Расходомеры

Рациональный учет

В практике сопровождения тех­нологических процессов часто приходится сталкиваться с пото­ковыми измерениями, требующими:

• точности — для формирования несмещенной оценки исследуемой технологической переменной;
• износостойкости чувствительной части измерительной арматуры — для упрощения операций обслуживания;
• минимального времени переход­ного процесса между состояниями измерительного канала;
• оперативности математических вычислений при непрямых измере­ниях.

При использовании измерительной арматуры в потоковом режиме суще­ственно меняются условия оценки, что связано с поведением среды (измене­ния температуры, вязкости или прово­димости), ее содержанием (наличие газовых образований и взвешенных частиц) и характером поведения в потоке (распределение, образование вихревых потоков и т. д.).

До сих пор оправданием примене­ния отечественных устройств изме­рения расхода в потоке считалась их низкая цена, высокая скорость гаран­тийного обслуживания и достаточная точность, которая обеспечивалась контролем качества в процессе изго­товления и многочисленными стендо­выми испытаниями.

Однако на сегодня не многие из отечественных изготовителей могут себе позволить содержание сертифи­цированной лаборатории для контро­ля качества изделий. Заказ поверки устройств в государственной метро­логической службе либо у конкурента — процедура не из дешевых. К тому же практически все комплектующие для сборки отечественных устройств имеют иностранное происхождение, где качество за дешево не купишь.

Вывод напрашивается сам. Собранное на отечественном пред­приятии устройство с одинаковыми с иностранными аналогами эксплу­атационными и метрологическими характеристиками стоит дороже.

На сегодня на мировом рынке лидеры в производстве расходо­меров — Emerson, Endress&Hauser, Schwing, Yokogawa, Heinrichs, KEM, Hosco-Honsberg, SIKA, АВВ, Schmidt Mess-und Regeltechnik, Siemens, Kobold. И каждый год на отечествен­ном рынке появляются новые бренды, сопровождение продукции которых в большинстве случаев является непол­ным (минимум технической докумен­тации, отсутствует центр сервисной и метрологической поддержки). Такое положение, наряду со значительной ценой каждой единицы продукции, не может не настораживать заказчика.

Далее в статье на примере продук­ции одного из лидеров рынка рас­ходомеров и «законодателя мод» на нем — компании Kobold, будут рассмотрены особенности различных технологий, реализуемых в современных расходомерах.

Ротаметры

Наиболее дешевыми, простыми и надежными являются расходомеры поплавкового типа, или ротаметры, которые используются для измерения небольших расходов жидкостей (до 100 м3/ч) и газов (до 860 Нм3/ч) в вертикальных трубопроводах (диа­метром от 4 до 100 мм). Ротаметры могут иметь точность измерения, достигающую +/- 1 % от всей шкалы измерения.

При использовании клапанов с электроприводом и шаровых испол­нительных механизмов есть вероят­ность удара поплавка и седловины трубки ротаметра. Производитель Kobold постоянно ведет научные раз­работки по улучшению характеристик данного типа расходомеров. Так, уже в 1986 Klaus Kobold зарегистрировал патент «Поплавковый расходомер» (US № 04573361) на расходомер, кон­струкция которого позволяет полу­чить точность измерения до 0,5 % от шкалы диапазона в пределах измере­ния расхода 0,1—5 л/мин и до 1 % при границах измерительного диапазона 2—20 л/мин и более. Конструкция рас­ходомера была дополнительно усо­вершенствована в 2001 году компани­ей Kobold Messring («Расходомер» EP № 10507461) — улучшилась конструк­ция частей, ограничивающих верхнее и нижнее положение измерительного поплавка. Теперь конструкция поплав­ковой камеры позволяет без залипания поплавка работать в жидкостях с дис­персностью частиц до 400 мкм.

В производстве таких расходоме­ров компания применяет химически устойчивые материалы — трогамид, полисульфон, хастеллой (коррозио­устойчивый сплав). Элементы устрой­ства двигаются в рабочей среде и не имеют жестких механических кон­струкций, износоустойчивы, меняют температуру вместе с рабочей средой, что вполне определяет уменьшение их загрязнения.

Обычно такие расходомеры снаб­жены релейным устройством с двумя устойчивыми состояниями в виде бесконтактного датчика, который реа­гирует на положение поплавка. Klaus Kobold разработал метод бесконтакт­ного измерения позиции поплавка в камере поплавкового расходоме­ра «Устройство для измерения через поток потенциально ненагруженного элемента» (US № 4611105).

