Get Adobe Flash player

Расходомеры SMC

При автоматизации многих производственных процессов возникает задача измерения расходагазов и жидкостей. Приборы для измерения расхода – расходомеры – применяются не только как датчики обратной связи в системах автоматического управления, но и являются важным инструментом учета потребления воздуха при внедрении энергосберегающих технологий.

Расход газа или жидкости определяется как произведение плотности среды, скорости ее движенияи проходного сечения канала. Н одаже если эти параметры известны, достоверный расчет расхода требует учесть распределения скорости и температуры по ширине сечения, что в свою очередь зависит от вязкости и теплопроводности среды, формы канала, температуры стенки и других факторов, т.е. непосредственное измерение расхода весьма затруднено. На практике для его определения измеряют какой-либо параметр среды, изменения которого связаны с изменением расхода.

Разнообразие таких параметров влечет за собой и разнообразие методов измерения расхода.

Из них наиболее широко применяются в промышленности: метод переменного перепада давлений (диафрагменные расходомеры), метод постоянного перепада давлений (ротаметры), тахометрический метод (турбинные расходомеры), гидродинамический частотный метод (вихревые расходомеры), термоанемометрический метод (датчики массового расхода газа) и др. Методы эти известны уже давно и признаны классическими, но измерительные приборы продолжают развиваться и совершенствоваться.

Развитие современных технологий позволило не только усовершенствовать конструктивное исполнение классических расходомеров, но и разработать новые принципы измерения расхода. Так, новый тип расходомера для газов появился благодаря применению MEMS*-технологий. Тем, кто видит MEMS-расходомер впервые, его принцип действия вряд ли покажется очевидным. Во внутреннем канале прибора нет ничего напоминающего о каком-либо известном методе измерения расхода, а вместе с тем действие прибора основано на хорошо известных физических процессах. В стенку канала встроен миниатюрный чип, микроскопический измерительный блок MEMS-расходомера содержит нагреватель Rh и два датчика температуры. Один из датчиков (Ru) расположен выше нагревателя по потоку, а второй (Rd) – ниже. Температура входящего воздуха измеряется датчиком Ra. При неподвижном воздухе температурное поле вокруг нагревателя симметрично, и датчики Ru и Rd показывают одинаковые температуры. Когда газ течет, температурное поле деформируется, и появляется разность температур между датчиками Ru и Rd. Разность температур зависит от скорости течения воздуха и позволяет определить и направление потокаи расход воздуха. Датчик Ra предназначен для компенсации влияния температуры воздуха.


MEMS-расходомер SMC серии PFM7 (рис. 5) позволяет в зависимости от типоразмера измерять расход воздухав диапазонах 0,2–10; 0,5–25; 1–50; 2–100 нормальных л/мин с точностью ±3% от полного диапазона. Таким образом, данная серия приборов предназначена для измерения малых расходов (рис. 6). В ближайшем будущем область применения этогот ипа приборов распространится на средний диапазон расходов (до 500–1000 л/мин). Кроме того, MEMS-технологии делают возможным создание промышленных расходомеров для сверхмалых расходов (до 3 л/мин).

Как и их термоанемометрические аналоги, MEMS-расходомеры могут измерять как мгновенный, так и накопленный расход, снабжены аналоговыми и дискретными выходами. Индикатор в данном случае – двух-цветный, есть функции автонастройки дискретных выходов и дистанционного обнуления счетчика. Важным отличием является возможность работы не только с воздухом, но и с азотом, аргоном и углекислым газом. Варианты исполнений предусматривают встроенный пневмодроссель, а также присоединительные отверстия, обращенные вниз, перпендикулярно оси потока (рис. 7). То есть MEMS-расходомер в таком исполнении не требует прямого протяженного отрезка трубопровода, а это существенно сокращает протяженность измерительного участка.


У серии PF2A есть некоторое преимущество в точности измерений, а требования к очистке сжатого воздуха не так высоки. Поэтому, несмотря на частичное пересечение рабочих диапазонов, расходомеры серии PFM7 не столько вытесняют, сколько дополняют серию PF2A, открывая ряд новых возможностей.

 

Компания SMC, разрабатывающая оборудование для промышленной автоматизации, предлагает два традиционных типа расходомеров –серии PF2W (для воды) и PF2A (для воздуха)

Расходомер PF2W (рис. 1) относится к вихревому типу. Его действие основано на свойствах вихревой дорожки – Кармана, возникающеей в потоке вязкой жидкости за препятствием (рис. 2). В широком диапазоне чисел Рейнольдса расстояние между вихрями является постоянной величиной, зависящей только от размеров препятствия.

В расходомере измеряется частота срыва вихрей, что позволяет рассчитать скорость потока и соответственно расход. Четыре типоразмера расходомера PF2W позволяют измерять расход воды в диапазонах 0,5–4; 2–16; 5–40 и 10–100 л/мин.

Как прибор, предназначенный для современных систем управления, расходомер PF2W снабжен аналоговым выходом (1–5 В или4–20 мА), одним или двумя дискретными (PNP или NPN) и импульсным (для измерения накопленного расхода) выходами. Дискретные выходы могут быть настроены как на режим гистерезиса, так и на режим “окна”.

Световой индикатор (встроенный или дистанционный), в зависимости от настройки, отбражает либо мгновенный, либо накопленный расход. Для удобства считывания показаний индикатор может поворачиваться на угол до 270 град. Степень защиты прибора IP65.


Расходомер PF2A (рис. 3) предназначен для измерения расхода воздуха и относится к термоанемометрическому типу. В основеего действия – зависимость конвективного теплового потока отскорости движения среды. Измерение скорости движения воздуха и соответственно расхода производится по интенсивности охлаждения нагретого электрическим током проводника, помещенного в воздушный поток. Типоразмеры этой серии соответствуют ряду диапазонов измерения расхода воздуха (1–10; 5–50; 10–100;20–200; 50–500; 150–3000; 300–6000 и 600–12000 нормальныхл/мин). Точность измерения составляет, в зависимости от типоразмера, 1 или 2%. Как и PF2W, этот расходомер снабжен аналоговыми дискретными выходами, встроенным или дистанционным индикатором. Прибор может работать в режиме расходомера (мгновенный расход) и в режиме счетчика (накопленный расход).

 

*

MEMS-технология (Micro-Electro-Mechanical-System) позволяет формировать на поверхности кремниевой подложки микроэлектромеханические структуры различного функционального назначения. Первые упоминания о процессах, положенных в основу MEMS-устройств, относятся к середине прошлого века. По-настоящему бурное развитие этих технологий началось в конце 90-х. Сейчас MEMS-устройства успешно применяются в СВЧ-связи, проекционной технике, медицине и даже сельском хозяйстве. Некоторые MEMS-устройства прочно вошли и в нашу повседневную жизнь.

К ним относятся, например, печатающие головки струйных принтеров, а также MEMS-акселерометры в системах активации подушек безопасности автомобилей.

Скачать статью в формате pdf.