Ультразвуковые и вихревые расходомеры

Расходомеры определяют объем прошедшего через них газа, не используя механических устройств. В дело вступают законы физики. Ультразвуковые (акустические) приборы измеряют время прохождения сигнала через поток газа. А вихревые измеряют частоту колебаний, возникающих при движении газа, на пути которого имеется тело плохо обтекаемой формы.

Принцип работы ультразвуковых расходомеров

Промышленные ультразвуковые расходомеры используют эффект, основанный на перемещении акустических колебаний движущейся средой.

Рис.1 Прямой и обратный пьезоэффект

Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока используют излучатели и приемники колебаний – пьезоэлементы. При сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их поверхностях образуются электрические разряды. Так возникает прямой пьезоэффект (рис.1). И наоборот, если к этим поверхностям приложить разность потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение. Это явление называется обратным пьезоэффектом.

На использовании этих эффектов основан метод преобразования переменной электрической разности потенциалов на гранях кристалла в акустические (механические) колебания той же частоты для излучения колебаний. Обратный процесс – преобразование акустических колебаний в переменную электрическую разность потенциалов на гранях кристалла при воздействии колебаний.

Рис.2 Схема преобразователя ультразвукового расходомера

В корпусе счетчика напротив друг друга под углом к оси потока установлены два преобразователя-пьезоэлемента, которые формируют измерительный луч (рис.2). Одновременно может использоваться до четырех измерительных лучей. Преобразователи работают попеременно как передатчики и приемники сигнала. Импульс ультразвука пересекает поток газа от одного датчика к другому. При отсутствии потока газа импульсы распространяются с одинаковой скоростью в обоих направлениях. При движении газа через счетчик импульс в направлении потока газа будет перемещаться быстрее, а против потока газа – медленнее. После определения времени прохождения луча по потоку и против потока рассчитывается скорость проходящего газа.

Ультразвуковые счетчики Гобой

Счетчики «Гобой-1» используются для учета расхода газа в административных и производственных помещениях. Они являются времяимпульсными, в них измеряется разность времен перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути.

Рис.3 Счетчик газа «Гобой — 1»

Счетчики «Гобой-1» (рис.3) изготавливаются с условным проходом 25; 35; 40; 50; 65 и 80 мм. Межповерочный интервал - 5 лет. Счетчик состоит из первичных преобразователей расхода, давления и температуры, а также измерительно-вычислительного блока. Все конструктивные элементы устройства собраны в едином блоке, который может устанавливаться во взрывоопасных зонах.

Основной измеряемый параметр счетчика – объем газа, приведенный к стандартным условиям. Для этого в счетчике созданы три измерительных канала: канал измерения объема в рабочих условиях, канал измерения абсолютного давления и канал измерения температуры. По результатам измерений производится вычисление за заданный интервал времени объема газа, приведенного к стандартным условиям.

Преобразователь расхода состоит из входного и выходного патрубков, профильных дисков и измерительного участка. Патрубки обеспечивают присоединение счетчика к газопроводу посредством муфтовых или фланцевых соединений. Преобразователь давления позволяет измерять абсолютное давление газа. Для этого используются датчики тензорезистивного типа. Преобразователь температуры необходим для измерения температуры газа, для чего служат чувствительные элементы полупроводникового типа. Измерительно-вычислительный блок размещен в корпусе счетчика и имеет мембранную клавиатуру с 8-разрядным жидкокристаллическим дисплеем. Его питание осуществляется от литиевой батареи со сроком службы 2 года.

Рис.4 Дисплей

Дисплей счетчика «Гобой-1» (рис.4) обеспечивает индикацию:

• объемного расхода газа в рабочих условиях;

• температуры и давления газа;

• объем газа нарастающим итогом, приведенный к стандартным условиям;

• текущее время (часы, минут) и дата (год, месяц, число);

• результаты самодиагностики каналов измерения расхода, давления, температуры;

• заводской номер.

Рис.5 Установка счетчика «Гобой-1»

При установке счетчика «Гобой-1» на газопровод (рис.5) необходимо обеспечивать минимальную длину прямых участков до счетчика и после него: на входе – не менее 5 Ду, на выходе – не менее 3 Ду.

