Скачать статью

«Для обеспечения взрывобезопасности воздухоразделительной установки система
контроля и автоматики должна обеспечивать постоянный контроль количества
сливаемого жидкого криогенного продукта с учетом требований технической
документации завода-изготовителя» п. 959 Правил безопасности химически
опасных производственных объектов, утв. Приказом Ростехнадзора от
07.12.2020 N 500

Измерение расхода – важная часть технологических процессов. Необходимо для контроля безопасности технологических процессов, таких как разделение воздуха, тонкая очистка газов или выплавка металла, для коммерческого учёта расхода среды, для приготовления смесей газов динамическим методом и для исследовательских целей.

Интерес к определению расхода потока жидкости зародился за тысячи лет до нашей эры в Египте, где орошение было жизненно важным видом деятельности для выживания. Вероятно, первым примитивным счетчиком воды, использовавшимся египтянами около 3 тыс. лет назад, была грубая оценка расхода по уровню воды над гребнем плотины. Другим древним прибором, связывающим расход воды и время, является клепсидра - конический сосуд с малым отверстием в дне, через которое капает вода (рис.1). Промежутки времени были отмечены по уровню воды в сосуде.

Рис 1. Эскиз клепсидры

Активное развитие расходомеров берёт своё начало с XVII века, когда Евангелиста Торричелли (1608–1647) определил соотношение напора и скорости истечения жидкости из отверстия. Далее огромный вклад в развитие гидродинамики, и в частности измерение расхода, внёс Даниил Бернулли (1700-1782). Он вывел закон сохранения механической энергии для идеальной несжимаемой жидкости, согласно которому сумма потенциальной энергии, кинетической энергии и энергии давления постоянна для потока несжимаемой жидкости:

где ρ – плотность жидкости; v – скорость потока; h – высота; g – ускорение свободного падения; p – давление.

Позднее Анри Пито (1695-1771) предложил устройство для измерения скорости воды, которое сегодня известно как трубка Пито. Джованни Батиста Вентури (1746-1822) вывел следствие из закона Бернулли, согласно которому давление потока жидкости или газа падает, проходя через зауженную часть трубы.

Эффект Вентури может быть использован для измерения объёмного расхода Q, если учесть, что объёмный расход равен произведению скорости потока v на площадь поперечного сечения трубопровода A. откуда

где A¹ и A² – площади поперечного сечения в широкой и зауженной частях потока, соответственно; p¹ и p² – давления в широкой и зауженной частях потока.

Позднее Клеменс Гершель (1742–1830) воплотил эффект Вентури в реальном расходомере, назвав его трубой Вентури (рис. 2). Параллельно развивались механические расходомеры. Рейнхард Вольтман (1757–1837) для измерения расхода в речных потоках использовал многолопастный вентилятор (рис. 3). Этот расходомер дал старт классу турбинных расходомеров. В период 1850–1900 годов было выдано больше патентов на изобретения, касающихся измерения расхода, чем на любую другую сопоставимую отдельную область техники. В XX веке с развитием электроники и техники появилось множество новых типов расходомеров, таких как тепловые, ультразвуковые, вихревые и др.

Рис.2. Патент на расходомер Вентури

Рис.3. Расходомер Вольтмана

Современные расходомеры можно классифицировать по принципу действия следующим образом:

Механические счётчики расхода

Это расходомеры, в которых энергия движущегося потока преобразуется в механическую энергию системы. Механические счётчики расхода - обычно используемый в быту вид расходомера. Механические счётчики расхода бывают скоростные (тахометрические) и объёмные. Основной элемент скоростных счётчиков представляет собой вращающуюся в потоке жидкости турбину (рис. 4) или крыльчатку, угловая скорость которой пропорциональна скорости потока и, соответственно, расходу. Объёмные же расходомеры пропускают определенный объём среды за один рабочий цикл. Объёмные расходомеры делятся на поршневые, мембранные и шестерёнчатые.

Рис.4 Механические счетчики расхода а) турбинный; б) шестеренчатый"

Преимущества:
1. Простота и дешевизна конструкции;
2. Не требуется источник питания.

