Як правильно вибрати витратомір?

Щоб визначити, який витратомір підходить для конкретного застосування, розуміння стану рідини, що вимірюється, має вирішальне значення: рідина чи газ? Гази є стисливими і не можуть вимірюватися рідинними витратомірами. Це ключова інформація, яку потрібно осягнути з самого початку. Ця стаття присвячена тому, як вибрати витратомір для вимірювання рідини.

Після визначення типу рідини важливо оцінити її чистоту. Брудні рідини містять тверді частинки, і їх часто називають суспензіями, тоді як чисті рідини не містять частинок. Наприклад, витратоміри з рухомими частинами, які контактують з рідиною, такі як об’ємні витратоміри або турбінні витратоміри, не підходять для забруднених рідин, оскільки наявність твердих частинок робить їх більш чутливими до механічного зносу, засмічення або корозії. Тому витратоміри з рухомими частинами, які контактують з рідиною, зазвичай підходять лише для чистих рідин. З іншого боку, для рідин, що містять домішки, більш придатними є без{4}}контактні витратоміри (такі як електромагнітні (вимірювачі швидкості), ультразвукові (вимірювачі швидкості) або Коріоліса (вимірювачі масової витрати)). Хоча ці витратоміри також мають деякі обмеження, вони більш здатні працювати з твердими частинками.

Іншим фактором, який слід враховувати, є сумісність матеріалів, які використовуються в контактних компонентах рідини з витратоміром (таких як корпуси клапанів, ущільнення та шестерні/ротори/лопаті). Кислоти та луги роз’їдають метали, тому більш імовірно, що вони сумісні з термопластами; тоді як деякі органічні сполуки можуть бути непридатними для термопластів, але можуть бути сумісними з металами.

Одним із основних параметрів, який слід враховувати при виборі витратоміра, є в’язкість або консистенція рідини. Після визначення рідини, яку потрібно виміряти, можна вивчити її -пов’язані з потоком властивості, наприклад в’язкість. В’язкість визначається як міра опору потоку рідини або внутрішнього тертя рідини, тобто величина, що утворюється внаслідок тертя молекул одна об одну під час течії. Цей параметр важливий при вимірюванні витрати, оскільки він визначає ступінь змішування рідини, таким чином визначаючи повторюваність показань.

Наприклад, для високо{0}}в’язких (високо-консистенційних) рідин об’ємний витратомір (наприклад, еліптичний зубчастий витратомір) більше підходить, ніж турбінний витратомір. Це пояснюється тим, що більшість високо{3}}в’язких рідин є ламінарними, характеризуються плавним і постійним рухом. Як показано на малюнку нижче, розподіл швидкості ламінарного потоку є параболічним. Що це означає? Це означає, що швидкість потоку в трубі неоднорідна. Через тертя між рідиною та стінкою труби швидкість рідини менша біля стінки труби та більша в центрі труби.

Турбулентний потік характеризується безладдям і зазвичай виникає в рідинах із низькою{0}}в’язкістю або розріджених рідинах. Його розподіл швидкості «повністю розвинений», тобто швидкість рідини однакова в усіх точках труби. Турбінний витратомір — це тип вимірювача швидкості, який безпосередньо вимірює швидкість рідини шляхом вимірювання кутової швидкості ротора, яка прямо пропорційна швидкості рідини. Об’ємні витратоміри більше підходять для рідин із високою-в’язкістю та низькою-потоком-швидкістю, як-от мед, сироп або важка нафта. Для низько{8}}в’язких або розбавлених рідин, таких як розчинники або вода, швидкісні витратоміри є хорошим вибором.

Щоб визначити, чи є рідина ламінарною чи турбулентною, важливо знати, як обчислити число Рейнольдса. Ви можете знайти калькулятор числа Рейнольдса тут. Число Рейнольдса — це безрозмірне число, яке допомагає визначити характеристики потоку або структуру рідини. Це функція щільності та в’язкості рідини. Число Рейнольдса для ламінарного потоку менше 2300, а число Рейнольдса для турбулентного потоку більше 2300.