Часто используемые поплавковые расходомеры без компенсации изме­нения вязкости способны вызывать ошибки до 2500 % от действительно­го значения. При измерениях малых величин расхода относительно раз­маха измерения прибора также суще­ствует проблема значительной ошибки измерения (до 500 % от реального значения). Специальные конструкции расходомеров поплавкового типа Klaus Kobold («Метод и оборудование для измерения расхода», US № 04938078, 1990 г.) предусматривают компенса­цию изменения вязкости среды для больших пределов изменения вязко­сти (1—540 мм2/с) и малых значениях расхода (до 0,1 л/мин), что так важно при изменении состава и температуры рабочей среды.

Применение цветных металлов и нержавеющей стали в конструк­ции поплавковой камеры позволя­ет использовать такие расходомеры в потоках с давлением до 350 бар. Недостатки ротаметров — необходи­мость их установки на вертикальных трубопроводах, непригодность для измерения расхода сред с высокими давлением и температурой.

Лопастные расходомеры

В конструкции расходомеров лопаст­ного типа Kobold применяется подвиж­ная система лопасти, что, в отличие от системы с гибкой лопастью, является более износостойкой конструкцией (система не меняет рабочих характе­ристик при остаточной деформации) и менее чувствительной к неод­нородности среды в потоке.

Такие расходомеры способ­ны измерять расход чистых однородных жидкостей (до 4500 м3/ч) с небольшой вяз­костью или газов (со скорос­тью потока до 9 м/с) и могут успешно использоваться при давлении среды до 25 бар и температуре до 120 °C.

Преимущества этих рас­ходомеров — пружинный измерительный механизм, благодаря которому главный измерительный элемент не зависит от силы притяжения. Поэтому такие расходомеры можно монтировать в любом положении. Конструкция смен­ного сопла (в модели DPT) и лопасти Kobold позволяет повысить точность лопастного расходомера в используе­мых пределах измерения.

Привлекает также возможность монтажа такого устройства (рис. 1) непосредственно в стандартный трой­ник (ГОСТ 8949—75, ГОСТ 8948—75). Наличие пружины в устройстве нега­тивно сказывается на линейности по диапазону измерений, а падение дав­ления хотя и довольно велико, но все же меньше, чем при использовании диафрагмы.

Турбинные расходомеры

Еще один простой и надежный спо­соб измерения расхода жидких и газообразных масс — использование лопастных турбинок, скорость враще­ния которых считается пропорциональ­ной расходу. Klaus Kobold в 1986 году разработал свою конструкцию расхо­домера такого типа — «Устройство для измерения потоков газа или жидкости» (US № 04567777), где обеспечивается достаточно высокая точность измере­ния (до1 % от диапазона), малая инер­ция в измерительном канале.

Такие устройства малочувствитель­ны к физическим свойствам потока и не требуют при монтаже длин­ных линейных участков (10 х DN по входу и 5 x DN после устройства). Значительное гидравлическое сопро­тивление механической конструкции турбинного расходомера ограничива­ют спектр его применения.

Присутствие подвижных механи­ческих частей в непосредственном контакте со средой негативно сказы­вается на эксплуатационных характе­ристиках турбинных расходомеров. Характерные недостатки таких расхо­домеров — необходимость индивиду­альной градуировки, а также то, что их показания в значительной степени зависят от плотности среды.

С уменьшением плотности снижа­ется частота вращения турбинки и возрастает порог чувствительности [1]. Klaus Kobold в 1983 году рабо­той «Компенсация инструментальной ошибки схемы измерения расхода» (US № 4581946) ввел поправочный коэффициент, который учитывает методическую ошибку измерения расхода и позволяет скорректировать показания расходомера для опреде­ленной рабочей среды.

Изменение пространственной ори­ентации меняет условия работы под­шипников и поэтому может оказать влияние на градуировочную зависи­мость, особенно при малых расходах. Конструкция расходомеров Kobold обеспечивает незначительный момент трения в подшипниках от общего момента сопротивления, что позволя­ет производить замену износившихся элементов без проверки градуировки расходомера.

Условия работы опор весьма тяже­лые — частота вращения турбинок доходит до нескольких сотен оборотов в секунду, поэтому такой тип расходо­меров используется преимущественно для измерения жидких сред, которые обладают смазывающими свойствами.

