Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Турбинные расходомеры — это тип скоростных расходомеров, которые нашли широкое применение в различных областях промышленности, включая аэрокосмическую, криогенную и передачу ответственного хранения, для высокоточных измерений. Изобретенный Рейнхардом Вольтманом в XVIII веке, турбинный расходомер надежен для использования как с жидкостями, так и с газами. Он состоит из многолопастного ротора, установленного под прямым углом к потоку жидкости и подвешенного в потоке жидкости на свободно вращающемся подшипнике. Диаметр ротора немного меньше внутреннего диаметра дозирующей камеры, а скорость его вращения пропорциональна объемному расходу. Вращение турбины можно определить с помощью полупроводниковых приборов (релевантные, индуктивные, емкостные датчики и датчики эффекта Холла) или механических датчиков (зубчатые или магнитные приводы).
Содержание
В улавливателе сопротивления катушка представляет собой постоянный магнит, а лопасти турбины изготовлены из материала, притягивающегося к магнитам. Когда каждая лопасть проходит мимо катушки, в ней генерируется напряжение (рис. 1-A). Каждый импульс представляет собой дискретный объем жидкости. Количество импульсов на единицу объема называется коэффициентом K измерителя.
Рисунок 1: Формирование сигнала потока турбины
В индуктивном приемнике постоянный магнит встроен в ротор, или лопасти ротора сделаны из постоянно намагниченного материала (Рисунок 1-B). Когда каждая лопасть проходит через катушку, она генерирует импульс напряжения. В некоторых конструкциях только одна лопасть является магнитной, и импульс представляет собой полный оборот ротора.
Выходные сигналы катушек сопротивления и индуктивных приемников представляют собой непрерывные синусоидальные волны, частота которых пропорциональна скорости потока. При низких расходах выходной сигнал (высота импульса напряжения) может составлять порядка 20 мВ от пика до пика. Передавать такой слабый сигнал на большие расстояния нежелательно. Поэтому расстояние между датчиком и связанной с ним электроникой дисплея или предусилителем должно быть небольшим.
Емкостные датчики генерируют синусоиду путем генерации радиочастотного сигнала, амплитудно-модулированного движением лопастей ротора. Вместо приемных катушек могут использоваться транзисторы с эффектом Холла. Эти транзисторы изменяют свое состояние в присутствии магнитного поля очень низкой напряженности (порядка 25 гаусс).
В турбинных расходомерах очень маленькие магниты встроены в кончики лопастей ротора. Роторы обычно изготавливаются из немагнитного материала, например, полипропилена, ритона или ПВДФ (кинара). Сигнал, выдаваемый датчиком эффекта Холла, представляет собой последовательность импульсов квадратной волны с частотой, пропорциональной объемному расходу.
Поскольку датчики на основе эффекта Холла не имеют магнитного сопротивления, они могут работать при более низких скоростях потока (0,2 фута/сек), чем датчики на основе магнитного захвата (0,5-1,0 фута/сек). Кроме того, датчик эффекта Холла обеспечивает сигнал высокой амплитуды (обычно 10,8 В квадратной волны), что позволяет использовать расстояния до 3 000 футов между датчиком и электроникой без усиления.
В водораспределительной отрасли стандартом по-прежнему являются турбинные расходомеры типа Woltman с механическим приводом. Эти турбинные расходомеры используют зубчатую передачу для преобразования вращения ротора во вращение вертикального вала. Вал проходит между дозирующей трубкой и регистрационной секцией через механический сальник, вращая механический регистрационный узел с зубчатой передачей, который показывает расход и приводит в действие механический суммирующий счетчик.
В последнее время в сфере водораспределения стали использовать магнитный привод как усовершенствование по сравнению с турбинными расходомерами с механическим приводом, требующим большого обслуживания. Счетчики этого типа имеют уплотнительный диск между измерительной камерой и регистром. Со стороны измерительной камеры вертикальный вал вращает магнит вместо шестерни. На стороне регистра установлен противоположный магнит, который вращает шестерню. Это позволяет использовать полностью герметичный регистр с механическим приводом.
