Головна » Рішення » Галузеві рішення » Автоматизація процесів » Витратоміри
 |
Найважливішим параметром потокових вимірювань є витрата як чисельний показник прямих виробничих витрат на реалізацію технологічного процесу Олександр Горобець |
У практиці супроводу технологічних процесів часто доводиться стикатися з потоковими вимірами, що вимагають:
При використанні вимірювальної арматури в потоковому режимі суттєво змінюються умови оцінки, що пов'язано з поведінкою середовища (зміни температури, в'язкості чи провідності), її змістом (наявність газових утворень та зважених частинок) та характером поведінки у потоці (розподіл, утворення вихрових потоків) і т.д.).
Досі виправданням застосування вітчизняних пристроїв вимірювання витрати в потоці вважалася їхня низька ціна, висока швидкість гарантійного обслуговування та достатня точність, яка забезпечувалася контролем якості у процесі виготовлення та численними стендовими випробуваннями.
Однак на сьогодні не багато вітчизняних виробників можуть собі дозволити вміст сертифікованої лабораторії для контролю якості виробів. Замовлення перевірки пристроїв у державній метрологічній службі або у конкурента — процедура не з дешевих. До того ж практично всі компоненти для збирання вітчизняних пристроїв мають іноземне походження, де якість дешево не купиш.
Висновок напрошується сам. Зібраний на вітчизняному підприємстві пристрій з однаковими з іноземними аналогами експлуатаційними та метрологічними характеристиками коштує дорожче.
На сьогодні на світовому ринку лідери у виробництві витратомірів — Emerson, Endress&Hauser, Schwing, Yokogawa, Heinrichs, KEM, Hosco-Honsberg, SIKA, АВВ, Schmidt Mess-und Regeltechnik, Siemens, Kobold. І щороку на вітчизняному ринку з'являються нові бренди, супровід продукції яких у більшості випадків є неповним (мінімум технічної документації, немає центру сервісної та метрологічної підтримки). Таке положення, поряд із значною ціною кожної одиниці продукції, не може не насторожувати замовника.
Далі у статті на прикладі продукції одного з лідерів ринку витратомірів та «законодавця мод» на ньому — компанії Kobold, будуть розглянуті особливості різних технологій, що реалізуються в сучасних витратомірах.
Найдешевшими, простими та надійними є витратоміри поплавкового типу, або ротаметри, які використовуються для вимірювання невеликих витрат рідин (до 100 м3/год) та газів (до 860 Нм3/год) у вертикальних трубопроводах (діаметром від 4 до 100 мм). Ротаметри можуть мати точність виміру, що досягає +/- 1 % від усієї шкали виміру.
При використанні клапанів з електроприводом та кульових виконавчих механізмів є ймовірність удару поплавця та сідловини трубки ротаметра. Виробник Kobold постійно веде наукові розробки щодо покращення характеристик даного типу витратомірів. Так, вже в 1986 році Klaus Kobold зареєстрував патент «Поплавковий витратомір» (US № 04573361) на витратомір, конструкція якого дозволяє отримати точність вимірювання до 0,5 % від шкали діапазону в межах вимірювання витрати 0,1-5 л/хв і до 1 % при межах вимірювального діапазону 2–20 л/хв і більше. Конструкція витратоміра була додатково удосконалена в 2001 році компанією Kobold Messring («Витратомір» EP № 10507461) — покращилася конструкція частин, що обмежують нижнє положення вимірювального поплавця. Тепер конструкція камери поплавця дозволяє без залипання поплавця працювати в рідинах з дисперсністю частинок до 400 мкм.
У виробництві таких витратомірів компанія застосовує хімічно стійкі матеріали — трогамід, полісульфон, хастелу (корозійностійкий сплав). Елементи пристрою рухаються в робочому середовищі і не мають жорстких механічних конструкцій, зносостійкі, змінюють температуру разом із робочим середовищем, що цілком визначає зменшення їх забруднення.
Зазвичай такі витратоміри забезпечені релейним пристроєм з двома стійкими станами у вигляді безконтактного датчика, який реагує на положення поплавця. Klaus Kobold розробив метод безконтактного вимірювання позиції поплавця в камері витратоміру поплавця «Пристрій для вимірювання через потік потенційно ненавантаженого елемента» (US № 4611105).