В производстве контактных элемен­тов турбинных расходомеров Kobold используются полимеры Rython для турбины, а для уплотнительных про­кладок — полимеры PFM или Kalrez (зарегистрированная торговая марка E.I. Du Pont de Nemours & Co., Wilmington, USA), что позволяет соче­тать высокую устойчивость к корро­зии с низкой стоимостью устройства.

Расходомер на основе принципа Пелтона

Вопреки узкому динамическому диа­пазону, определяющему принцип рабо­ты тангенциальной турбины, Kobold предлагает широкий спектр моделей для разных значений жидких и газовых потоков. Так, для малых расходов жидкостей (0,013—0,1 л/мин) суще­ствует расходомер на основе принципа Пелтона (рис. 3), использующий ваку­ум, образованный камерой Пелтона и основным потоком вещества.

Данный принцип также успешно работает с большими потоками среды (с трубопроводами до DN300), при измерении потоков газа, воды, кон­денсата, низковязких углеводородов и других химикатов. Устройство необ­ходимо, когда при малых влияниях на поток нужно обеспечить высокую точность (0,2—1 % от диапазона изме­рения) и динамический диапазон (до 280:1) измерений с линейностью по диапазону измерений (до 1 %), при этом потеря напора в потоке меньше потери в турбинных расходомерах.

Установка расходомера требует горизонтального ориентирования труб, а также участка ламинарного потока, удаленного от устройства (за 24 x DN до и 5 x DN после). При изго­товлении измерительного устройства используется нержавеющая сталь V4A Supra с высокой физико-химической прочностью или титан.

Сама турбинка Пелтона выполнена из полипропилена с опорной осью из вольфрама и сапфира, что позво­ляет использовать устройство в кон­такте с такими химически активными веществами, как серная или соляная кислота. В 1996 году Manfred Wenzel передал Klaus Kobold права на кон­струкцию турбинки «Часть турбинки, содержащая встроенный элемент генерации импульсов» для бескон­тактной передачи скорости вращения через пластиковую стенку расходоме­ра (US № 05522268).

Так, для передачи механической работы в систему измерения в турбинку Пелтона встроен ферромагнитный материал, способный влиять на маг­нитное поле, созданное излучателем. Модели таких расходомеров у Kobold позволяют работать с жидкой средой при температуре до 135 °C и давле­нии до 345 бар и более. Рабочий цикл устройства без обслуживания — до 10 лет.

В малобюджетных решениях исполь­зуются расходомеры с аксиальной турбинкой, подобной турбине Пелтона. Для изготовления лопастей использу­ются полипропилен, полиоксимитилен, для изготовления оси вращения — сапфир или керамика.

Устройства с корпусом из нержаве­ющей стали позволяют использовать такие расходомеры при давлении до 100 бар. Обычно эти устройства применяются для измерения чистых жидкостей с малой вязкостью. Klaus Kobold зарегистрировал патент на конструкцию расходомера по спосо­бу бесконтактной передачи о расходе (Патент US № 05099699 «Индикатор расхода, или расходомер», 1992 г.).

Поскольку для бескон­тактной системы считы­вания скорости вращения лопастей, как и у расходо­мера Пелтона, используется эффект Холла, необходимо, чтобы жидкости предвари­тельно были очищены от металлических примесей, а также частиц ферромагнит­ных материалов. Для обе­спечения предварительной очистки в потоке жидкости Kobold предлагает исполь­зовать магнитный фильтр MFR, которым устройство комплектуется по требова­нию заказчика.

Конструкция расходомеров позволя­ет производить обслуживание по месту эксплуатации без демонтажа несущей части. Соответствует Директиве евро­пейской комиссии по оборудованию, которое используется под давлени­ем PED 93/27/EC и регламентирует использование устройства для работы с опасными жидкими веществами.

Еще одной инновацией является разработка расходомера с интегри­рованной заслонкой — «Дозирующее устройство и система для точного дози­рования потока» (US № 05816448, 1998 г.). Такое решение позволяет умень­шить запаздывание реакции испол­нительного механизма на изменение расхода, например при изменении дав­ления в трубопроводе. Универсальный расходомер успешно используется в системах поддержания соотношения компонентов, где основные требова­ния предъявляются к соответствию тех­нологическим рецептурам продукта.

