1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

70

1.6 Debitmetre i contoare de lichide, gaze i cldur 1.6.1 Noiuni generale despre debit i cantitate Debitul () reprezint productivitatea curent a multor mecanisme, utilaje sau instalaii pompe, ventilatoare, compresoare, conveiere, necuri, dozatoare, utilaje i linii tehnologice, de aceea constituie parametrul lor principal. El se determin ca volumul V pentru lichide i gaze sau ca masa materialelor solide m, furnizate sau consumate ntr-o unitate de timp t ore sau secunde :Q= V t m3 m3 m kg kg , sau , sau Q = , sau . t h s h s

Majoritatea sistemelor moderne de automatizare ale proceselor tehnologice prevd reglarea sau controlul direct sau indirect al acestui parametru, care este msurat cu ajutorul debitmetrelor. n funcie de unitile menionate de msur, debitmetrele pot fi de volum sau de mas. ns att unele, ct i celelalte, msoar valoarea momentan a debitului. n practic deseori este necesar aprecierea valorii integrale (medii) a volumului sau masei unui produs ntr-un interval de timp relativ mai mare ntr-o lun sau ntr-un an. Aceast valoare se numete cantitate, iar aparatele de msurare a ei se numesc contoare. Ele sunt numite integratoare, dac se bazeaz pe integrarea debitului de volum (mas):V = QV ( t )dt , m 3t1 t2

[ ]

, sau

m = Qm ( t )dt , [ kg ] .t1

t2

Dac QV ( t ) = const , i Qm ( t ) = const , atunci volumul sumar sau masa sumar n intervalul de timp t = t 2 t1 V = QV ( t 2 t1 ) = QV t , m 3 , sau m = Qm ( t 2 t1 ) = Qm t , [ kg ] .

[ ]

De aceea debitmetrele i contoarele se execut deseori ntr-un singur constructiv. Deoarece n diferite ramuri industriale exist o mare varietate de lichide i gaze cu diferite proprieti, au fost elaborate o varietate relativ mare de debitmetre cu diferite principii de msurare. Fiecare dine ele are avantajele i dezavantajele sale. n trecut cea mai larg rspndire o aveau debitmetrele bazate pe msurarea unei presiuni difereniale ( ) , create cu ajutorul unei strangulri sau unui tub Venturi n conducta de lichid sau de gaz. Aceast strangulare ( c ) creeaz de ambele pri o cdere de presiune p = p1 p 2 , care este proporional cu debitul Q i care este aplicat asupra unor diafragme flexibile, axul crora acioneaz asupra traductor de inducie : QV = S 0 2( p1 p 2 ) ; Qm = S 9 2 ( p1 p 2 ) . unde - coeficient constructiv de debit; S 0 = d 2 4 - seciunea strangulrii cu diametrul d; - densitatea lichidului sau gazului. Difmanometrele ns au urmtoarele dezavantaje: cauzeaz o cdere substanial de presiune n conduct, eroarea depinde de densitate, care variaz cu temperatura. De aceste dezavantaje sunt lipsite debitmetrele electromagnetice, cu turbine rotative, ultrasonore, cu vrtejuri, care se folosesc pe larg n prezent [11-12].

