3.3.5 Расходомер вихревого типа Yokogawa digitalYewflo

Расходомер вихревого типа digitalYEWFLO обеспечивает класс точности ± 0,5% от величины объемного расхода для жидкости и ± 1% для газа, что позволяет заменять ими турбинные счетчики. Ряд номинальных размеров варьируется в диапазоне от 15 до 400 мм. Благодаря тому, что корпус расходомера представляет собой полностью литую конструкцию максимальное давление для них ограничено только номиналом фланцев. На настоящий момент максимальный номинал фланцев, который изготавливался, был ANSI2500. В зависимости от исполнения вихревые расходомеры digitalYEWFLO могут работать при температуре рабочей среды от минус 196 до плюс 450 0С. Расходомеры имеют также импульсный выход, благодаря чему имеется возможность вывода на верхний уровень одновременно сигналов по расходу и по температуре. Обеспечены цифровые протоколы связи BRAIN, HART и Foundation FieldBus. Степень защиты корпуса отвечает стандарту IEC IP67. Взрывонепроницаемое и искробезопасное исполнение соответствуют типам EЕx(с)d IIC T6 _ T1 и EExia IIC T6_T1 согласно свидетельствам о взрывозащищенности. Расходомеры серии digitalYEWFLO внесены в Госреестр СИ с межповерочным интервалом 4 года [6].

Внешний вид прибора digitalYEWFLO фирмы Yokogawa представлены на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Внешний вид прибора digitalYEWFLO

Тело, находящееся на пути потока, изменяет направление движения его струй и увеличивает их скорость за счет соответствующего уменьшения давления. За миделевым сечением тела (сечением тела плоскостью, перпендикулярной направлению движения, взятое в том месте тела, где площадь сечения наибольшая) начинается обратный процесс уменьшения скорости и увеличения давления. Одновременно с этим на передней стороне тела создается повышенное, а на задней стороне – пониженное давление. Пограничный слой, обтекающий тело, пройдя его давления сечение, отрывается от тела и под влиянием пониженного давления за телом изменяет направление движения, образуя вихрь. Это происходит как в верхних, так и в нижних точках обте­каемого тела. Но так как развитие вихря с одной стороны препят­ствует такому же развитию с другой стороны, то образование вихрей с той и другой стороны происходит поочередно. При этом за обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана шириной а, имеющая постоянное отношение b/а, которое для обтекаемого цилиндра равно 0,281.

В расходомерах Yokogawa (серия YEWFLO), которые предлагаются к применению на объекте, рассмотренном в технологической части, применяется метод изгибных напряжений. Суть этого принципа заключается в том, что формирование вихрей на теле обтекания приводит к возникновению переменного давления, приложенного к телу обтекания, что приводит к возникновению переменной силы, которая приводит к возникновению малых изгибных напряжений в теле обтекания с той же самой частотой, что и частота образования вихрей. Эти изгибные напряжения регистрируются пьезодатчиками, расположенными в теле обтекания. Возникающая в момент срыва изгибающая сила регистрируется расположенными внутри него пьезодатчиками.

Достоинствами такого метода измерений являются:

- усреднение потока по сечению трубопровода;

- исключение контакта датчиков с процессом;

- возможность применения ультрастойких материалов в качестве вихреобразователя.

Конструкция расходомеров серии DY (digitalYEWFLO) позволяет выделять и анализировать не связанные с основным сигналом шумы, благодаря чему эти расходомеры имеют мощные средства дополнительной диагностики.

В схемах трубопроводов существует достаточно большое количество источников вибрации, к которым относятся не только двигатели, компрессоры, насосы, но и клапаны, вентили. Вихри, которые должны четко детектировать вихревые расходомеры, по своим проявлениям очень близки к эффектам, возникающим при вибрации трубопровода. Таким образом, получается противоречие: вихревые расходомеры с одной стороны должны быть очень чувствительны к воздействию вихрей (это критично при малых расходах или низких плотностях), с другой стороны – они должны быть устойчивыми по отношению к другим вибрациям, которые очень сложно отделить от полезного сигнала.

В вихревых расходомерах серии YEWFLO система защиты от вибрации состоит из 2-х частей: конструктивной и аппаратной.