Крім того, варто зазначити, що в'язкість є функцією температури. У рідинах в'язкість обернено пропорційна температурі; тобто чим вища температура, тим менша в'язкість. Тому важливо враховувати робочу температуру системи або застосування, щоб зрозуміти зв’язок між потоком рідини та її в’язкістю.

Цей параметр так само важливий, як і попередні, використовується для визначення відповідного розміру витратоміра для застосування. Швидкість потоку означає об’єм або масу рідини, яка тече/рухається за одиницю часу. Ви можете перетворити масу в об’єм за допомогою густини (об’єм, який займає одиниця маси рідини) або питомої ваги (відношення густини речовини до густини води або вага одного літра рідини, поділена на вагу такого ж об’єму води).

Коли ви зрозумієте діапазон витрати, ви зможете оцінити, чи можуть витратоміри у вибраному списку витримувати необхідну швидкість потоку. Цей крок є таким же критичним, як і попередній етап вибору витратоміра, оскільки він визначає, чи буде витратомір працювати, як задумано. Наприклад, вибір занадто малого витратоміра (тобто швидкість потоку перевищує або наближається до максимальної потужності) може призвести до пошкодження або несправності внутрішніх компонентів витратоміра, а в гіршому випадку навіть до виходу з ладу всього витратоміра. З іншого боку, якщо витратомір занадто великий (тобто витрата системи нижче або близько до мінімального діапазону витратоміра), це призведе до низької точності або навіть до неможливості зчитування/вимірювання витрати.

Іншими ключовими параметрами при виборі витратоміра є температура і тиск. Подібно до швидкості потоку, яка представляє потужність витратоміра, параметри температури та тиску вимірюють здатність матеріалу витратоміра протистояти нагріванню та силам потоку рідини.

У розділі про в’язкість цієї статті обговорюється зв’язок між температурою та в’язкістю рідини. Оскільки в’язкість є функцією температури, при виборі витратоміра температуру слід враховувати так само, як і в’язкість. Крім того, робоча температура має вирішальне значення для компонентів витратоміра,-що контактують із середовищем (особливо ущільнень), оскільки ущільнення мають температурні обмеження, а деякі матеріали не витримують екстремальних або тривалих високих температур. Нарешті, температура допомагає визначити, чи можна встановити електронний прилад безпосередньо на витратомір, чи потрібна дистанційна установка, оскільки електронні компоненти також мають температурні обмеження.

Тиск визначає здатність витратоміра протистояти зусиллям рухомих рідин. Прикладений робочий тиск не повинен перевищувати максимально допустимий робочий тиск вибраного витратоміра, інакше це може спричинити небезпеку.

Номінальний тиск витратоміра включає коефіцієнт безпеки, щоб запобігти виходу витратоміра з ладу невеликими стрибками тиску. Надмірний тиск може спричинити деформацію витратоміра, і з часом, коли еластичність матеріалу витратоміра досягне своєї межі, точність вимірювання може знизитися.

Щоб уникнути помилок вимірювання та потенційної небезпеки, необхідно переконатися, що температура й тиск у системі не перевищують допустимий діапазон витратоміра. Високі температури впливають на стійкість витратоміра до тиску, що призводить до підвищення пластичності металу та сприйнятливості до розтягування. Максимальний номінальний тиск витратоміра відповідає найвищій номінальній температурі.

Для деяких програм можуть знадобитися високо-точні витратоміри, наприклад ті, що використовуються для вимірювання чи торговельних операцій (стягнення плати зі споживачів на основі показань). Неточні показання можуть призвести до фінансових втрат або проблем з якістю продукції. Тому вибір витратоміра, який відповідає вимогам точності процесу, має вирішальне значення.