Поплавкові витратоміри, що часто використовуються, без компенсації зміни в'язкості здатні викликати помилки до 2500% від дійсного значення. При вимірах малих величин витрати щодо розмаху виміру приладу також є проблема значної помилки виміру (до 500% від реального значення). Спеціальні конструкції витратомірів поплавкового типу Klaus Kobold («Метод та обладнання для вимірювання витрати», US № 04938078, 1990) передбачають компенсацію зміни в'язкості середовища для великих меж зміни в'язкості (1—540 мм2/с) і малих значеннях витрати (до 0,1 л/хв), що так важливо при зміні складу та температури робочого середовища.
Застосування кольорових металів і нержавіючої сталі в конструкції камери поплавця дозволяє використовувати такі витратоміри в потоках з тиском до 350 бар. Недоліки ротаметрів — необхідність їх встановлення на вертикальних трубопроводах, непридатність для вимірювання витрат середовищ із високими тиском та температурою.
У конструкції витратомірів лопатевого типу Kobold застосовується рухома система лопаті, що, на відміну від гнучкої системи, є більш зносостійкою. конструкцією (система не змінює робочих характеристик при залишковій деформації) та менш чутливою до неоднорідності середовища в потоці.
Такі витратоміри здатні вимірювати витрату чистих однорідних рідин (до 4500 м3/год) з невеликою в'язкістю або газів (зі швидкістю потоку до 9 м/с) і можуть успішно використовуватися при тиску середовища до 25 бар та температурі до 120 °C.
Переваги цих витратомірів — пружинний вимірювальний механізм, завдяки якому головний вимірювальний елемент не залежить від сили тяжіння. Тому такі витратоміри можна монтувати у будь-якому положенні. Конструкція змінного сопла (у моделі DPT) та лопаті Kobold дозволяє підвищити точність лопатевого витратоміра у межах вимірювання, що використовуються.
Залучає також можливість монтажу такого пристрою (рис. 1) безпосередньо до стандартного трійника (ГОСТ 8949-75, ГОСТ 8948-75). Наявність пружини в пристрої негативно позначається на лінійності по діапазону вимірювань, а падіння тиску хоч і досить велике, але все ж таки менше, ніж при використанні діафрагми.
Ще один простий та надійний спосіб вимірювання витрати рідких та газоподібних мас – використання лопатевих турбінок, швидкість обертання яких вважається пропорційною витраті. Klaus Kobold в 1986 році розробив свою конструкцію витратоміру такого типу — "Пристрій для вимірювання потоків газу або рідини" (US № 04567777), де забезпечується досить висока точність вимірювання (до 1% від діапазону), мала інерція у вимірювальному каналі.
Такі пристрої малочутливі до фізичних властивостей потоку і не вимагають при монтажі довгих лінійних ділянок (10хDN по входу та 5xDN після пристрою). Значний гідравлічний опір механічної конструкції турбінного витратоміра обмежують спектр його застосування.
Присутність рухомих механічних частин у безпосередньому контакті з середовищем негативно позначається на експлуатаційних характеристиках турбінних витратомірів. Характерними недоліками таких витратомірів є необхідність індивідуального градуювання, а також те, що їх показання значною мірою залежать від щільності середовища.
Зі зменшенням щільності знижується частота обертання турбінки та зростає поріг чутливості [1]. Klaus Kobold у 1983 році роботою «Компенсація інструментальної помилки схеми вимірювання витрати» (US № 4581946) запровадив поправочний коефіцієнт, який враховує методичну помилку вимірювання витрати та дозволяє скоригувати показання витратоміра для певного робочого середовища.
Зміна просторової орієнтації змінює умови роботи підшипників і тому може вплинути на градуювальну залежність, особливо при малих витратах. Конструкція витратомірів Kobold забезпечує незначний момент тертя в підшипниках від загального моменту опору, що дозволяє проводити заміну елементів, що зносилися без перевірки градуювання витратоміра. >
Умови роботи опор дуже важкі — частота обертання турбінок сягає кількох сотень обертів на секунду, тому такий тип витратомірів використовується переважно для вимірювання рідких середовищ, які мають змащувальні властивості.
