Принцип действия и применение калориметрических датчиков потока EGE-Elektronik

Подробное описание конструкции и принципа действия, рекомендации по применению и способам монтажа, калориметрических датчиков потока производства компании EGE-Elektronik.

Контроль в охлаждающих системах

• Параметры потока охлаждающей воды в сварочных установках контролируются при помощи компактных приборов, чувствительные элементы которых изготовлены из нержавеющей стали. При этом необходимое охлаждение обеспечивается даже при высоком темпе сварочных операций. При отказе системы охлаждения сварочный робот автоматически отключается.
• Для защиты металлорежущих инструментов и продления срока их службы, в металлообрабатывающих центрах непрерывно контролируется поток хладагентов.
• Валки прокатных станов и ролики в волочильных машинах должны постоянно охлаждаться. Этот процесс также контролируется термодинамическими датчиками, которые могут применяться и при экстремальных — до + 160ºC — температурах окружающей среды. При этом регулирование требуемых параметров обеспечивается дистанционно специальными, установленными в нормальных условиях эксплуатации приборами.

Контроль транспортировки жидких сред

• Защита от работы всухую различных насосов является широко распространенным видом применения компактрых датчиков с встроенными функциями задержки времени выключения.
• В дозирующей технике большое значение имеет контороль потока дозируемых материалов. Прохождение даже самых малых доз может быть воспринято при помощи проточных датчиков. При этом датчики встраиваются непосредственно в трубопровод как часть его участка.
• Засорение различного рода фильтрующих и просеивающих установок также может осуществляться при помощи контроля протока. При достижении характеристиками потока граничных значений выдается сигнал на замену фильтрующего материала. Если замены не происходит, то, во избежание работы всухую, отключается насос в следующей стадии процесса. Для решения этой задачи применяются датчики с двумя точками срабатывания

Контроль протекания процессов

• Контроль хода процессов различного рода очистки или промывки, в том числе с применением агрессивных сред, может быть обеспечен датчиками, изготовленными из таких специальных материалов как сплав Хастеллой или тантал.
• Работа устройств вытяжки опасных для здоровья человека паров с рабочих мест в лабораториях, а также систем вентиляции помещений в проиводствах, перерабатывающих гексан, контролируется при помощи датчиков потока воздуха.
• Также при помощи датчиков потока могут контролироваться и документироваться процессы очистки и стерилизации оборудования по месту.

Конструкция, монтаж датчиков и материалы для их изготовления

Особенности конструкции

На острие штифта датчика находится температурнозависимый измерительный элемент. Измерительное острие и крепежная часть с нарезанной на ней резьбой являются одним целым и у многих датчиков изготовлены из нержавеющей стали. Этим достигается абсолютная герметичность и высокая стойкость по отношению к избыточному давлению. Для вызывающих коррозию, особенно окисляющих, измеряемых сред применяются особые материалы, поскольку нержавеющая сталь по отношению к ним стойкой является лишь условно.
При стандартном использовании, способ монтажа датчиков может не зависеть от направления движения измеряемой среды.
Принципиально важно следить за тем, чтобы штифт датчика в каждом случае был погружен в нее полностью. Необходимо учитывать, что острие датчика уменьшает сечение трубы, в которой он устанавливается. При небольших диаметрах это вызывает увеличение скорости протока. Во избежание нарушений в работе датчика, возникающих за счет нестабильности динамических характеристик потока, не допускается установка непосредственно, ближе чем на расстоянии 4…8 диаметров трубы, перед или после датчика каких-либо устройств, влияющих на их качество.
Измерительные датчики исполнений STK… с короткой резьбой предназначены для монтажа только на тройниках. Их монтажная длина определена таким образом, чтобы острие датчика было полностью окружено средой измерения, касаясь при этом противоположной стенки трубопровода. Измерительные датчики исполнений ST… с длинной резьбой предназначены для труб большого диаметра или для присоединения через длинные резьбовые штуцеры. Все стандартные резьбы измерительных датчиков являются циллиндрическими трубными резьбами типа G в соответствии с международным стандартом DIN ISO 228 и соответствуют нормам BSP (British standard pipe thread).

