Расходомеры, датчики и реле потока в пищевой и фармацевтической промышленности. Обзор новинок россий

В пищевой промышленности и фармацевтике часто возникает необходимость измерения и контроля расхода в системах дозирования, смешивания, учета продукции. Здесь на помощь приходят большое количество различных приборов учета расхода жидкостей - расходомеров, ротаметров, датчиков и реле потока, основное отличие которых минимально возможное загрязнение продукта. Деление на расходомеры и датчики довольно условное: так расходомеры позволяют измерять значения расхода с большей точность, более 1%. Датчики потока хоть и обеспечивают меньшую точность, порядка 1% – 5%, зато более экономичны по стоимости. Реле потока предназначены для индикации превышения определенного, заранее заданного, значения расхода. Конечно же есть приборы, которые могут одновременно могут работать, например, как реле потока и расходомер или датчик потока.

В производствах, требующих соблюдение повышенных гигиенических норм и сам продукт зачастую довольно сложная субстанция, и при выборе прибора для контроля расхода требуются зачастую как знания технологии приготовления этого продукта, так и понимание принципа работы датчиков для контроля расхода. Сейчас, с развитием электроники, появлением новых материалов, доступности прецезионной механники и микромеханники на рынке появляется много новых моделей расходомеров и датчиков и реле потока, каждый из которых может занять свою нишу в промышленнсти. В статье рассматриваются основные типы приборов контроля расхода продукта, их применимость для решения конкретных задач и новые модели приборов, появлющихся в последние годы, способные с успехом эти задачи решать.
Наиболее широко представленны электромагнитные расходомеры, имеющие массу достоинств: широкий диапазон измерений, быстродействие, отсутствие перепада давления, высокая точность, а так же широкий выбор материалов для изоляции внутренней поверхности трубопровода. Электромагнитный расходомер работает на основании пропорциональной зависимости расхода от эдс, возникающей в потоке электропроводной жидкости, движущейся во внешнем магнитном поле. Электромагнитные расходомеры измеряют расход электропроводных жидкостей с удельной проводимостью выше 20 мкСм/см, однако некоторые модели могут измерять проводящие жидкости и от 5 мкСм/см. Практически все жидкости на водной основе, а это подавляющее большинство продуктов, может быть измерено электромагнитным расходомером. Причем это могут быть вязкие продукты как, например, гель или творожная масса.
Основными направлениями развития в технологии электромагнитных расходомеров явлются решение проблемы точного измерения расхода в сложных услвиях: когда продукт неоднороден по составу или трубопровод не полностью заполнен продуктом. Неоднородными продуктами, расход которых нужно измерять могут быть, например, газиованные жидкости с пузырьками газа или йогуртовая масса с кусочками фруктов. Задача решается путем измерения электродного сопротивления и шумов на электродах расходомера. Обрабатывая эти сигналы можно получить данные, например, об объемной доли пузырьков газа в жидкости. Принцип реализован в преобразователях IFC100 для расходомеров OPTIFLUX, производство компани KROHNE.
Так же новыми разработками являются электромагнитные расходомеры, работающие на постоянном токе который возбужнает магнитное поле в жидкости, тогда как старые модели работают на переменном токе. Расходомеры на постоянном токе лишены таких недостатков как например необходимость калибровки нуля.
Рынок электромагнитных расодомеров растет примерно на 5-7 % в год. Эта, относительно невысокая, цифра объясняется большой насыщенностью рынка. Основными производителями электромагнитных расходомеров для пищевой проышленности, поставляющих свою продукцию на российский рынок являются прежде всго немецкие комании Siemens, Endress & Hauser, Krohne. Среди российских компанй можно отметить «ТБН энергосервис» с моделью РМ-5-П.
Кориолисовые или массовые расходомеры. Принцип их действия основан на измерении силы (Кориолисова сила), возникающей в колебательных системах, когда газ или жидкость вижутся вдоль оси колебаний. К несомненным достинствам кориолисовым расходомеров можно отнести прежде всего измерение непосредственно массового расхода, а не объемного, как другие расодомеры. Высокуя точность так же большой плюс – это одни из самых точных приборов измерения расхода на рынке. Большой динамический диапазон, а так же способность измерять расход любых веществ – жидкостей и газов, неоднородных жидкостей. Единственный недостаток корилисовых расходомеров это высокая стоимость приборов. Однако сейчас, с появлением на рынке новых компаний, производителей массовых расходомеров, цены на это оборудование начинает снижаться, и уже доступны модели в ценовом диапазоне 3000 долларов.
Направлением развития технологии кориолисовых расходомеров можно считать дополнеие кроме стандартной функции измерения расхода также еще измерения температуры продукта и его вязкости, как это реализованно например в расходомере Promass 831 прозводства Endress & Hauser.
Основными производителями массовых расходомеров, поставляющих свою продукцию на российский рынок так же являются комании Siemens, Endress & Hauser, Krohne. Рынок корилисовых расходомеров растет ежегодно ориентировочно на 10-15 % в год.
Работа ультразвуковых расходомеров основанна на том факте, что скорость звука в направлении по движению потока будет выше, чем против движения. Ультразвуковой расходомер может измерять самые различные жидкости как проводящие, так и не электропроводные. Единственное ограничение обусловленно принципом работы ультразвукового расходомера. Для его точной работы необходимо, что бы поток жидкости внутри трубы был турбулентным. А это достигается когда скорость потока привысит определенное значение, причем это значение зависит преде всего от вязкости и температуры жидкости. То есть вязкие жидкости трудно измерять ультразвуковым расходомером, поскольку у них поток довольно ламинарный. Так же ультразвуковой расходомер плохо полходит для измерения малых потоков жидкостей, либо польсирующих потоков, когда скорость резко меняется с нуля до заданной величины ( а это характерная задача при дозировке продукта например).
Развитием ультразвуковых расходомеров может быть увеличение числа излучателей и приемников ультразвука на приборе. Это повышает точность расходомера из за того, что полнее учитывается неоднородности в скорости потока в сечении трубопровода. Этим путем идет например компания Siemens создав серию SonoFlow. Так же среди новинок ультразвуковые расходомеры, позволяющие использовать их не только для измерения расхода, но и скорости звука в продукте. А зная скорость звука можно получить результаты об плотности продукта, и следовательно о конетрации растворов. Например концентрации сахара в безалкогольных напитках.
Рынок ультразвуковых расходомеров растет на 10-15 % в год. Основные игроки так же Siemens, Endress & Hauser, Krohne. Вместе с тем на этот рынок выходят новые компании, такие как Ifm electronic, Honsberg, Kobold.
Механические и электронные датчики потока. В отличии от расходомеров, к этой группе приборов для измерения расхода жидкостей можно отнести устройства с точностью измерений 3-5 %. Высокая точность расходомеров нужна далеко не везде, и там, где можно обойтись малым, логично использовать именно датчики потока, которые превосходно справятся со своей задачей, и при этом их стоимость будет в разы, а то и в десятки раз меньше, чем у расходомеров. Например, при измерениии очень малых потоков жидкости (в фармацевтике или приготовлении пищевых ингредиентов) из расходомеров подойдет только кориолисов, стоимостью в тысячи далларов или калориметрический (тепловой) датчик потока ценой в несколько сот долларов.

