Принцип работы термоанемометрического регулятора расхода газа MASS-STREAM

Содержание статьи:

1. Устройство и принцип действия измерительного сенсора
2. Измерение расхода различных газов
3. Точность измерения расходомеров MASS-STREAM
4. Регулирование расхода газа
5. Цифровые возможности MASS-STREAM

 

Термоанемометрические расходомеры – одна из разновидностей тепловых расходомеров, измеряющих массовый расход газа. При относительной простоте конструкции термоанемометрические расходомеры обладают отличными эксплуатационными характеристиками. Они с высокой точностью измеряют массовый расход газа (разница между массовым и объемным расходом газа обсуждается в этой статье), их показания в малой степени зависят от рабочих температуры и давления газа.

Кроме того, они могут работать в системах с минимально допустимыми перепадами давления на приборе; у них низкая чувствительность к наличию загрязнений в газовом потоке; они дешевле других тепловых расходомеров. В случае, если Вам необходимо измерять, а тем более регулировать расход газа, обратите внимание на этот тип расходомеров. Да-да, расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться регулирующим клапаном и самостоятельно контролировать расход газа.

Устройство и принцип действия измерительного сенсора

За счет чего достигаются такие технические характеристики? Рассмотрим устройство расходомера MASS-STREAM. Измерительная часть прибора представляет собой прямую трубку, внутри которой расположены два стальных зонда: первый по ходу движения газа – нагреватель, второй – датчик температуры (см. рисунок 1). На входе в прибор устанавливаются сетчатые экраны, формирующие требуемый профиль потока газа внутри измерительной части.

         Рисунок 1. Устройство измерительной части термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

 

Из рисунка видно, что перепад давления на измерительной части прибора чрезвычайно мал и не превышает падения давления в прямой трубе того же диаметра. Сетчатые экраны чистого расходомера создают минимальный дополнительный перепад порядка нескольких миллибар.

Если в потоке газа имеются маленькие твердые частицы (размером несколько десятком микрометров) или капли жидкости, то они смогут пройти измерительную часть расходомера насквозь, не задерживаясь внутри прибора. В отличие от калориметрических расходомеров с разделением потока, где загрязнения с очень большой вероятностью остаются внутри пропорционального делителя потока.

При наличии в потоке крупных твердых частиц они будут задерживаться сетчатым экраном со стороны входного коннектора. Накапливаясь, загрязнения могут искажать профиль газового потока внутри измерительной части, что негативно скажется на точности показаний расходомера. Эффективным способом очистки прибора в этой ситуации будет продувка расходомера сухим инертным газом со стороны выходного коннектора (в обратном направлении). Загрязнения будут удалены потоком газа, а прибор будет снова готов к работе, восстановив свою точность.

Обсудим формирование сигнала измерительным сенсором расходомера MASS-STREAM при прохождении газового потока. Управляющая плата контролирует ток через зонд-нагреватель таким образом, чтобы между двумя зондами поддерживалась постоянная разность температур ΔT (см. Рисунок 2а). Проходящий газ охлаждает зонд-нагреватель (см. Рисунок 2б). Компаратор управляющей платы регистрирует уменьшение разности температур между двумя зондами. Для поддержания постоянного значения ΔT на нагреватель подаётся дополнительная электрическая мощность (см. Рисунок 2в). Это увеличение мощности нагревателя оказывается пропорциональным массовому расходу газа. Чем выше расход газа, тем больше мощности подается на нагреватель.

(а)

(б)

(в)

            Рисунок 2. Принцип измерения расхода газа термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

 

В процессе калибровки расходомера на заводе внутрь прибора записывается калибровочная кривая. Она устанавливает взаимосвязь между сигналом от измерительного контура (током/мощностью нагрева зонда) и расходом газа, с которым будет работать прибор. Динамический диапазон такой калибровочной кривой достигает 1:100. Например, один измеритель расхода может достоверно измерять расход от 1 до 100 н.л/мин N₂.

Калибровочная кривая хранится в энергонезависимой памяти микропроцессора управляющей платы расходомера. Управляющая плата формирует «сырой» сигнал расхода в измерительном контуре, накладывает на него калибровочную кривую и получает сигнал массового расхода газа, на который рассчитан расходомер. Сигнал расхода может выдаваться расходомером MASS-STREAM в виде аналогового сигнала в одном из форматов: 0…5 В, 0…10 В, 0…20 мА или 4…20 мА. Кроме того, управляющая плата может передавать выходной сигнал по цифровому интерфейсу: RS-232 (FLOWBUS), RS-485 (FLOWBUS, Modbus, Profibus) и т.д.

