Применение и выбор термических расходомеров массы газа

Thread Content

Последнее изменение в этом посте было сделано *aojiaoya0546* 28.06.2016 в 19:31. Газовые расходомеры с термическим измерением массы пользуются все большей популярностью среди пользователей благодаря своим уникальным преимуществам. Их уже используют во многих ситуациях, связанных с измерением расхода газов. Однако в этих приложениях также существует множество проблем и заблуждений. Неответственная реклама со стороны производителей, а также недостатки качества продукции создают множество препятствий и сложностей при использовании устройств. Это приводит к тому, что многие пользователи имеют неверное представление о термических расходомерах газового потока: кто-то ошибочно считает, что такие расходомеры могут измерять поток газа в любых условиях, а кто-то отвергает их использование. За эти годы я занимаюсь продвижением и пропагандой термических расходомеров газа. Я познакомился с расходомерами многих отечественных и зарубежных брендов, а в процессе их продвижения столкнулся с множеством проблем, связанных с их применением. Я собрал большое количество примеров таких случаев, и, проанализировав их, пришел к некоторым выводам, которые хотел бы поделиться с друзьями. I. Исторические предпосылки возникновения тепловых расходомеров газа. В 1960-х годах прошлого века в США жили два известных ученых: доктор Джон Олин и доктор Джерри Коз. Оба окончили Стэнфордский университет и устроились работать в компанию TSI в штате Миннесота. С 1968 года до начала 70-х годов они работали в отделе разработок компании TSI, занимаясь в основном созданием анемометров для использования в области систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Позже они покинули компанию TSI и начали совместно работать над собственными термическими измерителями массового потока газа. Они понимали, что термические анемометры не подходят для использования в промышленных условиях. Первыми продуктами были анемометры и датчики скорости ветра, а также оборудование для отбора проб воздуха. Именно на этой основе и был заложен начальный ассортимент продукции компании Sierra Instruments. Sierra Instruments была основана в 1973 году в штате Миннесота. В 1975 году компания Sierra Instruments переехала из штата Миннесота в Калифорнию. После нескольких лет совместной деятельности в 1977 году они решили разделиться: доктор Джон О’Линн сохранил за собой компанию Sierra Instruments и продукцию для отбора проб воздуха, а доктор Джерри Курц основал компанию Kurz Instrument, получив при этом продукцию по измерению скорости ветра и датчики такой скорости от бывшей компании. Компания Sierra разработала методы измерения расхода воздуха и газа с использованием термических расходомеров, включая применение для многокомпонентных газов. Термические измерительные приборы Sierra также широко применяются в промышленности, включая фармацевтическую отрасль, биотехнологии, нефтехимию и сталелитейную промышленность ； Также применяется для измерения скорости потока горящего газа, контроля дозировки при добавлении газа в природный газ и мониторинга газов, выходящих из дымоходов. Sierra — единственная компания, которая охватывает весь спектр измерений расхода газа: от 0,1 миллилитра в минуту до значений, в несколько сотен метров в секунду для массового расхода. Каждый устройство проходит калибровку в реальном времени перед выпуском. Самое выдающееся применение приборов Kurz — в электростанциях. Курц разработал серию встраиваемых термических расходомеров с одним и несколькими измерительными элементами для измерения и контроля газов, образующихся при сжигании отходов, и газов, используемых в процессе сгорания. Часы Kurz также применяются в нефтепереработке, цементной промышленности, бумажной промышленности и других процессных отраслях. В тот же период, когда существовали Sierra и Kurz, в США была ещё одна известная компания — FCI. Компания FCI была основана в 1964 году. Изначально она производила в Калифорнии тепловые переключатели, предназначенные для определения того, течет ли нефть по трубопроводам на нефтяных месторождениях или стоит на месте; эти устройства не предназначались для измерения расхода жидкости. Лишь в 1981 году компания выпустила настоящий расходомер ； В тот год FCI начала устанавливать на измерительные приборы большое количество