книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

дено исследование расходомеров диаметром 100 мм, каждый квад­ рант преобразователя которого содержит семь узких пластинча­ тых электродов с переменной толщиной слоя изоляции. Это умень­ шило неоднородность весовой функции с 47,8 % для точечных электродов до 0,92 % , благодаря чему достигнута возможность измерения расхода сильно деформированных потоков.

В работе [6 8 ] сообщается об исследовании расходомера с то­ чечными электродами, преобразователь которого не имеет внут­ реннего изоляционного покрытия. Труба из коррозионно-стойкой стали имеет внутренний диаметр 27 мм и толщину стенок 1,5 мм. К стенкам трубы подается напряжение, которое образует на по­ верхности трубы почти такое же распределение потенциалов, ка­ кое возникает в соприкасающемся с ней слоем жидкости при дви­ жении последней. Это обеспечивает отсутствие токов между жид­ костью и стенкой трубы. Ток, пропускаемый через стенку трубы, регулируется сервомеханизмами так, чтобы разность потенциа­ лов между измерительным электродом, изолированным от стен­ ки, и потенциальным электродом, приваренным к стенке вблизи измерительного электрода, равнялась нулю. Отсутствие необхо­ димости в изоляционном покрытии позволяет упростить техно­ логию изготовления преобразователя расхода и устраняет труд­ ности, связанные с неудовлетворенностью некоторых характери­ стик (недостаточной стойкости к эрозии и коррозии, невысокого температурного предела применения и т. п.) изоляционных по­ крытий.

15.12. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РАСХОДОМЕРОВ И ИХ РАЗВИТИЕ

Современные электромагнитные расходомеры характеризуют­ ся импульсным питанием низкой частоты электромагнитов и при­ менением микропроцессоров для преобразования сигналов дат­ чиков, что позволило уменьшить энергопотребление и повысить точность измерения расхода. Например, модель «Эксимаг» по­ требляет всего 0,5 В •А, а модель «Автозеро-3000» имеет точ­ ность 0,1 % [023] — это приборы фирмы «Эндресс и Хаузер».

Появились новые типы погружных датчиков для труб боль­ ших диаметров, а также емкостных, без контакта электродов с измеряемой средой, а также датчиков для неполностью запол­ ненных трубопроводов [5].

Краткие технические данные ряда распространенных электро­ магнитных расходомеров-счетчиков приведены в табл. 8 , а опи­ сания ниже.

Датчики всех расходомеров в табл. 8 , кроме РОСТ-72, имеют классическое исполнение, когда электромагнитная система рас­ полагается снаружи канала трубы. У РОСТ-72 три преобразовате­ ля типа «Пульс» погружаются в трубу под углом 120° на глубину

331

всего 70 мм [4], т. е. являются пристеночными датчиками канала.

Погружным является и датчик расходомера DWM 2000, вне­ сенного в Госреестр для скоростей потока 0 -8 м/с для Dy > 50 мм. Может применяться и для открытых каналов, так как имеет вид штанги. Погрешность ±2 % . Приборы для незаполненных кана­ лов описаны в работе [5].

Другую конструкцию имеет погружной датчик фирмы «Фи­ шер и Портер» типа «Mag-X10F1435», показанный на рис. 189. Такие датчики обычно устанавливаются в точке сечения канала, где скорость потока имеет среднее значение [023].

332

ЭРСВ-013, а ранее и МР 400. Приборы позволяют измерять рас­ ход и объем питьевой» отопительной или сточной воды, жидких пищевых продуктов, растворов кислот, щелочей и других жид­ костей [11, 23]. Основные технические и метрологические харак­ теристики ЭРСВ-410 и ЭРСВ-510 приведены в табл. 9.

Расходомер обеспечивает вывод результатов измерений на вне­ шние устройства в виде импульсов с нормированным весом. Им­ пульсный выход гальванически развязан, вес импульса програм­ мируется.

По заказу ЭРСВ-310, ЭРСВ-012, ЭРСВ-013, ЭРСВ-011, ЭРСВ-022 оснащаются кнопкой обнуления значения накопленного счетчи­ ком объема, обеспечивая, таким образом, режим ручного дозиро­ вания, а также имеют интерфейс RS232, который может исполь­ зоваться для связи с IBM-совместимым компьютером, что позво­ ляет применять расходомеры в системах регулирования и обеспе­ чивает простой доступ ко всем параметрам. Скорость передачи информации по RS232 — 19 200 Бод (по специальному заказу поставляется программное обеспечение пользователя для считы­ вания данных, в том числе через телефонный или радиомодем). По заказу данные исполнения приборов могут быть дооснащены токовым выходом (4-20 или 0 -5 мА).

