Průtok, tlak a teplota jsou tři základní parametry pro detekci objektů, široce používané při měření. S rychlým rozvojem čínského průmyslu jsou požadavky na měření průtoku v různých automatizovaných řídicích systémech stále přísnější, což vede k rozsáhlému zavádění průtokoměrů.
Požadavky na přístroje pro měření průtoku v řízení procesů
Průtokoměry jsou široce používány v řízení procesů. Jejich role spočívá v detekci průtoků tekutin v utěsněných potrubích. V případě potřeby jsou přístroje pro měření průtoku integrovány s řídicími přístroji a akčními členy, aby vytvořily regulační systémy, které stabilizují průtok ve vhodných rozsazích, aby byla zajištěna stabilita procesu. Vzhledem k této specifické funkci v řízení procesu musí přístroje pro měření průtoku splňovat následující požadavky.
1. Stabilita výkonu
① Výstup přístrojů pro měření průtoku by měl vykazovat vynikající stabilitu. Pokud samotný signál průtoku obsahuje šum, vnitřní nastavení tlumení by mělo stabilizovat čtení pro snadnou interpretaci. Při integraci do řídicího systému s regulátorem by měl výstup regulátoru zůstat bez znatelných oscilací.
② Vliv okolní teploty na zobrazovanou hodnotu přístroje by měl zůstat v rámci specifikovaných technických parametrů.
③ Nástroj by měl vykazovat vynikající dlouhodobou-stabilitu.
2. Požadavky na spolehlivost
① Přístroje musí vykazovat vysokou spolehlivost. Moderní průmyslové instalace směřují k rozsáhlým-kontinuálním procesům, kde selhání přístroje může snadno destabilizovat provoz. Vzhledem k tomu, že průtokoměry instalované na potrubí nelze opravit zastavením procesu, musí být spolehlivost upřednostněna jak při výrobě přístroje, tak při návrhu systému-včetně spolehlivosti termistorů používaných pro teplotní kompenzaci. Někteří výrobci implementují redundanci pro komponenty náchylné k selhání a obtížně opravitelné. Jiné metody navrhují výměnu snímače bez přerušení průtoku. Výrobci elektromagnetických průtokoměrů poskytují techniky a nástroje pro -nerušivou výměnu elektrod, což vše přispívá ke zvýšení spolehlivosti.
② Diagnostika závad. Při poruše přístroje by měl diagnostický systém automaticky indikovat místo a povahu závady, aby se minimalizovala doba opravy. Když jsou diagnostická data přenášena digitálně do počítače, může počítač monitorovat provoz přístroje, spouštět alarmy při poruchách, zobrazovat podrobnosti o poruchách a dokonce zavádět nezbytná bezpečnostní opatření.
3. Silná odolnost proti-rušení
① Odolnost proti vibracím.
Většina snímačů průtoku je namontována na potrubí v náročných provozních podmínkách, kde vibrace představují hlavní poruchu. Snímače průtoku, vysílače a další součásti proto musí mít silné-schopnosti rušení. Některé vírové průtokoměry a Coriolisovy hmotnostní průtokoměry fungují v terénu špatně kvůli nedostatečné odolnosti vůči vibracím, které vykazují jevy jako „falešné údaje“ nebo „nadměrné údaje“.
② Odolnost proti vysokofrekvenčnímu rušení
Průmyslové areály s průtokoměry obsahují více zdrojů rušení. Například mostové jeřáby projíždějící nad hlavou, vysokozdvižné vozíky v blízkosti nebo personál používající vysílačky- mohou způsobit zvýšené hodnoty na určitých přístrojích pro měření průtoku. K tomu dochází, když radiofrekvenční elektromagnetické vlny vysílané elektrickými systémy jeřábů, zapalovacími svíčkami vysokozdvižných vozíků nebo vysílací{3}} anténou proniknou do přístroje různými cestami a naruší jeho provoz. V posledních letech získal významnou pozornost vliv RF rušení. Měřicí přístroje nyní zahrnují specifikace odolnosti proti vysokofrekvenčnímu rušení a využívají četná opatření ke zvýšení odolnosti proti rušení.
