ВИБРАЦИОННЫЕ ПЛОТНОМЕРЫ

Измерение массового расхода жидкостей

Проблема измерения массового расхода выделилась в самостоятель­ную область исследований сравнительно недавно, хотя многие науки, такие, как термодинамика, теплотехника, оперировали этим понятием с момента своего зарождения. В настоящее время возросла практичес­кая потребность в массовых расходомерах в ряде отраслей промыш­ленности (химической, нефтеперерабатывающей, топливной, строитель­ных материалов и др.), что объясняется прежде всего тем, что компо­ненты вступают в химические реакции в массовых соотношениях. На первый план выходит задача количественного учета продуктов в про­мышленности нефтехимического синтеза, расхода топлива, вырабаты­ваемого или потребляемого энергоустановками, и т. д. Все это обусло­вило интенсивность исследований, производимых во всем мире в об­ласти поиска новых методов измерения и совершенствования суще­ствующих схем расходомеров. Несмотря на то что массовые расходо­меры дают более ценную информацию по сравнению с объемными, их практическая реализация достаточно сложна. Именно по этой причи­не подавляющее большинство расходомеров, используемых в миро­вой практике, относятся к классу объемных.

В общем случае массовый расход определяется соотношением

в котором v(s) и p(s) - местная скорость и плотность движущейся среды в сечении S.

В реальных условиях, считая равномерным распределение плотности вещества по сечению потока, можно записать

<2м = р%х =РЙ)-

где irc и Q0 — средняя скорость и объемный расход среды.

Все известные массовые расходомеры можно подразделить на при­боры непосредственного преобразования и приборы, основанные на коррекции сигналов объемных преобразователей [24]. Принцип дей­ствия массовых расходомеров непосредственного преобразования ба­зируется на измерении момента количества движения путем придания дополнительного движения потоку. Наиболее перспективными в этой группе приборов являются вибрационные кориолисовы массовые рас­ходомеры, принцип действия которых основан на измерении эффекта действия сил инерции Кориолиса, возникающих в результате сложною движения (линейного и вращательного) среды в механическом резо­наторе. Помимо высокой точности (относительная погрешность не бо­лее 0,2-0,4%) существенным достоинством вибрационных массовых расходомеров является их универсальность, минимальные потери дав­ления, легкость обработки информации, получаемой в виде широт­но-модулированного сигнала, а также возможность получать в процес­се измерения информацию о плотности протекающей среды.

В массовых расходомерах, основанных на коррекции сигнала объем­ных преобразователей, вводится поправка на плотность среды или па­раметры, однозначно связанные с плотностью (температуру, давление). В зависимости от способа осуществления коррекции различают меха­нические и электрические устройства. В настоящее время разработки первого вида устройств практически завершены, вместе с тем все бо­лее широкое применение находят массовые расходомеры с электри­ческой коррекцией. Это связано прежде всего с быстрым развитием электроники и средств вычислительной техники. Идея построения мас­совых расходомеров с электрической коррекцией заключается в реа­лизации формулы (5.2) путем непрерьюного измерения объемного расхода и плотности среды с последующим автоматическим перемно­жением получаемых сигналов. Простота идеи, казалось бы, ограничи­вает возможности проведения широких исследований в этой области, однако развитие электроники и миниатюризация средств вычислитель­ной техники открывают новые возможности в создании таких расходо­меров. Качественно новое направление открывает создание приборов с частотными и импульсными выходными сигналами, выполнение опе­раций над которыми приводит к практически полному устранению инструментальных погрешностей логического устройства. Перспектив­ным направлением создания массовых расходомеров с электрической коррекцией является применение вибрационных плотномеров, позво­ляющих вводить корректирующий сигнал непосредственно Г10 плот­ности в частотной форме. Кроме того, высокая точность, обеспечивае­мая в канале измерения плотности, должна побудить разработчиков объемных расходомеров к поиску качественно новых принципов пре­образования, поскольку метрологические показатели существующих объемных преобразователей зачастую не отвечают возросшим требо­ваниям к точности учета. На рис. 5.4 представлена схема массового расходомера жидкости, реализованная на базе вибрационного плотно­мера с двухрезонаторным проточным преобразователем (см. рис. 3.3). В качестве объемного расходомера использован тахометрический пре­образователь количества и расхода ПР с импульсным выходным сигна­лом. Не существует принципиальных ограничений на применение объем-

