Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры

Массовые кориолисовые расходомеры и плотномеры предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени.

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (или сенсора) и преобразователя (рис. 9.13). Сенсор напрямую измеряет расход, плотность и температуру. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартные выходные сигналы.

Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины, протекающие через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки (рис. 9.14) приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друг к другу.

Рис. 9.13. Кориолисовый расходомер

Рис. 9.14. Устройство кориолисового расходомера

Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках (рис. 9.15). Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой.

Рис. 9.15. Схема работы расходомера

Когда расход отсутствует, синусоидальные сигналы, поступающие с детекторов, находятся в одной фазе (рис. 9.16).

При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном 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 катуш-

Рис. 9.16. Сигналы детекторов при отсутствии расхода

кой, 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 (рис. 9.17). 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 жидкости. Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки.

Как результат изгиба сенсорных трубок генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе, так как сигнал от входной стороны запаздывает по отношению к сигналу с выходной стороны (рис. 9.17).

Рис. 9.17. Сигналы детекторов при расхода

Разница во времени между сигналами (D T) измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше D T, тем больше массовый расход.

Соотношение между массой и собственной частотой колебаний сенсорной трубки – это основной закон измерения плотности в кориолисовых расходомерах.

В рабочем режиме задающая катушка (рис. 9.14) питается от преобразователя, при этом сенсорные трубки колеблются с их собственной частотой. Как только масса измеряемой среды увеличивается, собственная частота колебаний трубок уменьшается; соответственно при уменьшении массы измеряемой среды собственная частота колебаний трубок увеличивается.

Частота колебаний трубок зависит от их геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самих трубок и массы измеряемой среды в трубках. Для конкретного типоразмера сенсора масса трубок постоянна. Поскольку масса измеряемой среды в трубках равна произведению плотности среды и внутреннего объема, а объем трубок является также постоянным для конкретного типоразмера, то частота колебаний трубок может быть привязана к плотности среды и определена путем измерения периода колебаний.

Частота колебаний измеряется выходным детектором (рис. 9.18) в циклах в секунду (Гц). Период колебаний, как известно, обратно пропорционален частоте. Измерить время цикла легче, чем считать количество циклов, поэтому преобразователи вычисляют плотность измеряемой жидкости, используя период колебаний трубок в микросекундах (рис. 9.18). Плотность прямо пропорциональна периоду колебаний сенсорных трубок.

Рис. 9.18. Работа расходомера при измерении плотности

Примером расходомера, который работает на этом принципе, является «Метран-360». Это кориолисовый расходомер, предназначенный для измерения массового и вычисления объемного расхода жидких и газообразных сред; используется в системах автоматического контроля и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета. Внешний вид расходомера приведен на рис. 9.19.

Рис. 9.19. Кориолисовый расходомер «Метран-360»

Измеряемая среда – газы, от сверхлегких (водород); жидкости (в т.ч. агрессивные); эмульсии, суспензии, взвеси, тяжелые и высоковязкие среды (сырая нефть, мазут, битум, гудрон). Температура измеряемой среды при удаленном монтаже измерительного преобразователя от минус 240 до плюс 150 °С (интегральный монтаж измерительного преобразователя); рабочее избыточное давление в трубопроводе – до 30 МПа.

Условный диаметр трубопровода Д_у – 15, 25, 50 мм. Пределы основной относительной погрешности измерений массового и объемного расходов жидкостей ±0,5 %; газов ±1,0 %. Взрывозащищенное исполнение.

Характерные особенности расходомера «Метран-360»:

- высокая точность измерений параметров в течение длительного времени;

- возможность работы вне зависимости от направления потока;

- отсутствие необходимости в прямолинейных участках трубопровода до и после расходомера;

- отсутствие затрат на установку вычислителей расхода;

- надежная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды;

- длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;

- отсутствие необходимости в периодической перекалибровке и регулярном техническом обслуживании;

- возможность работы от разных источников питания с помощью самопереключающегося встроенного блока питания;

- допущены к использованию в пищевой и фармацевтической промышленностях.

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 отсутствует.

Резонансная частота трубки зависит от ее геометрии, материала, конструкции и массы. Масса состоит из двух частей: массы самой трубки и массы измеряемой среды в трубке. Масса трубки постоянна для данного датчика. Конструкция сенсора расхода показана на рис. 9.20.

Рис. 9.20. Конструкция сенсора расхода

Основными элементами датчика расхода являются две расходомерные трубки, на которых монтируются:

- соединительная коробка с силовой электромагнитной (задающей) катушкой возбуждения и магнитом;

- два тензодатчика с магнитами и электромагнитными катушками;

- терморезистор.

Внутри расходомерных трубок специальной формы движется измеряемая среда. Под воздействием задающей катушки расходомерная трубка колеблется с резонансной частотой.

В результате эффекта Кориолиса, возникающем при движении среды в колеблющейся трубке, различные ее части изгибаются друг относительно друга. Этот изгиб приводит к взаимному рассогласованию по фазе колебаний различных участков расходомерной трубки, которое преобразуется электромагнитными детекторами скорости в выходной сигнал датчика расхода.

Плотность среды вычисляется на основании линейной зависимости между частотой и периодом колебаний трубки с использованием калибровочных констант.

По полученным значениям массового расхода и плотности вычисляется объемный расход.

На жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) выводятся:

- текущие значения массового, объемного расхода, суммарной массы, объема, плотности;

- размерность технических единиц, в которых измеряется массовый (объемный) расход, суммарная масса (объем) и плотность.

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

Аналоговый выходной токовый сигнал 4–20 мА пропорционален текущему массовому или объемному расходу; нижнее и верхнее предельные значения соответствуют минимальному и максимальному значениям измеряемого параметра.

Частотно-импульсный выходной сигнал пропорционален массовому или объемному расходу, сигнал масштабируется в диапазоне частот от 0 до 10 кГц или от 0 до 7 кГц.

Цифровая коммуникация осуществляется с помощью стандартов коммуникации Bell 202 по протоколу HART или RS -485 по протоколам HART и Modbus.

Дата добавления: 2014-01-03