Расходомеры BiRotor®
Шестеренчатые расходомеры BiRotor с механически сбалансированной конструкцией ротора, хорошо известны в нефтяной промышленности благодаря своей высокой точности,
качеству и длительному сроку службы.
Эти надежные счетчики могут иметь механическую или электромеханическую конструкцию для использования в наиболее критических условиях. Среди предлагаемых устройств имеются расходомеры с автоматической смазкой, высокопроизводительные, рассчитанные на большое давление. Расходомеры выпускаются в корпусах из чугуна и алюминия.
Расходомеры BiRotor Plus™
Шестеренчатые расходомеры BiRotor Plus сочетают в себе прочность, надежность и длительный срок службы, присущие традиционным расходомерам BiRotor с высокой точностью и импульсным выходом, характерными для современных, наиболее совершенных устройств.
Выпускается размером 3 и 4 дюйма. Данный прибор для измерения объемного расхода использует один или два выхода с двумя датчиками, не имеющими контакта с рабочим продуктом.
Принцип работы вихревого преобразователя
В преобразователе Метран-305ПР реализован вихревой метод измерения расхода. Этот метод основан на явлении Ван Кармана: при обтекании неподвижного твердого тела потоком жидкости за телом образуется вихревая дорожка, состоящая из вихрей, поочередно срывающихся с противоположных сторон тела. На рисунке 1.1 показано обтекание цилиндра потоком и образование вихрей.
а
'
а
Частота образования вихрей за телом пропорциональна скорости потока. Детектирование вихрей и определение частоты их образования позволяет определить скорость и объемный расход среды.
В преобразователе Метран-305ПР в качестве тела обтекания применяется призма трапецеидального сечения, а детектирование вихрей производится с помощью ультразвукового луча.
1.4.2 Описание функциональной схемы
Рисунок 1.1
Блок-схема преобразователя приведена на рисунке 1.2.
12435671243567В корпусе проточной части расположены тело обтекания – призма трапецеидальной формы
(1), пьезоизлучатель ПИ (2), пьезоприемник ПП (3) и термодатчик (7).
Электронный блок включает в себя генератор (4), фазовый детектор (5), микропроцессорный адаптивный фильтр с блоком формирования выходных сигналов (6).
Тело обтекания расположено на входе жидкости в проточную часть. При обтекании этого тела потоком жидкости за ним образуется вихревая дорожка, частота следования вихрей в которой с высокой точностью пропорциональна объемному расходу.
За телом обтекания в корпусе проточной части диаметрально противоположно друг другу расположены ультразвуковые пьезоизлучатель ПИ и пьезоприемник ПП. На ПИ от
генератора подается переменное напряжение, которое преобразуется в ультразвуковые колебания. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями оказываются модулированными по фазе. На ПП ультразвуковые колебания преобразуются в электрические и подаются на фазовый детектор.
Для увеличения динамического диапазона преобразователя при измерении малых расходов,
где характеристика преобразователя нелинейна и зависит от температуры теплоносителя, в проточную часть установлен термодатчик. Показания термодатчика учитываются при вычислении расхода в области малых его значений.
На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами с приемника и опорного генератора. На выходе фазового детектора образуется напряжение, частота изменения которого равна частоте образования вихрей и является мерой расхода.
Для фильтрации случайных составляющих сигнал с фазового детектора подается на микропроцессорный адаптивный фильтр и затем в блок формирования выходных сигналов.
Таким образом, в результате преобразований и программной обработки электронный модуль формирует импульсный выходной сигнал.
1.4.3 Конструкция преобразователя
Основные элементы конструкции преобразователя приведены на рисунке 1.3.
Проточная часть преобразователя (1) представляет собой полый цилиндр специальной конструкции, в котором установлены тело обтекания (2), термодатчик и пъезопреобразователи.
Рисунок 1.2 – Блок-схема преобразователя
Для увеличения срока службы преобразователя и минимизации отложений проточная часть изготовлена из нержавеющей стали и обработана по высокому классу чистоты поверхности.