Здесь необходимо затронуть вопрос чувствительности показаний прибора к температуре и давлению рабочего газа. В самом начале статьи отмечено, что эта чувствительность слабая. Обусловлено это тем, что коэффициент пропорциональности между мощностью нагревателя и расходом определяется такими физическими свойствами газа, как теплопроводность, удельная теплоемкость, динамическая вязкость и плотность. А они, как правило, слабо зависят от температуры и давления газа. Однако эта зависимость есть, и для сохранения точности измерения расхода ее необходимо учитывать.

Измерение расхода различных газов

Отсюда есть еще одно важное следствие. В случае, если мы поочередно будем подавать на термоанемометрический расходомер одинаковый массовый расход двух различных газов, то расходомер будет давать различные показания расхода. Ведь физические свойства разных газов отличаются. На Рисунке 3 схематично показаны зависимости показания расходомера от величины расхода для различных газов. Многоатомные молекулы газа обладают большей теплоемкостью и эффективнее охлаждают зонд-нагреватель. Соответственно, плата подает большую электрическую мощность для поддержания перепада температур ΔT, и тем выше становится сигнал от сенсора.

                  Рисунок 3. Зависимость показаний термоанемометрического расходомера от величины расхода для Ar, N₂, CO2, C₃H₈

 

Итак, максимально точные показания расходомер MASS-STREAM будет давать в случае, когда рабочие условия (рабочий газ, температура и давление газа) совпадают с условиями калибровки, указанными в заводском калибровочном сертификате. В ситуации, когда рабочие условия отличаются от условий калибровки, для сохранения точности показания прибора следует пересчитывать. Повторимся, что получившаяся корректировка будет составлять не более нескольких процентов, а, зачастую, и доли процента. Производитель предлагает удобный онлайн сервис для коррекции показаний расходомеров MASS-STREAM: www.fluidat.com (FOTN), раздел CFDirect (Рисунок 4).

                    Рисунок 4. Онлайн сервис FOTN для коррекции показаний термоанемометрического расходомера MASS-STREAM

 

Наличие цифровой управляющей платы в расходомерах MASS-STREAM позволяет реализовать еще один способ коррекции показаний под изменяющиеся условия эксплуатации. Если расходомер будет использоваться в нескольких фиксированных режимах работы, то прибор можно откалибровать для этих режимов уже на заводе. В прибор будет записано несколько калибровочных кривых, максимально 8. При изменении режима работы пользователь сможет с помощью встроенного дисплея или цифрового интерфейса выбрать подходящую калибровочную кривую.

Используя дополнительные калибровочные кривые, можно легко решить проблему пересчета показаний расходомера при значительном изменении температуры и давления рабочего газа.

Еще одна типичная ситуация – использование одного и того же расходомера при работе с различными газами. В этом случае необходимо убедиться в совместимости материала корпуса и уплотнительных колец со всеми рабочими газами. Если расходомер оснащен регулирующим клапаном, то также необходимо проверить пропускную способность клапана Kv и возможность поддержания клапаном стабильного расхода для каждого газа. При размещении заказа на новый расходомер с калибровочными кривыми для разных газов эту работу проводит инженер отдела продаж. Если в Вашем распоряжении имеется расходомер MASS-STREAM, который Вы хотите использовать с новым газом, рекомендуем предварительно проконсультироваться с нашей службой технической поддержки.

Также с помощью дополнительных калибровочных кривых можно расширить динамический диапазон расходомера MASS-STREAM. Стандартный измеритель расхода имеет динамический диапазон до 1:100. Однако, записав в прибор две калибровочные кривые для рабочего газа, одну – в нижней части рабочего диапазона для выбранной модели, другую – в верхней части, динамический диапазон можно расширить вплоть до 1:500.

Точность измерения расходомеров MASS-STREAM

Еще одна важнейшая характеристика любого расходомера – точность измерения. До недавнего времени производитель поставлял расходомеры MASS-STREAM с точностью 2% от ВПИ. Приборы внесены в Госреестр средств измерения РФ в 2016 году с такой же точностью. Начиная с мая 2019 года, производителю удалось улучшить точность выпускаемых расходомеров, теперь погрешность измерений не превышает 1% от показаний + 0,5% от ВПИ. Таким образом, расход 100% ВПИ измеряется с погрешностью не более 1,5% ВПИ, расход 50% ВПИ – с погрешностью не более 1% ВПИ, а расход 1% ВПИ – с погрешностью не более 0,51% ВПИ. Значимое улучшение точности. Такого результата удалось добиться за счет целого ряда усовершенствований в процессах производства и калибровки приборов.

