Prietok, tlak a teplota sú tri základné parametre na detekciu objektov, ktoré sa široko používajú pri meraní. S rýchlym rozvojom čínskeho priemyslu sú požiadavky na meranie prietoku v rôznych automatizovaných riadiacich systémoch čoraz prísnejšie, čo vedie k rozsiahlemu prijatiu prietokomerov.
Požiadavky na prístroje na meranie prietoku pri riadení procesov
Prietokomery sa vo veľkej miere využívajú pri riadení procesov. Ich úlohou je zisťovanie prietokov tekutín v utesnených potrubiach. V prípade potreby sú prístroje na meranie prietoku integrované s riadiacimi prístrojmi a ovládačmi, aby vytvorili regulačné systémy, ktoré stabilizujú prietok vo vhodných rozsahoch, aby sa zabezpečila stabilita procesu. Vzhľadom na túto špecifickú funkciu pri riadení procesu musia prístroje na meranie prietoku spĺňať nasledujúce požiadavky.
1. Stabilita výkonu
① Výstup prístrojov na meranie prietoku by mal vykazovať vynikajúcu stabilitu. Ak samotný signál prietoku obsahuje šum, vnútorné úpravy tlmenia by mali stabilizovať odčítanie pre ľahkú interpretáciu. Pri integrácii do riadiaceho systému s regulátorom by mal výstup regulátora zostať bez viditeľných oscilácií.
② Vplyv okolitej teploty na zobrazovanú hodnotu prístroja by mal zostať v rámci špecifikovaných technických parametrov.
③ Prístroj by mal vykazovať vynikajúcu dlhodobú stabilitu.
2. Požiadavky na spoľahlivosť
① Prístroje musia vykazovať vysokú spoľahlivosť. Moderné priemyselné inštalácie smerujú k rozsiahlym nepretržitým procesom, kde zlyhanie prístroja môže ľahko destabilizovať prevádzku. Keďže prietokomery inštalované na potrubiach nie je možné opraviť zastavením procesu, spoľahlivosť musí byť prioritou pri výrobe prístroja aj návrhu systému – vrátane spoľahlivosti termistorov používaných na teplotnú kompenzáciu. Niektorí výrobcovia implementujú redundanciu pre komponenty náchylné na poruchu a ťažko opraviteľné. Iné metódy navrhujú výmenu snímača bez prerušenia prietoku. Výrobcovia elektromagnetických prietokomerov poskytujú techniky a nástroje na nerušivú výmenu elektród, čo všetko prispieva k zvýšeniu spoľahlivosti.
② Diagnostika porúch. Pri poruche prístroja by mal diagnostický systém automaticky indikovať miesto a povahu poruchy, aby sa minimalizoval čas opravy. Keď sa diagnostické údaje prenesú digitálne do počítača, počítač môže monitorovať činnosť prístroja, spúšťať alarmy pri poruchách, zobrazovať podrobnosti o poruchách a dokonca implementovať potrebné bezpečnostné opatrenia.
3. Silná schopnosť proti rušeniu
① Odolnosť voči vibráciám.
Väčšina prietokových snímačov je namontovaná na potrubiach v drsných poľných prostrediach, kde vibrácie predstavujú hlavnú poruchu. Preto musia mať snímače prietoku, vysielače a ďalšie komponenty silné schopnosti proti rušeniu. Niektoré vírové prietokomery a Coriolisove hmotnostné prietokomery fungujú v teréne zle v dôsledku nedostatočnej odolnosti voči vibráciám, ktoré vykazujú javy ako „falošné údaje“ alebo „nadmerné údaje“.
② Odolnosť voči rádiofrekvenčnému rušeniu
Priemyselné areály, v ktorých sú umiestnené prietokomery, obsahujú viacero zdrojov rušenia. Napríklad mostové žeriavy prechádzajúce nad hlavou, vysokozdvižné vozíky pracujúce v blízkosti alebo personál používajúci vysielačky môžu spôsobiť zvýšené hodnoty na určitých prístrojoch na meranie prietoku. K tomu dochádza, keď rádiofrekvenčné elektromagnetické vlny vyžarované elektrickými systémami žeriavov, zapaľovacími sviečkami vysokozdvižného vozíka alebo vysielacími anténami vstupujú do prístroja rôznymi cestami a narúšajú jeho činnosť. V posledných rokoch si vplyv RF rušenia získal významnú pozornosť. Meracie prístroje teraz obsahujú špecifikácie odolnosti voči RF rušeniu a využívajú množstvo opatrení na zvýšenie odolnosti voči rušeniu.