71

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

1.6.2 Debitmetre de inducie electromagnetic Aceste debitmetre au o construcie simpl, o precizie i fiabilitate nalt, nu asigur nici o micorare a presiunii lichidului, iar indicaiile lor nu depind de temperatura, presiunea, viscozitatea lichidului. n plus, temperatura lichidului poate s varieze de la -20 C i pn la 200 C. Singura restricie de utilizare a lor se refer la conductivitatea electric a lichidului, care trebuie s fie nu mai mic de 5 S/cm. n figura 1.91 este reprezentat construcia simplificat a unui debitmetru electromagnetic, constituit dintr-o poriune de conduct din material nemagnetic, amplasat ntre polii unui electromagnet, constituit din 2 bobine cu curent continuu sau alternativ de excitaie. Conductorul, care se deplaseaz n cmpul magnetic de excitaie cu o vitez liniar este nsi lichidul din conduct. Conform legii induciei electromagnetice, n el se induce o tensiune electromotoare E, defazat (dup regula mnii stngi) cu 90 i proporional cu viteza , inducia B i distana (diametrul) D dintre 2 electrozi perpendiculari, prin care se nchide curentul determinat de = D . innd cont, c debitul Q = D 2 4 , se obine, c E = ( 4 B D ) Q Q . Aceast tensiune se amplific i se transform de dispozitivul secundar n semnal standardizat de curent 4-20 mA. Fig. 1.91. Principiul debitmetrului electromagnetic Pentru a micora gabaritele traductorului, bobinele de excitaie se alimenteaz cu curent alternativ de frecven nalt. ns n acest caz tensiunea indus se nsumeaz cu o component sinusoidal ca la transformatoare. Aceasta din urm este apoi compensat n dispozitivul secundar de amplificare i convertire. n figura 1.92 sunt prezentate 4 modificaii de baz MAG 1100, 1100F, 3100 i 5100W ale dispozitivului primar (senzorului) debitmetrelor de inducie electromagnetic SITRANS MAGFLOW ale companiei Siemens cu diametre interioare pn la 2000 mm i productiviti pn la 20000 m3/h . Prima modificaie are o construcie fr flan, fiind prevzut pentru diametre mici 2-100 mm. Modificaia MAG 1100F este destinat n special pentru industria alimentar sau farmaceutic i satisface tuturor cerinelor i normelor sanitare, iar MAG 3100 pentru cele mai grele condiii industriale de funcionare, inclusiv n industria chimic. Ultima modificaie este destinat n special pentru ap (Water), inclusiv pentru ap de canalizare cu coninut mare de impuriti. O modificaie asemntoare TRANSMAG 2 este prevzut pentru industria hrtiei, cartonului, minier cu coninut mare de particule solide ale lichidelor.

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

72

Fig. 1.92. Modificaii ale senzorului primar MAG 1100, 1100F, 3100 i 5100W n figura 1.93 sunt prezentate 2 variante de blocuri secundare de amplificare convertire MAG 5000 i MAG 6000 ale companiei Siemens cu alimentare 24V DC sau 230 VAC. Blocurile secundare conin un microprocesor de prelucrare a datelor msurate de senzorul magnetic i asigur un numr mare de funcii, mai ales de diagnosticare. Primul bloc asigur o precizie de msurare 0,5 % , iar al doilea - 0,25 % i o execuie constructiv IP67 pentru condiii grele.

a)

b)

Fig. 1.93. Dispozitive secundare MAG 5000 (a) i MAG 6000 (b) ale debitmetrelor de inducie electromagnetic ale companiei Siemens Aceste debitmetre cu ambele pri integrate sunt artate n figura 1.94. n figura 1.95 este reprezentat un debitmetru electromagnetic asemntor FXT 4000 (COPA

73

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

XT) al companiei ABB, iar n figura 1.96 schema funcional a acestuia cu 2 semnale se ieire: analogic 4-20 mA i discret de o frecven proporional cu Q.

Fig. 1.95. Debitmetru FXT4000 (COPA -XT) al companiei ABB Fig. 1.94. Debitmetre de inducie magnetic SITRANS MAGFLOW Siemens cu ambele pri integrate

Fig.1.96 Schema electric funcional a debitmetrelor FXT4000 (COPA-XT) ABB 1.6.3 Debitmetre de mas MASSFLOW

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

74

Compania Siemens produce, de asemenea, debitmetre de mas cu diametre pn la 1000 mm i productiviti pn la 10000 kg/h. Funcionarea lor se bazeaz pe principiul forelor CORIOLIS. Ele sunt constituite, de asemenea, din 2 pri (componente): primar (senzorul) i secundar (amplificatorul, convertorul i indicatorul). Ultimul este realizat pe baz de microprocesor (microcontroler) i are acelai constructiv ca i debitmetrele de volum MAG 5000 sau MAG 6000. n figura 1.97 sunt artate ambele pri ale debitmetrului de mas SITRANS MASSFLOW 2100 cu dimensiuni DI 3 DI 40. Ele permit o reglare a debitului n diapazonul 500:1 cu o precizie de 0,1% (0,0001 g/cm3). Msurrile nu depind de temperatura, presiunea, densitatea, viscozitatea sau conductivitatea lichidului. Diapazonul de temperaturi maxime al lor este cuprins ntre valorile -40C i +115C. Partea electronic asigur nite msurri multiple: debitmetrul de mas n kg/s, debitmetrul de volum n l/s, densitatea n kg/m 3, concentraia n %, i temperatura n C. Ele sunt prevzute pentru o alimentare 24 V DC i 3 variante ale semnalelor de ieire: n curent 4-20 mA, n impulsuri de frecven 0-10000 Hz i n forma unui contact de releu.

a) b) Fig. 1.97. Debitmetru de mas MASSFLOW al companiei Siemens: a) - senzor MASS 2100; b) - amplificator indicator MASS 5000 n figura 1.98 este artat un debitmetru masic OPTIMASS 7000 al companiei finlandeze KROHNE cu productiviti 500-400000 kg/h.