Рис. 5.4. Схема массового расходомера жидкостей на базе вибрационного плот­номера

ных расходомеров других типов, однако распространенные в настоя­щее время расходомеры переменно­го перепада давления не обладают достаточной точностью, тогда как, например, счетчики ’’Турбоквант” производства Венгрии, применяемые на отечественных предприятиях неф­техимии и нефтепереработки, обеспе­чивают измерение прошедшего по трубопроводу объема среды с по­грешностью не более 0,5 %.

Для автоматического расчета массового расхода по формуле (5.2) необходимо иметь информацию о действительной плотности среды при данной ее температуре. Достаточно эффективная схема преобра­зования действительной плотности, показанная на рис. 5.4 [23], осно­вана на принципе измерения отношения частотных сигналов преобразо­вателя температуры /' (вспомогательный резонатор на рис. 3.3) и пре­образователя плотности / (основной резонатор на рис. 3.3). При этом для повышения точности преобразования и упрощения схемы на ее входе установлен делитель частоты сигнала преобразователя плотнос­ти Д1 и умножитель частоты сигнала преобразователя температуры, состоящий из управляемого высокочастотного генератора У ВТ’ дели­теля частоты Д2, фазового детектора ФД и фильра низких частот ФНЧ, включенных в контур фазовой автоподстройки частоты. Управляемый высокочастотный генератор УВГ имеет на выходе сигнал, подаваемый на внешние устройства и одновременно на делитель частоты Д2 (микро­схема 155ИЕ6), с выхода которого короткие отрицательные импуль­сы поступают на один из входов фазового детектора ФД в виде /^-триг­гера на базе микросхемы 155ТВ1. На другой вход фазового детектора подается сформированный сигнал от преобразователя температуры /', в результате чего выходной парафазный сигнал детектора пропорцио­нален разности фаз входных сигналов. Этот сигнал после обработки интегрирующим фильтром на микросхеме 140УД8 и демодулятором на микросхеме 155ИЕ6 подается на варикапы, с помощью которых производится изменение частоты генератора до тех пор, пока частоты и фазы сигналов на входе фазового детектора не станут равными. Таким образом происходит подстройка частоты высокочастотного гене­ратора под частоту входного сигнала, а коэффициент умножения час­тоты входного сигнала равен коэффициенту деления делителя часто­ты Д2. Сигналы с выхода делителя частоты Д1 и от умножителя часто­ты поступают на вход преобразователя период — код ППК (микро­схемы 155ИЕ7 и 155ТМ7), причем период сигнала КД1Т, идущего с делителя Д1, определяет длительность заполнения счетчика импульса­ми, следующими с частотой Кд2Ї' от умножителя частоты. В этом случае число импульсов, подсчитанное счетчиком,

^сч = КД1 КД2 Tf = КД1 Кд2 X, (5‘3)

где Кді и Кд2 — коэффициенты деления частоты делителей Д1 кД2; Т — период выходного сигнала преобразователя плотности; /' — час­тота выходного сигнала преобразователя температуры; X = /?/ — от­ношение частотных сигналов соответствующих преобразователей.