Регулирование расхода газа

Производитель предлагает не только измерители, но и регуляторы расхода газа (РРГ). Расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться регулирующим клапаном, работой которого управляет сам расходомер. Пользователю достаточно задать расходомеру требуемый расход по аналоговому или цифровому интерфейсу. Управляющая плата прибора сама преобразует поданный сигнал в значение требуемого расхода, сравнит текущий измеренный сигнал расхода и сформирует управляющий сигнал на регулирующий клапан.

 

Управляющий сигнал на клапан формируется встроенным ПИД-регулятором. Чем больше отклонение текущего расхода от требуемого, тем быстрее изменяется управляющий сигнал. На Рисунке 5 показан график, поясняющий работу ПИД-регулятора в приборах MASS-STREAM. Зеленая и красная кривые показывают измеренный и требуемый расход, а фиолетовая кривая – управляющий сигнал на клапан, формируемый ПИД-регулятором.

                         Рисунок 5. Формирование ПИД-регулятором управляющего сигнала на регулирующий клапан

 

Двумя синими овалами обведены участки графика, где изначально отличие измеренного и требуемого расходов велико. ПИД-регулятор сразу же старается резко изменить сигнал на клапан. В первом случае сигнал на клапан увеличивается, во втором – уменьшается. Как только разница измеренного и требуемого расхода уменьшается, ПИД-регулятор медленнее изменяет сигнал клапана, чтобы расходы точно совпали. На обоих участках графика в конце наблюдается «перерегулирование», когда измеренный сигнал становится немного больше, чем заданный. ПИД-регулятор сразу же начинает снижать сигнал на клапан, и спустя секунду измеренный и требуемый сигнал совпадают.

Управляющая плата корректирует управляющий сигнал на клапан в течение нескольких миллисекунд. Процесс формирования сигнала на клапан динамический, ПИД-регулятор постоянно отслеживает разницу измеренного и требуемого сигнала. Это позволяет быстро реагировать на резкие изменения давления в трубопроводе, поддерживая расход стабильным. Или быстро отрабатывать изменения величины требуемого расхода.

В большинстве случаев в качестве регулирующего клапана в регуляторах расхода MASS-STREAM используются электромагнитные клапаны. Схема электромагнитного клапана прямого действия для расходов до 10 н.л/мин N₂ показана на Рисунке 6.

                Рисунок 6. Схема встроенного электромагнитного клапана регулятора расхода газа MASS-STREAM

 

Для электромагнитных клапанов управляющая плата контролирует силу тока через катушку. При подаче тока внутри электромагнитной катушки формируется магнитное поле, которое воздействует на держатель плунжера, изготовленный из ферромагнитного материала. Катушка стремится поднять плунжер над орифайсом. Это воздействие компенсируется упругой силой плоской пружины, которая наоборот прижимает плунжер к орифайсу. В ситуации, когда на катушку подается достаточно сильный ток, плунжер отрывается от орифайса и между ними образуется зазор. Через расходомер начинает идти расход газа.

Ток через катушку регулируется таким образом, чтобы расстояние между плунжером и орифайсом в точности соответствовало пропусканию требуемого количества газа.

Проходное сечение орифайса подбирается в зависимости от необходимой пропускной способности клапана. Для каждого прибора расчет проводится индивидуально. Для клапанов, показанных на Рисунке 6, диаметр орифайса варьируется в диапазоне от 0,05 до 1,3 мм. Для надежной работы такой клапан требует перепада давления, значительно больше, чем для измерительной части. Речь идет о сотнях миллибар и более. Это необходимо учитывать при подборе регулятора расхода газа MASS-STREAM.

 

Цифровые возможности MASS-STREAM

Термоанемометрические расходомеры MASS-STREAM комплектуются электронной платой с микропроцессорным управлением. Это позволяет реализовывать в приборах полезный и востребованный функционал помимо того, что описан выше. Расходомеры измеряют мгновенный расход газа, но при этом могут измерять количества газа, прошедшего через прибор, с помощью встроенного счетчика. Счетчик имеет два режима работы: простой учет количество газа; отсчет заданного количества газа с подачей сигнала и автоматическим изменением требуемого расхода (для регуляторов расхода) по достижении установленного лимита.

Прибор имеет функцию сигнализатора с несколькими режимами работы: выход измеренного сигнала за заданные пределы, достижение лимита счетчиком, аварийное отключение питания. Расходомеры MASS-STREAM могут комплектоваться интегрированным многофункциональным дисплеем с кнопками управления. Он позволяет выполнять целый ряд функций, в том числе отображение фактического расхода, показаний счетчика и сигнализации, выбор необходимой калибровочной кривой и т.д.

 

Вы можете посмотреть видеоролик, наглядно показывающий принцип действия термоанемометрического регулятора расхода газа MASS-STREAM.