Точність вимірювання потоку означає, наскільки близько виміряне значення приладу/інструменту до фактичного потоку. Точність може бути виражена у відсотках від повної шкали або у відсотках від показань. Повна -точність шкали або точність діапазону означає, що похибка витратоміра залишається постійною в усьому діапазоні витрати. Наприклад, витратомір із діапазоном потоку 100 літрів/хвилину та повною -точністю шкали 1% матиме похибку 1 літр/хвилину незалежно від того, чи є показання 10 літрів/хвилину чи 100 літрів/хвилину. З іншого боку, відсоток точності зчитування розраховується на основі фактичного зчитування. Витратомір із діапазоном потоку 10-100 літрів/хвилину та точністю зчитування 1% матиме похибку 1 літр/хвилину при 100 літрах/хвилину та 0,5 літра/хвилину при 50 літрах/хвилину. Таким чином, зрозуміло, що в діапазоні низьких витрат витратомір, розрахований на основі точності показань, є більш точним, ніж розрахований на основі повної точності.

Повторюваність вимірює здатність пристрою виробляти той самий результат або показання за ідентичних умов і не пов’язана з точністю витратоміра. Як говориться: «Ви можете мати високу повторюваність без високої точності, але ви не можете мати високу точність без високої повторюваності». Повторюваність подібна до розташування стріл на мішені; всі вони можуть групуватися разом, але краще, якщо вони будуть ближче до яблучка, ніж до країв.

Крім того, лінійність є ще одним важливим фактором, що описує продуктивність витратоміра. Він вимірює здатність витратоміра підтримувати задану точність у всьому заданому діапазоні витрати. Зазвичай вона виражається у відсотках похибки в діапазоні витрати витратоміра. Якщо фактична швидкість потоку нанесена на графік проти вказаної швидкості потоку, витратомір із хорошою лінійністю повинен давати пряму лінію. В ідеалі витратомір повинен забезпечувати лінійний вихід у всьому діапазоні витрати. Однак у практичних застосуваннях такі фактори, як тертя, ковзання та різниці тиску, через принципи динаміки рідини можуть уповільнити або навіть перешкодити витратоміру вимірювати потік рідини, залежно від швидкості рідини та характеристик потоку.

На цьому етапі ви повинні звузити вибір витратоміра або визначити відповідний. Тепер, щоб досягти оптимальної продуктивності та необхідної точності, важливо переконатися, що витратомір правильно зрозумілий і встановлений.

Конфігурація труби є одним із ключових факторів, які слід враховувати при встановленні витратоміра. Це вкрай важливо, оскільки для забезпечення точних вимірювань витратомір завжди має бути заповнений рідиною. Крім того, напрямок труби також важливий, визначаючи, чи потрібно встановлювати витратомір горизонтально чи вертикально. Якщо встановлено вертикально, рідина повинна текти знизу вгору, щоб гарантувати, що витратомір завжди заповнений рідиною, запобігаючи накопиченню повітря всередині.

Витратоміри потребують прямих ділянок труби перед і вниз за течією, щоб отримати стабільний профіль швидкості. Це надзвичайно важливо, оскільки нерегулярні профілі швидкості впливають на точність і повторюваність витратоміра. Існуючі установки можуть не мати достатнього простору або засобів для розміщення необхідних прямих секцій труби; отже, регулювання потоку можна використовувати як альтернативу для стабілізації профілю швидкості шляхом усунення завихрення та збурень.

Нарешті, суворе дотримання орієнтації установки витратоміра також дуже важливо. Наприклад, еліптичні зубчасті витратоміри необхідно встановлювати з валом ротора в горизонтальному положенні; інакше вага ротора буде тиснути на малий упорний підшипник, який підтримує нижню частину ротора та відокремлює його від дна камери дозування. Це призведе до передчасного зносу підшипників і тертя між ротором і дном камери дозування. Іншим хорошим прикладом є електромагнітні витратоміри, які слід встановлювати під невеликим кутом (1 година або 2 години), щоб запобігти накопиченню відкладень на нижніх чутливих електродах. Деякі витратоміри є односпрямованими, як-от наші механічні витратоміри з еліптичною передачею, і повинні працювати в напрямку, указаному стрілкою потоку; тоді як наші електронні еліптичні зубчасті витратоміри та турбінні витратоміри є двонаправленими та можуть бути встановлені в трубопроводі з будь-якого напрямку. Щоб отримати докладні вказівки щодо встановлення витратоміра, прочитайте інструкцію з експлуатації перед встановленням.