В компании «Мониторинг Вентиль и Фитинг» большое внимание уделяется измерениям (мониторингу) расхода наряду с измерениями других технологических параметров. Одним из примеров объемного метода измерения расхода сжатого газа можно назвать «умный моноблок» MV&F (рис.5), который оснащен автономной системой телеметрии давления, позволяющей отслеживать давление газа и мгновенный расход газа из моноблока по скорости падения давления на заданном временном промежутке. Эта система обеспечивает сбор данных о текущем значении давления в моноблоке и передает эту информацию в облачное хранилище через встроенный GSM – модем. Вычисление первой производной от функции изменения давления позволяет получателю данных из облачного хранилища легко вычислить расход. Получать данные о состоянии моноблока можно удалённо через любое устройство с выходом в сеть интернет. Интернет вещей позволяет решать массу полезных практически важных задач от обеспечения коммерческих расчетов до поддержания безопасного состояния промышленного оборудования. Система телеметрии также позволяет настроить отправку SMS оповещений на заданные телефоны о превышении/понижении заданного заранее значения давления.

Рис.5. "Умный моноблок MV&F"

Расходомеры переменного перепада давления

Стандартные сужающие устройства

Расходомеры переменного перепада давления (РППД) основаны на зависимости разницы давлений, создаваемой конструкцией расходомера, от расхода. Самым распространённым видом РППД являются расходомеры с сужающим устройством. В качестве стандартных сужающих устройств согласно ГОСТ 8.586.1 используются: диафрагмы, сопла, трубы Вентури. В таких расходомерах в узком сечении скорость газа увеличивается соответственно, по закону Бернулли, снижается давление. Расход измеряется по разнице давления на входе в сечении 1 и давления в узком сечении потока 2 (рис. 6).

Рис.6. Схема течения несжимаемой жидкости через диафрагму

Измерительные диафрагмы отличаются значительными потерями давления из-за замкнутой циркуляции жидкости в застойных областях перед диафрагмой и ниже по течению после нее. Поэтому для снижения потерь используются сопла и трубы Вентури. Расходомер Вентури представляет собой цилиндрический входной участок, коническое сужение, горловину и конический диффузор (рис.7). Отбор давления происходит на входном участке и горловине

Рис.7. Геометрический профиль трубы

Е - диффузор; С - горловина; В - сужающаяся коническая часть; А - входной цилиндрический участок; F - плоскости соединения элементов трубы Вентури

Преимущества:
1. Простота конструкции;
2. Широкий диапазон измеряемых расходов, рабочих давлений и температуры жидкости или газа;

Недостатки:
1. Потери давления (особенно у диафрагмы);
2. Малый динамический диапазон (1:3..1:5);
3. Необходимость в длинных прямолинейных участках до и после расходомера (20..40 Ду);
4. Чувствительность к механическим загрязнениям.

Конусный расходомер (V-cone)

Расходомерами типа РППД с сужающим устройством являются также конические расходомеры (V-cone). В таких расходомерах поток обтекает конусный элемент (рис.8). Измеряется перепад давления между статическим давлением потока и давлением в области пониженного давления за конусным элементом. Отличительная особенность таких РППД это отсутствие необходимости в длинных прямолинейных участках трубопровода перед расходомером, так как конусный элемент выступает в качестве выпрямителя потока.



Рис.8. Конусный расходомер V-cone

Напорные трубки

Также в РППД используются напорные трубки, такие как трубка Пито или осредняющая напорная трубка. С помощью напорных трубок измеряется разница полного давления (напора) и статического давления потока. Трубка Пито представляет собой Г-образную трубку, направленную напротив направлению потока, таким образом измеряя полное давление в определённой точке сечения (рис. 9).

Принцип действия осредняющей трубки (рис. 10) основан на измерении разности перепада давлений между полным давлением потока измеряемой среды и статическим давлением, возникающим при обтекании потоком осредняющей трубки. Осредняющая трубка имеет ряд отверстий (количество отверстий определяется моделью трубки и диаметром трубопровода), распределенных по ее длине симметрично относительно середины. Один ряд отверстий расположен навстречу потоку и воспринимает полное давление измеряемой среды, другой ряд отверстий, расположенных с противоположной стороны трубки, воспринимает только статическое давление в трубопроводе. Осредняющая трубка расположена перпендикулярно оси потока по всей длине внутреннего диаметра трубопровода. Внутри трубки имеется две камеры, в которых происходит осреднение соответствующих давлений по сечению трубопровода.