4. Krátky čas odozvy
Mnohé prístroje na meranie prietoku tvoria riadiace systémy s regulátormi, ktoré vyžadujú časy odozvy pod 1 sekundu. V systémoch regulácie prietoku môže celková časová konštanta presahujúca 1 sekundu v segmente merania prietoku výrazne zhoršiť kvalitu regulácie. V závažných prípadoch to môže spôsobiť oscilácie systému a prevádzkové poruchy.
5. Rôzne výstupné signály
① Analógový výstup.
Prístroje na meranie prietoku by mali mať analógový výstup 4–20 mA s charakteristikou konštantného prúdu.
② Frekvenčný výstup.
Vysielače prietoku (konvertory) prenášajú signály prietoku do zobrazovacích prístrojov alebo ovládačov prostredníctvom frekvencie, pričom zachovávajú presnosť s minimálnou stratou – kľúčová výhoda tejto metódy.
③ Digitálny výstup.
Prístroje na meranie prietoku sa pripájajú k počítačom cez komunikačné porty ako RS485. S vyhradenou softvérovou podporou nielen prenášajú namerané parametre do počítačov, ale posielajú aj informácie o poruchách, konfiguračné údaje a indikátory stavu prístroja. Okrem toho môžu operátori upravovať konfigurácie poľných prístrojov, vykonávať kontroly, kalibrácie, údržbu a úlohy správy na diaľku z riadiacich miestností prostredníctvom počítačov.
Detekcia prietoku a použitie prietokomeru
Meranie prietoku je bežnou priemyselnou meracou metódou široko používanou v odvetviach, ako je výroba energie, metalurgia, chemické inžinierstvo, ropa a spracovanie potravín. Akýkoľvek proces zahŕňajúci zmeny hmotnosti si vyžaduje meranie prietoku. Ako nástroje na toto meranie slúžia prietokomery. Na základe rôznych princípov merania možno tieto prístroje rozdeliť do mnohých typov. S pokrokom v moderných meracích technikách sa prietokomery vyvinuli z počiatočného diferenčného tlaku, objemových a elektromagnetických typov. Teraz sa vyznačujú nielen jednoduchšími štruktúrami, ale aj čoraz rozmanitejšími funkciami. Presnosť meraní prietokomerov priamo ovplyvňuje správne a stabilné vykonávanie priemyselných kontrolných procesov, čo má priamy význam pre národný ekonomický rozvoj Číny. Preto je zvládnutie princípov bežných prietokomerov a pochopenie aplikácie typických prietokomerov v automatizačných systémoch kľúčové pre zlepšenie úrovní priemyselnej automatizácie a štandardov prístrojového vybavenia.
Aplikácia prietokomerov v automatizovaných riadiacich systémoch
1. Aplikácia prietokomerov v automatizovaných meracích systémoch na ropnom poli
Ropné polia predstavujú jedno z najrozsiahlejších priemyselných odvetví pre aplikácie prietokomerov, ktoré sa primárne používajú na meranie produkcie ropy, štatistiku a analýzu vrátane denného monitorovania výstupu z vrtov. Pokročilé meracie a procesné technológie uľahčujú včasné pochopenie stavu rozvoja ropných polí a zmien zásobníkov, čo umožňuje analýzu dynamických zmien v produkcii ropy a zemného plynu na ďalšie vedenie stratégií rozvoja ropných polí. Pri meraní podjednotiek ropného poľa surové vyrobené kvapaliny najskôr prechádzajú cez trojfázové separátory, aby sa rozdelili do troch prúdov: jeden smerovaný do kompresorovej stanice cez regulačný ventil, ďalší smerovaný do usadzovacej nádrže cez elektromagnetický prietokomer a tretí posielaný do vyrovnávacej nádrže cez hmotnostný prietokomer.
Zmes oleja a vody prechádza cez snímač hmotnostného prietokomera, ktorý zhromažďuje parametre, ako je prietok, teplota a hustota v olejovom potrubí. Tieto signály sú prenášané do procesora, kde príslušné mikropočítačové algoritmy analyzujú a vypočítavajú zozbierané parametre ropy a vody. Po prechode na fázu prenosu sa údaje odošlú do monitorovacieho hostiteľa prostredníctvom ethernetovej komunikácie TCP/IP. To umožňuje komplexné riadiace funkcie vrátane zobrazovania údajov, ukladania, podávania správ a tlače, čím sa dosahuje monitorovanie viacerých systémov merania oleja a vody.
