Durchfluss, Druck und Temperatur sind die drei grundlegenden Parameter zur Erkennung von Objekten, die in der Messtechnik weit verbreitet sind. Mit der rasanten Entwicklung der chinesischen Industrie sind die Anforderungen an die Durchflussmessung in verschiedenen automatisierten Steuerungssystemen immer strenger geworden, was zu einem umfassenden Einsatz von Durchflussmessern geführt hat.
Anforderungen an Durchflussmessgeräte in der Prozesskontrolle
Durchflussmesser werden häufig in der Prozesskontrolle eingesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, die Durchflussraten von Flüssigkeiten in abgedichteten Rohrleitungen zu erfassen. Bei Bedarf werden Durchflussmessinstrumente mit Steuerinstrumenten und Aktoren integriert, um Regelsysteme zu bilden, die den Durchfluss in geeigneten Bereichen stabilisieren und so die Prozessstabilität gewährleisten. Aufgrund dieser speziellen Funktion in der Prozesssteuerung müssen Durchflussmessgeräte die folgenden Anforderungen erfüllen.
1. Leistungsstabilität
① Der Ausgang von Durchflussmessgeräten sollte eine hervorragende Stabilität aufweisen. Wenn das Durchflusssignal selbst Rauschen enthält, sollten interne Dämpfungseinstellungen den Messwert stabilisieren, um eine einfache Interpretation zu ermöglichen. Bei der Einbindung in ein Steuerungssystem mit Regler sollte der Reglerausgang frei von spürbaren Schwingungen bleiben.
② Der Einfluss der Umgebungstemperatur auf den angezeigten Wert des Instruments sollte innerhalb der angegebenen technischen Parameter bleiben.
③ Das Instrument sollte eine ausgezeichnete Langzeitstabilität aufweisen.
2. Zuverlässigkeitsanforderungen
① Instrumente müssen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Moderne Industrieanlagen tendieren zu groß angelegten kontinuierlichen Prozessen, bei denen Geräteausfälle leicht zu einer Destabilisierung des Betriebs führen können. Da in Rohrleitungen installierte Durchflussmesser nicht durch Anhalten des Prozesses repariert werden können, muss die Zuverlässigkeit sowohl bei der Instrumentenherstellung als auch beim Systemdesign Vorrang haben-einschließlich der Zuverlässigkeit der Thermistoren, die zur Temperaturkompensation verwendet werden. Einige Hersteller implementieren Redundanz für fehleranfällige und schwer zu reparierende Komponenten. Andere entwickeln Methoden für den Sensoraustausch ohne Unterbrechung des Durchflusses. Hersteller von elektromagnetischen Durchflussmessern bieten Techniken und Werkzeuge für den unterbrechungsfreien Elektrodenaustausch an, die alle zu einer verbesserten Zuverlässigkeit beitragen.
② Fehlerdiagnose. Bei einem Geräteausfall sollte das Diagnosesystem automatisch den Ort und die Art des Fehlers anzeigen, um die Reparaturzeit zu minimieren. Wenn Diagnosedaten digital an einen Computer übertragen werden, kann der Computer den Gerätebetrieb überwachen, bei Störungen Alarme auslösen, Fehlerdetails anzeigen und sogar notwendige Sicherheitsmaßnahmen umsetzen.
3. Starke Anti-Fähigkeit
① Vibrationsfestigkeit.
Die meisten Durchflusssensoren werden an Rohrleitungen in rauen Feldumgebungen montiert, in denen Vibrationen eine große Störung darstellen. Daher müssen Durchflusssensoren, Sender und andere Komponenten über starke Entstörungsfähigkeiten verfügen. Einige Wirbeldurchflussmesser und Coriolis-Massendurchflussmesser funktionieren im Feldeinsatz aufgrund unzureichender Vibrationsfestigkeit schlecht und zeigen Phänomene wie „falsche Messwerte“ oder „überhöhte Messwerte“.