Покрытие внутреннего канала расходомера, контактирующе­ го с жидкостью, может быть выполнено из фторопласта для воды и т. д. или из полиуретана для абразивных жидкостей и пульп. Электроды могут быть из нержавеющей стали, тантала, титана, хаетелоя.

Предел относительной погрешности измерения по импульсно­ му, специальному токовому и RS выходам и индикатору, % : в диа-

Питание переменным током 31-40 или 187-242 В. Минималь­ ная удельная электропроводность жидкости 5 •10_6 См/м. Ми-

Т а б л и ц а 9 Основные технические и метрологические характеристики ЭРСВ-410, ЭРСВ-510

^тах

333

нимальные длины прямолинейных участков до 3Dy и 2Dy после. Мак­ симальное давление в трубопроводе 2,5 МПа, а температура 150 °С.

Расходомеры «Взлет ЭР» используются в составе многих сер­ тифицированных теплосчетчиков, например в СПТ (фирмы «Ло­ гика»), ТСК с вычислителями ВКТ (фирмы «Теплоком»), СТД (фирмы «Динфо») и другими. Фирма «Взлет» выпускает комп­ лектные теплосчетчики-регистраторы «Взлет ТСР» для коммер­ ческого учета теплоты и воды с 4 расходомерами ЭРСВ и ультра­ звуковыми (см. гл. 16). Имеется возможность TCP объединять в одну информационную сеть с удаленными получателями ин­ формации через интерфейсы RS232 и RS485, либо переносом с пультом «Взлет ПУИ» [11]. Вид датчика «Взлет ЭР» показан на рис. 190, а.

Преобразователи ПРЭМ-2 и 3 («Теплоком», Санкт-Петербург) обеспечивают преобразование объемного расхода и объема жид­ ких сред, протекающих через них в любом направлении, в элек­ трические сигналы и предназначены для работы с другими изде­ лиями: тепловычислителями, регуляторами и другими вторич­ ными приборами, могут быть использованы при измерении рас­ хода объема воды, спиртосодержащих жидкостей и других с удель­ ной электропроводностью от 10“ 3 до 10 См/м.

Преобразователи ПРЭМ-2 и 3 предназначены для эксплуата­ ции при воздействии на них: измеряемой среды, не агрессивной к материалу внутреннего покрытия трубы — фторопласту Ф4 и электродов — стали 12Х18Н10Т; давления измеряемой среды до 1,6 МПа. Питание преобразователей от источника постоянного тока с номинальным напряжением 12 В. Вид датчика ПРЭМ-3 дан на рис. 190, б.

Рис. 190. Датчики приборов: а — «Взлет-ЭР»; б — ПРЭМ-3

334

Основные технические характеристики. Максимальное (Qmax)> переходные (Qtl 2 3) и минимальное (Qmin) значения расхода преоб­ разователей, в зависимости от их исполнения и диаметра услов­ ного прохода,* приведены в табл. 1 0 .

Пределы допускаемой относительной погрешности при преоб­ разовании расхода и объема в выходные сигналы составляют: ±1 % в диапазоне расхода (Qtl“ ®max); - 2 % в диапазоне расхода (Qt2 - - Q+j); ±5 % в диапазоне расхода (Qt3 - Qt2).

Длина прямых участков трубопровода до и после преобразова­ теля — 2Х)у. Поверка производится в соответствии с методикой поверки. Выходные сигналы импульсные, частота <100 Гц (в ос­ новном, менее 18,6 Гц), для ПРЭМ-3 также 4-20 мА.

Преобразователи, внешний вид которых приведен на рис. 190, б, состоят из измерительного участка (ИУ) и электрон­ ного преобразователя (ЭП). Конструктивно ИУ и ЭП представля­ ют собой единое изделие.