В Соединенных Штатах Америки AWWA устанавливает стандарты для турбинных расходомеров, используемых в системах водораспределения. Стандарт C701 предусматривает два класса (класс I и класс II) турбинных расходомеров. Турбинные расходомеры класса I должны регистрировать 98-102% фактического расхода при максимальном расходе при тестировании. Турбинные расходомеры класса II должны регистрировать 98,5-101,5% фактического расхода. Счетчики как класса I, так и класса II должны иметь механические регистры.
Расходомеры класса I и класса II менее подвержены механическому износу, чем счетчики AWWA класса I и класса II.
Большинство промышленных турбинных расходомеров изготавливаются из аустенитной нержавеющей стали (301, 303, 304SS), в то время как турбинные расходомеры, предназначенные для коммунального водоснабжения, изготавливаются из бронзы или чугуна. Материалы ротора и подшипников выбираются в соответствии с технологической жидкостью и условиями эксплуатации. Роторы часто изготавливаются из нержавеющей стали, а подшипники — из графита, карбида вольфрама, керамики или, в особых случаях, из синтетического рубина или сапфира в сочетании с карбидом вольфрама. В любом случае подшипники и валы сконструированы таким образом, чтобы обеспечить минимальное трение и максимальную износостойкость. Некоторые коррозионностойкие конструкции изготавливаются из пластика, например, ПВХ.
Небольшие турбинные расходомеры часто называют турбинами из бруса, поскольку при размерах от 3/4 дюйма до 3 дюймов они изготавливаются из шестигранного бруса из нержавеющей стали. Турбина подвешена на подшипнике между двумя узлами подвеса, которые также служат для регулирования потока. Такая конструкция подходит для высокого давления (до 5 000 фунтов на кв. дюйм).
Подобно расходомеру дифференциального давления с трубкой Пито, вставной турбинный расходомер является точечным прибором. Он предназначен для введения в жидкостную или газовую линию на глубину, при которой ротор малого диаметра будет считывать среднюю скорость в линии. Поскольку они очень чувствительны к профилю скорости потока, их необходимо профилировать в нескольких точках на пути потока.
Врезные турбинные расходомеры могут быть предназначены для работы с газом (маленький, легкий ротор) или жидкостью (более крупный ротор, подшипники с водяной смазкой). Они часто используются в трубопроводах большого диаметра, где установка полноразмерного счетчика нецелесообразна. Их можно встраивать в существующие трубопроводы (6» и более) в горячем состоянии через систему клапанов без остановки процесса. Типичная точность вставного турбинного расходомерасоставляет 1% FS, а минимальная скорость потока — около 0,2 фута/сек.
На рисунке 2 показана типичная калибровочная кривая турбинного расходомера, описывающая зависимость между расходом и коэффициентом K (импульсы/галлон). Точность турбинных расходомеров обычно указывается в процентах от фактического расхода (% AR). У этого конкретного счетчика диапазон допуска линейности составляет ±0,25% в диапазоне расхода 10:1 и ±0,15% в диапазоне 6:1. Повторяемость составляет от ±0,2% до ±0,02% в линейном диапазоне.
Рисунок 2: Типичная кривая калибровки турбинного расходомера
Поскольку в процессе производства возникают незначительные несоответствия, все турбинные расходомеры калибруются перед отправкой. Полученный коэффициент K в импульсах на единицу объема будет варьироваться в пределах заявленной линейности. Однако можно зарегистрировать несколько коэффициентов К для разных участков диапазона расхода и электронным способом переключать один из них на другой при изменении измеряемого расхода. Естественно, коэффициент K применим только к жидкости, для которой счетчик был откалиброван.
