«Главная» метрологическая характеристика любого средства измерений — это его погрешность. Погрешностью средства измерений мы называем разность между показаниями данного средства и истинным значением измеряемой физической величины. Но здесь есть одна «философская» тонкость. Истинные значения нам неизвестны в принципе — иначе измерения не нужны были бы вовсе. Поэтому мы определяем погрешность во время поверки, сравнивая показания поверяемого средства измерений с неким эталоном (или с показаниями эталонного средства измерений) — и считаем, что в ходе эксплуатации наше средство измеряет с погрешностью не хуже той, которая была продемонстрирована в метрологической лаборатории. Но это — тоже условность, и связана она с тем, что «погрешности бывают разные».
Если мы заглянем, например, в паспорт комплекта термопреобразователей сопротивления, то найдем там такие метрологические характеристики этого средства измерений:
- диапазон измеряемой разности температур — от 0 до 180°С;
- погрешность измерения разности температур — ±(0,10+0,002Dt).
Отсюда ясно, что если разность температур, которую мы измеряем, составляет, например, 100°С, то при измерениях при помощи данного комплекта термопреобразователей мы, возможно, ошибемся в ту или другую сторону, но не более чем на 0,3°С. Все просто и понятно. А теперь открываем паспорт какого-либо расходомера и читаем что-то вроде вот этого:
- предел допускаемой основной относительной погрешности при преобразовании расхода в выходной электрический сигнал — ±1,0%.
Понятно, что «относительная погрешность» — это та, которая нормируется не в литрах (кубометрах), а в процентах. Т.е. при измерениях расхода 1 м 3 /час данный расходомер «имеет право» ошибаться на 0,01 м 3 /час, при измерениях расхода 100 м 3 /час — уже на 1 м 3 /час. А вот что такое «основная погрешность»? И если есть «основная», то должны быть и некие «дополнительные»?
Да, они есть. Например, температурная погрешность, которая зависит от температуры измеряемой жидкости. Подавляющее большинство отечественных производителей в своей документации о дополнительных погрешностях ничего не пишут. Вероятно, тем самым они намекают на то, что любые дополнительные погрешности пренебрежимо малы по сравнению с основной. Но в руководствах по эксплуатации некоторых приборов можно найти, например, такие сведения:
- пределы дополнительной погрешности от влияния температуры измеряемой среды — 0,05% на каждые 10°С.
Много это или мало? На 100°С — уже 0,5%, т.е. половина основной погрешности...
Но к чему мы начали весь этот разговор? К тому, что, говоря о погрешности, нужно ясно понимать, что это такое, и о какой именно погрешности идет речь. Производитель, указывая в документации только предел основной относительной погрешности, как бы «минимизирует свои риски». Ведь раз нормирована только эта погрешность (эта составляющая погрешности), то и при поверке — на стенде — будет контролироваться только она, по ней расходомер будет получать допуск в эксплуатацию. А в этой самой эксплуатации — в подвале — будут проявляться и другие, дополнительные погрешности, и они могут быть значительными, но мы о них ничего не знаем и не можем их контролировать. Т.е. расходомер должен ошибаться, например, не более чем на 1%, но может ошибаться и на 1,5%, и еще на сколько-нибудь, и это может быть объяснено, но не может повлечь за собою никаких санкций. Парадокс? Возможно.
Что интересно: в наших «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя» требования к метрологическим характеристикам расходомеров (водосчетчиков) сформулированы так (п.5.2.4.):
«Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2%... ».
Данная формулировка порождает вопросы. Во-первых, о какой погрешности идет речь — «основной» или «вообще»? Если в документах моего водосчетчика написано: «основная относительная — 2%», то пригоден ли он для учета «по Правилам»? Ведь если основная — уже 2%, и есть какие-либо дополнительные, то «в сумме» получим больше... Во-вторых, в Правилах говорится о погрешности измерений «массы (объема)». Но подавляющее большинство типов применяемых в теплоучете расходомеров массу не измеряют — это функция тепловычислителя. Мы можем предположить, что погрешность «расчета» вычислителем массы по показаниям «объемных» расходомеров (в таком расчете будут участвовать еще и показания термопреобразователей, и датчиков давления, если они есть) пренебрежимо мала, и можно считать погрешность измерений массы теплосчетчиком равной погрешности измерений объема водосчетчиком (расходомером). Но это, в общем-то, не совсем строгое и не вполне законное предположение.