② Beständigkeit gegen Hochfrequenzstörungen
Industriestandorte mit Durchflussmessern weisen zahlreiche Störquellen auf. Beispielsweise können vorbeifahrende Laufkräne, in der Nähe arbeitende Gabelstapler oder Personal, das Walkie-Talkies verwendet, zu erhöhten Messwerten bei bestimmten Durchflussmessgeräten führen. Dies geschieht, wenn hochfrequente elektromagnetische Wellen, die von elektrischen Kransystemen, Gabelstapler-Zündkerzen oder Walkie-Talkie-Antennen ausgesendet werden, über verschiedene Wege in das Instrument eindringen und dessen Betrieb stören. In den letzten Jahren haben die Auswirkungen von HF-Interferenzen stark an Aufmerksamkeit gewonnen. Messgeräte berücksichtigen mittlerweile Spezifikationen zur HF-Störfestigkeit und nutzen zahlreiche Maßnahmen zur Erhöhung der Störfestigkeit.
4. Kurze Reaktionszeit
Viele Durchflussmessgeräte bilden Steuerungssysteme mit Reglern, die Reaktionszeiten unter 1 Sekunde erfordern. Bei Sollwert-Durchflussregelungssystemen kann eine Gesamtzeitkonstante von mehr als 1 Sekunde im Durchflussmesssegment die Regelqualität erheblich beeinträchtigen. Im schlimmsten Fall kann es zu Systemschwingungen und Betriebsausfällen kommen.
5. Verschiedene Ausgangssignale
① Analogausgang.
Durchflussmessgeräte sollten über einen 4–20-mA-Analogausgang mit Konstantstromcharakteristik verfügen.
② Frequenzausgang.
Durchflusstransmitter (Konverter) übertragen Durchflusssignale über die Frequenz an Anzeigeinstrumente oder Steuerungen und bewahren so die Genauigkeit bei minimalem Verlust-einem Hauptvorteil dieser Methode.
③ Digitaler Ausgang.
Durchflussmessgeräte werden über Kommunikationsanschlüsse wie RS485 mit Computern verbunden. Mit dedizierter Softwareunterstützung übertragen sie nicht nur gemessene Parameter an Computer, sondern senden auch Fehlerinformationen, Konfigurationsdaten und Gerätestatusanzeigen. Darüber hinaus können Bediener Feldgerätekonfigurationen ändern und Inspektionen, Kalibrierungen, Wartungs- und Verwaltungsaufgaben aus der Ferne über Computer von Kontrollräumen aus durchführen.
Durchflusserkennung und Verwendung von Durchflussmessern
Die Durchflussmessung ist eine gängige industrielle Messmethode, die in Branchen wie Energieerzeugung, Metallurgie, Chemieingenieurwesen, Erdöl und Lebensmittelverarbeitung weit verbreitet ist. Jeder Prozess, der mit Massenänderungen einhergeht, erfordert eine Durchflussmessung. Als Hilfsmittel für diese Messung dienen Durchflussmesser. Basierend auf unterschiedlichen Messprinzipien können diese Instrumente in zahlreiche Typen eingeteilt werden. Mit der Weiterentwicklung moderner Messtechniken haben sich Durchflussmesser aus den frühen Differenzdruck-, Verdränger- und elektromagnetischen Durchflussmessern weiterentwickelt. Sie zeichnen sich nun nicht nur durch einfachere Strukturen, sondern auch durch immer vielfältigere Funktionalitäten aus. Die Genauigkeit von Durchflussmessermessungen wirkt sich direkt auf die korrekte und stabile Ausführung industrieller Steuerungsprozesse aus und ist von direkter Bedeutung für die nationale Wirtschaftsentwicklung Chinas. Daher ist die Beherrschung der Prinzipien gängiger Durchflussmesser und das Verständnis der Anwendung typischer Durchflussmesser in Automatisierungssystemen von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung des industriellen Automatisierungsgrads und der Instrumentierungsausrüstungsstandards.