Турбинные расходомеры из цельного бруска обычно линейны до ±0,25% AR в диапазоне расхода 10:1. Линейность более крупных счетчиков составляет ±0,5% AR в диапазоне расхода 10:1. Турбинные расходомеры имеют типичную нелинейность (горб турбинного счетчика, показанный на рис. 2) в нижних 25-30% своего диапазона. Если минимальные показания расхода не превышают эту область, линейность будет находиться в пределах 0,15 % для малых и 0,25 % для больших турбинных расходомеров. Если диапазон 10:1 недостаточен, некоторые турбинные расходомеры могут обеспечить понижение до 100:1, если точность снижена до 1% от полной шкалы (FS).
Турбинные расходомеры должны быть подобраны таким образом, чтобы ожидаемый средний расход составлял от 60 до 75 % от максимальной производительности счетчика. Если труба негабаритная (со скоростью потока менее 1 фута/сек), следует выбрать подборщик с эффектом Холла и использовать расходомер меньшего размера, чем размер линии. Скорость потока менее 1 фута/сек может быть недостаточной, а скорость более 10 футов/сек может привести к чрезмерному износу. Большинство турбинных расходомеров рассчитаны на максимальную скорость 30 футов/сек.
Турбинные расходомеры должны быть рассчитаны на перепад давления от 3 до 5 psid при максимальном расходе. Поскольку перепад давления увеличивается с квадратом скорости потока, уменьшение размера расходомера до следующего меньшего размера значительно увеличит перепад давления.
Вязкость влияет на точность и линейность турбинных расходомеров. Поэтому важно откалибровать расходомер для конкретной жидкости, которую он предназначен измерять. На повторяемость обычно не сильно влияют изменения вязкости, поэтому турбинные расходомеры часто используются для контроля потока вязких жидкостей. Как правило, турбинные расходомеры хорошо работают, если число Рейнольдса больше 4 000 и меньше или равно 20 000.
Поскольку температура влияет на вязкость, она также может негативно влиять на точность измерений, поэтому ее необходимо компенсировать или контролировать. Рабочая температура турбинного расходомера находится в диапазоне от -200 до 450°C (от -328 до 840°F).
Изменение плотности не оказывает существенного влияния на турбинные расходомеры. На жидкостях с низкой плотностью (SG < 0,7) минимальный расход увеличивается из-за снижения крутящего момента, но на точность счетчика это обычно не влияет.
Турбинные расходомеры чувствительны к геометрии трубопроводов, которые могут вызывать вихри и закрученный поток. Технические условия предусматривают 10-15 диаметров прямого участка перед счетчиком и пять диаметров прямого участка после него. Однако наличие любого из следующих препятствий выше по течению потребует более 15 диаметров прямых участков трубопровода выше по течению.
Чтобы уменьшить это требование к прямолинейности, устанавливаются спрямляющие лопатки. Трубные пучки или радиальные лопастные элементы используются в качестве внешних спрямляющих устройств потока, расположенных не менее чем на 5 диаметров выше по течению от расходомера (рис. 3).
Рисунок 3: Устройства для выпрямления потока уменьшают количество прямых участков трубы
При определенных условиях перепад давления на турбине может вызвать вспышку или кавитацию. Первое вызывает высокие показания счетчика, второе приводит к повреждению ротора. Для защиты от этого давление на выходе должно поддерживаться на уровне, равном 1,25-кратному давлению пара плюс двукратный перепад давления. Небольшое количество уноса воздуха (100 мг/л или меньше) приведет к тому, что показания счетчика будут немного завышены, в то время как большое количество может разрушить ротор.
Турбинные расходомеры также могут быть повреждены твердыми частицами, попавшими в жидкость. Если количество взвешенных частиц превышает 100 мг/л размером +75 микрон, необходимо установить промывной Y-образный фильтр или патронный фильтр с электродвигателем на расстоянии не менее 20 диаметров прямого хода перед расходомером.
Двухроторные жидкостные турбины увеличивают рабочий диапазон в системах с малым размером трубопровода (менее 2 дюймов). Два ротора вращаются в противоположных направлениях. Передний выполняет функцию кондиционера, направляя поток на задний ротор. Роторы сцепляются гидравлически и продолжают вращаться при снижении расхода даже до очень низких значений.