Рис.9.Трубка Пито



Рис.10. Осредняющая напорная трубка

Преимущества:
1. Простота монтажа в трубопровод;
2. Низкие потери давления;
3. Возможность измерения в трубопроводах большого диаметра
Недостатки:
1. Чувствительность к механическим загрязнениям.
2. Сравнительно малый динамический диапазон (до 1:10)

Дроссельные трубки

В случаях, когда потеря давления потока не существенна для технологического процесса, в качестве элемента, создающего перепад давления может использоваться дроссельная трубка. Например, если системе используется снижение давление с помощью регулятора давления,

то потери давления до регулятора давления не существенны. Дроссельная трубка представляет собой трубу малого диаметра, длина и диаметр которой подобраны так, чтобы создаваемый перепад давления при необходимом расходе мог быть зарегистрирован датчиками давления, входящими в состав установки без использования дополнительного датчика дифференциального давления. В таком случае расход рассчитывается по падению давления на дроссельной трубке. Такой принцип используется в установке MV&F для очистки гелия высокого давления (рис. 11) применительно к измерению расхода гелия, проходящего через криосорбционный фильтр. В данном случае дроссельная трубка также выступает в качестве дополнительного ограничителя максимального расхода через криосорбционный фильтр. Калибруется данный расходомер, как расчетным путем, так и с помощью расходомера Кориолиса.



Рис.11. Установка очистки гелия MV&F с дроссельным измерительным устройством расхода

Расходомеры постоянного перепада давления (Ротаметры)

В расходомерах данного типа в качестве чувствительного элемента используется поплавок, помещенный в вертикальную коническую расходящуюся вверх трубку (рис. 12). Измеряемый поток жидкости или газа проходит через трубку снизу-вверх и поднимает поплавок. Чем выше поплавок, тем больше площадь вокруг него, через которую может течь поток. Поднявшись настолько, что сила тяжести уравновешивает подъёмную силу со стороны потока, поплавок останавливается. Таким образом, перепад давления на поплавке остаётся постоянным и каждому положению поплавка соответствует определённый расход.



Рис.12. Схема ротаметра

Преимущества:
1. Простота конструкции;
2. Не требуется источник питания;
3. Возможность измерить небольшие объемы газов и жидкостей в трубопроводах с малым диаметром;
4. Низкие потери давления;
Недостатки:
1. Сложность автоматизации снятия показаний;
2. Ограничения по максимальному давлению и температуре измеряемой среды;
3. Сравнительно низкий динамический диапазон ( до 1:10)
4. Необходимость установки в вертикальный участок трубопровода.

В продукции «Мониторинг Вентиль и Фитинг» ротаметры активно используются для измерения расхода газов в газовых щитах и установках. Ротаметры A-Flow используются для измерения и регулирования расхода продувочного газа механических уплотнений центробежных и поршневых (рис.13) насосных установок.



Рис.13. Ротаметр в системе продувки поршневой насосной установки

Для увеличения рабочего давления ротаметра поплавок помещают в металлическую немагнитную измерительную трубку, обычно из алюминия или нержавеющей стали. Для передачи положения поплавка в таком случае используется магнитное взаимодействие поплавка и стрелочного указателя (рис. 14).



Рис.14. Принцип магнитной передачи положения поплавка на стрелочный указатель

Ротаметр со стрелочным указателем A-Flow используется в водородном манифольде MV&F (рис. 15).





Рис.15. а) Водородный манифольд





Рис.15. б) Ротаметр со стрелочной индификацией

Тепловые расходомеры

В тепловых расходомерах используется эффект переноса тепла от нагретого тела подвижной средой. Тепловые расходомеры делятся на калориметрические и термоанемометрические.

Принцип действия тепловых калориметрических расходомеров основывается на переносе тепла потоком среды (рис. 16). Часть потока отводится в измерительный капилляр, где в двух точках осуществляется нагрев и измерение температуры потока. Получаемая в следствии переноса теплоты потоком разница температур между точками измерения пропорциональна расходу.





Рис.16.Схема принципа действия калориметрического расходомера

Преимущества:
1. Малая инерционность;
2. Широкий динамический диапазон.
Недостатки:
1. Сложность конструкции и изготовления, следствием чего является высокая стоимость таких устройств;
2. Нестабильность характеристик.

Тепловые калориметрические расходомеры широко используется в системах регулирования расхода газа. Например, в динамических газовых смесителях производства компании «Мониторинг Вентиль и Фитинг» используются регуляторы расхода газа (РРГ) производства A-Flow, в которых расход измеряется калориметрическим способом (рис. 17).





Рис.17.Динамический газовый смеситель

Термоанемометрические расходомеры основываются на увеличении теплопотерь нагретого тела при увеличении скорости обдувающего более холодного газа. Чувствительный элемент представляет собой тонкую металлическую проволоку, нагреваемую электрическим током. Температура проволоки измеряется по электрическому сопротивлению нити. Таким образом, по температуре нити можно судить о скорости потока и, соответственно, о расходе среды.