электронных компонентов, что позволило создать первый термический расходомер для измерения газов. Позже некоторые сотрудники компаний Sierra, Kurz и FCI основали собственные компании по производству и разработке термических измерителей массового потока газа, что постепенно привело к их распространению в других регионах мира. II. Принцип действия и конструкция термического расходомера массы газа. Термический расходомер массы газа работает на основе принципа тепловой диффузии. Технология тепловой диффузии обладает высокими характеристиками и надежностью в сложных условиях эксплуатации. К типичным элементам сенсора относятся два термопротивника (платиновые нити), один из которых служит датчиком скорости, а другой — датчиком температуры в трубопроводе. Когда эти два датчика размещаются в газе, датчик температуры измеряет температуру газа в трубопроводе. В датчике скорости находится электронагревательный элемент, который нагревается до температуры, выше той, которую измеряет датчик температуры (то есть до температуры газа в трубопроводе), и поддерживает эту температуру на постоянном уровне. Поток воздуха уносит тепло с датчика скорости, что приводит к снижению разницы температур. Для поддержания постоянной разницы температур требуется дополнительная электрическая мощность для компенсации нагрева, причем величина этой компенсирующей мощности пропорциональна массовому расходу газа. Термические датчики расхода, применяемые в промышленных трубопроводах, имеют датчики скорости и температуры, состоящие из платиновых резисторов. У них имеется прочный защитный корпус; платиновые проволоки не соприкасаются напрямую с жидкостью, поэтому такие датчики находят широкое применение. В качестве материала для защитного корпуса обычно используется материал 316L; в случае использования в средах с коррозионными газами применяются сплавы хардьера или тантал. Далее мы подробно рассмотрим принцип измерения с использованием формул и выясним, почему термический расходомер является расходомером массы. Формула: H = M × Cп × ΔT. Измеряется количество теплоты H; при постоянной разнице температур ΔT для газа с постоянной удельной теплоемкостью Cп можно непосредственно определить массовый поток газа M. Давайте рассмотрим с микроуровня, почему необходимо измерять массовый поток газа: молекулы газа вступают в контакт с нагретой поверхностью, что приводит к теплопередаче и уносу тепла с датчика. Поскольку способность различных молекул газа уносить тепло различна, при известной способности к теплопередаче молекул газа (известном значении Cp) можно непосредственно определить количество молекул газа, проходящих через систему, путем измерения расходуемой электрической мощности. Количество молекул соответствует количеству вещества, что позволяет определить массовый поток газа. Для решения проблем с сроком службы нагревательных нитей и их стойкостью к коррозии вокруг них устанавливаются нержавеющие оболочки; это позволяет **расширить сферу применения тепловых устройств. Однако этот процесс является довольно сложным. Платиновая нагревательная спираль проводит электричество, а оболочка из нержавеющей стали также является проводником. Это требует, чтобы материал, заполняющий пространство между ними, обладал отличными теплопроводными свойствами, но при этом не проводил электричество. Именно это и определяет ключевой элемент всех тепловых расходомеров — материал для заполнения пространства вокруг нагревательного зонда и технологию его герметизации. Если посмотреть на всех производителей термических расходомеров в мире, то брендов, которые действительно решают эту проблему, совсем немного. Отечественные производители используют органические материалы, такие как эпоксидная смола, керамический цемент, термостойкие гели, порошок алюминия оксида, порошок магния оксида и т. д. Однако использование таких материалов приводит к некоторым недостаткам датчиков: тепловое сопротивление их поверхности по мере увеличения времени эксплуатации постоянно растет, в результате чего кривая выходных сигналов имеет тенденцию к снижению. Это приводит к снижению чувствительности датчика и, в конечном итоге, к снижению его точности. Использование этих материалов приводит к сокращению срока службы датчиков и **повышению** частоты их отказов. В стране также многие производители изучали большое количество продуктов