Способы установки погружных датчиков

Встраивание в вертикальный трубопровод

По этому способу измерители потока монтируются в открытых системах с возможными воздушными включениями.

Встраивание в горизонтальный трубопровод

При боковом монтаже ни воздушные подушки, ни осадок не вызывают погрешностей измерения в том случае, если датчик полностью погружен в измеряемую среду.

Встраивание снизу (горизонтальный трубопровод)

Встраивание снизу также гарантирует выполнение функции измерения даже, если в трубе находится воздух. Тем не менее, уровень измеряемой среды не должен находиться ниже верхней кромки чувствительного элемента датчика. Встраивание сверху возможно только в том случае, если трубопровод полностью заполнен, а газовые или воздушные включения отсутствуют.

Уплотнение

Для уплотнения могут применяться плоские прокладки, фторопластовые уплотнительные ленты или жидкие уплотнительные материалы. При давлениях свыше 30 бар или при высоком крутящем моменте затягивания плоские неметаллические прокладки могут быть повреждены. В таких случаях в стенке трубопровода необходимо выполнить выемку, предотвращающую перекос прокладки под воздействием высокой нагрузки. Для фторопластовых прокладок такая технология рекомендуется во всех случаях. Для высоких давлений применяются металлические прокладки. К каждому измерительному датчику прилагается прокладка из материала AFM 34. Прокладки специального назначения из других материалов, таких, например, как медь или фторопласт, поставляются по отдельному запросу.

Подключение к процессу

В качестве альтернативы циллиндрической трубной резьбе типа G при изготовлении измерителей потока всех типов конструкций может применяться коническая резьба NPT. Существует два типа такой резьбы. Резьба NPT соответствует международному стандарту ANSI B 1.20.1, не является самоуплотняющейся и требует применения такого уплотнительного материала как, например, фторопластовая лента PTFE. Применение с резьбой такого типа плоских прокладок не допускается. Резьба NPTF соответствует международному стандарту ANSI B 1.20.3, является самоуплотняющейся и не требует применения дополнительных уплотнителей. Применяя резьбу такого типа, необходимо учитывать, чтобы материалы, из который изготовлены датчик и та деталь трубопровода, в которую он вкручивается, совпадали по твердости. Это предотвращает разрушение резьб. Без специального запроса на датчик нарезается резьба типа NPT без самоуплотнения.

Фланцевые подключения

Специфика таких отраслей как химия, фармацевтика и пищевая промышленность требует применения стандартизированных трубных соединений. Измерители потока для этих отраслей поставляются с ответными фланцами в соответствии с требованиями стандартов DIN или ASME. Фланец приваривается к датчику с использованием таких коррозионно устойчивых способов как лазерная или аргонная сварка.

Типичные подключения в пищевой промышленности

Применение измерителей потока в пищевой и фармацевтической промышленности из соображений гигиены предъявляет особые требования к их как механическим, так и электронным компонентам. Датчики с присоединением типа «Triclamp» соответствуют требованиям раздела 3-A санитарного стандарта 28-03. Выполняемые периодически процессы мойки и дезинфекции технологического оборудования, в силу температурных перепадов, накладывают дополнительную нагрузку на электронные элементы датчиков, что требует осуществления дополнительных мер по их защите. Материалами, из которых изготавливаются датчики для этих отраслей являются, в основном, нержавеющие стали типов 1.4404 и 1.4435. По требованию потребителя могут поставляться и такие соединительные элементы как, например, клапаны Varivent фирмы GEA или фланцы типа APV.

Подключения датчиков удлиненного исполнения

Датчики потока поставляются с длиной ввинчиваемой части от 25 до 300 мм. Для применения во взрывоопасных зонах, начиная с длины 110 мм, они состоят из двух частей, соединенных друг с другом коррозионно устойчивой лазерной сваркой. Длина измерителя потока должна быть выбрана таким образом, чтобы острие штыря находилось в зоне с устойчивыми динамическими характеристиками потока жидкости.

Удлиненные конструкции датчиков необходимы в следующих случаях:

• при измерении характеристик потоков малой скорости в трубах большого диаметра;
• при монтаже датчиков с использованием стандартных резьбовых фланцев;
• при монтаже датчиков с использованием удлиненных приваренных муфт для трубопроводов с изоляционным покрытием.

