водят до голяма загуба на налягане.

Освен това предавателят трябва да бъде изграден от химически устойчиви материали, да е лесен за употреба и да включва функции за самостоятелен мониторинг. Предимство е възможността за комуникация чрез smart или fieldbus технологии (PROFIBUS PA, FOUNDATION Fieldbus).

 

Диференциални разходомери с клиновидна диафрагма

Работният принцип на тези уреди за измерване на дебит е относително прост. Те се отличават с V-образен клин, който ограничава площта за преминаване на водния поток. Аналогично на вече описаните диференциални разходомери, скоростта на потока при преминаване през клина нараства, което води до повишаване на кинетичната му енергия. Както е известно, всяко повишение на кинетичната енергия е съпроводено със съответното понижение на потенциалната енергия (статичното налягане).

Това означава, че водният поток непосредствено преди клина е с по-висока потенциална енергия (и по-високо статично налягане) от потока след ограничителя. От двете страни на клиновидното стеснение се разполагат два датчика за налягане, с помощта на които може да се измери диференциалното налягане, възникващо в резултат на дисбаланса в потенциалната енергия. Обемният дебит на водата може да бъде изчислен директно от измерената стойност на диференциалното налягане. Част от загубата на налягане, създадено от ограничителния клин впоследствие се възстановява след разходомера, като кинетичната енергия се преобразува в потенциална.

Този вид дебитомери могат да се използват за прецизно измерване на дебит във всички режими – ламинарен, преходен или турбулентен. Уредите се инсталират лесно, без необходимост от специални инструменти или обучение на техниците.

Тъй като експлоатационните характеристики на диференциалните разходомери с клиновидна диафрагма не зависят от конструкционните особености на водопроводните тръби, не е необходимо те да бъдат монтирани в дълги прави участъци. За приложението им не са необходими и филтри – с тях безпроблемно може да бъде определен дебитът на течности с неразтворени твърди частици и/или неабсорбиран газ, газове, съдържащи твърди частици или течности, както и на наситена свръхпрегрята пара.

Типични приложения на тези уреди са двупосочното измерване на дебит, използването им в индустриални процеси с високи работни налягания и/или температури. Предназначени са и за течности с ниска електропроводимост, вискозни течности и др.

 

Тръби на Пито

Усреднителните тръби на Пито представляват подвижна или фиксирана сонда, която обхваща целия диаметър на процесния водопровод. Външната тръба на сондата има няколко отвора със сензори, разположени на равномерни разстояния един от друг. Общото налягане при всеки от отворите е сума от статичното налягане и налягането, причинено от взаимодействието с протичащата вода.

Тези налягания се усредняват в сондата и така се получава компонентът високо налягане. Разстоянията между отворите гарантират, че получената средна стойност е представителна за скоростта на измервания воден поток по целия диаметър на тръбопровода. Компонентът ниско налягане се генерира от един-единствен отвор с датчик, разположен от срещуположната на посоката на потока страна. Разликата между двете налягания е пропорционална на дебита на потока.

 

Разходомери с променлива площ

Дебитът на газови и течни потоци може да бъде определен лесно и относително точно с помощта на дебитомери с променлива площ (ротаметри). В случая на воден дебит водата се движи във възходящо направление през вертикална конусовидна тръба, чийто диаметър се увеличава в посока нагоре.

Преминаващата вода придвижва нагоре намиращ се в тръбата поплавък до такава височина, че пръстенът, който се получава, да е с площ, водеща до равновесие на силите, действащи на поплавъка. Пръстенът, достъпен за преминаване на водния поток, се изменя в резултат на коничната форма на мерителната тръба с издигането на поплавъка. По този начин височината на поплавъка предоставя информация за дебита. При използване на стъклена мерителна тръба измерената стойност може да бъде отчетена директно от скала.

Важно изискване за измерването е прецизното центриране на поплавъка в мерителната тръба. На пазара се предлагат поплавъци в богато разнообразие от форми. Теглото, формата и материалите, от които са изработени, се адаптират към отделните инсталации. Най-разпространени са сачмените поплавъци, зависимите и независимите от вискозитета поплавъци и тези, предназначени за нисък пад на налягането.

 

Електромагнитни дебитомери

Ако електрически проводник се движи в магнитно поле, което е перпендикулярно на посоката на движение и на проводника, в него се индуцира напрежение, чиято големина е пропорционална на силата на полето и на скоростта на движение. Това е валидно и за случаите на движение на проводима течност в тръбопровод през магнитно поле.

За да може да се приложи този принцип, във водопровода трябва да съществува магнитно поле, а индуцираните напрежения трябва да могат да бъдат измерени без смущения.

