Массовые расходомеры: принципы работы, типы и области применения

В современных системах управления производственными процессами, коммерческого учёта и выставления счетов возможность точного измерения массового расхода жидкости крайне важна для обеспечения бесперебойной работы, обеспечения точного дозирования на производстве и справедливого выставления счетов при коммерческом учёте. Массовые расходомеры сегодня являются важнейшими измерительными приборами во многих областях, поскольку они точнее и надёжнее приборов для измерения объёмного расхода (таких как турбинные расходомеры, объёмные расходомеры, электромагнитные расходомеры и т. д.). В этом подробном руководстве рассказывается о том, что такое массовые расходомеры, для чего они предназначены, о различных типах и наиболее важных областях применения.

Что такое массовый расходомер?

Массовый расходомер — это очень точный прибор для измерения массового расхода жидкости, движущейся по трубопроводу. Массовые расходомеры, в свою очередь, измеряют массу жидкости напрямую в единицах расхода, таких как кг, тонны или фунты, которые не зависят от температуры, давления, плотности или вязкости. Объемные же расходомеры измеряют объем жидкости (в единицах расхода, таких как м3/ч, куб. фут/мин или галлон/мин). Благодаря этой способности они необходимы в ситуациях, где требуется высокая точность и постоянство.

В основе работы массовых расходомеров лежит множество физических принципов, но наиболее распространённым и обеспечивающим наибольшую точность является эффект Кориолиса. Прохождение жидкости через две вибрирующие измерительные трубки вызывает сдвиги фаз или изменения частоты, пропорциональные массовому расходу. Кориолисов расходомер способен точно рассчитывать массовый расход, регистрируя эти изменения.

Почему важно измерение массового расхода?

В реальных промышленных приложениях измерение массового расхода намного лучше, чем объемное измерение по ряду причин:

• Лучшая точность

Кориолисовые массовые расходомеры обычно измеряют с точностью от ±0,1% до ±0,2%, что значительно лучше, чем у традиционных объёмных расходомеров (например, ротаметры могут иметь точность всего 1,0–1,5%). Такая высокая точность крайне важна для коммерческого учёта, дозирования и контроля качества, где даже незначительные ошибки или неточные измерения могут иметь негативные последствия.

• Независимость от условий процесса

Изменения температуры и давления жидкости не влияют на результаты измерений кориолисового датчика, поэтому нет необходимости в компенсационных или корректирующих расчётах (например, для газового турбинного расходомера EVC). Эта функция особенно полезна в некоторых приложениях, где рабочие условия, такие как давление или температура, часто меняются при измерении расхода газа, поскольку для измерения объёма требуются сложные корректировки, которые увеличивают неопределённость.

• Данные прямого массового расхода

Для многих промышленных процессов требуются данные о массе, а не об объёме. Масса важна для химических реакций, смешивания материалов и расчёта необходимого количества энергии. Массовые расходомеры предоставляют эту информацию напрямую, что снижает погрешность преобразования и упрощает управление процессом. Например, если расход азота, рассчитанный по данным газового турбинного расходомера, составляет 20 куб. футов в минуту, сложно получить точное значение плотности для перевода в кг/ч.

• Многопараметрическое измерение

Современные массовые расходомеры могут измерять одновременно несколько параметров (единиц массового расхода), таких как плотность, концентрация, градус Брикса и температура. Эта многофункциональность позволяет уменьшить количество необходимых приборов, что снижает затраты на установку и упрощает использование всей системы, а также повышает надежность измерений.

• Широкое использование

Массовые расходомеры могут работать со многими различными средами, такими как жидкости, газы, шламы; также они могут использоваться в сложных условиях работы с жидкостями, например, для измерения кислорода при сверхнизких температурах, азота при сверхвысоком давлении, сверхвязкого асфальта или сырой нефти, а также высокоабразивного горнодобывающего шлама.

