Расходомеры

Расходомеры

История расходомеров начинается с 1797 года, когда итальянский ученый Джованни Баттиста Вентури опубликовал работу в области гидравлики: исследование об истечении воды через короткие цилиндрические и расходящиеся насадки. В 1887 американским учёным К. Гершелем был предложен водомер, названный именем Вентури. Известна трубка Вентури для измерения скорости в воздушном и водяном потоке и для создания вакуума в авиационных гироскопах. В 1962 г. инженер Хейнрих Кюблер изобрёл магнитный выключатель, позволивший разрабатывать и изготавливать приборы для измерения уровня жидких и сыпучих материалов. Следом за ним были разработаны поплавковые магнитные выключатели, телеметрические датчики уровня и байпасные указатели уровня.

Ультразвуковая модификация расходомера была придумана Юрием Александровичем Ковалем, преподавателем кафедры основ радиотехники Харьковского национального университета радиоэлектроники. Патент на турбинный расходомер был выдан в 1970 г сотрудникам НИИ теплоэнергетического приборостроения СССР.

Продукция Вестмедгрупп охватывает весь спектр приспособлений для интенсивной терапии, в частности, расходомеры Flowmeter, признанного производителя измерительного оборудования.

Расходомеры - технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода.

Существует много различных признаков, по которым можно классифицировать расходомеры (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.). Однако наиболее общей является классификация по принципам измерений, по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера (датчика).

1. Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.

2.Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада — ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела.

3.Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).

4.Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.

5.Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.

6.Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы движущейся с линейным или угловым ускорением жикости.

7.Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.

8.Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися частицами (Допплера).

9.Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока.

Расходомеры – это комплектующие принадлежности к медицинским газам. В медицинской сфере расходомеры устанавливаются на: газораспределительную консоль, криогенный газификатор, шприцевой насос, на систему газораспределительного централизованного больничного оборудования.

Значительная часть серийно выпускаемых расходомеров имеет класс точности (приведенную погрешность) 1—1,5 %. Если принять, что измерения преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная погрешность этих измерении составляет 2—3 %. С учетом же влияния раз-личных дестабилизирующих факторов действительная погрешность будет еще больше.

В то же время для эффективного управления технологическими процессами в нефтяной, газовой, химической отраслях промышленности, энергетическими и транспортными установками, для учетных операций уже сегодня требуется на порядок более высокая точность измеренийрасхода. Именно это обстоятельство обусловливает необходимость создания и внедрения расходомеров, имеющих класс не хуже 0,1—0,3 %.

Характерная особенность расходоизмерительной практики — чрезвычайно широкая номенклатура измеряемых веществ, имеющих различные физико-химические свойства — плотность, вязкость, температуру, фазовый состав и структуру. Поэтому в этой области измерений особенно остро стоит проблема создания приборов инвариантных (малочувстви-тельных) к физико-химическим свойствам измеряемых сред, к неинформативным параметрам входного сигнала.

Изыскание новых принципов стабилизации функции преобразования, использование систем автоматической коррекции показаний, введения поправок — таковы основные направления технического поиска решения этой проблемы.

Конструктивно в общем случае расходомеры состоят из первичного преобразователя – измерительной части и вторичного преобразователя – электронного блока. По конструкции первичных преобразователей их можно разделить на следующие виды:

полнопроточные, первичный преобразователь которых встраивается непосредственно в поперечное сечение трубопровода;

погружные, первичный преобразователь которых вставляется в трубопровод через отверстие. Данные приборы, в зависимости от конструкции, возможно монтировать/демонтировать без снятия давления в трубопроводе;

с накладными первичными преобразователями, монтируемые непосредственно на внешней поверхности трубопровода - только ультразвуковые расходомеры.

Основным видом соединения полнопроточных расходомеров с трубопроводом является фланцевое. При этом существует две его разновидности:

традиционное фланцевое соединение, когда проточная часть расходомера имеет фланцы на входе и выходе, которые болтами или шпильками прикручиваются к ответным фланцам трубопровода;

 сэндвичевое соединение, когда проточная часть расходомера своих фланцев не имеет, а зажимается между ответными фланцами трубопровода с помощью длинных шпилек.