Переменное значение L определяется от острия штыря и включает в себя толщину прокладки. Стандартными для датчиков обычного исполнения являются длины 80 и 120 мм, для взрывобезопасного — 80, 110, 140 мм.

Подключения проточных датчиков (inline)

Проточные датчики встраиваются непосредственно в линию трубопровода. Эта конструкция не содержит никаких погружаемых в поток измерительных щупов. Проточные датчики производства фирмы EGE-Електроник серии 500 предназначены для измерения расхода жидкости в пределах от 0,5 мл/мин до 6 л/мин. Датчики этого типа отличаются гладкой измерительной трубой, малой потерей давления в потоке и быстрой реакцией на изменение его характеристик. Потребителю предоставляется большой выбор различных вариантов для подключения их к процессу.

Материалы, используемые для изготовления датчиков

Химическая стойкость корпусов измерительных датчиков

Химическая стойкость применяемых материалов должна проверяться в каждом конкретном случае. Не возникнет никаких проблем, если датчик и трубопровод, на котором он устанавливается, изготовлены из одного материала. Еще практичней изготавливать датчик из более устойчивого материала.
Кабельные розетки для датчиков ST… изготавливаются из никелированной латуни. Для применений, в которых используются сильно щелочные моющие средства, при изготовлении кабельных розеток предпочтительней применять поливинилиденфторид (PVDF).

Нержавеющие стали принадлежат к группе хром-никелевых сплавов с такими дополнительными легирующими добавками как, например, молибден или титан. Сочетание различных легирующих добавок определяет коррозионную устойчивость материала в окружающей среде. Поэтому, нержавеющие стали содержат большое количество легирующих компонентов, содержание которых обозначается в их марке в соответствии с международным стандартом DIN EN ISO 7153-1. Нержавеющая сталь 1.4571(VA4), благодаря ее коррозионной стойкости, применяется во многих отраслях. Она используется в водоснабжении, климатических установках, переработке мяса и рыбы, производстве напитков, виноделии и кулинарии. В то же время, к хлорсодержащим или бедным кислородом средам нержавеющие стали устойчивы только условно. Здесь требуется применение особых сплавов.

Специальные материалы

Хастеллой B2 (2.4617) принадлежит к группе высоко коррозионностойких никель-молибденовых сплавов. Этот материал характеризуется высокой стойкостью в средах с малым содержанием кислорода, таких, например, как соляная кислота в полном диапазоне концентраций и широком температурном диапазоне. Он применим также для хлористого водорода, серной, уксусной и фторной кислот. Хорошая устойчивость к воздействию точечной и щелевой коррозии, коррозионному растрескиванию, вызванному хлоридными соединениями, коррозии от различного рода царапин и расслоения, температурной коррозии расширяет сферу его применения. Не рекомендуется его применение в средах, содержащих соли на основе железа и меди.

Хастеллой C-22 (2.4602) принадлежит к группе высоко коррозионностойких никель-хром-молибден-вольфрамовых сплавов. Этот материал характеризуется высокой стойкостью к воздействию точечной и щелевой коррозии, коррозионному растрескиванию в кислых и обедненных кислородом средах. Материал проявляет хорошую устойчивость к большому количеству агрессивных сред, включая такие окислители как хлориды железа и меди, горячие среды, серная, азотная, фосфорная, уксусная и муравьиная кислоты, сухой хлор. Кроме того, он хорошо устойчив к влажному хлорному газу, гипохлориду натрия и диоксиду хлора.

Титан (3.7035) является легким металлом, прочность которого не уступает прочности самых лучших конструкционных сталей. Химическая сопротивляемость этого металла обеспечивается образованием стойкой оксидной пленки на его поверхности, как это происходит и с нержавеющими сталями. В случае механического повреждения этого слоя, он, под воздействием кислорода образуется снова. Титан устойчив даже по отношению к «царской водке». В совсем не содержащей кислорода или слабокислой среде титан нестабилен. Особенно хорошо титан проявляет свои свойства в средах, содержащих хлориды. Опыт применения титана в химической и бумажной промышленности показывает, что он является единственным материалом, гарантирующим безотказное производство. Исключительные свойства титана дают, также, оптимальные результаты при его использавании в системах охлаждения морской воды и опреснительных установках. Материал наряду с другими металлами и металлокерамическими материалами входит в состав футеровки B3, которая повышает химическую стойкость и, вместе с тем, срок службы корпусов датчиков.