Fig. 1.98. Debitmetru masic OPTIMASS 7000 al companiei finlandeze KROHNE n figura 1.99 sunt reprezentate caracteristicile cderilor de presiune n funcie de debit ale debitmetrului MASS 2100 cu diametru convenional DI 15 i cu

75

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

productiviti 180 5600 kg/h, o precizie de msurare 0,15 %, densiti 1,4-2,0 g/cm3 i temperaturi ale lichidului pn la 180C. Aceste caracteristici sunt indicate pentru diferite viscoziti ale lichidului.

Fig. 1.99. Caracteristicile cderilor de presiune-debit ale debitmetrului MASS 2100 cu un diametru DI 15 n figura 1.100 este prezentat un contor electromagnetic de ap MAG 8000 al companiei Siemens cu indicatorul su digital, alimentat de la o baterie de civa voli, care datorit consumului mic de energie, are o durat de funcionare de 6 ani. Acest contor are 2 ieiri discrete pentru controlul debitului la distan. El este destinat pentru utilizare n mas. i F g.

1.100. Contor electromagnetic de ap MAG 8000 al companiei Siemens 1.6.4 Debitmetre i contoare ultrasonore SONOFLOW

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

76

Principiul de funcionare al acestor debitmetre este simplu, fiind bazat pe msurarea timpului diferenial dintre impulsurile ultrasonore, orientate dup i mpotriva fluxului de lichid din conduct. Unda sonor, care coincide cu sensul fluxului, se deplaseaz mai repede fa de unda n contrasens. Deferena acestui timp este proporional cu viteza fluxului, iar aceasta, la rndul ei, la o seciune i lungime constant, este proporional cu debitul lichidului, calculat de dispozitivul microelectronic secundar. Microcontrolerul calculeaz pe baza debitului de volum i a densitii, determinate pe baza vitezei sunetului, debitul masic, precum i cantitatea de lichid n intervalul corespunztor de timp, de aceea debitmetrul este integrat cu contorul ntr-un singur bloc, avnd un singur panou i indicator. n figura 1.101 sunt artate 2 modificaii ale senzorului primar SONO 3300 i SONO 3100 cu diametre 50-1200 mm, lungimi 475-1100 mm i productiviti 8042000 m3/h. Dispozitivul secundar SONO 3000 are aceeai construcie i date tehnice standardizate ca i debitmetrele electromagnetice din figura 1.93, a sau 1.97, b. Acest dispozitiv, n execuia IP67, poate fi instalat direct pe senzor, permind o rotire la 90 sau 180, sau pe perete la o distan pn la 15 m. Pentru o fiabilitate nalt de msurare ns, debitmetrele ultrasonore SONOFLO sunt prevzute cu cte 2 perechi de electrozi - A,B,C,D i 2 emitoare receptoare de unde, cu toate c funcionarea normal poate fi asigurat de o singur pereche.

Fig. 1.101. Modificaiile senzorului primar ultrasonor SONO 33000 i SONO 3100 Panoul de comand i programare al acestor debitmetre prevede 2 variante de acces la parametrii principali: n meniul operatorului (OPERATOR MENU) i n meniul de instalare (SETUP MENU), ultimul fiind divizat n 2 regimuri: de vizualizare (VIEW) i modificare (CHANGE). Ambele regimuri includ: - regimul de instalare i calibrare a traductorului (CONVERTER SETUP MODE) - regimul de resetare (RESET MODE); - regimul de deservire (SERVICE MODE); - regimul de alegere a limbii panoului (LANGUAGE SETUP); - regimul de instalare a meniurilor operatorului (OPERATOR MENU SETUP); - instalarea codului traductorului (UZER CODE SETUP ). 1.6.5 Debitmetre cu turbine rotative

77

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

Senzorul acestor debitmetre reprezint o turbin cu palete (fig. 1.102, a), frecvena de rotaie a creea, proporional cu debitul lichidului din conduct, este transformat de un tranzistor p-n-p, sau n-p-n, ntr-un ir de impulsuri, frecven cruia este msurat i indicat de un indicator digital (fig. 1.102, b).

