Волковой М.С. Метрология

261

На обеих кромках расположены отверстия, число которых зависит от диаметра трубопровода (типоразмера сенсора). Через отверстия измеряемая среда поступает в соответствующую осредняющую камеру. Сенсор устанавливается перпендикулярно направлению потока, пересекая поток по всему сечению. Отверстия, направленные против течения среды, и соответствующая осредняемая камера воспринимают давление скоростного напора среды (повышенное давление). Отверстия, направленные по течению среды, и соответствующая осредняемая камера воспринимают давление разрежения (пониженное давление). Перепад давлений пропорционален расходу.

Расходомер Метран-350-Р состоит из сенсора, монтажного и соединительного оборудования и датчика перепада давлений 3051CD (см. датчики давления), который обеспечивает:

•измерение создаваемого на сенсоре перепада давлений, пропорционального объемному расходу при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды;

•преобразование значения объемного расхода в выходной сигнал 4–20 мА и/или цифровой код по протоколу HART, а также в показания текущих значений расхода на встроенном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ).

Расходомер Метран-350-М состоит из сенсора монтажного и соединительного оборудования и датчика 3095 MV, который обеспечивает:

•измерение статического давления (избыточного или абсолютного);

•измерение возникающего на сенсоре перепада давлений;

•измерение температуры среды при помощи термопреобразователя сопротивления типа Pt 100;

•вычисление массового расхода и суммарной массы при реальных значениях давления и температуры измеряемой среды;

•вычисление объемного расхода и суммарного объема газа, приведенного к нормальным условиям;

•преобразование значения массового расхода в выходной сигнал 4–20 мА и/или цифровой код по цифровому протоколу HART, а также в показания текущего значения объемного, массового расхода, суммарной массы (объема) измеряемой среды, перепада давлений,статического давления, температуры на ЖКИ. Расходомеры имеютсистему самодиагностики.

В зависимости от модели расходомера, диаметра трубопровода, параметров измеряемой среды объемный (массовый) расход находится в диапазоне от нескольких м³/ч (кг/ч) до тысяч м³ /ч (т/ч).

Выходные сигналы:

•унифицированный токовый 4–20 мА для расходомеров Метран- 350-Р пропорционален объемному расходу приреальных значениях давления и температуры измеряемой среды.

Рис. 3.101. Кориолисовый расходомер: 1 – входной участок; 2 – входной детектор; 3 – выходной детектор; 4 – катушка; 5 – магнит;

6 – выходной участок

Рис. 3.100. Кориолисовый расходомер: 1 – входной участок; 2 – сенсорные трубки; 3 – задающая катушка; 4 – выходной участок

262

Для расходомеров Метран-350-М токовый сигнал пропорционален массовому расходу и объемному расходу, приведенному к нормальным условиям;

• цифровой протокол HART. Динамический диапазон 8:1.

Пределы основной допускаемой относительной погрешности при измерении массового и объемного расхода ±1,5 %.

Перечень измеряемых сред включает более ста жидкостей и газов.

3.5.6. Кориолисовые расходомеры

Расходомеры и плотномеры

предназначены для прямого измере-

ния массового расхода, плотности,

температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени. Выпускаются разные

типы моделей датчиков расходов (сенсоров) и моделей микропроцессорных преобразователей, функциональные возможности которых отвечают самым различным требованиям. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы. На

рис. 3.100 показан кориолисовый расходомер. Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Под действием задающей катушки трубки

колеблются вверх-вниз в противоположных друг другу направлениях.

Сборки магнитов и катушек-

соленоидов, называемые детектором, установлены на сенсорных трубках и показаны на рис. 3.101.

Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение в каждой катушке детектора имеет синусоидальную форму и пред-

Рис. 3.103. Выход кориолисового расходомера

Рис. 3.102. Выход кориолисового расходомера

263

ставляет собой движение одной трубки относительно другой.

Когда расход отсутствует, синусоидальные сигналы, поступающие с детекторов, находятся в одной фазе, что иллюстрировано на рис. 3.102.

При движении среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды в колебательном движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила направлена против движения трубки, приданного ей задающей катушкой, т.е. когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Таким образом, во входной половине

трубки сила, действующая со стороны жидкости, препятствует смещению трубки, а в выходной – способствует. Это приводит к изгибу трубки. Когда во второй фазе вибрационного цикла трубка движется вниз, направление изгиба меняется на противоположное.

Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкостей. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки. Как результат изгиба сенсорных трубок генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе, т.к. сигнал от входной стороны запаздывает по отношению к сигналу с выходной стороны, что иллюстриовано на рис. 3.103.