4. Krátká doba odezvy
Mnoho přístrojů pro měření průtoku tvoří řídicí systémy s regulátory, které vyžadují dobu odezvy pod 1 sekundu. V systémech řízení nastaveného průtoku může celková časová konstanta přesahující 1 sekundu v segmentu měření průtoku významně zhoršit kvalitu řízení. V závažných případech to může způsobit oscilace systému a provozní selhání.
5. Různé výstupní signály
① Analogový výstup.
Přístroje pro měření průtoku by měly mít analogový výstup 4–20 mA s charakteristikou konstantního proudu.
② Frekvenční výstup.
Převodníky průtoku (převodníky) přenášejí signály průtoku do zobrazovacích přístrojů nebo ovladačů prostřednictvím frekvence, přičemž zachovávají přesnost s minimálními ztrátami-hlavní výhodou této metody.
③ Digitální výstup.
Přístroje pro měření průtoku se připojují k počítačům prostřednictvím komunikačních portů, jako je RS485. Díky speciální softwarové podpoře nejen přenášejí naměřené parametry do počítačů, ale také odesílají informace o poruchách, konfigurační data a indikátory stavu přístroje. Kromě toho mohou operátoři upravovat konfigurace polních přístrojů, provádět kontroly, kalibrace, údržbu a úkoly správy vzdáleně z velínů prostřednictvím počítačů.
Detekce průtoku a použití průtokoměru
Měření průtoku je běžná průmyslová metoda měření široce používaná v odvětvích, jako je výroba energie, metalurgie, chemické inženýrství, ropa a zpracování potravin. Jakýkoli proces zahrnující změny hmotnosti vyžaduje měření průtoku. Jako nástroje pro toto měření slouží průtokoměry. Na základě různých principů měření lze tyto přístroje rozdělit do mnoha typů. S pokrokem v moderních měřicích technikách se průtokoměry vyvinuly z dřívějších diferenčních tlaků, objemových a elektromagnetických typů. Nyní se vyznačují nejen jednoduššími strukturami, ale také stále rozmanitějšími funkcemi. Přesnost měření průtokoměru přímo ovlivňuje správné a stabilní provádění průmyslových kontrolních procesů a má přímý význam pro národní ekonomický rozvoj Číny. Zvládnutí principů běžných průtokoměrů a pochopení aplikace typických průtokoměrů v automatizačních systémech je proto zásadní pro zlepšení úrovní průmyslové automatizace a standardů přístrojového vybavení.
Aplikace průtokoměrů v automatizovaných řídicích systémech
1. Aplikace průtokoměrů v systémech automatizovaného měření ropných polí
Ropná pole představují jedno z nejrozsáhlejších průmyslových odvětví pro aplikace průtokoměrů, které se primárně používají pro měření těžby ropy, statistiky a analýzy, včetně každodenního sledování výstupu z vrtů. Pokročilé technologie měření a zpracování usnadňují včasné pochopení stavu rozvoje ropných polí a změn v nádržích, což umožňuje analýzu dynamických změn v produkci ropy a zemního plynu pro další směrování strategií rozvoje ropných polí. Při měření dílčích jednotek ropného pole procházejí surové vyrobené tekutiny nejprve třemi-fázovými separátory, které jsou rozděleny do tří proudů: jeden je směrován do kompresorové stanice přes regulační ventil, druhý je veden do usazovací nádrže pomocí elektromagnetického průtokoměru a třetí je posílán do vyrovnávací nádrže pomocí hmotnostního průtokoměru.
Směs oleje-vody prochází senzorem hmotnostního průtokoměru, který shromažďuje parametry, jako je průtok, teplota a hustota v olejovém potrubí. Tyto signály jsou přenášeny do procesoru, kde příslušné mikropočítačové algoritmy analyzují a vypočítávají nasbírané parametry ropy a vody. Po absolvování fáze přenosu jsou data odeslána do monitorovacího hostitele prostřednictvím TCP/IP Ethernetové komunikace. To umožňuje komplexní funkce správy, včetně zobrazení dat, ukládání, hlášení a tisku, čímž je dosaženo monitorování více systémů měření ropy-vody.
