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