 Обе разновидности фланцевого соединения одинаково надежны, однако, сэндвичевое соединение требует большей аккуратности при выполнении сварочных работ и монтаже расходомера. С другой стороны, стоимость расходомеров с сэндвичевым соединением значительно ниже, чем с фланцевым по причине меньшей металлоемкости.

Полнопроточные расходомеры точнее всех определяют среднюю скорость потока, так как производят измерения по всему сечению потока. Соответственно они имеют более низкую погрешность измерений, вплоть до ±0,2…0,5% измеряемой величины. Точность измерения расхода массовыми кориолисовыми расходомерами практически не зависит от профиля потока, что позволяет добиться погрешности измерения массового расхода порядка ±0,1…0,2% измеряемой величины.

Погружные расходомеры производят измерения скорости потока в одной точке. Средняя скорость потока определяется в них на основании существующих теоретических и экспериментальных зависимостей распределения скоростей потока по сечению трубопровода. Различные возмущающие воздействия приводят к искажению профиля потока, что не может не сказываться на результатах измерения этими приборами. На данный момент погрешность измерений погружных расходомеров составляет порядка ±1…2% шкалы и существенно зависит от правильности их установки.

Ультразвуковые расходомеры измеряют скорость потока в одной или нескольких плоскостях сечения потока в зависимости от количества первичных преобразователей, что определяет их погрешность измерений расхода, составляющую ±1…3% измеряемой величины. Погрешность данных приборов также зависит от правильности и места установки первичных преобразователей.

По компоновке расходомеры могут быть:

интегрального исполнения – вторичный преобразователь монтируется непосредственно на первичном преобразователе;

разнесенного исполнения – вторичный преобразователь монтируется на некотором удалении от первичного и соединяется с ним кабелем.

В большинстве случаев целесообразнее применять расходомеры в интегральном исполнении. Однако, существует ряд факторов, при наличии которых используют расходомеры в разнесенном исполнении:

высокая температура измеряемой среды;

высокая температура окружающей среды в месте установки расходомера;

высокая вибрация трубопровода;

возможность затопления места установки расходомера (для таких случаев первичные преобразователи, как правило, имеют водонепроницаемое исполнение IP68);

затрудненный доступ к месту установки расходомера.

На многих производствах существуют взрывоопасные зоны, в которых из-за утечек и испарения горючих веществ находятся или могут возникать взрывоопасные газовые среды. В таких зонах необходимо применять расходомеры во взрывозащищенном исполнении.

Наибольшее распространение получили два вида взрывозащиты расходомеров: искробезопасная цепь – данный метод подразумевает, что при возникновении искры в электрических цепях прибора ее мощности будет недостаточно для воспламенения взрывоопасной смеси;

взрывонепроницаемая оболочка – данный метод подразумевает, что электрические цепи прибора помещены в специальную особо прочную оболочку. При этом не исключается контакт электрических цепей со взрывоопасной смесью и возможность ее воспламенения, но гарантируется, что оболочка выдержит возникшее в результате взрыва избыточное давление, т. е. вспышка не выйдет за пределы взрывонепроницаемой оболочки.

Рекомендации по выбору расходомера

Классификация задач измерения расхода

По функциональному назначению задачи измерения расхода в промышленности условно можно разделить на две основные части:

задачи учета:

– коммерческого;

– оперативного (технологического);

задачи контроля и управления технологическими процессами:

– поддержание заданного расхода;

– смешивание двух и более сред в определенной пропорции;

– процессы дозирования/наполнения.

Задачи учета предъявляют высокие требования к погрешности измерений расхода и стабильности работы расходомера, т. к. его показания являются основанием для расчетных операций между поставщиком и потребителем. К задачам оперативного учета относятся такие применения, как межцеховой, внутрицеховой учет и т. д. В зависимости от требований, предъявляемых к данным задачам, возможно использование расходомеров более простой конструкции с большей погрешностью измерений, чем при коммерческом учете.

Задачи контроля и управления технологическими процессами весьма разнообразны, поэтому выбор типа расходомера зависит от степени важности и требований, предъявляемых к данному процессу.

По условиям измерения задачи определения расхода можно классифицировать следующим образом:

измерение расхода в полностью заполненных (напорных) трубопроводах;

измерение расхода в не полностью заполненных (безнапорных) трубопроводах, открытых каналах и лотках.