Anwendung von Durchflussmessern in automatisierten Steuerungssystemen
1. Anwendung von Durchflussmessern in automatisierten Ölfeld-Messsystemen
Ölfelder stellen eine der umfangreichsten Branchen für Durchflussmesseranwendungen dar und werden hauptsächlich zur Messung, Statistik und Analyse der Ölförderung, einschließlich der täglichen Überwachung der Bohrlochleistung, eingesetzt. Fortschrittliche Mess- und Prozesstechnologien ermöglichen ein zeitnahes Verständnis des Status der Ölfeldentwicklung und der Lagerstättenveränderungen und ermöglichen die Analyse dynamischer Veränderungen in der Öl- und Gasproduktion, um die Strategien zur Ölfeldentwicklung weiter zu steuern. Bei der Ölfeld-Sub--Einheitsmessung passieren Rohöle zunächst drei -Phasentrenner, um in drei Ströme aufgeteilt zu werden: einer wird über ein Regelventil zur Kompressorstation geleitet, ein anderer wird über einen elektromagnetischen Durchflussmesser zum Absetztank geleitet und der dritte wird über einen Massendurchflussmesser zum Puffertank geleitet.
Das Öl-{0}}Wassergemisch durchläuft einen Massendurchflussmessersensor, der Parameter wie Durchflussrate, Temperatur und Dichte innerhalb der Ölleitung erfasst. Diese Signale werden an den Prozessor übermittelt, wo entsprechende Mikrocomputeralgorithmen die gesammelten Parameter von Rohöl und Wasser analysieren und berechnen. Nach einer Übertragungsphase werden die Daten über TCP/IP-Ethernet-Kommunikation an den Überwachungshost gesendet. Dies ermöglicht umfassende Verwaltungsfunktionen einschließlich Datenanzeige, -speicherung, -berichterstellung und -druck und ermöglicht so die Überwachung mehrerer Öl-{4}}Wassermesssysteme.
Darüber hinaus erfasst und analysiert der Durchflussmessersensor an Ölfeld-Bohrlochdrehstellen, um die weitverbreiteten Probleme von hochdichten Bohrflüssigkeiten und schwerem Materialabfall in Tiefbrunnen zu lösen, Änderungen der Bohrflüssigkeitsviskosität, der Dichte und der Leistungsparameter der Zentrifuge. Nachdem das Steuersystem die Betriebsgeschwindigkeit der Zentrifuge und die entsprechende Verarbeitungskapazität berechnet hat, legt die Computerausgabesteuerung den Arbeitsablauf des Steuersystems fest. Dies erhöht effektiv die Rückgewinnungsrate schwerer Materialien und senkt deren Nutzungskosten.
2. Anwendungen von Durchflussmessern in Prozesssystemen von Kraftwerken
2.1 Anwendung in Kesselluftversorgungsprozessen
In Kraftwerkskesseln messen Durchflussmesser hauptsächlich die Durchflussmengen der Luft-, Dampf- und Kesselluftzufuhr. Der am häufigsten verwendete Durchflussmesser ist der Wirbeldurchflussmesser. Es arbeitet nach dem Geschwindigkeitsprinzip und nutzt das Phänomen der regelmäßigen Wirbelablösung zur Durchflussmessung. Wenn Flüssigkeiten wie Dampf oder Luft am Sensor vorbeiströmen, bildet sich vor dem Sensor eine Hochdruckzone, in der der Druck den statischen Rohrdruck übersteigt. Wenn die Flüssigkeit durch den Beschleunigungsabschnitt des Rohrs beschleunigt wird, bildet sich eine Niederdruckzone, in der der Druck niedriger ist als der statische Druck des Rohrs. Hinter dieser Niederdruckzone entsteht dann eine durch Wirbel-induzierte Vakuumzone, die Druckschwankungen erzeugt. Die Häufigkeit dieser Schwankungen ist direkt proportional zur Gasdurchflussrate. Durch Messung dieser Schwingungsfrequenz und entsprechende Umrechnung und Kompensation kann die Flüssigkeitsgeschwindigkeit berechnet werden.