Для проведения периодической поверки тело обтекания сделано съемным.
Электронный блок преобразователя размещен в отдельном корпусе (3), соединенном с проточной частью трубчатым кронштейном (4). В корпусе размещены электронная плата и колодка (5). На колодке размещены два светодиода (6) для индикации работы и самодиагностики преобразователя (в соответствии 1.2.9), перемычка (7) для выбора цены импульса преобразователя, винты (8) для крепления проводов, соединяющих преобразователь с источником питания и вторичным прибором. Контакты «+» и «-»
предназначены для осуществления имитационной поверки преобразователя (согласно разделу 4). На контакт 3 выведен сигнал из контрольной точки платы (приложение Е).
На боковой стороне корпуса располагается кабельный ввод (9).
Корпус электронного блока закрыт крышками, уплотнение которых производится резиновыми кольцами, что обеспечивает герметичность корпуса.
ЖКИ (при наличии) размещается под стеклом крышки электронного блока.
Соединение электронной платы с пьезоэлементами осуществляется проводами, проходящими внутри трубчатого кронштейна.
Рисунок 1.3 – Общий вид преобразователя
Гибкость
Расходомер модели 8800 обеспечивает чрезвычайную гибкость в применении. Одна и та же электронная схема используется для измерения жидкости, газа или пара при изменении
11
диапазона измерений до 38 к 1. Это же электронное устройство в сочетании с высокотемпературным сенсором расширяет стандартный рабочий диапазон температур до –
200 ... 427
C.Кроме того, возможность установки электронной схемы на удалении от корпуса измерителя дает гибкость в выборе местоположения.
Представление переменных возможно в различных форматах. По традиционному двух- проводному контуру датчика (4–20 мА) можно одновременно передавать измеренные значения расхода в виде аналогового и цифрового HART сигнала. Этот цифровой сигнал дает непосредственное значение расхода в технических единицах или значение частоты. Можно также определить значение суммарного расхода при помощи коммуникатора HART или системы управления Rosemount. Кроме того, одновременно можно снимать масштабируемый импульсно-частотный сигнал с отдельной пары клемм.
Дополнительный цифровой индикатор позволяет на месте считывать значения переменных процесса и суммарный расход.
НадежностьПоскольку вихревой сигнал имеет колебательную природу, не требуется периодическая регулировка смещения нуля и шкалы.
Уникальная профильная конструкция пластины,
создающей завихрения, повышает надежность. Поскольку пластина не имеет сенсорных отверстий, подверженных воздействию рабочей среды, жидкость не может засорить сенсор и ухудшить точность. Кроме того, все смачиваемые части датчика выполнены в виде сварной конструкции, что сводит к минимуму вероятность утечки и снимает проблемы с уплотнениями.
Расходомер модели 8800 осуществляет непрерывную самодиагностику, которая немедленно сообщает о возникших неисправностях электронных схем. Если возникли проблемы, то Вы можете проверить выходной контур, приемное оборудование или расходомер путем опроса электронной схемы или, подав команду, имитировать нужный сигнал в пределах диапазона аналоговых или цифровых измерений.
Модульная конструкция облегчает техническое обслуживание датчика. Если при поведении диагностики выявлен дефект, то Вы легко можете заменить электронную схему в полевых условиях без ухудшения качества. Кроме того, поскольку пьезоэлектрический датчик расположен снаружи и не соприкасается с рабочим веществом, его можно заменить, не нарушая герметизации процесса.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯПринцип действия вихревого расходомера основан на явлении завихрения потока,
известного как явление Ван Кармана. Если на пути движущейся среды находится препятствие с острыми краями, поток разделяется и образует маленькие вихри, которые распространяются
попеременно вдоль и сзади каждой стенки препятствия. Эти авихрения являются причиной появления областей с колебаниями давления, которые фиксируются сенсором. Частота образования вихрей прямо пропорциональна скорости движущейся среды.