a)

c) n figura 1.102, c sunt prezentate 2 variante ale debitmetrelor companiei KOBOLD de tipul TUP, din material plastic (PVC), cu turbin rotativ, cu diametre 20100 mm, debite 0,2-100 m3/h, precizie de msurare 1 %, iar n figura 1.102, d construcia elementelor componente interioare ale lor. d) Fig. 1.102. Debitmetre cu turbin rotativ TUP ale companiei KOBOLD 1.6.6 Debitmetre cu vrtejuri VORTEX / SWIRLFLOW

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

78

Aceste debitmetre, constituite de asemenea din 2 pri componente, sunt relativ simple i compacte, nu necesit nici o acordare sau calibrare i nu depind de proprietile gazelor sau lichidelor. Ele se bazeaz pe fenomenul cunoscut n fizic sub numele CARMAN - apariia unor oscilaii turbulente hidraulice n cazul unui lichid, sau pneumatice (vrtejuri) n cazul unor gaze, la introducerea n calea lor a unor obstacole de o anumit form. n cazul unui obstacol n form de T vrtejurile au o ax vertical (fig. 1.103, a), iar n cazul unui obstacol n form de spiral ele au o ax orizontal (fig. 1.103, b). Aceste vrtejuri apar de ambele pri ale obstacolului, alternnd unul dup altul. Frecvena lor este direct proporional cu viteza de curgere a fluxului v i invers proporional cu limea obstacolului d: v f = St , unde St numrul lui Strouhal. d De aceeai frecven este i presiunea difereniala produs naintea obstacolului i dup el, detectat de un senzor din cuar (piezometric), montat n spatele obstacolului. Frecvena acestui senzor este prelucrat apoi de blocul electronic secundar.

a) b) Fig. 1.103. Principii i modificaii ale debitmetrelor cu vrtejuri VORTEX FV4000- VT4 (a) i SWIRL FS4000-ST4 (b) n figura 1.104 sunt indicate modificaiile reale ale acestor debitmetre, produse de compania ABB, care pot avea o instalare a dispozitivului secundar fie direct pe conduct, fie pe perete o distan pn la 10 m. Dezavantajul principal al acestor debitmetre const n limitarea valorilor minime Qmin i maxime Qmax ale debitului pentru fiecare diametru al conductei. Aceste valori trebuie calculate dup anumite relaii, care sunt indicate n instruciunile de exploatare. n figura 1.105 sunt reprezentate caracteristicile presiune diferenial-debit pentru debitmetrele de aer cu o densitate 1.2 kg/m3.

79

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

Fig. 1.104. Modificaiile reale ale debitmetrelor cu vrtejuri ale companiei ABB

Fig. 1.105. Caracteristicile presiune diferenial-debit ale debitmetrelor pentru aer

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

80

1.6.7 Contoare de cldur Aceste contoare () sunt necesare n toate sistemele de nclzire i alimentare cu ap cald pentru a contoriza energia termic W (consumul de cldur), care depinde de debitul volumic curent al agentului termic Q (t) i diferena de temperatur intrare-ieire T = T1 T2 . Produsul acestor 2 parametri determin fluxul de cldur curent, sau puterea termic curent: pT ( t ) = Q ( t) ( T T ) . 1 2 Acest flux apoi se integreaz, contorizndu-se astfel energia termic consumat ntr-un anumit interval de timp, la fel ca i volumul agentului termic consumat : W = pT ( t ) dt = Q (t ) T dt

V = Q ( t ) dt ; Energia termic poate fi calculat n diferite uniti de msur: djouli J, calorii (kilocalorii, gegacalorii) Cal, sau kW h (1J = 2, 78 107 kW h = 2,39 104 kCal ) ( 1kCal = 4,19 103 J = 1,16 103 kW h ). n legtur cu aceasta, majoritatea contoarelor de cldur au la baz 3 componente principale: un debitmetru de volum, 2 senzori de temperatur intrareieire i un dispozitiv microelectronic de calculare i integrare (Procesor sau ) a tuturor parametrilor necesari. Acest procesor nregistreaz, de asemenea, i debitul volumic maxim consumat, durata de funcionare n minute sau ore, precum i ali parametri. n figura 1.106 sunt artate schemele hidraulice i reale de conectare ale contoarelor COMBIMETER, elaborate de compania ISTA pentru sistemele de nclzire i alimentare cu ap cald. Aceste contoare sunt realizate cu debitmetre electromagnetice 1,5-120 m3 h , senzori Pt 100 i o alimentare 220V, 50Hz. n caz de deconectare a tensiunii de alimentare, toate datele principale sunt memorizate n memoria constant a procesorului.

