Подбирая газовый расходомер для своего применения, следует определиться, объемный или массовый расход предстоит измерять. Разница состоит в том, что принимается за меру количества газа: его объем или масса. Как известно, одно и то же количество молекул газа (масса) в зависимости от температуры и давления может занимать различный объем. То есть, измеряя только объем газа, проходящий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени (объемный расход), нет возможности определить какая масса газа прошла по трубопроводу за это время (массовый расход). А при постоянном массовом расходе измерение объемного расхода будет давать различные результаты в зависимости от точки газовой системы, где происходит измерение: ближе к источнику подачи газа с высоким давлением или ближе к выходу системы, где давление снижается.
Существует целый ряд применений, где требуется точное измерение абсолютного количества поступающего газа. Сюда можно отнести коммерческий и технологический учет, химические процессы с необходимостью поддержания оптимального соотношения реагентов, процессы осаждения из газовой фазы, поддержание атмосферы в биореакторах, создание калибровочных смесей и т.д. Если расходомеры, измеряющие массовый расход, позволяют напрямую решать задачи в рамках этих применений, то измерители объемного расхода требуют дооснащения дополнительными датчиками температуры и давления, а также применения специализированных устройств по пересчету объемного расхода в массовый. И, как правило, точность измерителей массового расхода значительно выше, чем у объемных расходомеров.
Компания Bronkhorst High-Tech, Нидерланды уже более 40 лет развивает технологии измерения массового расхода газа тепловыми расходомерами. Компания предлагает две разновидности этих приборов:
- тепловые с разделением потока (измерительным байпасом);
В продуктовой линейке Bronkhorst High-Tech тепловые расходомеры с разделением потока представлены наиболее широко. Принцип действия приборов основан на том, что проходящий газ охлаждает нагретый элемент, помещенный в газовый поток. В расходомерах этого типа только малая доля потока направляется в измерительную ячейку. Бóльшая часть газа проходит через специальное устройство – пропорциональный делитель, установленный в основном канале. Приборы этого типа перекрывают диапазон расходов от 0,014 н.мл/мин до 11 000 н.м3/ч, могут работать при давлениях от 0,8 бар (абс) до 700 бар (абс). Здесь и далее в качестве единиц массового расхода газа используются объемные единицы (мл/мин, л/мин, м3/ч) с указанием условий, что позволяет зафиксировать плотность газа. Символ «н» перед объемной единицей обозначает «нормальные» условия: температуру газа 0°С и давление 101,325 кПа (абс). При необходимости перейти от расхода в [н.л/мин] к расходу, выраженному в [г/мин], достаточно умножить значение в [н.л/мин] на плотность газа при «нормальных» условиях, выраженную в [г/л].
Наиболее совершенными с технической и метрологической точки зрения расходомерами с разделением потока являются приборы серии EL-FLOW Prestige Pressure Insensitive. Эти приборы измеряют массовый расход газа с точностью 0,5% от показаний. При этом показания EL-FLOW Prestige Pressure Insensitive не зависят от температуры и давления измеряемого газа. Приборы работают с расходами от 0,014 н.мл/мин до 20 н.л/мин при давлениях до 100 бар (абс).
Важная особенность всех расходомеров Bronkhorst и, в частности, EL-FLOW Prestige Pressure Insensitive состоит в том, что они могут не только измерять, но и регулировать расход. Приборы имеют встроенный PID-регулятор и могут комплектоваться регулирующими клапанами. Конечному пользователю достаточно подать сигнал уставки на вход прибора. Микропроцессор расходомера сам подберет управляющий сигнал для регулирующего клапана, чтобы заданный и измеренный расходы максимально совпадали. Линейка клапанов Bronkhorst® перекрывает диапазон расходов от 0,014 н.мл/мин до 500 н.м3/ч и позволяет работать при различных соотношениях входного и выходного давления: малые перепады давления (от 50 мбар), высокие перепады давления (до 400 бар), высокие абсолютные значения давления (до 700 бар).
Один и тот же расходомер EL-FLOW Prestige Pressure Insensitive может использоваться для работы со 100 различными газами. Важно учесть, что новый газ не должен вызывать деформации или повреждения уплотнений внутри прибора. Проконсультируйтесь с поставщиком. Для начала работы с новым газом достаточно выполнить одну настройку расходомера: выбрать нужный газ из списка записанных в память прибора. Если предстоит работать со смесью газов, то прибор позволяет составлять смеси из записанных газов с указанием их долей, максимальное количество компонентов смеси – пять.
Переключение между рабочими газами, подача сигнала уставки, настройка расходомеров Bronkhorst (управление счетчиком, установка различных режимов сигнализатора) – всё это возможно осуществлять через цифровой интерфейс. В базовой комплектации все приборы имеют интерфейс RS-232 с протоколом FLOW-BUS. Управление прибором можно осуществлять от ПК через бесплатный программный пакет FlowSuite, либо с помощью локальной системы индикации и управления Bright (также использует RS-232). В ситуации, когда используются сразу несколько расходомеров, компания Bronkhorst High-Tech предлагает осуществлять управление приборами, объединив их в промышленную сеть. Для этого приборы оснащаются дополнительным коммуникационным модулем. В настоящий момент расходомеры Bronkhorst® могут подключаться к сетям FLOW-BUS, Modbus RTU/ASCII или TCP, PROFIBUS DP, PROFINET, DeviceNet™, CANopen®, EtherCAT®, EtherNet/IP™ и POWERLINK. Список поддерживаемых сетей постоянно обновляется. Работой приборов также можно управляться по аналоговому интерфейсу, используя унифицированные сигналы 0…5 (10) В или 0 (4)…20 мА.