Разница во времени между сигналами (ΔТ) измеряется в микросекундах и прямо

пропорциональна массовому расходу. Чем больше Т, тем больше массовый расход.

Соотношение между массой и собственной частотой колебаний сенсорной трубки

– это основной закон измерения плотности в расходомерах Micro Motion. Как только масса измеряемой среды увеличивается, собственная частота колебаний трубок уменьшается, соответственно, при уменьшении массы из-

264

меряемой среды собственная частота колебаний трубок увеличивается. Частота колебаний измеряется выходным детектором. Преобразователи Micro Motion вычисляют плотность измеряемой жидкости, используя период колебаний трубок в микросекундах. Плотность прямо пропорциональна периоду колебаний сенсорных трубок.

Расходомер кориолисовый Метран-360

Измеряемая среда – газы, жидкости (в том числе агрессивные), эмульсии, суспензии, взвеси, тяжелые и высоковязкие среды (сырая нефть, мазут, битум, гудрон). Температура среды – 40–125 °С, рабочее избыточное давление в трубопроводе до 10 МПа. Условный диаметр трубопровода Dy 15, 25, 50 мм. Пределы основной относительной погрешности измерений массового и объемного расхода жидкостей ±0,5 %; газов 1,0 %.

Основными элементами датчика расхода являются одна или две расходомерные трубки, силовая электромагнитная задающая катушка и магнит, две электромагнитные системы съема сигналов колебаний детекторов и терморезистор. Под воздействием задающей катушки расходомерная трубка колеблется с резонансной частотой. В результате эффекта Кориолиса, возникающего при движении среды в колеблющейся трубке, различные ее части изгибаются относительно друг дуга. Этот изгиб приводит к взаимному рассогласованию по фазе колебаний различных участков расходомерной трубки, которые преобразуются электромагнитными детекторами скорости в выходной сигнал датчика расхода.

Массовый расход определяется путем измерения временной задержки между сигналами детекторов, которая пропорциональна массовому расходу. При отсутствии потока измеряемой среды изгиба трубки не происходит, и выходной сигнал (временная задержка) отсутствует.

Резонансная частота трубки зависит от ее геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы трубки (трубок) и массы измеряемой среды в трубке. Масса трубки постоянна для данного датчика. Поскольку масса среды в трубке равна произведению плотности среды и внутреннего объема трубки, а объем трубки является константой для данного датчика, то резонансная частота может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения резонансной частоты колебаний, периода колебаний трубки и температуры (измерение модуля упругости материала трубки при изменении температуры учитывает температурный сенсор).

Плотность среды рассчитывается по частоте (периоду) колебаний трубки с использованием калибровочных констант. По полученным значениям массового расхода и плотности вычисляется объемный расход.

265

Выходные сигналы:

•аналоговый токовый сигнал 4–20 мА пропорционален текущему массовому или объемному расходу;

•частотно-импульсный сигнал пропорционален массовому или объемному расходу, сигнал масштабируется в диапазоне частот от 0 до 10 кГц;

•цифровой сигнал Ве11 202 накладывается на аналоговый 4–20 мА;

•цифровой сигнал RS-485.

Основной процессор служит для преобразования служебных сигналов, поступающих с сенсора в стандартный цифровой протокол RS-485, который значительно улучшает качество передаваемого сигнала.

3.6. Измерение уровня жидких и сыпучих веществ

Современные системы автоматизации требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля уровня не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

			Таблица 3.9
№	Метод	Непрерывное измерение уровня
п/п		Жидкости	Сыпучие вещества
1	Гидростатический	Да	Нет
2	Ультразвуковой	Да	Да
	Направленное электромагнитное
3	излучение (радарный, микроволно-	Да	Да
	вый и радиоволновый)
4	С использованием погружных зондов	Да	Нет

Приборы для непрерывного измерения уровня жидких и сыпучих веществ, создаваемые с применением различных принципов и методов измерения, приведены в табл. 3.9.

3.6.1. Гидростатический метод

Данный метод измерения основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Величина гидростатического давления на дно резервуара P зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором h и от плотности жидкости ρ:

266

P = ρhg, соответственно, h = P/ρg, где g = 9,81 м/с² (для неподвижных жидкостей).

Тензодатчик (или емкостный керамический измерительный преобразователь, который не заполнен измеряющим давление веществом) связан с измеряющей жидкостью через изолирующую мембрану из нержавеющей стали и вещество, усредняющее давление. Выходной сигнал тензодатчика преобразуется формирователем в сигнал, соответствующий уровню жидкости.

Пена, отложения, изменения электрических свойств жидкости и форма резервуара не оказывают влияния на результат измерения при реализации гидростатического метода.