зарубежных брендов и проводили много исследований и разработок. Однако из-за недостаточного научного опыта, а также слабой квалификации сотрудников, занимающихся разработками, и ограниченных финансовых ресурсов, проблемы до сих пор не были эффективно решены. В результате качество отечественной продукции сильно уступает уровню зарубежной продукции, что ограничивает её применение. Доктор Джон Олин из американской компании SIERRA во главе своей команды после десятилетий кропотливой и упорной работы в 1999 году успешно усовершенствовал революционную запатентованную технологию измерения массового расхода газа — «сухий датчик» Dry Sensor с нулевым дрейфом. Благодаря патентованной технологии датчика Dry Sensor используется уникальный наноразмерный наполнитель из неорганических веществ с высокими изоляционными свойствами; при этом за счет высокого давления наполнитель становится более компактным, что обеспечивает отсутствие смещения показаний датчика в течение десяти лет. Для термических расходомеров массы газа, несмотря на очень совершенные принципы измерения и наличие у производителей научно обоснованных методов контроля качества, для достижения высоких технических показателей необходимы также научно строгие методы калибровки с использованием реального потока газа. Мы знаем принцип действия термических методов: масса жидкости пропорциональна мощности нагрева, а также тесно связана с удельной теплоемкостью измеряемой жидкости. У каждого газообразного средства показатель теплоемкости меняется в зависимости от температуры, причем у некоторых газообразных средств эти изменения более значительны. Если полагаться исключительно на калибровку с использованием воздуха при нормальном давлении с последующей корректировкой для получения измерителя расхода высокой точности, это всё равно не является научным подходом. К тому же практика показывает, что расходомеры без калибровки по реальному потоку дают большие отклонения при измерении невоздушных сред. В этом отношении в стране нет ни одной компании, обладающей технологией калибровки с использованием реального потока; все они используют калибровку с помощью низкодавленного воздуха в открытой системе. Поэтому при применении в невоздушных средах, если требования высоки, по возможности старайтесь не выбирать продукты, калиброванные для воздуха. III. Применение и выбор модели Особенности применения тепловых расходомеров массы газа: а. Чрезвычайно широкий диапазон измерений: тепловые расходомеры массы газа обладают преимуществом, не свойственным другим расходомерам — чрезвычайно широким диапазоном измерений. Они способны измерять скорость потока жидкости в диапазоне от 0,05 Нм/с до 100 Нм/с (некоторые марки даже могут измерять скорость потока свыше 200 Нм/с). б. Настоящий измеритель массового потока: термический измеритель массового потока газа отличается от других измерителей потока газа тем, что не требует корректировок под давление и температуру; он напрямую измеряет массовый поток газа, являясь таким образом настоящим прямым измерителем массового потока. в. Отсутствие устройства компенсации давления: при измерении расхода газа тепловой расходомер не требует, в отличие от других косвенных расходомеров, наличия устройств для измерения давления и температуры. **Упрощена настройка оборудования на месте, что снижает частоту сбоев и ремонтов. г. Низкие потери давления: благодаря особой конструкции датчика, тепловой расходомер для измерения массового расхода газа **снижает потери давления, возникающие при прохождении потока через датчик; он подходит для трубопроводов любой формы при известной площади поперечного сечения.** е. Простота установки: для установки теплового расходомера газа требуется минимум работ; благодаря вставной конструкции его можно устанавливать и обслуживать без остановки процесса, **что снижает затраты на монтаж и обслуживание.