Вибрацию можно разложить на три пространственных составляющих:

- вдоль трубопровода;

- вдоль вихреобразователя;

- перпендикулярно оси трубопровода и вихреобразователю.

Составляющие легко компенсируются за счет сегментирования и полярности пьезодатчиков. Направление является наиболее сложным в плане выделения и дальнейшей компенсации, так как это воздействие, совпадающее по направленности с воздействием вихрей. На рассматриваемых приборах компенсация основана на том, что центр приложения усилий от вихрей образования приходится на центр сечения трубопровода, а условный центр воздействия вибрации приходится на центр масс. Вследствие этого, эффекты от воздействия вибрации и полезного сигнала дают разные эпюры изгиба. Путем расположение двух пьезодатчиков по длине сенсора можно разделить полезную и паразитную составляющие путем линейного преобразования сигнала.

Дальнейшую обработку сигналов с пьезодатчиков можно представить следующим образом: с одной стороны сигналы с обоих пьезодатчиков попадают в сумматор, где происходит линейное преобразование и отсекается паразитная составляющая, с другой стороны, сигналы с каждого датчика также анализируются по отдельности и эта информация используется в центральном процессоре для анализа условий работы расходомера.

На приборах Yokogawa DY используются технология Digital Signal Processing - цифровая обработка сигнала.

По этой технологии сигнал с каждого пьезодатчика сразу же на входе оцифровывается и это с одной стороны позволяет исключить влияние температурных характеристик элементов электроники, с другой стороны позволяет применить всевозможные математические алгоритмы обработки сигнала Spectral Signal Processing - спектральная обработка сигнала.

Данная технология представляет собой усовершенствованные алгоритмы спектрального анализа, по которым анализируется входной сигнал и проводится спектральноизбирательное усиление с учетом условий технологического процесса. Система SSP включает в себя две подсистемы, первая из которых - адаптивное подавление шума (adaptive noise suppression - ANS) служит для обеспечения высокого соотношения сигнал/шум и минимизации эффектов механических шумов. Фактически эта составляющая служит для максимально четкого выделения полезного сигнала, что важно не только в условиях сильной вибрации, но и при измерении малых расходов, когда амплитуда полезного сигнала очень мала. Суть этой подсистемы заключается в том, что сигналы с пъезодатчиков подвергаются в суммирующем усилителе линейному преобразованию, благодаря которому шумовая составляющая сокращается. Поскольку противоположность фаз по особенному сегментированных и соответствующим образом ориентированных пъезодатчиков постоянны, этот механизм работает независимо от меняющихся условий вибрации и течения среды. Вторая составляющая технологии SSP представляет собой спектральный адаптивный фильтр (Spectral Adoptive Filter - SAF) - аналог Фурье-преобразования. Данный аппарат применяется для дополнительного анализа сигналов от каждого пьезодатчика и дальнейшего улучшения определения частоты вихреобразования.

Использование этих технологий позволяет существенно улучшить устойчивость расходомера к вибрации, а также сделало возможным измерение гораздо меньших скоростей.

Ранее существовало два распространенных метода определения массового и нормированного расхода сред:

- прямое измерение массового расхода с использованием принципа Кориолиса;

- измерение перепада давления, абсолютного давления и температуры при прохождении среды через сужающее устройство с последующим вычислением массового расхода.

Первый метод достаточно удобен в плане прямых измерений и отсутствия необходимости дополнительных вычислений, однако кориолисовые расходомеры чрезвычайно дороги по сравнению с другими расходомерами и достаточно капризны в плане установки с тем, чтобы обеспечивать заявленную точность.

Второй вариант очень интересен в экономическом плане по сравнению с первым, однако имеет целый ряд существенных недостатков и ограничений, к которым относятся малый динамический диапазон, большое количество соединений и сложность вычислений.

Предложенное компанией Йокогава решение на базе вихревого расходомера digitalYEWFLO, способный выполнять многопараметрические измерения получается выгодным сразу по многим позициям:

- если учитывать полную стоимость узла измерения, то получается самое экономичное решение;

- простота установки и дальнейшего обслуживания;

- высокий динамический диапазон измерений с высокой точностью измерений;

- низкое сопротивление потоку (перепад давления в 5 раз меньше, чем у диафрагмы).