Основные достоинства гидростатического метода:

–высокая точность;

–применим для загрязненных жидкостей;

–отсутствие подвижных механизмов;

–не нуждается в сложном техническом обслуживании. Недостатки:

–движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения (давление относительно плоскости отсчета зависит от скорости потока жидкости – следствие закона Бернулли);

–атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

–изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения уровня.

Датчик гидростатического давления (уровня) Метран-100 ДГ

Принцип действия основан на использовании тензорезистивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира. При деформации чувствительного элемента под воздействием разности давлений изменяется электрическое сопротивление кремниевых тензорезисторов мостовой схемы на поверхности чувствительного элемента.

Диапазон измеряемых давлений:

–минимальный 0–0,04 кПа;

–максимальный 0–100 МПа;

Приведенная погрешность ±0,1 %; 0,15 %; 0,25 %. Диапазон перенастроек до 25:1.

Интеллектуальные датчики гидростатического давления Метран-100 ДГ предназначены для измерения и непрерывного преобразования в унифицированный токовый сигнал и/или цифровой сигнал в стандарте прото-

кола HART.

Управление параметрами датчика – кнопочное со встроенной панели, с помощью HART-коммуникатора или компьютера.

267

Датчики ДГ выдерживают со стороны открытой мембраны одностороннее воздействие нагрузки давлением, равным предельно допускаемому рабочему избыточному давлению.

Применение микропроцессорной электроники в конструкции электронных преобразователей датчиков Метран-100 позволило:

–реализовать широкий набор функций настройки и калибровки дат-

чиков;

–повысить точность настройки и снизить суммарную погрешность измерений в реальных условиях эксплуатации;

–расширить диапазон возможных перенастроек (10:1, 16:1, 25:1);

–обеспечить непрерывную самодиагностику.

3.6.2. Ультразвуковые датчики уровня

На рис. 3.104 показан ультразвуковой датчик уровня. В простейшем и наиболее распространенном случае, когда УЗК-датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень среды вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды. Это расстояние вычисляется по измеряемому времени, которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до по-

верхности контролируемой среды и обратно.

Химические и

физические

свойства среды не влияют на ре-

зультат измерения,

полученный

УЗК-методом, поэтому без про-

блем может измеряться

уровень

агрессивных, абразивных, вязких и

клейких составов. Однако на ско-

рость ультразвука оказывает влия-

ние температура воздуха в среде

его распространения (табл. 3.10).

Скорость ультразвука зависит и от

давления воздуха, которая увели-

чивается с ростом давления.

Таблица 3.10

Рис. 3.104. Ультразвуковой датчик уровня

Температура, °С

–20

0

20

40

60

80

Скорость, м/с

319,3

331,6

343,8

355,3

366,5

377,35

Скорость ультразвука зависит и от состава воздуха, например от процентного содержания CO2 и влажности.

268

Уровнемеры ультразвуковые РУМБ

Ультразвуковые уровнемеры типа РУМБ предназначены для дистанционного автоматического измерения уровня жидких сред-нефтепродук- тов, сжиженых газов, в том числе высоковязких и коагулирующих в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Принцип действия уровнемера основан на обратном магнитоупругом эффекте: упругая деформация, вызванная ультразвуковой волной, изменяет магнитную проницаемость стержня, которая, в свою очередь, (при наличии подмагничивающего тока) изменяет магнитный поток через приемную катушку. Измерение уровня сводится к измерению времени между моментами прохождения фронта ультразвуковой волны в стержне около поплавка и опорной точки отсчета.

Уровнемер включает в себя три преобразователя: первичный, промежуточный и передающий. В первичном преобразователе формируется интервал времени в виде электрического импульса, длительность которого пропорциональна значению измеряемого уровня и обратно пропорциональна скорости ультразвуковой волны в стержне. В преобразователе промежуточном производится преобразование интервала времени в числоимпульсный код. Преобразователь передающий преобразует числоимпульсный код в десятичный и индицирует его на цифровом табло. Первичный преобразователь устанавливается на резервуаре с измеряемой средой, а промежуточный и передающий преобразователи монтируются по месту либо в шкафах.

Уровнемеры выпускают трех типов с выходными сигналами: РУМБ- БК-М-двоично-десятичный код; РУМБ-БК-двоично-десятичный код; РУМБ-БК-А-0–5мА постоянного тока.

Относительная погрешность: РУМБ-БК-М ±4 мм; РУМБ-БК 0,5; 1,0; 1,5 %; РУМБ-БК-А 1,5; 2,5 %. Верхний предел измерения до 20 м.

К другим ультразвуковым уровнемерам можно отнести уровнемер

LUC4, LUC-T и т.д.