Kromě toho na místech soustružení ropných vrtů-, která řeší rozšířené problémy vrtných výplachů s vysokou-hustotou a odpadu těžkého materiálu v hlubokých vrtech, snímač průtoku shromažďuje a analyzuje změny viskozity, hustoty a výkonových parametrů centrifugy. Poté, co řídicí systém vypočítá provozní rychlost odstředivky a odpovídající kapacitu zpracování, nastaví počítačová-kontrola výstupu pracovní postup řídicího systému. To účinně zvyšuje míru obnovitelnosti těžkých materiálů a snižuje náklady na jejich použití.
2. Aplikace průtokoměrů v procesních systémech elektráren
2.1 Aplikace v procesech zásobování kotlovým vzduchem
V kotlích elektráren měří průtokoměry především průtoky vzduchu, páry a přívodu kotlového vzduchu. Nejčastěji používaným průtokoměrem je vírový průtokoměr. Pracuje na principu rychlosti a využívá k měření průtoku jev pravidelného víru. Když tekutiny jako pára nebo vzduch proudí kolem senzoru, vytvoří se před senzorem vysokotlaká zóna, kde tlak převyšuje statický tlak v potrubí. Jak se tekutina zrychluje přes zrychlovací část potrubí, vytváří se nízkotlaká zóna, kde je tlak nižší než statický tlak potrubí. Za touto zónou nízkého-tlaku se pak vytvoří vírová-zóna podtlaku, která vytváří kolísání tlaku. Četnost těchto výkyvů je přímo úměrná průtoku plynu. Změřením této frekvence vibrací a použitím vhodné konverze a kompenzace lze vypočítat rychlost tekutiny.
Vezměme si jako příklad měření vířivého průtokoměru v průtoku přiváděného vzduchu do kotle: průtok přiváděného vzduchu do kotle je kritickým parametrem odrážejícím provozní stav kotlů a ventilátorů elektrárny, který hraje zásadní roli v systému automatického řízení spalování kotle. Potrubí pro přívod vzduchu do elektrárny má převážně pravoúhlý průřez, takže přesné měření je s konvenčními průtokoměry náročné. Vírový průtokoměr prokazuje v této aplikaci vynikající výkon.
Při použití vírových průtokoměrů pro měření průtoku přiváděného vzduchu do kotle se systém skládá ze snímače, převodníku a řídicího centra. Senzor se skládá z vírového generátoru a vírového detektoru, primárně odpovědného za měření průtoku přiváděného vzduchu a jeho přeměnu na odpovídající frekvenční signál. Tento frekvenční signál prochází v převodníku tvarováním a zesilováním a na výstupu je řídicí signál 4–20 mA DC do řídicího centra. Zde se zobrazuje, zaznamenává a analyzuje naměřený průtok vzduchu, který slouží jako kritická reference pro provozní stav kotle v rámci elektrárny.
Při použití vírových průtokoměrů pro měření průtoku vzduchu kotlem je třeba pečlivě zvážit výběr rozsahu přístroje a kompenzaci teploty/tlaku. Udržování měřeného průtoku tekutiny v rozmezí 1/2 až 2/3 kapacity vírového průtokoměru zajišťuje, že přesnost zůstává v přijatelných mezích. Kromě toho musí být vybrány vhodné přístroje pro měření teploty a tlaku, které doplní vírový průtokoměr a vytvoří přesný a přesný řídicí systém automatizace kotle. S pokrokem v počítačové a mikroelektronické technologii se inteligentní vírové průtokoměry staly široce rozšířenými. Díky kalibraci průtoku a schopnostem vlastní diagnostiky-umožňují flexibilnější řízení na základě provozních podmínek elektrárenského kotle a provádějí opravu chyb, což představuje vyspělejší technologii.