Хорошие характеристики динами­ческого диапазона 1—200 л/ч с точ­ностью до 1 % от шкалы измерения при допустимых изменениях вязкости рабочей среды 5—100 мм2/с может обеспечить поршневой расходомер Kobold. Рабочие части из цветных металлов кроме долговечности устрой­ства позволяют использовать расходо­мер при давлении среды до 40 бар. Счет расхода осуществляется бескон­тактным датчиком на основе эффекта Холла. Подвижная конструкция порш­невой системы создает значительно меньшую потерю напора в основном потоке измеряемого компонента.

Простота конструкции, отсутствие негативных эффектов в методике обес­печивают высокую точность даже в миниатюрных моделях с нижним пре­делом измерения 0,005 л/мин.

Так как для полного вращения порш­ней такого расходомера достаточно прокачать 0,01 см3 вещества, расходо­мер имеет встроенный фильтр для очистки среды от взвешенных частиц, с размером ячейки 40. Такой тип расхо­домеров имеет свое достойное распро­странение для измерения фармацев­тических жидкостей, ароматизаторов в парфюмерии и пищевом производ­стве, жидких питательных веществ в биологических агрегатах, жидких газов в химическом производстве.

Шестеренные расходомеры

Для измерения расхода особо вязких масс (до 100 000 мм2/с) применя­ются шестеренные расходомеры, кон­струкция которых схожа с конструкци­ей ротационного насоса. Исполнение расходомеров Kobold с корпусом из нержавеющей стали позволяет рабо­тать под давлением до 630 бар и 150 °C. Под действием проталкиваемой массы в шестеренном расходомере вращают­ся шестеренки, образующие сплошную перегородку перед потоком вещества.

Для передачи информации о скоро­сти потока используется и бесконтакт­ная система, а в случае применения вращающихся шестеренок из керами­ки для передачи положения — эффект Холла (реакция на встроенный магнит). Если же применяются шестеренки из нержавеющей стали, то для индикации положения используется бесконтакт­ный индуктивный датчик. Во избежа­ние ошибки рекомендуется прибегнуть к предварительной магнитной филь­трации. Данная конструкция обеспе­чивает точность измерения до 0,3 % от измерительного диапазона, с отклонением повторных результатов до 0,005 % при нижнем пределе измере­ния 0,008 л/мин.

Шестеренчатые расходомеры

Есть у Kobold и малобюджетные модели, где материалом корпуса и вращающегося механизма выступает полиоксиметилен, а оси по-прежнему выполне­ны из нержавеющей стали. Шестеренчатые расходоме­ры получили широкое рас­пространение в производстве горюче-смазочных материа­лов (гидравлические масла, смазочные вещества), поли­мерных компонентов, клеев, красителей и лаков.

Естественным недостатком шестеренных расходомеров есть высокий уровень рабо­чего шума (до 72 Дб), а также потеря напора при вращении шестерней, которая увели­чивается с ростом вязкости рабочей среды. Проблему шума вполне решает исполь­зование винтовых расходоме­ров. Применение такого типа устройств позволяет получить меньшие потери потока при большом диапазоне измене­ния вязкости 1—5000 мм2/с.

Конструкция винтовых расходо­меров рассчитана на измерение вещества с высокой плотностью и скоростью потока. Такой тип рас­ходомеров применяется для высоко­точного измерения расхода высоко-вискозных, а также подогреваемых жидкостей. Особенно широкое при­менение для лакокрасочных, дозиро­вочных, нефтеперерабатывающих и клей-подающих установок.

Представленный модельный ряд Kobold обеспечивает верхний предел до 2000 л/мин. Роликоподшипниковая конструкция крепления вращающихся элементов расходомера Kobold позво­ляет минимизировать потери и при вращении винта. Конструкция винто­вого расходомера менее чувствитель­на к мелким частицам в веществе, чем турбинный или шестеренный расходо­мер, однако использование фильтра здесь также необходимо.

Благодаря исключительно высокой точности измерений расходомера (до 0,3 %) такая конструкция полу­чила большую популярность среди лидеров рынка. Скорость вращения вращающихся частей измеряется бес­контактным индуктивным датчиком. Конструкция винтового расходомера Kobold вполне ремонтопригодна и не имеет «глухих» узлов. При сопровож­дении такого продукта у Kobold воз­можна замена датчика счета, подшип­никовых опор вращающегося винта и уплотнительных прокладок, которыми изделия комплектуются по требованию заказчика.

Версія для друку