Химическая устойчивость футеровки B3*
Среда/стойкость

Cl_{2 /} +++
HCl (25%) / +++
Br₂ / +++
HBr (20%) / +++
F₂ / +
HF (15%) / +
HA** / +++
NaOH / ++
Соленая вода*** / +++
Слабокислые среды / ++
HNO₃ (30%) / ++
H₂SO₄ (25%) / +++

Примечания:

* — Покрытие является твердым, износостойким и устойчивым по отношению к таким абразивам как, например, мел, тина, песок или стекловата. Устойчивость покрытия относительно указанных в таблице материалов достоверна при температуре до 30 ºC.

** — Устойчивость по отношению к уксусной кислоте действительна для полного диапазона концентраций.

*** — Устойчивость по отношению к соленой воде проверена посредством климатического теста(тест Кестерниха).

Устойчивость к высоким температурам

Высокотемпературные датчики потока изготавливаются из материалов, устойчивых к воздействию температуры и устанавливаются на трубопроводах с теплоизоляцией из фторополимеров. Температурный диапазон работы специальных датчиков серии 400 находится в пределах от + 10 до + 120 ºC. При этом допускается кратковременное, не более 10 мин, повышение температуры до 135º C. Высокотемпературные датчики потока серии 500 могут использоваться при температурах до 160 ºC.

Датчики взрывобезопасного исполнения

Датчики, подлежащие использованию во взрывоопасных по наличию газа и пыли зонах проходят аттестацию на соответствие европейским требованиям по эксплуатации оборудования в потенциально взрывоопасных средах ATEX 100a/ATEX95 и применяются в комплекте с соответствующими вторичными приборами серий SZA, SEA или SS400 из номенклатуры EGE. В зависимости от категории допуска, эксплуатация датчиков разрешается в соответствующих зонах: 0,1 или 2 для газа; 20, 21 или 22 — для запыленных сред. В качестве стандартного материала для изготовления взрывобезопасных датчиков потока используется нержавеющая сталь 1.4571. По специальному запросу могут быть, также, использованы другие нержавеющие стали и сплавы, в том числе Хастеллой, Монель и некоторые виды бронз. При выборе материала для изготовления принимается во внимание его устойчивость к коррозии.

Электрическое подключение

Датчики поставляются либо с четырехполюсным штекерным разъемом M12, либо с жестко закрепленным и выведенным наружу отрезком четырехжильного кабеля. Длина кабеля, соединяющего датчик со вторичным прибором не должна превышать 100 м. При удалении датчика от прибора на расстояние свыше 30 м и в зонах с высоким уровнем различного рода помех должен применяться экранированный кабель. В каждом случае необходимо следить за тем, чтобы выбранное сечение жил кабеля соответствовало условиям применения.

Вторичные приборы и компактные датчики

Вторичные приборы

Приборы серий SKZ…/ SKM… предназначены для установки на несущей шине. Они обрабатывают сигналы, поступающие с датчиков и формируют выходные аналоговые и релейные сигналы. Настройка приборов осуществляется при помощи расположенных на лицевой панели двух потенциометров или, в приборе SRM 522, соответствующих клавиш. Многоцветная светодиодная полоска индицирует состояние потока измеряемой среды. Приборы серии SKZ дополнительно обеспечивают задержку срабатывания управляющих выходных каналов и контроль температуры. При монтаже приборов необходимо учитывать, что они не должны подвергаться нагреву. Расстояние между двумя рядом установленными приборами должно быть не менее 10 мм.

Ex — приборы

Приборы серий SEA…/ SZA… предназначены для обработки сигналов взрывобезопасных датчиков. Они включают датчик в индивидуально изолированный электрический контур, который гальванически развязан от электрических цепей питания, а также вывода аналоговых и релейных сигналов. Все приборы исполнения Ex без учета дополнительных мер защиты для взрывоопасных зон должны иметь класс защиты не ниже IP 20 в соответствии со стандартом EN 60529. Дополнительное оборудование таких приборов предусматривает либо установку разделительной перегородки между изолированными и неизолированными подключениями так, чтобы расстояние между ними составляло не менее 50 мм, либо заделку каждого контактного соединения в специальную не сползающий термоусадочный кембрик. В качестве альтернативного варианта допускается применение обжимной технологии.