Сформированный двоичный код, пропорциональный действитель­ной плотности контролируемой жидкости и практически не зависящий от ее температуры, подается на блок УЧК (микросхема 155ИЕ8) ум­ножения частоты импульсов, следующих от преобразователя объемно­го расхода ПР на код. Масштабирующий блок МБ устанавливает соот­ветствие между числом импульсов с тахометрического преобразова­теля и объемом прошедшей жидкости. Частота выходного сигнала умножителя УЧК, пропорциональная массовому расходу, подается на блок измерения массы, включающий в себя преобразователь частоты в код ПЧК (микросхемы 155ИЕ6 и 155ТМ7), дешифратор ДШ (микро­схема 514ИД2) и цифровое отсчетное устройство ЦОУ в виде семи­сегментных светодиодных модулей AJI325. Одновременно частотный сигнал с выхода умножителя УЧК подается на преобразователь часто­ты в напряжение ПЧН, в качестве которого может быть использован конденсаторный частотомер, и далее на преобразователь напряжения в унифицированный сигнал постоянного тока ПНТ (микросхема 140УД6Б). Этот сигнал может подаваться на стандартный самопишу­щий прибор для регистрации оперативной информации и массового расхода жидкости.

Для расчета параметров и настройки массового расходомера необ­ходимо предварительно определить постоянные основного а о и вспомо­гательного а'о резонаторов, а также начальные периоды Т0 и То их ко­лебаний. Задавшись временем однократного измерения ти, определя­ют коэффициент деления делителя частоты Д1 по формуле (4.17), при этом период колебаний основного резонатора в конечной точке диапазона преобразования плотности и максимально возможной тем* пературе среды находят по первой формуле системы равенств (3.5). Воспользовавшись выражением (3.6) градуировочной характеристи­ки двухрезонаторного вибрационного плотномера, определяют началь

ное и конечное значения параметра X, соответствующие начальной рн и конечной рк отметкам диапазона преобразования плотности. Учиты­вая незначительность влияния изменений температуры контролируе­мой среды на выходной сигнал двухрезонаторного плотномера в ви­де отношения частотных сигналов, можно пренебречь температурной составляющей в выражении (3.6), положив 0 =@0:

(5.4)

где А о = Т0/То — отношение начальных периодов колебаний основного

и вспомогательного резонаторов.

На основании полученных данных вычисляют приращение АХ = = ^к - приходящееся на диапазон преобразования плотности. Пре­образователь период-код ППК (рис. 5.4) преобразует лишь прираще­ние полезного сигнала, поэтому в соответствии с формулой (5.3) мож­но определить значение коэффициента деления делителя частоты Д2

КД2 =NC4/(KM1 ДХ),

где NC4 — емкость счетчика импульсов преобразователя ППК.

Неинформативная часть выходного сигнала двухрезонаторного виб­рационного преобразователя устраняется путем многократного запол­нения и обнуления счетчика импульсов, число которых определяется соотношением п = Хн/АХ. Поскольку найденное значение п может от­личаться на Ап от ближайшего меньшего целого числа, то для согла­сования момента последнего обнуления счетчика с моментом поступ­ления первого импульса полезного сигнала в счетчик перед началом каждого цикла измерения вписывается двоичный код, соответствую­щий числу N0 = NC4( — Ап

Естественно, что при настройке схемы преобразователя необходи­мо предусматривать меры, предотвращающие взаимное наложение складываемых импульсов, соответствующих слагаемым вышеприве­денных формул. Общая погрешность массового расходомера опреде­ляется погрешностями каналов преобразования объемного расхода и плотности. Метрологические характеристики первого канала обус­ловлены классом точности используемого объемного расходомера, что же касается погрешности канала преобразования плотности, то она определяется рациональным выбором номинальной линеаризо­ванной статической характеристики первичного преобразователя, а также погрешностями отдельных блоков промежуточного измеритель­ного преобразователя, оценка которых приведена в гл. 4. Практичес­ки у рационально настроенного преобразователя относительная по­грешность канала преобразования действительной плотности среды не превышает 0,1 %. Перспективным направлением дальнейшего со­вершенствования измерителей массового расхода является примене­ние в них специализированных вычислительных устройств на основе микропроцессоров, которые путем соответствующей обработки функ­ций (3.3), (3.4) и (5.2) позволяют получать информацию одновремен­но о нескольких технологических параметрах: плотности, температуре и массовом расходе контролируемой среды.