3.6.3. Акустические уровнемеры

Принцип действия акустических уровнемеров основан на локации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду и отражающимися от границы раздела газ–контролируемая среда. Мерой уровня является время распространения звуковых колебаний от источника излучения до контролируемой границы раздела сред и обратно до приемника. Акустический преобразователь крепится на верхней крышке резервуара и не контактирует с контролируемой средой.

Серийно выпускаемые отечественные акустические уровнемеры имеют существенные конструктивные недостатки, основными из которых являются недостаточная мощность звукового излучателя и плохая герме-

269

тичность конструкции акустического преобразователя. Первый недостаток приводит к отказам в работе прибора при образовании конденсата на поверхности излучателя, а также к неустойчивой работе при наличии интенсивных испарений в резервуарах. Второй недостаток значительно затрудняет возможность использования этих приборов для контроля уровня агрессивных сред.

Локация уровня может производиться и снизу. При этом определяется толщина слоя жидкости над источником и приемником ультразвуковых колебаний, который крепится снаружи ко дну резервуара. Локация снизу в ряде случаев (например, при измерении уровней, находящихся под давлением жидкостей или сжиженных газов) может оказаться предпочтительнее, т.к. источник и приемник функционируют в более благоприятных условиях, и появляется возможность увеличения максимально допустимой высоты измеряемого уровня.

3.6.4. Радарные уровнемеры

Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения микроволн от датчика до поверхности продукта и обратно. В настоящее время уровнемеры этого типа находят все большее применение для измерения уровня жидких сред. Это объясняется тем, что они удачно совмещают в себе высокую точность (погрешность ±1,0 мм), надежность и простоту обслуживания. Высокая надежность определяется бесконтактностью метода, а высокая точность – частотой и незначительным (всего несколько процентов даже для насыщенного водяного пара) ослаблением сигнала используемого диапазона при прохождении через газовую среду над измеряемым уровнем. Высокая точность измерений обеспечивается использованием прецизионной системы фазовой автоподстройки частоты и применением спектрального анализа с высокой разрешающей способностью.

Рассмотрение различных типов ра-

дарных уровнемеров позволяет сделать

вывод, что соотношение точности и раз-

0,8 м

меров антенны в значительной мере зави-

сит от используемой частоты излучения.

Высокая точность уровнемеров, рабо-

тающих на частотах 10 ГГц, достигается

за счет использования антенны больших

размеров, что усложняет их монтаж и

B = 0,1 L

эксплуатацию. Уровнемеры, работающие

в более коротко волновом диапазоне, при

Рис. 3.105. Радарный уровнемер:

той же точности используют антенны с

меньшими геометрическими размерами,

1 – фланец; 2 – уровнемер

270

что значительно упрощает их монтаж и эксплуатацию. Схема установки радарного уровнемера приведена на рис. 3.105.

3.7. Качественный и количественный анализ вещества

3.7.1. Электрохимические преобразователи

Электрохимический преобразователь представляет собой электролитическую ячейку, заполненную раствором; в раствор опущено два или более электродов, служащих для включения преобразователя в измерительную цепь [21].

Как элемент электрической цепи ячейка может характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряжения от проходящего тока, сопротивлением, емкостью, индуктивностью.

Выделяя зависимость между одним из пяти этих электрических параметров и измеряемой неэлектрической величиной, можно создать электрохимические преобразователи для измерения состава и концентрации жидких и газообразных сред, давлений, перемещений, скоростей, ускорений и ряда других неэлектрических величин.

Электрические параметры ячейки зависят от природы и состава раствора и электродов, химических превращений в ячейке, температуры, скорости перемещения раствора и других величин. Связи между электрическими параметрами электрохимических преобразователей и неэлектрическими величинами определяются законами электрохимии.

Растворы солей, кислот и оснований в воде и ряде других растворителей обладают электропроводностью и называются проводниками второго рода. К проводникам второго рода относятся также многие твердые и расплавленные соли.

При растворении происходит диссоциация – расщепление молекул на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Вещества, расщепляющиеся при растворении на ионы и образующие поэтому электропроводящие растворы, называются электролитами.

Каждый ион в соответствии с его валентностью несет положительный или отрицательный заряд, равный или кратный заряду электрона. Под воздействием электрического поля катионы движутся к отрицательному электроду (катоду), а анионы – к положительному электроду (аноду) и переносят электрические заряды.

Зависимость электропроводности растворов от концентрации [21]

Электропроводность чистой, тщательно дистиллированной воды близка к нулю и возрастает по мере повышения концентрации растворенных в ней веществ. Растворы характеризуются весовой концентрацией p,