Задачи измерения расхода в полностью заполненных трубопроводах являются стандартными, и большинство расходомеров предназначены именно для данного применения. Задачи второй группы являются специфичными, т. к. требуют, в первую очередь, определения уровня жидкости. Причем, в зависимости от типа лотка или канала, определение расхода возможно через измеренный уровень на основе теоретически доказанных и экспериментально подтвержденных зависимостей расхода жидкости от уровня. Однако, существуют применения, где наряду с измерением уровня жидкости в канале, лотке или не полностью заполненном трубопроводе необходимо определение и скорости потока.

Измерение расхода жидкостей

Для измерения расхода жидкостей в промышленных условиях целесообразно применять электромагнитные, ультразвуковые, массовые кориолисовые расходомеры и ротаметры. Кроме того, в ряде случаев оптимальным решением может быть применение вихревых расходомеров и расходомеров переменного перепада давления.

При выборе приборов для измерения расхода электропроводящих жидкостей и пульп в первую очередь рекомендуется рассмотреть возможность применения электромагнитных расходомеров.

В силу своих конструктивных особенностей, разнообразия материалов футеровки и электродов данные приборы имеют широкую область применения и используются при измерении расхода следующих сред:

общетехнические среды (вода и др.);

высококоррозионно активные среды (кислоты, щелочи и др.);

абразивные и адгезионные (налипающие) среды;

гидросмеси, пасты и суспензии с содержанием волокон или твердой фазы более 10% (масс.).

Высокая точность измерения (± 0,2…0,5% измеряемой величины), малое время отклика (до 0,1 с в зависимости от модели), отсутствие движущихся частей, высокая надежность и длительный срок службы, минимальное обслуживание – все это делает полнопроточные электромагнитные расходомеры оптимальным решением задач измерения расхода и учета количества электропроводящих сред в трубопроводах малого и среднего диаметра.

Погружные электромагнитные расходомеры широко применяются в задачах оперативного контроля и технологических процессах, где не требуется высокая точность измерений, а также при измерении расхода в трубопроводах больших диаметров (> DN400) и скорости потока в открытых каналах и лотках.

Ультразвуковые расходомеры в основном применяются для измерения расхода неэлектропроводящих сред (нефть и продукты ее переработки, спирты, растворители и др.). Полнопроточные расходомеры применяются как в узлах коммерческого учета, так и для управления технологическими процессами. Погрешность измерения данных приборов, в зависимости от исполнения, составляет порядка ± 0,5% измеряемой величины. В зависимости от принципа измерения среда должна быть чистой (времяимпульсные расходомеры) или с содержанием нерастворенных частиц и/или нерастворенного воздуха (доплеровские расходомеры). В качестве примера сред для второго случая можно указать гидросмеси, суспензии, буровые растворы и др.

Расходомеры с накладными датчиками просты в монтаже и, как правило, применяются для оперативного учета и в неответственных технологических процессах (погрешность порядка ±1…3% шкалы) или в применениях, где нет возможности установки полнопроточных расходомеров.

Массовые кориолисовые расходомеры, в силу своего принципа измерения, могут измерять расход практически любых сред. Данные приборы отличаются высокой точностью измерений (± 0,1…0,5% измеряемой величины при измерении массового расхода) и высокой стоимостью. Поэтому кориолисовые расходомеры в первую очередь рекомендуется применять в узлах коммерческого учета, процессах дозирования/наполнения или ответственных технологических процессах, где необходимо измерять массовый расход среды или контролировать сразу несколько параметров (массовый расход, плотность и температуру).

В качестве материалов измерительных трубок в массовых расходомерах используются, как правило, нержавеющая сталь, сплав Hastelloy, поэтому данные приборы не годятся для измерения высококоррозионно-активных сред. Также на точность измерения расхода массовыми расходомерами сильно влияет наличие нерастворенного газа в измеряемой среде.

Ротаметры применяются для измерения малых расходов. Класс точности данных приборов, в зависимости от исполнения, варьируется в пределах 1,6…2,5.

В качестве материалов измерительной трубки используются нержавеющая сталь и фторопласт PTFE, что позволяет применять ротаметры для измерения расхода коррозионно-активных сред.