Выходной сигнал вихревого расходомера зависит от К-фактора. Это число связывает частоту появления вихрей со скоростью жидкости соотношением:
Скорость жидкости = Частота вихрей
K-фактор
K-фактор зависит от числа Рейнольдса(1), но практически он остается постоянным в широком диапазоне значений расхода (отношение между этими двумя величинами показано на рис. 4). Вихревой расходомер обеспечивает высокую точность при работе на плоском участке этой кривой.
РИСУНОК 4. График зависимости К-фактора от числа Рейнольдса.
(1) Уравнение для числа Рейнольдса связывает плотность (
), вязкость (cp
), внутреннийдиаметр трубы (D) и скорость расход (V):R K V DD
ОПИСАНИЕ РАСХОДОМЕРАКорпус и сенсор измерителяКорпус измерителя модели 8800 включает в себя запатентованную пластину, генерирующую вихри, которая является препятствием для движущейся среды. Специальная форма пластины обеспечивает широкий линейный диапазон измерений с высокой точностью. Формирование вихрей позади пластины является причиной колебаний давления, которые действуют на эту пластину, как показано на рисунке
5. Это является причиной колебательных движений небольшой гибкой части пластины с частотой формирования вихрей.
Колебания гибкой части передаются в сенсор, расположенный вне потока, через качающееся коромысло (см. рис. 6). Пьезоэлектрический элемент внутри сенсора воспринимает эти небольшие колебания гибкого участка пластины и создает электрическое напряжение,
которое передается в электронное устройство. Затем частота преобразуется в выходной сигнал,
пропорциональный объемному расходу.
Расходомер модели 8800 производится во фланцевом и бесфланцевом исполнении для труб с размерами от 1/2 до 8 дюймов с фланцами стандарта ANSI и DIN. Оба варианта корпуса изготовляются из нержавеющей стали 316L. Можно заказать также датчик в бесфланцевом корпусе из Hastelloy C. Расходомеры бесфланцевого типа имеют выравнивающие прокладки для центрирования его относительно трубопровода.
Электронный модульРасходомеры модели 8800 используют один общий электронный модуль для всех рабочих сред и всех размеров труб. Электроника обеспечивает передачу информации потребителю через 4–
20 мА токовый контур, цифровой коммуникационный и дополнительный жидкокристаллический индикатор.
На рисунке 7 представлена функциональная блок-схема расходомера модели 8800.
Электронная схема получает сигнал от пьезоэлектрического датчика, оцифровывает его и посылает информацию в цифровой следящий фильтр. Цифровой фильтр динамически отслеживает частоту вихревого сигнала. Такой следящий фильтр обеспечивает лучшее подавление шумов по сравнению с традиционными методами фильтрации.
Фильтрованный выходной сигнал представляет собой значение расхода в цифровой форме,
основанное на отношении числа импульсов на единицу объема (K-фактор). Микропроцессор получает фильтрованные данные и преобразует в требуемый выходной сигнал. Коммуникатор HART или любое другое устройство,
использующее HART протокол, может считывать данные с датчика
непосредственно в цифровой форме, минуя цифроаналоговой преобразование для повышения точности.
Электронный модуль состоит из электронных плат, изготовленных по технологии поверхностного монтажа и ASIC. Конфигурационные данные запоминаются в энергонезависимом ПЗУ и сохраняются при отключении питания. Поэтому расходомер готов к работе сразу же после включения питания.
Rosemount Inc. 5
Токовый выход и HART интерфейсАналоговый выход 4–20 мА масштабируется в пределах рабочего диапазона расходомера.
Режим аварийной сигнализации устанавливается переключателем на верхний или нижний предел.
Расходомер модели 8800 осуществляет обмен данными в цифровом виде по протоколу HART,
который использует частотную манипуляцию по промышленному стандарту Bell 202.