Компания Bronkhorst High-Tech предлагает высокоточные многофункциональные расходомеры для измерения и регулирования малых расходов газа. При этом компания может предложить расходомеры и на большие расходы. Лабораторные приборы EL-FLOW Select и промышленные IN-FLOW (защита корпуса IP40 и IP65 соответственно) предназначены для измерения и регулирования расходов до 500 н.м3/ч при давлениях до 100 бар (абс). Эти приборы также имеют точность 0,5% от измеренного значения при эксплуатации в условиях, совпадающих с условиями калибровки, записанной в расходомер. При значительном изменении рабочих температуры и давления у этих приборов может возникать дополнительная погрешность (не более единиц процентов), связанная с изменением тепловых свойств самого газа. Если в расходомерах серии EL-FLOW Prestige Pressure Insensitive реализована автоматическая коррекция мгновенного расхода самим прибором, то для EL-FLOW Select и IN-FLOW показания необходимо пересчитывать. Для удобства работы при различных условиях (газ, температура, давление) внутрь расходомеров EL-FLOW Select и IN-FLOW могут быть записаны до 8 различных калибровок. Выбрав калибровку, соответствующую новым условиях эксплуатации, отпадает необходимость в пересчете показаний. С другой стороны, показания расходомеров можно легко пересчитать на реальные рабочие условия с помощью он-лайн утилиты производителя FLUIDAT on the NET (www.fluidat.com).
Специалистами компании Bronkhorst High-Tech разработано несколько специальных модификаций тепловые расходомеров с разделением потока. Например, приборы серии IN-FLOW High Flow позволяют измерять еще бóльшие расходы вплоть до 11 000 н.м3/ч. Для систем с высокими рабочими давлениями предлагаются расходомеры EL-FLOW High Pressure и IN-FLOW High Pressure. Они позволяют измерять расходы до 500 н.м3/ч при давлениях до 700 бар (абс). Регуляторы расхода на высокие давления позволяют работать с расходами до 100 н.л/мин. Другое специфическое применение – работа при малых допустимых перепадах давления (порядка 10 мбар). В этом случае с успехом используются расходомеры LOW-ΔP-FLOW, они могут измерять и регулировать расход вплоть до 200 н.л/мин. Расходомеры с металлическими уплотнениями EL-FLOW Metal Sealed, предназначенные для работы со сверхчистыми газами, работают в диапазоне от 0,12 н.мл/мин до 50 н.л/мин. Специально для ОЕМ-производителей предлагаются компактные расходомеры (высота 6 см) серии IQ+FLOW, измеряющие и регулирующие расход от 0,2 н.мл/мин до 5 н.л/мин. Сравнительная таблица расходомеров Bronkhorst® различных серий приведена ниже.
Термоанемометрические расходомеры серии MASS-STREAM – второй тип измерителей и регуляторов массового расхода газа Bronkhorst®. В этих приборах измерение расхода осуществляется в основном канале, их отличает простота конструкции и минимальные перепады давления. В отличие от тепловых расходомеров с разделением потока, приборы MASS-STREAM способны работать с загрязненными или влажными газами. Вот почему они находят широкое применение в металлургии, химической и пищевой промышленности и даже в рыбном хозяйстве.
Расходомеры MASS-STREAM™ измеряют и регулируют расходы от 10 н.мл/мин до 600 н.м3/ч. Хотя принцип их действия также основан на эффекте переноса тепла потоком газа, точность приборов MASS-STREAM™ ниже и составляет 1% от измеренного значения + 0,5% от верхнего предела измерений (ВПИ). В случае, если условия эксплуатации не совпадают с условиями записанной в прибор калибровки, возникает необходимость пересчета показаний.
Приборы выпускаются в промышленном исполнении с защитой корпуса IP65. При этом они могут комплектоваться многофункциональной системой индикации и управления. Она позволяет прямо по месту эксплуатации настроить режимы работы прибора, снять показания, провести диагностику. Все те же операции можно проводить параллельно по цифровым интерфейсам RS-232, CANopen®, DeviceNet™, PROFIBUS DP, PROFINET, Modbus RTU или FLOW-BUS.
Важным преимуществом термоанемометрических расходомеров является цена. Это наиболее бюджетная продукция среди других тепловых массовых расходомеров. Возможность выбрать вариант исполнения корпуса из нержавеющей стали или алюминия позволяет дополнительно оптимизировать цену прибора.
Электронные «ротаметры» газа серии MASS-VIEW по сути также являются термоанемометрическими расходомерами. Эти приборы специально выполнены в форм-факторе поплавковых ротаметров, что позволяет легко заменять последние на приборы MASS-VIEW. Вся линейка электронных «ротаметров» перекрывает диапазон расходов от 0,01 до 500 н.л/мин. Точность измерения массового расхода составляет порядка 1,5% ВПИ (см. сравнительную таблицу), приборы обладают широким динамическим диапазоном (вплоть до 1:500).
Показания ротаметров MASS-VIEW не зависят от угла установки прибора, в то время как поплавковые ротаметры должны устанавливаться строго вертикально. В приборы записывается 10 калибровок для наиболее популярных газов. Яркий графический дисплей, отлично читаемый с любого угла обзора, отображает выбранный газ и текущий расход в виде числового значения и гистограммы. С помощью встроенного джойстика можно легко управлять ротаметром. Регулирование расхода газа осуществляется с помощью дополнительно устанавливаемого игольчатого клапана, обеспечивающего плавное и точное задание расхода.
Сравнительная таблица тепловых расходомеров Bronkhorst
Тепловые расходомеры Bronkhorst® внесены в Госреестр СИ РФ. Метрологическая служба компании ООО «Сигм плюс инжиниринг», являющейся эксклюзивным дистрибьютором Bronkhorst High-Tech в России, аттестована на проведение работ по первичной и периодической поверке этих приборов.