У виробництві контактних елементів турбінних витратомірів Kobold використовуються полімери Rython для турбіни, а для прокладок ущільнювачів — полімери PFM або Kalrez (зареєстрована торгова марка E. I. Du Pont de Nemours (Co., Wilmington, USA), що дозволяє поєднувати високу стійкість до корозії з низькою вартістю пристрою.
Всупереч вузькому динамічному діапазону, що визначає принцип роботи тангенціальної турбіни, Kobold пропонує широкий спектр моделей для різних значень рідких та газових потоків. Так, для малих витрат рідин (0,013-0,1 л/хв) існує витратомір на основі принципу Пелтона (рис. 3), який використовує вакуум, утворений камерою Пелтона та основним потоком речовини.
Цей принцип також успішно працює з великими потоками середовища (з трубопроводами до DN300), при вимірюванні потоків газу, води, конденсату, низьков'язких вуглеводнів та інших хімікатів. Пристрій необхідно, коли при малих впливах на потік потрібно забезпечити високу точність (0,2–1% від діапазону вимірювання) і динамічний діапазон (до 280:1) вимірювань з лінійністю по діапазону вимірювань (до 1%), при цьому втрата напору потоці менше втрати в турбінних витратомірах.
Встановлення витратоміра вимагає горизонтального орієнтування труб, а також ділянки ламінарного потоку, віддаленого від пристрою (за 24 x DN і 5 x DN після). При виготовленні вимірювального пристрою використовується нержавіюча сталь V4A Supra з високою фізико-хімічною міцністю або титаном.
Турбінка Пелтона виконана з поліпропілену з опорною віссю з вольфраму і сапфіру, що дозволяє використовувати пристрій в контакті з такими хімічно активними речовинами, як сірчана або соляна кислота. У 1996 році Manfred Wenzel передав Klaus Kobold права на конструкцію турбінки «Частина турбінки, що містить вбудований елемент генерації імпульсів» для безконтактної передачі швидкості обертання через пластикову стінку витратоміра (US № 05522268).
Так, для передачі механічної роботи в систему вимірювання в турбінку Пелтона вбудований феромагнітний матеріал, здатний впливати на магнітне поле, створене випромінювачем. Моделі таких витратомірів у Kobold дозволяють працювати з рідким середовищем при температурі до 135 °C і тиску до 345 бар і більше. Робочий цикл пристрою без обслуговування – до 10 років.
У малобюджетних рішеннях використовуються витратоміри з аксіальною турбінкою, подібною до турбіни Пелтона. Для виготовлення лопатей використовуються поліпропілен, поліоксимітілен, для виготовлення осі обертання сапфір або кераміка.
Пристрої з корпусом із нержавіючої сталі дозволяють використовувати такі витратоміри при тиску до 100 бар. Зазвичай, ці пристрої застосовуються для вимірювання чистих рідин з малою в'язкістю. Klaus Kobold зареєстрував патент на конструкцію витратоміра за способом безконтактної передачі про витрату (Патент US № 05099699 «Індикатор витрати, або витратомір», 1992).
Оскільки для безконтактної системи зчитування швидкості обертання лопатей, як і у витратоміра Пелтона, використовується ефект Холла, необхідно, щоб рідини були попередньо очищені від металевих домішок, а також частинок феромагнітних матеріалів. Для забезпечення попереднього очищення в потоці рідини Kobold пропонує використовувати магнітний фільтр MFR, яким пристрій комплектується на вимогу замовника.
Конструкція витратомірів дозволяє виконувати обслуговування за місцем експлуатації без демонтажу несучої частини. Відповідає Директиві Європейської комісії з обладнання, яке використовується під тиском PED 93/27/EC та регламентує використання пристрою для роботи з небезпечними рідкими речовинами.
Ще однією інновацією є розробка витратоміра з інтегрованою заслінкою — «Пристрій, що дозує, і система для точного дозування потоку» (US № 05816448, 1998 р.). Таке рішення дозволяє зменшити запізнення реакції виконавчого механізму зміну витрати, наприклад при зміні тиску в трубопроводі. Універсальний витратомір успішно використовується в системах підтримки співвідношення компонентів, де основні вимоги висуваються до відповідності технологічним рецептурам продукту.