LED — строки (светодиодные линейки)

Все приборы снабжены многоцветной светодиодной линейкой, которая визуально отображает изменения характеристик потока. Свечение красного светодиода говорит о том, что значение скорости потока не достигает установленного значения и выходной сигнал отсутствует. Желтый светодиод сигнализирует о достижении скоростью потока заданного значения и включении выходного сигнала. Четыре зеленых светодиода могут, в дополнение к желтому, отражать относительный размер превышения скоростью потока заданного значения.

Компактные датчики

Компактные датчики совмещают в одном корпусе функции измерительного датчика и вторичного прибора, что обеспечивает возможность выставления заданных значений непосредственно по месту измерения. С тем, чтобы сократить влияние различного рода помех на результаты измерения и выходные управляющие сигналы, длина кабеля для дистанционной передачи сигнала ограничена.

Датчики модификаций SN…/ LN…

Приборы серии SC 440 скомпонованы в изготовленном из нержавеющей стали корпусе. Срок их службы в промышленных условиях составляет не менее 20 лет. Они отличаются компактностью, надежностью и поставляются в двух вариантах исполнения: ввинчиваемое и штекерное. Компактные приборы серий SN 450 / LN 450 предлагаются в корпусе из искусственного материала. Их исполнение варьируется в зависимости от таких электрических характеристик как питание (постоянным или переменным током) и тип выходных сигналов (PNP- выход, релейный выход, аналоговый выход). Существуют, также, специальные исполнения, обеспечивающие контроль граничных значений температуры или задержку времени срабатывания управляющих каналов.

Проточные компактные датчики серии SDN/SDNC

Проточные (inline) компактные датчики серии SDN

Датчики серии SDN 500… встраиваются «в линию», непосредственно в трубопровод. Их измерительная труба является внутри гладкой и не имеет никаких выступающих в поток частей. Они отличаются коротким временем реакции и широким диапазоном измерения. Благодаря небольшим размерам они могут устанавливаться в местах с ограниченным монтажным пространством. Датчики этой серии оснащаются PNP-выходами, а также релейными и аналоговыми выходами. Они распознают даже пульсирующие малые потоки.

Проточные компактные датчики серии SDNC

Приборы серии SDNC 503 отличаются малогабаритной кубической формой, широким диапазоном измерения и устанавливаются при помощи ввинчиваемого адаптера, формирующего эффективный для измерения расхода профиль потока. Приборы этой серии поставляются полностью готовыми к монтажу, используются для измерения расхода воды и водных растворов и имеют удобный для учета расхода импульсный выход.

Параметры для выбора датчиков потока

Диапазон обнаружения

Диапазон обнаружения определяет значения скоростей потока, для которых датчик может сформировать поддающийся оценке сигнал. Если при заказе не указывается среда измерения, все характеристики датчика указываются в расчете на водную среду. Поскольку различные среды имеют различную теплопроводность, для них отличаются, также, и диапазон обнаружения и температурный дрейф. При этом значения температурного дрейфа принимают более высокие значения на нижних и верхних границах диапазона обнаружения. Диапазон обнаружения не ограничивает максимальную скорость потока, для измерения которой разрешается применять датчик. Так, например, датчик с верхним пределом обнаружения 3 м/c может быть установлен в потоке со скоростью 10 м/c.

Рабочий диапазон

Рабочий диапазон обозначает часть диапазона обнаружения, в которой устанавливаются характеристики потока для датчика или, иными словами, определяет его шкалу измерения. В других секторах диапазона обнаружения эти характеристики могут оказаться недостоверными и выходные сигналы датчика не будут соответствовать скорости потока.