2.2 Aplikace v procesech odsíření spalin
Průtokoměry jsou také široce používány v procesech odsíření spalin elektráren. Vzhledem k vysokému obsahu prachu, zvýšeným teplotám a korozivním vlastnostem emisí spalin ve spojení s turbulentními a vířícími podmínkami v kouřovodech kotle je přesné měření průtoku náročné. V důsledku toho je pro výpočet průměrných hodnot zapotřebí více měřicích bodů. Četné měřicí body v elektrárnách-včetně primárního vzduchu, sekundárního vzduchu, přívodního plynu do kotle a odsířených spalin-představují významné výzvy pro monitorování spalin. Průtokoměry spalin pro odsíření využívají unikátní princip založený na tepelné disperzi. Převádějí vztah mezi teplotním rozdílem na snímači RTD a průtokem na lineární výstup signálu průtoku. V kombinaci se specializovanými modely tokových dat a teorií fuzzy řízení generují řídicí signály. Řízení systému je dosaženo prostřednictvím vyhrazených sond-nabíjení a škrabacích zařízení.
3. Aplikace průtokoměrů v systémech čištění odpadních vod
Systémy čištění odpadních vod ve farmaceutických závodech
S rychlým rozvojem moderního průmyslu stále roste význam čištění komunálních odpadních vod. Průtokoměry našly široké uplatnění v automatizovaných čistírnách odpadních vod. Odpadní voda obsahuje značné množství nerozpuštěných látek, odpadní vody, nečistoty, patogeny atd. Různé monitorovací body mají různé požadavky na průtokoměry. Používají se jak elektromagnetické průtokoměry, tak ultrazvukové průtokoměry, přičemž ultrazvukové průtokoměry se v posledních letech stále více využívají díky své vysoké přesnosti, dobré integraci a kompaktní velikosti.
Vezměme si jako příklad použití ultrazvukových průtokoměrů při čištění odpadních vod: integrací ultrazvukových průtokoměrů s Parshallovým žlabem je monitorován průtok odpadních vod pro řízení přítokových a obtokových ventilů, čímž se dosáhne regulace průtoku při čištění odpadních vod. V rámci systému automatického řízení ultrazvukového průtoku detekují ultrazvukové senzory informace o průtoku. Měřením vzdálenosti od nulové polohy k membráně senzoru a v celém rozsahu-měřítka se určí skutečný průtok odpadní vody odpovídající výšce a přenese se do centrálního mikroprocesoru řídicího systému. Po převodu je pulsní signál 4–20 mA vydán do programovatelného regulátoru v centrálním dispečinku. Po komunikaci řídicí terminál zobrazí informace včetně okamžitého průtoku, maximální hodnoty, minimální a průměrné hodnoty. Podporuje statistiku toku a tisk a funguje na základě logiky diagnostiky chyb.
Když dojde k poruše systému nebo abnormálnímu průtoku, vydá alarmové informace, které vyzve operátory, aby upravili vstupní ventil a obtokový ventil pro řízení průtoku, a tím splnili výrobní požadavky procesu čištění odpadních vod. Pokročilejší řídicí systémy mohou průtok považovat za proměnný vstup do PLC v centrálním velínu. To umožňuje přímý programový výpočet a řízení přírůstků nastavení pro vstupní ventil a obtokový ventil. Současně přeměna těchto ventilů na elektrický pohon eliminuje potřebu ručního zásahu operátora, což dále zvyšuje efektivitu systému.
Kromě těchto aplikací jsou průtokoměry široce využívány v procesech odsiřování, stejnosměrných napájecích systémech, čištění odpadních vod při zplyňování uhlí, měření energie, ochraně životního prostředí a dalších oblastech, které pronikají do všech fází přeměny energie v průmyslové výrobě. S neustálým pokrokem průmyslové automatizace a rychlým rozvojem technologie počítačové mikroelektroniky se průtokoměry vyvinuly z mechanických na elektronické konstrukce. Stále se objevují nové typy průtokoměrů, které hrají stále významnější roli v čínském národním hospodářství a vykazují slibné vyhlídky rozvoje.