Щоб отримати повністю функціональний витратомір, останньою опцією для вибору є те, як витратомір перетворює потік у придатний для використання формат даних. Це залежить від мети даних потоку: керування процесом, виставлення рахунків, регулятивна звітність або моніторинг. Чи потрібно вручну або в електронному вигляді записувати потік, партію або кумулятивний потік у реєстратор даних або систему керування?

По-перше, нам потрібно визначити, чи потрібно встановлювати лічильник локально. Якщо так, слід враховувати температуру середовища застосування, і ця температура має відповідати температурним обмеженням електронних компонентів. Для дистанційного встановлення дуже важливо визначити, чи є метод передачі аналоговим чи цифровим, оскільки деякі прилади можуть не запропонувати обидва варіанти. Крім того, джерело живлення на місці встановлення має бути підтверджено, а вибраний дисплей має бути оцінений, щоб визначити, чи підтримує він автономне-живлення, живлення від-шлейфу чи зовнішнє живлення постійного струму. Якщо на об’єкті немає джерела живлення, можна розглядати механічні витратоміри або електронні витратоміри-з батарейним живленням.

Вибираючи електронний дисплей, який відповідає витратоміру, переконайтеся, що вимоги до вхідного сигналу дисплея відповідають характеристикам сигналу витратоміра. Наприклад, дисплей повинен мати можливість приймати частоту або імпульси витратоміра за секунду; інакше може знадобитися конвертер або інші аксесуари. Ці фактори необхідно враховувати в процесі вибору, щоб уникнути непотрібних і дорогих модифікацій.

Для деяких рідин може знадобитися обладнання з відповідними сертифікатами. Наприклад, електронні витратоміри, розташовані в середовищі з горючим газом, потребують сертифікації безпечної експлуатації. Залежно від зони, де використовуватиметься витратомір, необхідно відповідати вимогам сертифікації небезпечних зон. У Європі це сертифікація ATEX; у Північній Америці це може бути FM або CSA; в інших країнах може знадобитися сертифікація IEC. Установники та оператори несуть відповідальність за забезпечення відповідності витратоміра та лічильника національним нормам щодо небезпечних зон. Інші сертифікації можуть включати сертифікацію метрологічного бюро (для вимірювання та виставлення рахунків) або галузеві-сертифікації, такі як ті, що застосовуються до промисловості харчових продуктів і напоїв.

Ультразвукові витратоміри

Ультразвукові витратоміри використовують ультразвукові хвилі для розрахунку витрати в трубі. Їх можна використовувати для вимірювання різноманітних рідин, включаючи воду, природний газ, мінеральне масло, хімічні речовини та рідини, що містять домішки.

Переваги: ​​ультразвукові витратоміри не мають рухомих частин, тому вони майже не потребують обслуговування. Ці лічильники також економічні, головним чином тому, що вони прості в установці та експлуатації. Крім того, на результати вимірювань не впливають екстремальні коливання температури або зміни в'язкості, щільності або тиску. Ці витратоміри не перешкоджають потоку рідини, тому їх можна використовувати з санітарними, корозійними та абразивними рідинами.

Недоліки: Однак важливим фактором є розташування датчика у витратомірі: адже вони чутливі до забруднень і можуть потребувати регулярного очищення.

Точність. Ультразвукове вимірювання — це точний і не{0}}руйнівний принцип вимірювання. Ультразвукові датчики потоку забезпечують точне вимірювання потоку для широкого діапазону застосувань, включаючи контроль процесів, управління водними ресурсами, проекти підземних вод, а також енергетичну, хімічну, харчову та напоїв, фармацевтичну, металургійну та гірничодобувну, целюлозно-паперову та нафтову та газову промисловість.