Преимущества:
1. Малая инерционность;
2. Высокое быстродействие;
Недостатки:
• Низкая прочность нагревательного элемента;

Кориолисовые расходомеры

Состоит из двух прямых или изогнутых трубок, между которых установлен источник колебаний (привод) и два датчика колебаний (индукционные катушки) (рис.18). В колеблющихся трубках под действием силы Кориолиса возникает разность фаз колебаний, которая пропорциональна массовому расходу среды.





Рис.18. Расходомер Кориолиса

Преимущества:
1. Высокая точность измерений;
2. Работают вне зависимости от направления потока;
3. Не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера;
4. Надёжная работа при изменении температуры и давления рабочей среды;
5. Независимость показаний от типа и агрегатного состояния рабочей среды;
6. Прямое измерение массового расхода.
Недостатки:
• Сложность конструкции и изготовления, следствием чего является высокая стоимость таких устройств;
• Точность измерения может изменяться при сильных вибрациях.

Кориолисовые расходомеры используются для точного измерения расхода в топливораздаточных колонках MV&F для LNG, CNG и H₂ (рис. 19).





Рис.19. Топливораздаточные колонки MV&F

Вихревые расходомеры

Принцип действия вихревых расходомеров основан на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования при обтекании потоком некого тела (генератора вихрей) (рис. 20). Частота вихрей в первом приближении зависит от скорости потока, следовательно, она позволяет измерить величину расхода.





Рис.20. Схема вихревого расходомера
1- участок трубопровода;
2- фланцы;
3- генератор вихрей;
4- корпус расходомера;
5- датчики вихрей

Преимущества:
• Высокая точность показаний;
Недостатки:
1. Высокая чувствительность к вибрациям;
2. Малый динамический диапазон;
3. Чувствительность к температуре;
4. Ограничения по максимальному диаметру трубопровода;
5. Необходимы прямые участки трубопровода до (10..12 Ду) и после (5 Ду) расходомера.





Рис.21. Вихревой расходомер в газовом щите MV&F

Оптические расходомеры

Делятся на два типа: допплеровские и расходомеры на эффекте Физо-Френеля. Оптические расходомеры используются для измерения газов с высокой скоростью потока.

Допплеровские расходомеры основаны на измерении скорости движения частиц, присутствующих в потоке, за счёт измерения разницы частоты светового луча при отражении на частицах. Эффект Физо-Френеля состоит в том, что в движущейся среде скорость света зависит от скорости движения среды. Соответственно, коэффициент преломления светового луча движущейся среды зависит от расхода. В расходомерах на эффекте Физо-Френеля измеряется сдвиг интерференционных полос или сдвиг частоты колебаний величины светового потока.

Преимущества:
• Широкий динамический диапазон (1:1000);
Недостатки:
• Низкие рабочие давления;
• Сложность конструкции.

Ультразвуковые расходомеры

Применяются для измерения расхода жидкости. Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении разницы во времени прохождения сигнала. При этом два ультразвуковых сенсора, расположенные по диагонали напротив друг друга, функционируют попеременно как излучатель и приёмник. Таким образом, акустический сигнал, поочередно генерируемый обоими сенсорами, ускоряется, когда направлен по потоку, и замедляется, когда направлен против потока. Разница во времени, возникающая вследствие прохождения сигнала по измерительному каналу в обоих направлениях, прямо пропорциональна средней скорости потока, на основании которой можно затем рассчитать объёмный расход.

Преимущества:
• Могут монтироваться на трубопроводы больших диаметров;
Недостатки:
• Подходят только для измерения расхода жидкостей;
• Чувствительность к перекосам потока;
• Чувствительность к загрязнениям потока.

Электромагнитные расходомеры

Также пригодны только для измерения расхода жидкости. Принцип действия основан на возникновении ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле. Таким образом, величина ЭДС, наведённая в жидкости, пропорциональна скорости потока. В качестве проводника выступает электропроводящая жидкость, расход которой необходимо измерить. Для создания магнитного поля используются электромагниты, в зоне измерения расходомера трубопровод изготавливается из немагнитного и непроводящего материала.

Преимущества:
• Большой динамический диапазон (1:40)
Недостатки:
• Подходят только для измерения расхода жидкостей.

Существует множество методов измерения расхода, каждый из которых нашел место в своей области применения. Если Вам необходима система мониторинга расхода газов и криогенных жидкостей, динамический газовый смеситель, а также помощь в подборе расходомеров, Вы можете обратиться в компанию «Мониторинг Вентиль и Фитинг». Наши специалисты помогут выбрать техническое решение и подходящее оборудование.

Автор статьи
Иванов Даниил
Инженер-конструктор ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» (MV&F)