Различные виды массовых расходомеров

В зависимости от принципа работы существует два основных типа массовых расходомеров:

Приборы для прямого измерения массового расхода

Массовые расходомеры прямого действия измеряют массовый расход без необходимости выполнять какие-либо дополнительные расчеты или преобразования:

• Кориолисовые массовые расходомеры

Кориолисовы расходомеры – наиболее распространённый тип прямых массовых расходомеров. Они используют принцип Кориолиса. При движении жидкости через одну или несколько вибрирующих трубок кориолисовы силы вызывают изменения фазы или частоты, которые можно измерить. Эти расходомеры обладают высокой точностью (обычно ±0,1% или лучше), могут измерять как жидкости, так и газы, а также одновременно измерять плотность. Они идеально подходят для коммерческого учёта, точного дозирования и измерения расхода дорогостоящих жидкостей.

• Тепловые массовые расходомеры

Тепловые счётчики используют принципы теплопередачи для определения массового расхода, измеряя тепло, переносимое потоком жидкости. Они предназначены для измерения расхода газа и особенно популярны в производстве полупроводников, контроле природного газа и системах сжатого воздуха. Эти счётчики недороги в использовании для газа и не требуют особого обслуживания.

Косвенное измерение массового расхода

Косвенные массовые расходомеры рассчитывают массовый расход путем измерения объемного расхода и плотности:

• Объемный расходомер с компенсацией плотности

Косвенное измерение массового расхода пара вихревым расходомером

Этот метод использует отдельный плотномер и объёмный расходомер, например, турбинный, вихревой или электромагнитный. Чтобы найти массовый расход, нужно умножить объёмный расход на плотность. Этот метод может быть не таким точным, как прямые методы, но в некоторых случаях может быть дешевле.

• Расходомеры дифференциального давления с компенсацией

Расходомер дифференциального давления

Традиционные расходомеры перепада давления (например, с диафрагмами, V-образными конусами, кольцевыми и трубками Вентури) можно усовершенствовать, добавив термометр сопротивления (RTD) и датчик давления для компенсации и оценки массового расхода. Эти системы хорошо известны и имеют долгую историю, но обычно не так точны, как прямые массовые расходомеры. Тем не менее, они по-прежнему широко применяются, например, для измерения расхода природного газа высокого давления и перегретого пара.

Косвенные массовые расходомеры значительно дешевле, но они, как правило, менее точны и надёжны, чем методы прямого измерения. Кроме того, они требуют более сложного обслуживания, поскольку для получения результата используется больше датчиков.

Применение массовых расходомеров

• Применение в измерении и управлении процессами

Кориолисовые массовые расходомеры используются в областях, требующих точного дозирования и строгого контроля технологического процесса. В химической промышленности они контролируют подачу сырья в реакторы, чтобы обеспечить участие в реакциях необходимого количества различных химических веществ. В нефтегазовой промышленности они используются для измерения расхода сырой нефти, природного газа и сжиженного нефтяного газа для коммерческих целей. Пищевая и фармацевтическая промышленность также используют их для тщательного контроля добавления важных или дорогостоящих ингредиентов, таких как сахара, ароматизаторы и активные вещества.

• Использование в суровых условиях и сложных жидкостях

Кориолисовый массовый расходомер отлично подходит для работы со сложными и вязкими жидкостями. Он точно измеряет неньютоновские жидкости, жидкости с пузырьками и жидкости с чрезвычайно высокой вязкостью, такие как сырая нефть, смола, патока или шоколадная паста. Другие расходомеры часто не способны работать с такими жидкостями. Кроме того, он отлично работает в условиях высокого давления и температуры, например, при измерении расхода воска, криогенного пропана, бурового раствора, жидкой серы и т. д. Конструкция датчика массового расхода, не имеющая мертвых зон и подвижных частей, обеспечивает лёгкую очистку и соответствует строгим санитарным стандартам для гигиенических применений, таких как транспортировка молочной продукции или биофармацевтических препаратов по трубопроводам.

• Использование для измерения производных параметров и экономии денег

Кориолисовые массовые расходомеры измеряют не только массовый расход. Они также измеряют плотность и температуру жидкости. Эта дополнительная функция значительно расширяет область их применения, позволяя косвенно измерять такие важные параметры, как концентрация жидкости, чистота спирта, содержание сахара (по шкале Брикса) или концентрация серной кислоты, что избавляет от необходимости в большом количестве отдельных датчиков.