Електромагнітні витратоміри

Цей тип витратомірів визначає швидкість потоку шляхом вимірювання змін магнітного поля всередині труби. У цих типах лічильників води використовується закон електромагнітної індукції Фарадея, який створює магнітне поле шляхом живлення котушки навколо труби.

Переваги: ​​як і ультразвукові витратоміри, електромагнітні датчики не перешкоджають потоку рідини. Датчик розташований усередині корпусу пристрою: отже, внутрішні труби легко обслуговувати, а ризик забруднення датчика значно знижується. На точність вимірювання не впливають в'язкість, температура та тиск, а датчик чутливо реагує на швидкі зміни швидкості потоку.

Недоліки: Потрібне (приблизне) знання провідності рідини. Наприклад, дощова вода має нижчу електропровідність, ніж питна. Якщо провідність занадто низька, вимірювання можуть бути неточними або навіть неможливими.

Точність: який витратомір найточніший? Відповідь - електромагнітний витратомір, далеко вперед.

Електромагнітні витратоміри забезпечують більш високу точність вимірювання, ніж будь-який інший тип витратомірів, оскільки вони вимірюють швидкість і швидкість потоку одночасно. Цей тип витратомірів ідеально підходить для вимірювання електропровідних рідин, таких як вода, кислоти або корозійні рідини.

Вплив на точність

Уважне читання деталей має вирішальне значення для заяв про точність (або специфікацій) таких приладів, як витратоміри. Точність зазвичай значно падає при менших витратах. Наприклад, якщо для приладу заявлена ​​точність 0,5% від повної шкали, необхідно визнати, що фактична точність зменшиться, коли робочі умови будуть нижчими за повну шкалу.

Інший спосіб вираження точності полягає в тому, щоб визначити її як ±0,5% від показань, наприклад, у межах певного діапазону діапазону витратоміра. Залежно від передбачуваного використання витратоміра ця номінальна точність може бути незначною або може значно відрізнятися. Точність витратомірів, які використовуються для виставлення рахунків чи інших-прибутків, може мати значний фінансовий вплив.

Припустимо, витратомір із лопатковим колесом має точність ±0,5%. Далі припустимо, що це відсоток повної шкали, і що повна шкала становить 50 футів на секунду (футів/с). Якщо ви використовуєте швидкість потоку 6 футів/с (часто для очисних споруд), фактична точність буде далекою від очікуваної:

0,005 × 50 к/с=±0,25 фут/с

Якщо цю точність застосувати до швидкості потоку 6 футів/с, фактична точність становить:

±0,25 / 6 футів/с=±0,0417 або 4,17%

Порівняння електромагнітного витратоміра з точністю 0,5% від показання з доплерівським витратоміром з точністю 0,5% повної шкали дає аналогічні результати.

Поширена проблема виникає, коли міста чи муніципалітети використовують два різних типи витратомірів. Припустімо, що один витратомір – це високо-точний магнітний витратомір, розташований у вимірювальній камері, який використовується для моніторингу швидкості потоку стічних вод станції очищення стічних вод; інший - це доплерівський витратомір, який використовується для моніторингу швидкості потоку. Точність доплерівських витратомірів має тенденцію до зниження зі зменшенням швидкості потоку. Навіть високо{4}}точні магнітні витратоміри мають надзвичайно високі та низькі межі показань, нижче яких вони не працюватимуть точно.

Повторюваність

Багато в чому повторюваність навіть важливіша, ніж точність. Якщо показання приладу постійно неправильні (неточні, але повторювані), їх можна відкоригувати, щоб отримати правильні показання. Однак, якщо показання приладу нестабільні, жодне калібрування не зможе виправити його помилкові показання.