Металлические ротаметры также позволяют измерять расход высокотемпературных сред. Необходимо отметить, что измерение расхода адгезионных, абразивных сред и сред с механическими примесями с помощью ротаметров невозможно. Кроме того, существует ограничение по монтажу данного типа расходомеров: их установка допускается только на вертикальных трубопроводах с направлением потока измеряемой среды снизу вверх. Современные ротаметры, кроме индикаторов, могут оснащаться микропроцессорным электронным модулем с выходным сигналом 4…20 мА, счетчиком суммарного количества и конечными переключателями для работы в режиме реле потока.

Несмотря на то, что вихревые расходомеры разрабатывались специально для измерения расхода газа/пара, их возможно применять также для измерения расхода жидких сред. Однако, в силу их конструктивных характеристик, наиболее рекомендуемыми применениями данных приборов в задачах оперативного учета и контроля технологических процессов, являются: измерение расхода высокотемпературных жидкостей с температурой до +450 °С; измерение расхода криогенных жидкостей с температурой до -200 °С; при высоком, до 25 МПа, технологическом давлении в трубопроводе; измерение расхода в трубопроводах большого диаметра (погружные вихревые расходомеры). Жидкость при этом должна быть чистой, однофазной, с вязкостью не более 7 сП.

Измерение расхода газа и пара

В отличие от жидкостей, которые условно можно считать практически несжимаемыми средами, объем газовых сред существенно зависит от температуры и давления. Поэтому при учете количества газов оперируют объемом и расходом, приведенными либо к нормальным условиям (T = 0 °C, P = 101,325 кПа абс.), либо к стандартным условиям (Т = +20 °С, Р = 101,325 кПа абс.).

Таким образом, для измерения количества газа и пара наряду с объемным расходомером необходимы датчики давления и температуры, либо плотномер, либо массовый расходомер, а также вычислительное устройство (корректор или другой вторичный прибор с соответствующими математическими функциями). При регулировании расхода газов в технологических процессах зачастую ограничиваются измерением одного лишь объемного расхода, но для точного регулирования также необходимо определять расход при нормальных условиях, особенно в случае значительных колебаний плотности газа.

Наиболее часто для измерения расхода газа и пара применяется метод переменного перепада давления (ППД), причем в качестве первичных преобразователей расхода традиционно используются сужающие устройства, в первую очередь – стандартная диафрагма. Основными преимуществами расходомеров ППД является беспроливная поверка, невысокая стоимость, широкий диапазон применений и большой опыт эксплуатации. Тем не менее, данный метод обладает и весьма серьезными недостатками: квадратичной зависимостью перепада давления от расхода, большими потерями давления на сужающих устройствах и жесткими требованиями к прямым участкам трубопровода. В результате в настоящее время как в России, так и во всем мире имеется четкая тенденция по замене расходомерных комплексов с сужающими устройствами на расходомеры с другими принципами измерения. Для трубопроводов малых и средних диаметров сейчас существует широкий выбор различных методов и средств измерения расхода, но для трубопроводов диаметром 300…400 мм и выше альтернатива методу ППД практически отсутствует. Избавиться от недостатков традиционных расходомеров ППД с сужающими устройствами, сохранив при этом преимущества самого метода, позволяет использование в качестве первичных преобразователей расхода осредняющих напорных трубок серии Torbar, а в качестве средств измерения перепада давления (дифманометров) – цифровых датчиков разности давления серии EJA/EJX. При этом потери давления уменьшаются в десятки и сотни раз, прямые участки сокращаются в среднем в 1,5…2 раза, динамический диапазон по расходу может достигать 1:10.

В последнее время более широкое применение для измерения расхода газа и пара находят вихревые расходомеры. По сравнению с расходомерами переменного перепада давления они обладают более широким динамическим диапазоном, меньшими потерями давления и прямыми

участками. Наиболее эффективны данные приборы в задачах учета, прежде всего коммерческого, и в ответственных задачах регулирования расхода. Использование расходомера со встроенным датчиком температуры либо стандартного расходомера совместно с датчиками температуры и давления позволяет определить массовый расход среды, что особенно актуально при измерении расхода пара.

Однако данные приборы в силу особенностей своего принципа измерения не применяются для:

измерения расхода многофазных, адгезионных сред и сред с твердыми включениями; измерения расхода сред с малыми скоростями потока.