Okrem toho na miestach sústruženia vrtov na ropných poliach, ktoré riešia rozšírené problémy vrtných kvapalín s vysokou hustotou a odpadu ťažkého materiálu v hlbokých vrtoch, snímač prietoku zhromažďuje a analyzuje zmeny vo viskozite, hustote a výkonových parametroch odstredivky. Potom, čo riadiaci systém vypočíta prevádzkovú rýchlosť centrifúgy a zodpovedajúcu spracovateľskú kapacitu, počítačová výstupná kontrola vytvorí pracovný postup riadiaceho systému. To efektívne zvyšuje mieru zhodnocovania ťažkých materiálov a znižuje náklady na ich používanie.
2. Aplikácie prietokomerov v procesných systémoch elektrární
2.1 Aplikácia v procesoch dodávky vzduchu do kotla
V kotloch elektrární merajú prietokomery predovšetkým prietoky vzduchu, pary a prívodu vzduchu do kotla. Najčastejšie používaným prietokomerom je vírový prietokomer. Funguje na princípe rýchlosti a využíva fenomén pravidelného vírenia na meranie prietoku. Keď tekutiny ako para alebo vzduch prúdia okolo snímača, pred snímačom sa vytvorí vysokotlaková zóna, kde tlak prevyšuje statický tlak v potrubí. Keď sa kvapalina zrýchľuje cez akceleračnú časť potrubia, vytvorí sa nízkotlaková zóna, kde je tlak nižší ako statický tlak potrubia. Za touto zónou nízkeho tlaku sa potom vytvorí zóna vákua vyvolaná vírom, ktorá vytvára kolísanie tlaku. Frekvencia týchto výkyvov je priamo úmerná prietoku plynu. Meraním tejto frekvencie vibrácií a aplikáciou vhodnej konverzie a kompenzácie možno vypočítať rýchlosť tekutiny.
Ako príklad uvedieme meranie vírivým prietokomerom v prietoku vzduchu do kotla: prietok vzduchu do kotla je kritickým parametrom odrážajúcim prevádzkový stav kotlov a ventilátorov elektrárne, ktorý hrá dôležitú úlohu v automatickom riadiacom systéme spaľovania kotla. Aktuálne prívodné vzduchové kanály pre elektrárne majú prevažne pravouhlý prierez, čo sťažuje presné meranie pomocou konvenčných prietokomerov. Vírový prietokomer demonštruje v tejto aplikácii vynikajúci výkon.
Pri použití vírových prietokomerov na meranie prietoku privádzaného vzduchu do kotla systém obsahuje snímač, prevodník a riadiace centrum. Senzor pozostáva z generátora vírov a detektora vírov, ktoré sú primárne zodpovedné za meranie prietoku privádzaného vzduchu a jeho premenu na zodpovedajúci frekvenčný signál. Tento frekvenčný signál prechádza tvarovaním a zosilňovaním v meniči, pričom výstupom 4–20 mA jednosmerného riadiaceho signálu do riadiaceho centra. Tam sa zobrazuje, zaznamenáva a analyzuje nameraný prietok vzduchu, ktorý slúži ako kritická referencia pre prevádzkový stav kotla v rámci elektrárne.
Pri použití vírových prietokomerov na meranie prietoku vzduchu kotlom je potrebné starostlivo zvážiť výber rozsahu prístroja a kompenzáciu teploty/tlaku. Udržiavanie nameraného prietoku tekutiny v rozsahu 1/2 až 2/3 kapacity vírivého prietokomeru zabezpečuje, že presnosť zostáva v prijateľných medziach. Okrem toho je potrebné zvoliť vhodné prístroje na meranie teploty a tlaku, ktoré dopĺňajú vírivý prietokomer, čím sa vytvorí presný a presný riadiaci systém automatizácie kotla. S pokrokom v počítačovej a mikroelektronickej technológii sa inteligentné vírové prietokomery stali široko rozšírenými. Vďaka kalibrácii prietoku a schopnostiam autodiagnostiky umožňujú flexibilnejšie riadenie na základe prevádzkových podmienok kotla elektrárne a vykonávajú korekciu chýb, čo predstavuje vyspelejšiu technológiu.