Дистанционная связь осуществляется путем наложения высокочастотного сигнала на выходной сигнал и токового контура. Это позволяет одновременно
обмениваться данными и считывать выходной сигнал, не нарушая работу контура.
РИСУНОК 5. Схема образования вихрей.
РИСУНОК 6. Принцип работы сенсора
РИСУНОК 7. Блок-схема
…=ë%›å…,“преобразование
Интеллектуальный вихревой расходомер модели 880
__
7. Системы управления потоками парогазовых смесей7.1. Методы измерения расхода потоков ПГС
Важное место в автоматизации технологического оборудования микроэлектроники,
особенно физико-термического оборудовании (ФТО), занимает управление потоками газов и парогазовых смесей (ПГС). В микроэлектронике для определения расходов ПГС в основном используется два метода: метод постоянного перепада давления и тепловой.
Расходомеры, основанные на первом методе измерения расхода, называются ротаметрами. Основным их недостатком является невозможность автоматического съема показаний, а следователь но, и невозможность их использования в системах автоматического управления на основе вычислительной техники. Кроме того, показания ротаметров зависят от изменения атмосферного давления и температуры и слабо устойчивы к механическим воздействиям, В связи с этим в современном ФТО
используются измерители расходов, основанные на втором методе измерения —
тепловом.
По принципу действия тепловые расходомеры, в свою очередь,
обычно классифицируют на три группы: расходомеры с электрическим нагревом, с индукционным нагревом и с нагревом жидки» теплоносителем. Однако в микроэлектронике наибольшее распространёние получили относящиеся к первой группе калориметрические и термоанемометрические расходомеры, которые позволяют использовать их в САУ и обладают относительно высокими метрологическими характеристиками.
1
Калориметрический способ измерения расхода основан на измерении разности температур двух термоприемников (терморезисторов), расположенных до и после нагревателя (Н) по направлению потока ПГС (рис. 7.1). Первичный преобразователь такого расходомера представляет собой тонкую трубку (диамерт 1—3 мм) из устойчивого к воздействию агрессивных сред материала (например, никеля или нержавеющей стали),
на которую намотан проволочный нагреватель, а по обе стороны от него намотаны два терморезистора ТР1 и ТР2 (обычно из никеля). Такая конструкция обеспечивает отсутствие непосредственных контактов нагревателя и терморезисторов с измеряемым потоком, поэтому калориметрические расходомеры можно использовать и для агрессив- ных газов и ПГС, что очень важно в технологии микроэлектроники.
Все серийно выпускаемые и применяемые в микроэлектронике расходомеры используют калориметрический метод измерения расхода потока ПГС. Принцип работы термоанемометрических расходомеров основан на использовании' зависимости между количеством теплоты, теряемой непрерывно нагреваемым или же
предварительно нагретым телом, и скоростью потока, в котором это тело находится. В качестве чувствительных
элементов термоанемометров используются проволочные и пленочные металлические, а также полупроводниковые терморезисторы.
Рис. 7.1. Схема калориметрического расходомера
Термоанемометры обладают на порядок более высокими динамическими характеристиками, к недостаткам их относится сильная зависимость показаний от теплофизических параметров ПГС, а также от температуры окружающей среды, что вызывает необходимость разработки специальных схем термокомпенсации.
§ 7.2. САУ потоками ПГС
В системах автоматического управления потоками ПГС используются не просто измерители расхода (расходомеры), а регуляторы расхода газа, включающие в себя не только расходомеры, но и исполнительные механизмы (ИМ) для поддержания заданного расхода независимо от изменения внешних воздействий.
Использование прецизионных автоматических регуляторов расхода газа позволило создать автоматизированное технологическое оборудование для производства БИС и
СБИС, которое обеспечивает требуемую точность и воспроизводимость оборудования. Вы- сокочувствительные регуляторы расхода позволяют не только стабилизировать основные технологические процессы, но и управлять сложными переходными процессами в реакторах технологических установок.
Рассмотрим наиболее характерные схемы САУ потоками ПГС. На рис. 7.2
представлена функциональная схема регулятора расхода газа, одного газового канала.