** f. Разнообразные способы измерения: тепловой расходомер для газа может предоставлять такие решения, как измерение в одной точке или в нескольких точках, в зависимости от реальных условий на месте и требований к измерениям со стороны пользователя. Одноточное измерение — это прямое использование одного расходомера для измерения фактического расхода газа в трубопроводе. Многоточечные измерения в основном применяются для измерения расхода в крупных трубопроводах: сигналы от нескольких расходомеров, расположенных на поперечном сечении трубопровода, подаются на устройство управления расходом для обработки с целью получения точного значения расхода. Это имеет большое применение для измерения потоков жидкостей большого диаметра, когда техническая модернизация предприятия и ограничения в технологическом процессе приводят к нестабильности потока. Многочисленные эксперименты и исследования, проведенные на протяжении многих лет, показали, что характеристики выходного сигнала тепловых расходомеров весьма хороши; в частности, при малых расходах они обладают высокой чувствительностью. Диапазон измерения расхода составляет 100:1 и даже больше. В области измерения расхода газов существуют специальные случаи применения, но также имеется немало ещё не решенных проблем. Проблема низкого энергопотребления: поскольку термическому датчику требуется определенный ток для нагрева, добиться режима работы с низким энергопотреблением от батареи крайне сложно. Проблема влияния влажности и её коррекции: поскольку регулирование и измерение уровня влажности представляют собой сложные задачи, на данный момент не существует эффективных методов для получения экспериментальных данных о влиянии влажности на термические расходомеры, а также способов её коррекции. Проблема влияния пыли: если термический датчик долгое время находится в среде с пылью (речь идет в основном о влажной пыли; сухая пыль вряд ли может прилипнуть к поверхности датчика), его поверхность будет загрязняться. Это также приведет к изменению способности датчика к рассеиванию тепла, а значит, к изменению характеристик выходных сигналов расходомера. Однако точную степень этого влияния в настоящее время невозможно определить с помощью цифровых данных. Еще одним недостатком является невозможность использования в ситуациях, когда происходят изменения состава различных сред. В условиях смешивания разных сред, если доля каждой из них остается неизменной, то с помощью коэффициентов коррекции все равно можно достичь требуемых результатов. Кроме того, если изменения температуры окружающей среды на месте применения очень велики — например, превышают 100 градусов, — использование тепловых расходомеров может привести к потере точности измерений. Поэтому необходимо подходить к выбору этого оборудования с осторожностью. Как выбрать термический расходомер массы газа? Согласно данным, неправильный выбор расходомера ответственен примерно за 70% случаев его неисправностей. Видно, насколько важен выбор при измерении расхода. Пользователи термических расходомеров массы газа должны обратить особое внимание на то, чтобы не выбирать определенный тип расходомера самостоятельно, если только речь не идет о замене существующего расходомера. Лучше поручить эту работу продавцу, поскольку он является специалистом в этой области. Вам нужно предоставить как можно более полные данные о условиях эксплуатации и некоторые технические требования. Например, диапазон расхода (рекомендуется использовать единицу измерения — кубический метр), среда, в которой происходит измерение, диаметр трубопровода, материал трубопровода, рабочее давление, рабочая температура, необходимость защиты от взрывов, температура окружающей среды, в которой работает расходомер, требования к источнику питания сигнала, класс точности, область применения (контроль процесса или измерения для коммерческих целей), степень сухости и чистоты измеряемой среды, при измерении расхода смешанных газов необходимо указать процентное содержание каждого компонента. В заключение напомним: если на месте есть возможности, выбирайте расходомер интегрированный. В случае раздельной конструкции, поскольку кабель для передачи сигнала является частью измерительного моста, он сам по себе обладает определенным сопротивлением. Независимо от того, насколько качественно он сделан, из-за очень малого значения сопротивления измерительного датчика это сопротивление кабеля неизбежно влияет на работу электронных цепей. Кроме того, под воздействием условий на месте эксплуатации значение сопротивления может меняться. Если всё же необходимо выбрать раздельную модель, рекомендуется, чтобы расстояние между её составляющими было как можно меньше. Это мои личные выводы за эти годы; надеюсь, они помогут всем. Если есть вопросы, по которым нужно поговорить, можно сделать это наедине.