При малых и средних скоростях потока для измерения расхода газов широко применяются ротаметры. Данные приборы рассчитаны на работу как с высокотемпературными, так и с коррозионно-активными средами и широко используются в различных исполнениях. Однако как указывалось выше, ротаметры монтируются только на вертикальных трубопроводах с направле-нием потока снизу вверх и не применяются при измерении расхода адгезионных сред и сред с содержанием твердых включений, в том числе абразивных.

При необходимости непосредственного измерения массового расхода газа также применяются массовые кориолисовые расходомеры. Однако при применении данных приборов измерение плотности и, соответственно, расчет объемного расхода невозможны, т. к. плотность газов ниже минимального значения диапазона измерений плотности данных расходомеров. С учетом высокой стоимости данных приборов их применение рекомендуется в наиболее ответственных процессах, где критичным параметром является массовый расход среды.

Сводная таблица применения различных типов расходомеров

Тип расхода

Пар

Газы

Жидкости

Давление
измеряемой
среды

Вязкость

С меха-
ническим

Расходомеры переменного перепада
давления

O

O

O

O

X

X

O

O

O

O

Электромагнитные расходомеры

X

X

X

O

O

O

O

O

O

O

O

O

X

X

O

Вихревые расходомеры

O

O

O

X

O

X

X

X

X

X

O

O

O

O

Ультразвуковые
расходомеры

время-пролетные

X

O

O

O

X

X

X

O

O

O

O

доплеровские

X

X

X

X

O

O

O

O

O

O

O

O

O

Ротаметры

O

O

X

O

X

O

O

O

X

X

X

O

O

O

O

Массовые кориолисовые 
расходомеры

O

O

O

O

O

O

X

O

O

O

O

O

O

O

Механические счетчики

X

O

X

O

O

X

X

X

X

O

O

Обозначение и стандарты на дюймовые и трубные резьбы

Наиме­нование

Российский стандарт

Зарубежные стандарты

Российское обозначение

Зарубежные обозначения

Параметры резьбы

Угол профиля

Kонусность (2 tg φ)

Условный проход

Число ниток на 1"

Трубная цилинд- рическая резьба

ГОСТ 6357-81

ISO R228 (между­народный)

DIN 259 (Европа)

BS 2779 (Велико­британия) 

JIS B 0202 (Япония)

G 1/2"

G 1/2"
1/2" BSP
PF 1/2" (Япония) 
R 1/2" Tr (Велико- британия)

55°

1/8" 

28

1/4"

19

3/8"

1/2"

14

3/4"

1"

11

1 1/4"

1 1/2"

2"

2 1/2"

3"

3 1/2"

4"

5"

6"

Трубная коническая резьба

ГОСТ 6211-81

ISO R7 (между­народный)

DIN 2999 (Европа)

BS 21 (Велико­британия) 

JIS B 0203 (Япония)

R 1/2" (наружная) 
Rc 1/2" (внутренняя коническая)
Rp 1/2" (внутренняя цилин­дри-ческая1))

R 1/2" 
1/2" BSPT
PT 1/2" (Япония)

55°

1:16

1/8" 

28

1/4"

19

3/8"

1/2"

14

3/4"

1"

11

1 1/4"

1 1/2"

2"

2 1/2"

3"

3 1/2"

4"

5"

6"

Kоническая дюймовая резьба с углом профиля 60°

ГОСТ 6111-52

ANSI B1.20.1 (США)

К 1/2"

1/2" NPT

60°

1:16

1/16" 

27

1/8"

18

1/4"

3/8"

14

1/2"

3/4"

11,5

1"

1 1/4"

1 1/2"

3"

Унифициро­ванная цилиндри- ческая дюймовая резьба с крупным шагом

ANSI B1.20.1 (США)

1/2" UNC

60°

1/4" 

20

5/16"

18

3/8"

16

7/16"

14

1/2"

13

9/16"

12

5/8"

11

3/4"

10

7/8"

9

1/2"

8

Унифициро­ванная цилиндри- ческая дюймовая резьба с мелким шагом

ANSI B1.20.1 (США)

1/2" UNC

60°

1/4" 

28

5/16"

24

3/8"

7/16"

20

1/2"

9/16"

18

5/8"

3/4"

16

7/8"

14

1"

12

1)         Согласно ГОСТ 6211-81 допускается внутреннюю резьбу муфты выполнять цилиндрической по ГОСТ 6357-81.

2)         Обозначения, наименования и свойства полимерных материалов