Расход задается электрическим сигналом, который изменяется в соответствии с программой технологического процесса, заложенной в управляющую ЭВМ. Регулятор представляет собой систему автоматического регулирования расхода газа, имеющую нормированный аналоговый выходной сигнал 0—10 В, пропорциональный расходу газа.
Регулируемый газовый поток поступает на вход регулятора и в системе деления газа разделяется на два потока, один из
которых проходит через первичный преобразователь, а другой — через байпас, представляющий собой пакет из трубочек.
Коэффициент деления газового потока системы деления газа определяется отношением динамических сопротивлений преобразователя и байпаса и выбирается таким образом,
чтобы максимальный расход газа, проходящего через первичный преобразователь, составлял 1,8 л/ч для большинства серийно выпускаемых регуляторов. В регуляторах для малых расходов газа (например,
РРГ-8)
байпас отсутствует и весь газ проходит через первичный преобразователь, что позволяет получить лучшую линейность выходного сигнала. В регуляторах для сохранения теплового режима калориметрических расходомеров во всем диапазоне расхода газа обеспечивается ламинарное течение потоков через преобразователь и байпас. Сигнал с преобразователя усиливается измерительным усилителем, содержащим схему термокомпенсации вы- ходного сигнала, мостовую схему измерения расхода, куда включаются терморезисторы преобразователя, и генератор тока. Так как выходной сигнал преобразователя нелинейно зависит от измеряемого расхода, измерительный усилитель содержит дополнительную схему, осуществляющую линеаризацию выходного сигнала регулятора изменением напряжения питания нагревателя в зависимости от значения выходного напряжения измерительного усилителя. Термокомпенсация температурного изменения номиналов терморезисторов осуществляется выравниванием входных токов усилителя посредством добавочного сопротивления.
Таким образом, выходной сигнал регуляторов расхода газа линейно зависит от измеряемого расхода, нормирован и инвариантен к изменению температуры окружающей среды в пределах 10— 40°С —температурного диапазона работы таких приборов (ГОСТ
12997—84).
Рис. 7.2. Функциональная схема регулятора расхода газа
Выходной сигнал регулятора, поступающий от усилителя, сравнивается в схеме сравнения с напряжением задания расхода газа. Конфигурация схемы сравнения определяется типом исполнительного механизма. В регуляторах обычно используются исполнительные механизмы двух типов: электромеханического типа и дилатометрического типа.
Сигнал со схемы управления
управляет работой исполнительного механизма,
устанавливая в нем такое сечение газового потока, которое соответствует заданному расходу газа.
В технологических установках обычно имеется несколько газовых каналов. Так,
фирма «Semy Engineering» (Франция) выпускает установки, оснащенные САУ потоками
ПГС, показанной на рис. 7.3.
Регулятор расхода газа А1, работающий на азоте (аргоне), служит для предварительной продувки реактора. Регуляторы А2-А8 предназначены для дозированной подачи реагентов в реактор при получении структур с определенными свойствами (так,
например, регуляторы расхода газа А2 и А5 при совместной работе обеспечивают получение пассивирующих пленок нитрида кремния SiN
4
). Для дискретного управления подачей ПГС в реактор в САУ использованы электромагнитные клапаны Кд1—Кл11,
управляемые совместно с регуляторами расхода газа А1—А8 от ЭВМ. В целях безопасности в САУ также использованы обратные клапаны К.01—
К08 для предотвращения противотечения ПГС в подающих трубопроводах.
Рис. 7.3. САУ потоками ПГС в установках РС-Д:
Кл1—Кл11 — электромагнитные клапаны (Кл1 и Кл2 — нормально открытые,
КлЗ—Кл10
нормально закрытые, Кл11 — трехходовой клапан); А1—А8 — регуляторы расхода газаг;
К01—К08 —обратные клапаны, РТ — ротаметр
Скачать 4.71 Mb.