Хороші характеристики динамічного діапазону 1–200 л/год з точністю до 1 % від шкали вимірювання при допустимих змінах в'язкості робочого середовища 5–100 мм2/с може забезпечити поршневий витратомір Kobold. Робочі частини кольорових металів крім довговічності пристрою дозволяють використовувати витратомір при тиску середовища до 40 бар. Рахунок витрати здійснюється безконтактним датчиком з урахуванням ефекту Холла. Рухлива конструкція поршневої системи створює значно меншу втрату напору в основному потоці компонента, що вимірюється.
Простота конструкції, відсутність негативних ефектів у методиці забезпечують високу точність навіть у мініатюрних моделях з нижньою межею вимірювання 0,005 л/хв.
Оскільки для повного обертання поршнів такого витратоміра достатньо прокачати 0,01 см3 речовини, витратомір має вбудований фільтр для очищення середовища від зважених частинок, з розміром комірки 40. Такий тип витратомірів має своє гідне поширення для вимірювання фармацевтичних рідин, ароматизаторів у парфумі та харчовому виробництві, рідких поживних речовин у біологічних агрегатах, рідких газів у хімічному виробництві.
Для вимірювання витрати особливо в'язких мас (до 100 000 мм2/с) застосовуються шестеренні витратоміри, конструкція яких схожа на конструкцію ротаційного насоса. Виконання витратомірів Kobold з корпусом із нержавіючої сталі дозволяє працювати під тиском до 630 бар та 150 °C. Під дією маси, що проштовхується, в шестеренному витратомірі обертаються шестерні, що утворюють суцільну перегородку перед потоком речовини.
Для передачі інформації про швидкість потоку використовується і безконтактна система, а у разі застосування шестерень, що обертаються, з кераміки для передачі положення — ефект Холла (реакція на вбудований магніт). Якщо застосовуються шестерні з нержавіючої сталі, то для індикації положення використовується безконтактний індуктивний датчик. Щоб уникнути помилки, рекомендується вдатися до попередньої магнітної фільтрації. Дана конструкція забезпечує точність вимірювання до 0,3% від вимірювального діапазону, з відхиленням повторних результатів до 0,005% при нижній межі вимірювання 0,008 л/хв.
Є у Kobold і малобюджетні моделі, де матеріалом корпусу і механізму, що обертається, виступає поліоксиметилен, а осі, як і раніше, виконані з нержавіючої сталі. Шестерні витратоміри набули широкого поширення у виробництві пально-мастильних матеріалів (гідравлічні масла, мастильні речовини), полімерних компонентів, клеїв, барвників і лаків.
Природним недоліком шестеренних витратомірів є високий рівень робочого шуму (до 72 Дб), а також втрата напору при обертанні шестерен, що збільшується зі зростанням в'язкості робочого середовища. Проблему шуму цілком вирішує використання гвинтових витратомірів. Застосування такого типу пристроїв дозволяє отримати менші втрати потоку за великого діапазону зміни в'язкості 1—5000 мм2/с.
Конструкція гвинтових витратомірів розрахована на вимірювання речовини з високою щільністю та швидкістю потоку. Такий тип витратомірів застосовується для високоточного вимірювання витрати високовискозних, а також рідин, що підігріваються. Особливо широке застосування для лакофарбових, дозувальних, нафтопереробних та клей-подаючих установок.
Представлений модельний ряд Kobold забезпечує верхню межу до 2000 л/хв. Роликопідшипникова конструкція кріплення обертових елементів витратоміру Kobold дозволяє мінімізувати втрати і при обертанні гвинта. Конструкція гвинтового витратоміра менш чутлива до дрібних частинок речовини, ніж турбінний або шестеренний витратомір, проте використання фільтра тут також необхідне.
Завдяки виключно високій точності вимірювань витратоміра (до 0,3 %) така конструкція набула великої популярності серед лідерів ринку. Швидкість обертання обертових частин вимірюється безконтактним індуктивним датчиком. Конструкція гвинтового витратоміра Kobold цілком ремонтопридатна і не має «глухих» вузлів. При супроводі такого продукту у Kobold можлива заміна датчика рахунку, підшипникових опор гвинта, що обертається, і ущільнювальних прокладок, якими вироби комплектуються на вимогу замовника. /p>