У багатьох польових приладах сьогодні використовуються методи балансування сил (перетворення показань процесу в сили, що діють на датчики сили), такі як п’єзоелектричні кристали, ємнісні датчики та тензодатчики. Ці методи працюють за принципом, що навіть якщо на виході приладу генерується електричний сигнал, інструмент не зміщуватиметься після застосування сили. В даний час деякі пристрої для вимірювання витрати, рівня та хімічних речовин не засновані на принципі балансування сил; для цих пристроїв перевірка їх повторюваності залишається критичною. Постійне підвищення повторюваності вказує на потенційну несправність приладу.

Хоча калібрування може підвищити точність приладу, повторюваність зазвичай визначається конструкцією приладу.

Діапазон вимірювання та невизначеність

Як згадувалося раніше, діапазон вимірювання приладу необхідно враховувати на етапах вибору та визначення розміру заводського проекту. Встановлені витратоміри повинні мати можливість зчитувати різні діапазони витрати, необхідні для місця їх встановлення. Як мінімум, вони повинні відповідати вимогам точності/повторюваності для кожної швидкості потоку програми.

Однією з найпоширеніших проблем із приладовим обладнанням є перебільшення його діапазону потоку. Чи часто ви чуєте, що витратомір може зчитувати витрати від 1 до 100 футів/с, створюючи ілюзію, що він може точно зчитувати витрати в усьому діапазоні?

На що часто не звертають уваги, це те, що точність витратоміра має співвідношення діапазону 10:1. Це означає, що витратомір із діапазоном від 0 до 30 Mgd має справжню точність у всьому діапазоні від 3 до 30 Mgd. Нижче 3 Mgd точність витратоміра знижується.

Крім того, різні типи витратомірів мають різні коефіцієнти діапазону по всьому діапазону витрати. Наприклад, витратомір Вентурі зазвичай використовує два передавачі для вимірювання витрати. Це пояснюється тим, що витратомір Вентурі з одним трансмітером може точно вимірювати витрати в усьому діапазоні з співвідношенням діапазону 6:1. Тому, якщо ми подивимося на діапазон від 0 до 30 Mgd, точність витратоміра зменшиться нижче 5 Mgd. Діапазон, у межах якого прилад відповідає вимозі лінійності щодо невизначеності, називається його «діапазоном». «Невизначеність» відноситься до діапазону значень, в межах якого справжнє значення потрапляє з певною ймовірністю. При рівні довіри 95% похибка ±1% означає, що зі 100 вимірювань діапазон похибок приладу знаходиться в межах ±1% для 95 вимірювань.

Ще одна поширена помилка при виборі обладнання. Під час очищення муніципальних стічних вод прийнято вважати, що вміст твердих речовин у стічних водах нульовий.

Деякі люди запитують про точність витратоміра, манометра рівня або приладу для вимірювання тиску, і, почувши низьке значення, припускають, що всі компоненти, пов’язані з цим витратоміром, мають однакову точність. Однак точність витратоміра не відповідає точності всієї системи потоку. Математична формула, яка називається середньоквадратичним (RMS), може правильно визначити точність усієї системи. Наприклад, електромагнітний витратомір, який локально записує потік, надсилає аналогові сигнали на робочу станцію оператора через програмований логічний контролер (PLC).

Точність кожного компонента необхідно перевіряти окремо:

Електромагнітний витратомір (±0,5%)

Передавач електромагнітного витратоміра (±0,5%)

Кабель підключення до рекордера (±0,01%)

Кабель підключення до клемної колодки ППК (±0,01%)

Плата введення/виведення (I/O) ПЛК (±0,4%).

Кожен компонент у системі має власну похибку вимірювання та невизначеність, які разом впливають на загальну точність системи. У практичних застосуваннях система керування може містити більше компонентів.

Щоб використовувати метод середньоквадратичного (RMS), спочатку підведіть кожне значення до квадрата, щоб отримати 0,000025, 0,000025, 0,00000001, 0,00000001 і 0,000016. Потім додайте ці квадрати разом. Нарешті, витягніть квадратний корінь із суми. Точність усієї системи становить приблизно ±0,00813 або ±0,813%, а не 0,5%. Ця формула точності застосовується до будь-якої окремої хімічної речовини, тиску, рівня, температури або контуру потоку.