Две бобини генерират магнитното поле, което се разпростира през тръбата, освен ако не се наруши от пропускливи конструкционни материали. Аустенитната стомана не възпрепятства магнитното поле и поради тази причина е най-често използваният материал за мерителната тръба в електромагнитните разходомери. Напрежението се измерва посредством два метални електрода, които са в електрически контакт с водата. Минималната проводимост на потока е между 20 и 0,05 mS/cm в зависимост от вида на уреда.

Електромагнитните дебитомери включват сензор и предавател. Определящи фактори за избора на подходящ сензор са неговият материал и видът на процесната връзка. В мерителната тръба електродите и облицовката са в контакт с флуида (вода или друга среда). Поради това тези елементи трябва да са изработени от химически устойчиви материали.

Най-често за облицовката се използват твърд или мек каучук, политетрафлуороетилен (PTFE, тефлон), перфлуороалкокси-полимери (PFA) и керамика, а за електродите най-разпространени са неръждаемата стомана, танталът и платината.

Външната част на уреда включва корпуса, мерителната ръба и тръбните връзки. И в този случай изборът на материал се определя от специфичните инсталационни условия.

По технически причини и за да се осигурят подходящите физически свойства на мерителната тръба, тя трябва да е изпълнена от аустенитна (неръждаема) стомана. Тръбните връзки също обикновено са от стомана или неръждаема стомана, докато корпусът е или от лят алуминий, или от неръждаема стомана.

Прието е електромагнитните дебитомери да се калибрират при температура на околната среда от около 20°C. Ако впоследствие уредът се използва при друга температура, съпротивлението на бобините се променя, а с него и възбудителният ток и магнитната индукция, което води до изменения в сигналното напрежение.

Функцията на предавателя е да усили относително ниските измервани напрежения, да ги отдели от шумовите напрежения и да ги превърне в използваеми сигнали, предоставяйки техните стойности или предавайки ги за последваща обработка. Предлагат се различни конфигурации на предавателя и сензора, които могат да удовлетворят специфичните изисквания на конкретна система за електромагнитно измерване на дебита.

 

Ултразвукови дебитомери

Скоростта на разпространение на звуковите вълни се изменя в зависимост от плътността на дадената среда, т. е. величината й зависи от температурата при течностите и от налягането и температурата при газовете. Времето за разпространение на звуковата вълна се променя, когато и носителят е в движение (скоростта му е сума от скоростта на звука в измерваната среда и скоростта на самата среда).

Този ефект се използва в работния принцип на ултразвуковите разходомери.
Сред ограниченията на тези уреди е фактът, че стойността на измерения дебит през цялото сечение на тръбата е валидна само при осевосиметрични профили на потока. За да се постигнат тези условия, е необходимо дължините на входните и изходните участъци да са в определено съотношение с диаметъра на тръбата.

Ултразвуковите дебитомери се предлагат в два варианта – вградени или захващащи се системи. При първия вид ултразвуковите преобразуватели се монтират в тръбопроводната стена и са в пряк или индиректен контакт с водата. При захващащите се системи ултразвуковите преобразуватели се инсталират от външната страна на тръбопровода. Звуковият импулс трябва да премине през тръбната стена и евентуално наличните покрития два пъти с различни скорости на звука. Затова при монтаж на тези уреди трябва да се отчетат законите на рефракция и отражение.

 

Кориолисови дебитомери

Измерването на масов дебит често се предпочита в индустриалните процеси, тъй като този показател не се влияе от физически въздействия за разлика от обемния дебит – налягането, плътността, температурата и вискозитетът не изменят масата.

Работният принцип на тези уреди е следният: при преминаване на водния поток с определена маса през вибрираща тръба възникват Кориолисови сили, които огъват или усукват тръбата.

Тези малки деформации на мерителната тръба се измерват с помощта на оптимално разположени сензори и се оценяват електронно. Тъй като измереното фазово отместване между сензорните сигнали е пропорционално на масовия дебит, то той може да бъде отчетен директно. Резонансната честота, която възниква, е функция от геометрията на мерителната тръба, свойствата на материала и масата на измерваната среда.

Сред предимствата на кориолисовите дебитомери са много високата точност, възможността за едновременно измерване както на масов, така и на обемен дебит, плътност и температура. Освен това те нямат подвижни части, т. е. не са обект на износване. Недостатъците им са свързани с относително високите първоначални разходи, ограниченото им приложение за многофазни среди или такива с високо съдържание на газ, както и фактът, че наличието на отлагания може да доведе до грешки, особено при измерването на плътност.

Новият Специален брой: Пазарът на металорежещи и металообработващи машини в България/2019

Специален брой: Пазарът на металорежещи и металообработващи машини в България-2019

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top