Физические принципы счетчиков сжатого воздуха

  1. Измерение массового расхода
  2. Преобразование массового расхода в нормализованный объемный расход
  3. Преобразование согласно другим стандартам
  4. Преобразование в рабочую точку
  5. Преобразование для других газов
  6. Преобразование параметров объемного расхода
  7. Зависимость от температуры и давления при измерении массового расхода
  8. Взаимосвязь между нормализованным объемным расходом и скоростью потока в testo 6440
  9. Влияние измерительной трубки и положения сенсора на результаты измерений
  10. Номинальные диаметры труб и типичная производительность компрессора

 


 

1. Измерение массового расхода

В приборах, предназначенных для измерения массового расхода, используются два основных метода – принцип постоянного тока и принцип постоянной температуры. Принцип постоянного тока заключается в следующем: нагревательный элемент нагревается посредством постоянного электрического тока, а изменение сопротивления служит индикатором скорости потока. Принцип постоянной температуры, также используемый в testo 6440, подразумевает компенсацию отдаваемого нагревательным элементом количества тепла путем соответствующей настройки электрического тока. Значение регулирующего тока, обеспечивающего поддержание постоянной повышенной температуры сенсора (на 7 К выше температуры процесса), пропорционально массовому расходу, и, таким образом, является своего рода индикатором стабильности потока воздуха. Ввиду того, что постоянная температура газа должна оставаться известной, второй сенсор измеряет температуру газа. Этот датчик температуры, например, имеет сопротивление в 100 раз превышающее сопротивление нагревательного элемента. Два сенсора, установленные в измерительный мост, создают в нем “плечи” с низким и высоким сопротивлением. В связи с этим, подаваемый ток, в основном, проходит через обогреваемый элемент. Стабилизатор обеспечивает разницу температур между нагревательным элементом и газом даже в случае температурных колебаний.

Вверх ↑

2. Преобразование массового расхода в нормализованный объемный расход

Для пользователей сжатого воздуха наиболее важным параметром данного ресурса является нормализованный объемный расход. Он относится не к кратковременным условиям окружающей среды, но к фиксированным условиям, которые согласно DIN ISO 2533 следующие: 15 °C, 1013 гПа и 0 %ОВ. Однако счетчик сжатого воздуха 0699 6445 соотносится с 20 °C, 1013 гПа и 0 %ОВ (нормализованная плотность = 1.204 кг/нм3). testo 6440 делит значение массового расхода с учетом нормализованной плотности для сжатого воздуха, которая в соответствии с DIN ISO 2533 составляет 1.225 кг/нм3. В результате мы получаем независимое от давления и температуры значение нормализованного объемного расхода (см. изображение). При сравнении с показаниями, полученными с помощью других измерительных систем, необходимо убедиться в том, что они были получены при идентичных нормализованных условиях. В противном случае требуется преобразование.

  

Вверх ↑

3. Преобразование согласно другим стандартам

Расчеты testo 6440 основаны на положениях стандарта DIN ISO 2533. Преобразование объемного расхода, рассчитанного в соответствии с данным стандартом в значение объемного расхода согласно другим стандартам, осуществляется следующим образом:

при расчете объемного расхода за основной параметр принимается массовый расход, зависимый от термодинамического состояния газа. Значение текущего объемного расхода получают путем деления массового расхода на плотность нормализованного объема. Таким образом, преобразование величин объемного расхода осуществляется при противоположных коэффициентах плотности.

Для преобразования под другие стандарты используется следующее уравнение, в котором за основу берется уравнение состояния идеального газа Гей-Люссака

Пример:
Преобразование норм. объемного расхода (27.156 л/мин согласно DIN ISO 2533) в норм. объемный расход в соотв. с DIN 1343:

Вверх ↑

4. Преобразование в рабочую точку

Преобразование рабочей точки с отклонением от точки DIN ISO 2533, соответствует преобразованию значения измерений в другие стандарты. За основу берется то же самое поправочное уравнение:

Пример:
Преобразование норм. объемного расхода (27.156 л/мин согласно DIN ISO 2533) в объемный расход в рабочей точке:

Влажностью (в сжатом воздухе обычно ниже 10%) можно пренебречь.

Вверх ↑

5. Преобразование для других газов

Счетчики сжатого воздуха серии testo 6441 ...6447 разработаны для измерения объемного расхода в соответствии с калориметрическим принципом измерения в сжатом воздухе. Testo 6440 выполняет деление значения массового расхода на нормализованную плотность сжатого воздуха, т.е. на 1.225 кг/нм3. Однако помимо сжатого воздуха testo 6440 также может использоваться для расчетов азота, углекислого газа и аргона. Для этого используется поправочное уравнение, используемое для сжатого воздуха, принимая во внимание тот факт, что данные значения действительны для 100% концентрации соответствующего газа:

Указанные значения действительны для 25°C; высокий уровень точности был продемонстрирован для объемных расходов, приближенных к 30 нм3/ч.