81

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

82

Fig. 1.106. Scheme hidraulice i reale ale contoarelor de cldur COMBIMETER ale companiei ISTA pentru sisteme de nclzire i alimentare cu ap cald Aceste contoare prevd, de asemenea, o conectare a debitmetrelor n ambele conducte tur-retur, ceea ce permite depistarea scurgerilor posibile i a altor funcii, inclusiv citirea datelor la un calculator personal printr-un adapter standardizat RS232. Scanarea informaiilor stocate de la distan se efectueaz cu ajutorul unui soft special. Preul acestor contoare, produse i utilizate pe larg n Belorusia, este cuprins ntre 600 i 2000 de Euro, n funcie de diapazonul debitului. O utilizare mai larg n Rusia, Ucraina i Republica Moldova au obinut-o contoarele de cldur ale companiei daneze Kamstrup, realizate cu procesoare MULTICAL, debitmetre ultrasonore ULTRAFLOW cu un diapazon de la 0,6 m3 h i pn la 3000 m3 h , senzori de temperatur Pt 500. n ultimii 10 ani compania Kamstrup a elaborat peste 7 generaii de procesoare, ultimele fiind MULTICAL 401 (pentrru debite 0,6-15 m3 h ) i MULTICAL 601 (pn la 1000 m3 h ) (fig. 1.107, a). Modificaia 401 este cea mai simpl i mai ieftin, care se caracterizeaz n plus prin urmtoarele particulariti: construcie compact, alimentare autonom de la o baterie de 3,6 VDC, simplitate de montaj, fiabilitate nalt n expluatare, durat lung de funcionare i de verificare (4-5 ani), posibiliti de nultiplicare a funciilor realizate cu ajutorul unor module adugtoare. Consumul de energie al procesorului i debitmetrului este relativ mic, de aceea bateria autonom de litiu de 3,6 VDC ajunge pentru o durat de funcionare de 10-12 ani, cu toate c este prevzut i o alimentare de la blocuri de 24 VDC,sau 230 VAC. Modificaia 601 se caracterizeaz printr-o multiplicare i o flexibilitate nalt a funciilor realizate, obinute printr-o optimizare a programului de prelucrare a informaiilor i o utilizare a modulelor adugtoare incorporate.

83

1.6

DEBITMETRE I CONTOARE

Procesoarele MULTICAL sunt foarte compacte, de aceea pot fi montate direct pe debitmetru (fig. 1.107, a), sau pot fi atrnate de perete prin intermediul unui cablu cu 3 fire. Ele au doar 2 butoane de comand: primul buton asigur un acces consecutiv la principalii parametri integrali, cureni i de autodiagnosticare (info), iar butonul al doilea o resetare sau un acces la parametri adugtori, de exemplu la consumul de energie pe zi, lunar, anual sau arhivat, la temperatura lunar sau anual medie, la debitul maximal lunar sau anual i altele. Datele curente i arhivate pot fi transmise la un computer personal prin intermediul unor module adugtoare, inclusiv a unui modul radio. Consumul de cldur poate fi afiat n kWh (pentru debite pn la 15 m3 h ), MWh, Gj, GCal (pentru debite mai mari). Debitmetrele ultrasonore mici (cu diametre 15-50 mm) sunt prevzute cu racorduri filetate de conectare la conductele reale, iar cele mari (pn la 250 mm) prin flane (fig. 1.107, b). Corpul lor este confecionat din cupru sau oel inoxidabil. Debitmetrele mici au incorporate n interiorul lor senzorii de temperatur Pt 500, ceea ce permite montarea contoarelor fr lucrri de sudare.

a) Fig. 1.107. Procesorul MULTICAL i debitmetrele ultrasonore ULTRAFLOW Compania Kamstrup produce 2 modificaii asemntoare de contoare de ap rece MULTICAL 41 (0,6-1,5 m3 h , DU 15-15-20 mm) i MULTICAL 61 (1,5-80 m3 h , DU 15-50 mm) (fig. 1 108). Pentru nregistrarea computeruzat a datelor contoarelor MULTICAL a fost elaborat u soft special, care asigur, n plus, o prelucrare a informaiilor scanate n scopul alctuirii unor referate lunare sau anuale cu anumite grafice n intervalul analizat. Fig. 1.108. Contor de ap rece MULTICAL 61