Достоинствами ультразвуковых расходомеров являются широкий диапазон измерения расхода. Они не имеют подвижных частей либо выступающих в поток узлов, поэтому оказывают минимальное сопротивление и не создают потерь напора. По этим же причинам ультразвуковые счетчики имеют высокую надежность. Основной недостаток – чувствительность к содержанию твердых включений.

Вихревые расходомеры

Вихревыми называются расходомеры, основанные на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования. Для создания вихревого движения на пути газа устанавливается обтекаемое тело, обычно в виде трапеции. Образовавшаяся за телом обтекания система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Количество образовавшихся вихрей за определенный промежуток времени пропорционально суммарному расходу газа.

Рис.6 Теодор фон Карман

Кстати: эффект образования вихрей за телом плохо обтекаемой формы назван в честь американского ученого венгерского происхождения Теодора фон Кармана (рис. 6).

Рис.7 Схема вихревого расходомера с пьезоэлектрическими датчиками давления

В вихревом расходомере позади тела обтекания расположены попарно пьезоэлектрические датчики давления (рис.7), которые воспринимают вихревые колебания. Установка двух датчиков позволяет минимизировать вибрационные и акустические помехи, так как сигнал одного из датчиков в согласующем устройстве инвертируется и суммируется с сигналом другого датчика.

Расходомеры ИРВИС

Вихревой расходомер-счетчик ИРВИС-РС-4 предназначен для коммерческого и технологического учета газа с температурой от – 40 ⁰С до 250 ⁰С с абсолютным давлением до 10 МПа. Межповерочный интервал – 2 года. Счетчики ИРВИС-РС-4 изготавливаются с условным проходом 25; 50; 80; 100; 150; 200 и 300 мм.

1- корпус; 2 – тело обтекания; 3 – детектор вихрей; 4 – кабельные вводы; 5 – корпус вычислителя; 6, 7 – платы вычислителя

Рис.8 Первичный преобразователь вихревого расходомера-счетчика ИРВИС-РС-4

В состав расходомера входят первичный преобразователь (рис.8) и блок интерфейса и питания. Первичный преобразователь изготовлен из отрезка трубы, внутри которого размещено тело обтекания, представляющее собой цилиндр специальной формы. Учет количества срывающихся вихрей производится датчиками пульсаций давления, входящими в состав детектора вихрей. В трубопровод первичный преобразователь монтируется между фланцами и стягивается шпильками (рис.9). В «голове» первичного преобразователя расположена плата. Питание и обмен данными с блоком интерфейса и питания осуществляется по пятижильному кабелю. Первичные преобразователи давления и температуры устанавливаются в трубопровод ниже по потоку газа.

Рис.9 Коммерческий узел учета газа на базе ИРВИС-РС

Блок интерфейса и питания включает в себя блок питания, барьер искрозащиты, регистратор информации и жидкокристаллический индикатор с кнопками управления. Блок питания преобразует переменное напряжение 220 В в питающее напряжение для работы первичного преобразователя и датчиков температуры и давления. Блок искрозащиты предназначен для передачи питающего напряжения по искробезопасным цепям в первичный преобразователь. Регистратор обеспечивает архивацию измеряемых параметров и формирует отчетную документацию.

Плюсы и минусы вихревых расходомеров

К недостаткам вихревых расходомеров относятся:

• значительные потери давления (до 30-60 кПа);

• ограниченность области применения: они непригодны при малых скоростях потока среды;

• необходимость в больших прямых участках до и после прибора, например, для счетчика ИРВИС-РС-4 прямой участок на входе должен составлять 20 Ду и на выходе 5 Ду;

• низкая защита от помех при вибрации на малых расходах.

Основными преимуществами вихревых расходомеров являются:

• хорошая работа в среде загрязненного газа;

• невосприимчивость к скачкам давления и расхода;

• отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода;

• достаточно высокая точность и линейность в широком диапазоне измерений. 

 Автор статьи: Вершилович Владислав Адамович

- Место работы - ООО «Газпром газораспределение Нижний Новгород»

- Автор популярных книг и учебных пособий по устройству и эксплуатации газового оборудования

Пройдите курсы по промышленной безопасности
И получите удостоверение

Подробности здесь