На линейность турбинного расходомера влияют профиль скорости (часто диктуемый установкой), вязкость и температура. В настоящее время существует возможность включить сложные функции линеаризации в предусилитель турбинного расходомера, чтобы уменьшить эти нелинейности. Кроме того, достижения в области сетевых технологий позволяют постоянно перекалибровать турбинные расходомеры, корректируя тем самым изменения температуры и вязкости.
Проточные компьютеры способны выполнять линеаризацию, автоматическую температурную компенсацию, дозирование, расчет содержания BTU, регистрацию данных и хранение нескольких коэффициентов K. Контроллер дозирования устанавливается на желаемый объем и, когда его суммирующий счетчик досчитает до нуля, прекращает дозирование. Такие комплекты оснащаются схемами расхода, предварительного предупреждения или отсечки струи. Работают ли они через релейный контакт или через функцию темпа, эти функции служат для минимизации разбрызгивания или переполнения и для точного прекращения подачи партии.
Газотурбинные расходомеры компенсируют низкий вращающий момент, создаваемый относительно низкой плотностью газов. Эта компенсация достигается за счет очень больших ступиц ротора, очень легких узлов ротора и большего числа лопастей ротора. Турбинные расходомеры газового потока выпускаются с диаметром от 2 до 12 дюймов и расходом до 150 000 фут3/час. При работе при повышенном давлении газа (1 400 фунтов на кв. дюйм) в расходомерах больших размеров может достигаться диапазон 100:1. В условиях более низкого давления типичный диапазон составляет 20:1 с линейностью ±1%. Минимальное требование к прямому отводу трубы вверх по течению составляет 20 диаметров трубы.
Шунтовые расходомеры используются в газовом и паровом хозяйстве. Они состоят из отверстия в основной линии и блока ротора в байпасе. Эти расходомеры выпускаются размером от 2 дюймов и выше и имеют точность ±2% в диапазоне 10:1.
К другим типам ротационных расходомеров относятся пропеллерные (крыльчатые), шунтирующие и лопастные расходомеры.
Пропеллерные расходомеры обычно используются в ирригационных и водораспределительных системах большого диаметра (более 4 дюймов). Их основными недостатками являются низкая стоимость и низкая точность (рис. 4-A). Стандарт AWWA C-704 устанавливает критерий точности для лопастных расходомеров на уровне 2% от показаний. Пропеллерные расходомеры имеют диапазон 4:1 и демонстрируют очень низкую производительность, если скорость падает ниже 1,5 футов/сек. Большинство лопастных расходомеров оснащены механическими регистрами. Требования к механическому износу, выпрямлению и кондиционированию такие же, как и для турбинных расходомеров.
Рисунок 4: Конструкции ротационных расходомеров
В лопастных расходомерах используется ротор, ось вращения которого параллельна направлению потока (Рисунок 4-B). Большинство расходомеров с лопастным колесом имеют роторы с плоскими лопастями и по своей сути являются двунаправленными. Однако некоторые производители используют кривые роторы, которые вращаются только в прямом направлении. Для небольших труб (от 1/2« до 3») такие счетчики выпускаются только с фиксированной глубиной ввода, а для труб большего размера (от 4« до 48») предлагаются расходомеры с регулируемой глубиной ввода. Использование емкостных датчиков или датчиков на основе эффекта Холла расширяет диапазон работы лопастных расходомеров до области малых скоростей потока 0,3 фута/сек.
Счетчики с малым расходом (обычно меньше 1 дюйма) имеют небольшое струйное отверстие, которое направляет жидкость на колесо Пелтона. Изменение диаметра и формы струйного отверстия соответствует требуемому диапазону расхода и позволяет получить расходомер с точностью до 1% FS и диапазоном 100:1. Более высокая точность может быть достигнута путем калибровки расходомера и уменьшения его диапазона. Из-за малого размера отверстия струи эти расходомеры можно использовать только для чистых жидкостей, а перепад давления составляет около 20 psid. Материалы изготовления включают полипропилен, PVDF, TFE и PFA, латунь, алюминий и нержавеющую сталь.