Максимальный расход

Все технические характеристики каждого датчика определяются относительно номинального максимального расхода, который он может достоверно измерить. Это необходимо, поскольку выходная характеристика датчика является нелинейной. Следовательно, соответствие значения сигнала, формируемого датчиком определенной скорости потока устанавливается по его расположению на рабочей кривой линии. Как правило, номинальные значения скорости потока располагаются в линейной части графика, описываемого с помощью функции натурального логарифма. Для этой рабочей точки и определяются соответствующие значения времени включения, выключения, готовности а также гистерезис и температурный градиент.

Напряжение питания

Напряжение питания должно соответствовать диапазону напряжений, в котором датчики функционируют надежно. При питании датчиков напряжением постоянного тока необходимо учитывать, что границы диапазона устанавливаются с учетом остаточной пульсации.

Потребляемый ток

Потребляемый ток — это максимальное значение тока, потребляемое датчиком без внешней нагрузки.

Коммутируемый ток

Коммутируемый ток — это максимальное значение тока, которое могут коммутировать выходные каналы датчика в течение длительного времени. Для PNP-выходов это значение действительно при температуре окружающей среды не выше 25º С. Повышение температуры снижает максимальное значение тока. Для приборов с релейными выходами это значение зависит от категории использования (AC-12 или DC-12) в соответствии со стандартом EN 60947-5-1.

Коммутируемое напряжение

Коммутируемое напряжение — это максимальное напряжение, включая остаточную пульсацию, которое могут коммутировать релейные выходы.

Коммутируемая мощность

Коммутируемая мощность — это максимальная мощность которую могут коммутировать релейные выходы.

Температура окружающей среды

Этот параметр устанавливает минимально и максимально допустимое для эксплуатации датчика значение температуры окружающей среды.

Температура измеряемой среды

Этот параметр устанавливает минимально и максимально допустимое для эксплуатации датчика значение температуры измеряемой среды.

Температурный градиент

Этот параметр устанавливает максимальное, не влияющее на работу датчика, значение изменения температуры среды в единицу времени. Изменения температуры со скоростью, превышающей это значение могут привести к сбоям в его работе.

Время готовности

Это время после подачи питания, необходимое для перехода датчика в стабильное рабочее состояние. По истечении этого времени датчик либо может быть настроен, либо способен сформировать достоверный сигнал. Перед подачей питания скорость потока должна находиться в рабочем диапазоне, а температура корпуса датчика должна быть равна температуре измеряемой среды.

Время реакции

Время реакции состоит из времени включения и времени выключения выходного сигнала. Время включения — это время, прошедшее от момента достижения скоростью потока заданного значения до индикации состояния потока. Это время минимально при низкой скорости потока и возрастает по мере ее возрастания. Время выключения — это время, прошедшее от момента снижения скорости потока ниже заданного значения до индикации состояния потока. Это время минимально при высокой скорости потока и возрастает по мере ее убывания.

Устойчивость к давлению

Устойчивость к давлению зависит от прочности корпуса датчика. Если давление измеряемой среды не превышает установленного максимального значения, датчик формирует стабильный сигнал и его корпус не повреждается. Устойчивость к давлению датчиков с ввинчиваемой конструкцией может оказаться ниже, чем указано в их технических данных, поэтому их использование при давлениях, близких к максимальным следует исключить.

Класс защиты

Класс защиты устанавливает степень защиты датчика от проникновения твердых тел и воды в соответствии со стандартом EN 60529. Для датчиков класс защиты зависит от места и способа установки. Датчики, непосредственно соприкасающиеся со средой измерения всегда имеют степень защиты, соответствующую классу IP 68.

Время задержки включения

Эта переменная может быть установлена в пределах от 0 до 25 с и вызывает задержку выдычи выходных сигналов управления при отклонении скорости потока от установленных значений. Например. Если установлено отличное от нуля время задержки, то управляющий выход еще включен в тот момент, хотя скорость потока уже упала ниже заданной. Иными словами, красный светодиод(«Нет потока») и желтый(«Выход активирован») горят одновременно. По истечении времени задержки желтый светодиод гаснет и горит только красный.

Контроль обрыва провода

Система контроля обрыва провода деактивирует управляющий выход, если датчик не подключен или кабель связи с ним поврежден. При этом включается сигнализация «Нет потока». В приборах SEA 401 для сигнализации обрыва провода предусмотрен отдельный управляющий выход.