2.2 Aplikácia v procesoch odsírenia spalín
Prietokomery sa vo veľkej miere používajú aj v procesoch odsírenia spalín v elektrárňach. Kvôli vysokému obsahu prachu, zvýšeným teplotám a korozívnym vlastnostiam emisií spalín, spojeným s turbulentnými a víriacimi podmienkami v spalinách kotla, je presné meranie prietoku náročné. V dôsledku toho je na výpočet priemerných hodnôt potrebných viacero meracích bodov. Početné meracie body v elektrárňach, vrátane primárneho vzduchu, sekundárneho vzduchu, napájacieho plynu kotla a odsírených spalín, predstavujú významné výzvy pre monitorovanie spalín. Prietokomery spalín na odsírenie využívajú unikátny princíp založený na tepelnej disperzii. Prevádzajú vzťah medzi teplotným rozdielom na snímači RTD a prietokom na lineárny výstup signálu prietoku. V kombinácii so špecializovanými modelmi tokových údajov a teóriou fuzzy riadenia generujú riadiace signály. Riadenie systému sa dosahuje pomocou vyhradených sond na snímanie náboja a škrabacích zariadení.
3. Aplikácie prietokomerov v procesných systémoch čistenia odpadových vôd
Systémy čistenia odpadových vôd z farmaceutických závodov
S rýchlym pokrokom moderného priemyslu význam čistenia komunálnych odpadových vôd stále rastie. Prietokomery našli široké uplatnenie v automatizovaných čističkách odpadových vôd. Odpadová voda obsahuje značné množstvo nerozpustených látok, odpadových vôd, nečistôt, patogénov atď. Rôzne monitorovacie miesta majú rôzne požiadavky na prietokomery. Používajú sa elektromagnetické prietokomery a ultrazvukové prietokomery, pričom ultrazvukové prietokomery sa v posledných rokoch čoraz viac využívajú vďaka ich vysokej presnosti, dobrej integrácii a kompaktnej veľkosti.
Vezmime si ako príklad použitie ultrazvukových prietokomerov pri čistení odpadových vôd: integráciou ultrazvukových prietokomerov s Parshallovým žľabom sa prietok odpadovej vody monitoruje na riadenie prítokových a obtokových ventilov, čím sa dosiahne regulácia prietoku pri čistení odpadových vôd. V rámci systému automatického riadenia ultrazvukového prietoku ultrazvukové senzory zisťujú informácie o prietoku. Meraním vzdialenosti od nulovej polohy k membráne snímača a plného rozsahu sa zisťuje skutočný prietok odpadovej vody zodpovedajúci výške a prenáša sa do centrálneho mikroprocesora riadiaceho systému. Po konverzii je impulzný signál 4–20 mA odoslaný do programovateľného regulátora v centrálnej dozorni. Po komunikácii riadiaci terminál zobrazuje informácie vrátane okamžitého prietoku, maximálnej hodnoty, minimálnej a priemernej hodnoty. Podporuje štatistiku toku a tlač a funguje na základe logiky diagnostiky porúch.
Keď sa vyskytnú poruchy systému alebo abnormálny prietok, vydáva alarmové informácie, ktoré vyzve operátorov, aby upravili vstupný ventil a obtokový ventil na reguláciu prietoku, čím sa dodržia výrobné požiadavky procesu čistenia odpadových vôd. Pokročilejšie riadiace systémy môžu spracovávať prietok ako variabilný vstup do PLC v centrálnej riadiacej miestnosti. To umožňuje priamy programový výpočet a riadenie prírastkov nastavenia pre vstupný ventil a obtokový ventil. Súčasne konverzia týchto ventilov na elektrický pohon eliminuje potrebu manuálneho zásahu operátora, čím sa ďalej zvyšuje účinnosť systému.
Okrem týchto aplikácií sa prietokomery vo veľkej miere využívajú v odsírovacích procesoch, systémoch napájania jednosmerným prúdom, čistení odpadových vôd pri splyňovaní uhlia, meraní energie, ochrane životného prostredia a iných oblastiach, ktoré prenikajú do každého štádia premeny energie v priemyselnej výrobe. S neustálym pokrokom priemyselnej automatizácie a rýchlym vývojom technológie počítačovej mikroelektroniky sa prietokomery vyvinuli z mechanických na elektronické konštrukcie. Stále sa objavujú nové typy prietokomerov, ktoré zohrávajú čoraz významnejšiu úlohu v čínskom národnom hospodárstve a vykazujú sľubné vyhliadky rozvoja.