Nehmen wir als Beispiel die Wirbeldurchflussmesser-Messung im Kesselluftzufuhrstrom: Der Kesselluftzufuhrstrom ist ein kritischer Parameter, der den Betriebszustand von Kraftwerkskesseln und -ventilatoren widerspiegelt und eine entscheidende Rolle im automatischen Steuersystem für die Kesselverbrennung spielt. Tatsächliche Luftversorgungskanäle in Kraftwerken haben überwiegend einen rechteckigen Querschnitt, was eine präzise Messung mit herkömmlichen Durchflussmessern schwierig macht. Der Wirbeldurchflussmesser zeigt in dieser Anwendung eine überlegene Leistung.
Beim Einsatz von Wirbeldurchflussmessern zur Messung des Kesselluftzufuhrstroms besteht das System aus einem Sensor, einem Konverter und einer Steuerzentrale. Der Sensor besteht aus einem Vortex-Generator und einem Vortex-Detektor, die in erster Linie für die Messung des Luftzufuhrstroms und deren Umwandlung in ein entsprechendes Frequenzsignal verantwortlich sind. Dieses Frequenzsignal wird im Konverter geformt und verstärkt und gibt ein 4–20-mA-DC-Steuersignal an die Steuerzentrale aus. Dort wird der gemessene Luftstrom angezeigt, aufgezeichnet und analysiert und dient als kritische Referenz für den Kesselbetriebsstatus im Kraftwerk.
Beim Einsatz von Wirbeldurchflussmessern zur Messung des Kesselluftstroms muss sorgfältig auf die Auswahl des Instrumentenbereichs und die Temperatur-/Druckkompensation geachtet werden. Durch die Aufrechterhaltung des gemessenen Flüssigkeitsdurchflusses innerhalb von 1/2 bis 2/3 der Kapazität des Wirbeldurchflussmessers wird sichergestellt, dass die Genauigkeit innerhalb akzeptabler Grenzen bleibt. Darüber hinaus müssen geeignete Temperatur- und Druckmessgeräte als Ergänzung zum Wirbeldurchflussmesser ausgewählt werden, um ein präzises und genaues Steuerungssystem für die Kesselautomatisierung zu schaffen. Mit Fortschritten in der Computer- und Mikroelektroniktechnologie haben intelligente Wirbeldurchflussmesser eine weite Verbreitung gefunden. Mit Durchflusskalibrierung und Selbstdiagnosefunktionen ermöglichen sie eine flexiblere Steuerung basierend auf den Betriebsbedingungen des Kraftwerkskessels und führen Fehlerkorrekturen durch, was eine ausgereiftere Technologie darstellt.
2.2 Anwendung in Rauchgasentschwefelungsprozessen
Durchflussmesser werden auch häufig bei der Rauchgasentschwefelung in Kraftwerken eingesetzt. Aufgrund des hohen Staubgehalts, der erhöhten Temperaturen und der korrosiven Eigenschaften der Rauchgasemissionen in Verbindung mit turbulenten und verwirbelten Bedingungen in den Abgaskanälen von Kesseln ist eine genaue Durchflussmessung eine Herausforderung. Zur Berechnung von Durchschnittswerten sind daher mehrere Messpunkte erforderlich. Die zahlreichen Messstellen in Kraftwerken -einschließlich Primärluft, Sekundärluft, Kesselspeisegas und entschwefeltem Rauchgas- stellen erhebliche Herausforderungen an die Rauchgasüberwachung. Rauchgas-Durchflussmesser für die Entschwefelung nutzen ein einzigartiges Prinzip, das auf der thermischen Dispersion basiert. Sie wandeln die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz am RTD des Sensors und der Durchflussrate in einen linearen Durchflusssignalausgang um. In Kombination mit speziellen Flussdatenmodellen und der Fuzzy-Control-Theorie erzeugen sie Steuersignale. Die Systemsteuerung wird durch spezielle Ladungsmesssonden und Scraping-Geräte erreicht.