Датчики потока так же можно разделить по принципу измерения.
Турбинные датчики потока. Это пожалуй самый старый тип приборов измерения расхода. Принцип работы основан на измерении скорости вращения лопастей турбинки потоке жидкости. Такие датчики обеспечивают точность потока порядка 3%. Основное ограничение у турбинных датчиков потока это работа только с жидкостями с низкой вязкостью. Вязкие жидкости приносят большую ошибку в резльтаты измерений. Развитие технологии турбинных датчиков потока идет прежде всего за счет использования прецезионных деталей и новых материалов в конструкции датчика. Компания Kobold представила турбинный расходомер, который может измерять расход, начиная от 0, 002 л/мин. Это стало возможным благодаря особо точному изготовлению турбинки, а так же новых материалов подшипников для турбинки.
Турбинные расходомеры прочно заняли свою долю на рынке и не собираются сдавать ее, вырастая в объеме продаж на 5%. Основные производители – Krohne, Honsberg, Kobold.
Как говорилось выше, турбинные датчики потока нельзя использовать для измерения расхода вязких жикостей. Если такая задача стоит, то используется разновидность – шестеренчатый датчик расхода. Частцы продукта захватываются двумя шестернями и проходят через полости между зубьями шестерен. Объем этих полостей известен, поэтому подсчитывая количество оборотов шестерен, можно вычислять объем пршдшей жидкости, а следовательно и ее расход. Точность таких датчиков порядка 2-3%. Из принципа работы следует и путь повышения точности – использование прецезинных шестерен, таких, где объемы полостей извесны с еще большей точностью. Помимо работы с очень вязкими жидкостями и даже пастами у шестеренчатых расходомеров есть еще одно важное достоинство, которого нет пожалуй не у одного другого прибора измерения расхода – это отсутствие ограничения на минимальую скорость потока. В задачах фасовки и дозировке продукта сам продукт движется с переменной скоростью – переодически поток останавливается. И именно когда поток имеет нулевую скорость, а так же в поменты когда он набирает скорость или останавливается обычные расходомеры измеряют с большой погрешностью. Шестеренчатые датчики потока полностью лишены этого недостатка. Основные изготовители Honsberg и Kobold.
Калориметрические или тепловые датчики потока, используют принцип теплопереноса – измерние тепла, перенесенного потоком жидкости от нагревателя к датчику температуры. Ранее, основной проблемой таких датчиков потока была довольно большая нелинейность показаний. Теперь с помощью многоточечной калибровки, записанной в электронную память каждого прибора индивидуально и микропроцессороной обработки данных, приборы вдают линейные показания во всем диапазоне измерений. Главные сектора, где используются калориметрические датчики потока: измерение микроколичеств жидкостей (Honsberg, Turck, EGE electronic), пищевая промышленность и фармацевтика – за счет возможности промывки и стерилизации непосредственно в системе (Ifm electronic, Turck, Negele). Рынок калориметрических датчиков расхода растет на 10 – 15% в год.

Новые технологии на рынке расходометрии.
Развитие науки и техники постоянно приносит новые модели расходомеров и датчиков. Электронная обработка сигнала повышает точность, устойчивость к помехам, добавляет удобство в эксплуатации. Новые материалы открывает новые сектора использования для каждого типа приборов, например работу с агрессивными жидкостями или напротив с пищевыми продуктами. Использование других физических принципов при измерении расхода позволяет ставить приборы там, где ранее это было трудно или невозможно. Датчик расхода серии XF производства компании Honsberg работает по принципу свободных динамических колебаний заслонки. Частота этих колебаний пропорциональна скорости потока. При невысокой стоимости датчик расхода серии XF имет очень большой динамический диапазон, простоту и долгий срок службы, а так же возможность работы с кристаллизующимися жидкостями.

Промышленные компьютеры RTS-Master для пищевой промышленности
Резюмируя вышесказанное, можно констатировать, что украинские предприятия пищевой промышленности могут приобретать доступные по цене и надежные решения в области промышленных компьютеров для проектов оптимизации и учета материальных потоков