ИУ представляет собой отрезок трубопровода, выполненный из немагнитной стали, заключенный в защитный кожух. Внутренняя поверхность ИУ защищена от вредного воздействия измеряемой среды фторопластом Ф4 (ТУ 6-05-1937-82). Внутри ИУ диаметрально рас­ положены электроды из стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 9941-87), пред­ назначенные для съема ЭДС сигнала, пропорциональной расходу (скорости) измеряемой среды. Диаметрально противоположно элек­ тродам установлены электромагниты, создающие переменное маг­ нитное поле в измеряемой среде. ИУ преобразователей с Dy 15-50

Т а б л и ц а 10

Данные расходомеров ПРЭМ-2

335

не имеют фланцев, ИУ преобразователей с Dy 80, 100 и 150 имеют два варианта исполнения: с фланцами и без них.

ЭП выполнен в алюминиевом корпусе, который состоит из верх­ ней и нижней крышек, соединенных четырьмя винтами. Внутри корпуса расположена плата блока преобразования, закрытая спе­ циальной крышкой. На свободной части платы установлены клеммники для подсоединения линий связи, разъем для подклю­ чения платы интерфейса и три переключателя, два из которых (J2 и J3) обеспечивают возможность выбора веса импульса, а тре­ тий (Л ) — фильтрация выходного сигнала — ВКЛ./ВЫКЛ. Там же расположен светодиод, предназначенный для контроля рабо­ тоспособности преобразователя.

Датчики ПРЭМ могут применяться не только с вычислителя­ ми ВКТ-4, ВКТ-5, ВКТ-7 этой же фирмы, но и с многими други­ ми вычислителями и теплосчетчиками, например СПТ, СТД и другими.

Преобразователи ИПРЭ-7 «Арзамасского приборостроительно­ го завода» имеют Dy 10, 20, 32, 40, 50, 80, 100, 150 и 200 мм

ипредназначены для измерения объемного расхода и объема жид­ ких невзрывоопасных сред с удельной электропроводностью от 10_3 до 10 См/м и состоят из первичного преобразователя ППР-7

иИП-7. Диапазон расходов 1:200. Выходные сигналы 0 -5 мА (модель Т), импульсные (0,1 или 1 м3/имп.), цифровые RS232.

Прямые участки не менее 5Dy до ППР и 3D после. Температура измеряемой среды до 150 °С, давление до 1 ,6 МПа. Питание от сети 220 В, потребляемая мощность не более 10 В •А. Средний срок службы 12 лет. Могут быть использованы со многими типа­ ми вычислителей и теплосчетчиков.

Расходомеры-счетчики VA-2301 Таллинской фирмы «Aswega» [13] имеют Dy 10, 15, 25, 40, 50, 80, 100, 150, 200, 300 и 400 мм. Материал внутреннего покрытия трубы первичного преобразова­ теля — фторопласт-4Д для температур от -4 0 до +150 °С и давле­ ний до 2,5 МПа (или полиуретан СКУ-ПФЛ для температур от -40 до +50 °С). Материал электродов AISI 316, ХН 60МЕ, титан, цирконий.

Для температур до +150 °С датчик состоит из двух бло­ ков. Выходные сигналы унифицированные 0 -5, 0-20 или 4 - 20 мА. Питание от сети 220 В, потребляемая мощность не более 15 В - A. VA-2305 имеет импульсный выходной сигнал.

VA-2302 — двухканальные приборы, VA-2303 — преобразова­ тели расхода, a VA-2304 — счетчики жидкости за установленный промежуток времени нарастающим итогом. Они имеют жидко­ кристаллические индикаторы в % , м3/ч, л/с и м3. Выходные сиг­ налы унифицированные постоянного тока, импульсные и частот­ ные 0-10 кГц. Могут быть использованы со многими типами вы­ числителей и теплосчетчиков.

Широкое распространение, кроме перечисленных, получили расходомеры РОСТ [14], а также ряд других [2, 4, 11, 13, 14, 17,

336

Г л а в а 16

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ (АКУСТИЧЕСКИЕ) РАСХОДОМЕРЫ

16.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Акустическими называются расходомеры, основанные на из­ мерении зависящего от расхода того или другого эффекта, возни­ кающего при проходе акустических колебаний через поток жид­ кости или газа. Почти все применяемые на практике акустичес­ кие расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Они разделяются на расходомеры, основанные на перемеще­ нии акустических колебаний движущейся средой, и расходоме­ ры, основанные на эффекте Допплера, появившиеся позже. Глав­ ное распространение получили приборы, основанные на измере­ нии разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются приборы, в которых акустические колебания направляются перпендику­ лярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Приборы, основанные на явле­ нии Допплера, предназначены в основном для измерения мест­ ной скорости, но они находят также применение и для измере­ ния расхода. Измерительные схемы у них более простые.

Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.

Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при про­ хождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акусти­ ческого преобразователя, реагирующего на плотность измеряемо­ го вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 % , но в среднем может быть оценена цифрами 0,5-1 % . Значительно чаще рассматриваемые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диамет­ ра, начиная от 10 мм и более.

Существующие расходомеры очень разнообразны как по уст­ ройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидко­ стей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акусти­

338

ческих колебаний. При измерении же загрязненных веществ ча­ стоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до не­ скольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглоще­ ния акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздуш­ ных пузырей. Низкие частоты применяют также при измерении расхода газов.

16.2. ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники коле­ баний — главные элементы первичных преобразователей ультра­ звуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определен­ ных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потен­ циалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение — обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучате­ лей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акус­ тические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения. Излучате­ ли характеризуются пьезоэлектрическим модулем d = S/Е (м/В), а приемники — пьезоконстантой по деформации h = Е/S (В/м), где Е — напряжение на пьезоэлементе; S — размер упругой де­ формации. Эффективность излучателя растет с ростом d. Между h и d имеется зависимость h = (Ёю/ве0) d, где — модуль Юнга; е — диэлектрическая проницаемость; е0 — электрическая посто­ янная (диэлектрическая проницаемость свободного пространства). Следовательно, с ростом пьезомодуля d возрастает и пьезокон­ станта Л.

Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у при­ родного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колебаний в расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материалы, главным образом титанат бария BaTiOg и цирконат титаната свинца — твердый раствор цирконата PbZ20 3 и титаната PbTiOg свинца, имеющие большой пьезомодуль d и высокую (1100-1500) диэлектрическую прони­ цаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После спе­ циальной обработки поверхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большинстве случаев путем серебре­ ния). К этому слою припаивают соединительные провода.

Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте f пьезоэлемента

339

/p= (2c)-4£i^ p )0’5 =cn/2c,

где с — толщина пьезоэлемента; сп= (Ею /р)0,5 — скорость ульт­ развука в пьезоэлементе. Следовательно, / р обратно пропорцио­ нальна толщине а. Учитывая, что с = Д, где X — длина акусти­ ческой волны, получим, что при /рА/2 = а, т. е. половина длины волны X равна толщине а пьезоэлемента.

При а = 1 мм / р * 2,85 МГц для кварца, 2,25 для титаната свинца, 1,8 для цирконата титаната свинца и 2,0 МГц для ниобата титаната свинца. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах / р и поэтому следует приме­ нять тонкие пьезокерамические пластины. Для веществ, содер­ жащих механические примеси или газовые пузыри, когда необ­ ходима небольшая частота / р, приходится применять пьезокера­ мику большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерами­ ческой пластины наклеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготовляют

ввиде круглых дисков диаметром 10 — 20 мм, иногда менее.

16.3.ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РАЗНОВИДНОСТИ РАСХОДОМЕРОВ

СКОЛЕБАНИЯМИ, НАПРАВЛЕННЫМИ ПО ПОТОКУ

ИПРОТИВ НЕГО

В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом 0 к оси тру­ бы. Тогда акустические колебания под углом а = 90° - 0 к оси трубы проходят в измеряемом веществе путь длиной L. Обозна­ чим через vL скорость потока, усредненную по длине L. Ее проек­ ция на направление L будет vL cos а. Если звуковой луч направ­ лен в сторону движения потока, то время т1 прохождения им расстояния L определится из уравнения = L/(c + vL cos а), где с — скорость распространения акустических колебаний в неподвиж­ ном измеряемом веществе. При обратном направлении звукового луча время т2 прохождения им того же расстояния L будет боль­ ше, как это следует из уравнения т2 = L/(c - Vr cos а). Придав

этим уравнениям вид х1= (L/c) (1 + (vL cos а)/с)~г и т2 = (L/c) (1 - - vL cos а /с )-1 и вычитая одно из другого, получим

Ат = 2L cos avL/c2.

Если акустические колебания направлены вдоль оси трубы, то cos a = 1 и Ат = 2Luc/c 2, где vc — осевая скорость потока.

340