3. Anwendungen von Durchflussmessern in Abwasseraufbereitungsprozesssystemen
Abwasserbehandlungssysteme für pharmazeutische Anlagen
Mit der rasanten Weiterentwicklung der modernen Industrie nimmt die Bedeutung der kommunalen Abwasserbehandlung weiter zu. Durchflussmesser finden in automatisierten Abwasseraufbereitungsanlagen umfangreiche Anwendung. Abwasser enthält erhebliche Schwebstoffe, Abwässer, Verunreinigungen, Krankheitserreger usw. Verschiedene Überwachungspunkte stellen unterschiedliche Anforderungen an Durchflussmesser. Sowohl elektromagnetische Durchflussmesser als auch Ultraschall-Durchflussmesser werden eingesetzt, wobei Ultraschall-Durchflussmesser in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, guten Integration und kompakten Größe immer häufiger eingesetzt werden.
Nehmen wir als Beispiel den Einsatz von Ultraschall-Durchflussmessern in der Abwasseraufbereitung: Durch die Integration von Ultraschall-Durchflussmessern in ein Parshall-Rinne wird der Abwasserfluss überwacht, um Zufluss- und Bypassventile zu steuern und so eine Durchflussregulierung in der Abwasserbehandlung zu erreichen. Innerhalb des automatischen Ultraschall-Durchflusskontrollsystems erfassen Ultraschallsensoren Durchflussinformationen. Durch Messung des Abstandes von der Nullposition zur Sensormembran und des gesamten Skalenbereichs wird der tatsächliche, der Höhe entsprechende Abwasserdurchfluss ermittelt und an den zentralen Mikroprozessor der Steuerung übermittelt. Nach der Umwandlung wird ein 4–20 mA-Impulssignal an die speicherprogrammierbare Steuerung in der zentralen Leitwarte ausgegeben. Nach der Kommunikation zeigt das Verwaltungsterminal Informationen an, einschließlich der momentanen Durchflussrate, des Maximalwerts, des Minimalwerts und der Durchschnittswerte. Es unterstützt Flussstatistiken und das Drucken und arbeitet auf der Grundlage einer Fehlerdiagnoselogik.
Wenn Systemfehler oder abnormaler Durchfluss auftreten, werden Alarminformationen ausgegeben, die den Bediener auffordern, das Einlassventil und das Bypassventil zur Durchflussregelung anzupassen und so die Produktionsanforderungen des Abwasseraufbereitungsprozesses zu erfüllen. Fortgeschrittenere Steuerungssysteme können den Durchfluss als variablen Eingang in die SPS im zentralen Kontrollraum behandeln. Dies ermöglicht eine direkte programmatische Berechnung und Steuerung der Einstellschritte für Einlassventil und Bypassventil. Gleichzeitig macht die Umstellung dieser Ventile auf einen elektrischen Antrieb den manuellen Eingriff des Bedieners überflüssig, was die Systemeffizienz weiter steigert.
Über diese Anwendungen hinaus werden Durchflussmesser in großem Umfang in Entschwefelungsprozessen, Gleichstromversorgungssystemen, Abwasserbehandlung bei der Kohlevergasung, Energiemessung, Umweltschutz und anderen Bereichen eingesetzt und durchdringen jede Energieumwandlungsstufe der industriellen Produktion. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung und der rasanten Entwicklung der Computer-Mikroelektronik-Technologie haben sich Durchflussmesser vom mechanischen zum elektronischen Design weiterentwickelt. Es entstehen immer wieder neue Arten von Durchflussmessern, die in Chinas Volkswirtschaft eine immer wichtigere Rolle spielen und vielversprechende Entwicklungsperspektiven aufweisen.