   
Примечание: для получения более точных показаний рекомендуется проводить калибровку реальным газом, по всем вопросам обращайтесь к представителям компании testo!

 

Требуемое для расчетов поправочное уравнение, которое может быть, например, сохранено в ПЛК (контроль), выглядит следующим образом:

Вверх ↑

6. Преобразование параметров объемного расхода

Для отображения объемного расхода на дисплее testo 6440 Вы можете выбрать следующие единицы: нм3/ч или нл/мин. Преобразование в прочие единицы (выводимые через внешний дисплей testo 54 или ПЛК) необходимо выполнять на основе матрицы “Параметры объемного расхода/параметры скорости потока”: (читать 1 - 2).

Вверх ↑

7. Зависимость от температуры и давления при измерении массового расхода

Поскольку измерение объемного расхода в газах зависит от плотности и, как следствие, от давления и температуры, в качестве принципа измерения в testo 6440 был выбран принцип измерения массового расхода, т.к. массовый расход является постоянной величиной в закрытой системе.

Представленная ниже иллюстрация демонстрирует зависимость объема от давления, что делает преимущество измерения массового расхода еще более очевидным.

Путем компенсации разницы температур между температурой нагревательного элемента и температурой газа, а также с помощью подходящей матрицы температурных коэффициентов (ТК-матрицы) Вы можете избежать воздействия температуры на результаты измерений. Таким образом измеренное значение может быть оптимально использовано в пределах всего температурного диапазона процесса.

Вверх ↑

8. Взаимосвязь между нормализованным объемным расходом и скоростью потока в testo 6440

Нормализованный объемный расход обусловлен поперечным сечением трубы и скоростью проходящего потока. При наличии сведений о номинальном диаметре трубы можно сделать выводы о нормализованном объемном расходе и нормализованной скорости потока, а при учете давления процесса можно определить и фактическую скорость потока. Эти сведения не менее важны и при определении размеров трубопроводной системы. При нормализованном объемном расходе, например, в 100 нм3, и диаметре трубы DN 40, нормализованная скорость потока будет составлять 21 нм/с. Согласно представленной ниже иллюстрации диаметр трубы DN 15 является допустимым. При абсолютном давлении в 8 бар это соответствует фактической скорости потока в приблиз. 2.6 м/ч.

Вверх ↑

9. Влияние измерительной трубки и положения сенсора на результаты измерений

Наличие точных сведений о внутреннем диаметре (особенно в случаях с трубами малых диаметров) имеет решающее значение при высокоточном измерении нормализованного объемного расхода. Как видно из иллюстрации ниже, даже изготовленные по стандарту трубы могут сильно отличаться по внутреннему диаметру, в связи с чем при отсутствии данных о соответствующем внутреннем диаметре погрешность измерений может достигать 33 %. testo 6440 поможет избежать подобных ошибок, поскольку прибор оснащен встроенным патрубком с точно известным внутренним диаметром.

Равномерность профиля потока (а также и точность результатов измерений) зависит не только от внутреннего диаметра и правильного расположения сенсора в измерительном патрубке; она также обусловлена текстурой внутренней поверхности трубы. Например, отклонение сенсора всего на 5° является достаточным для погрешности в 5%. Малейшая шероховатость, например, неровные сварочные швы в области соединения трубы и фланца, оказывает влияние на профиль потока, а с тем и на результаты измерений. Благодаря встроенному в testo 6440 измерительному патрубку подобных ошибок можно избежать. Это связано с гарантированно правильным расположением сенсора в трубе и абсолютно ровной поверхности измерительного патрубка (см. иллюстрации ниже).

Вверх ↑

10. Номинальные диаметры труб и типичная производительность компрессора

требуемая измер.

трубка

факт. размеры трубы (DIN 2440)

подходит для компрессоров
со след. мощностью:

Номин. разм.
[мм]

Норм. размер
DN

 
дюймы

Внутр.
[мм]

Попереч. сеч.
[см2]

 
[кВт]

25

25

1

26.0

5.31

10

40

40

1S

39.3

12.13

21

50

50

2

51.2

20.59

37

65

65

2S

70.3

38.82

72

80

80

3

82.5

53.46

100

100

100

4

100.8

79.80

151

125

125

5

125.0

122.70

234

150

150

6

150.0

176.70

339

200

200

8

206.5

334.90

652

300

300

12

309.7

753.30

1486

400

400

16

388.8

1187.30

2355

* в случае, когда труба = основной трубопровод