Проливная поверочная установка
Также некорректно отождествлять погрешность измерений расхода и объема, поскольку расход и объем — это разные физические величины. Все гораздо более понятно, когда речь идет о единых теплосчетчиках: для них нормированы погрешности «каналов измерения» объемов и масс. Но когда мы берем отдельный расходомер, в паспорте которого — «предел допускаемой основной относительной погрешности преобразования объема в выходной электрический сигнал», то понять, соответствует ли он требованиям Правил учета, непросто. Также непросто сравнить его с каким-либо другим расходомером, для которого производитель указал, например, «предел допускаемой относительной погрешности измерений расхода». Разные формулировки, но разный ли в них смысл? Формально — да.
Следующий нюанс: любой расходомер метрологически работоспособен только в каком-то определенном диапазоне измеряемых расходов. Т.е. не может измерять (или может, но с погрешностями, при которых измерения уже не имеют практического смысла) слишком маленькие и слишком большие расходы. Величины нижнего и верхнего пределов диапазона, а также соотношение между ними (так называемый динамический диапазон) зависят от диаметра расходомера (Ду, условный проход) и от его типа. Так, например, качественный электромагнитный расходомер способен измерить меньший расход, чем качественный же вихревой того же Ду; электромагнитный расходомер Ду20 способен измерить меньший расход, чем электромагнитный расходомер той же марки Ду200 — и т.д., и т.п. Для иллюстрации приводим таблицу, в которой указаны диапазоны неких вихревого, ультразвукового и электромагнитного преобразователей расхода, в которых «относительная погрешность преобразования расхода и объема в выходные сигналы» (вероятно, основная), не выходит за рамки ±1%.
При этом производитель для тех же расходомеров в рекламе может указывать большие динамические диапазоны: например, 1:100 для ультразвукового и т.д. Это не обман: просто «широкий» диапазон делится на поддиапазоны: «внизу» (например, от 0,7 до 1,4 м 3 /час для Ду50) погрешность не превышает 3%, «вверху» (от 1,4 до 70 м 3 /час)1:100 не превышает 1%, что и отражено в нашей таблице. А, например, для нашего вихревого «рекламный» диапазон составит 1:32, но в его нижней части (например, от 1,0 до 2,0 м 3 /час для Ду50) погрешность нормирована на уровне 1,5%. Таким образом, сравнивать эти «1:32» с «1:100» ультразвукового расходомера напрямую нельзя; корректно сравнивать только те диапазоны, в которых для данных расходомеров нормирована одинаковая погрешность.
Кстати, частично процитированный нами выше п.5.2.4 Правил учета более полно выглядит так:
«Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2% в диапазоне расхода воды и конденсата от 4 до 100% ».
«От 4 до 100%» — это динамический диапазон 1:25, т.е. значение расхода на нижней границе составляет 4% или одну двадцать пятую часть от значения на верхней границе. По приведенной нами выше таблице видно, что ультразвуковой и электромагнитный расходомеры укладываются в эти рамки «с большим запасом»: у них погрешность не превышает 1% в диапазонах 1:50 и 1:100 соответственно. Вихревой также уложился: хотя в таблице видим диапазон всего 1:16, но из пояснений под таблицей знаем, что у данного прибора погрешность не превышает 1,5% в динамическом диапазоне 1:32.
Итак, из всего вышесказанного должно стать понятно, что, оценивать или сравнивать метрологические характеристики различных расходомеров можно только тогда, когда они, образно говоря, «приведены к общему знаменателю». Т.е. когда речь идет об одних и тех же составляющих погрешности и о диапазонах, в которых погрешности рассматриваемых приборов одинаковы.
Очень часто в разговорах применительно к расходомерам используют понятие «класс точности». Например, говорят: «наш расходомер имеет класс точности 1% ». Однако согласно общепринятому определению (см. «РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения») «класс точности — это обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность ». Поэтому расходомер, у которого предел основной относительной погрешности — 1%, нельзя назвать расходомером «класса точности 1%», ведь в эту «цифру» не входят ни дополнительные погрешности, ни «другие характеристики, влияющие на точность».
«Диаметры» расходомеров
Рассуждая выше о диапазонах измерений, мы упомянули такую характеристику расходомеров, как их «диаметр». Собственно, говорить «диаметр расходомера» не совсем корректно, ведь «в общем и целом» расходомер представляет собою не цилиндр и не шар. У него есть некие габаритные размеры, из которых с т.з. монтажа наиболее важным является длина. А диаметр в общем случае есть у проточной части. Но мы обычно говорим не о каком-то реальном диаметре, а о таком параметре, как условный проход. Его обозначают как Ду (у нас) или DN, как принято на Западе. Часто пишут «Ду — столько-то миллиметров », но это тоже неграмотно. Ведь по определению «Ду (DN) — это параметр, принимаемый для трубопроводных систем в качестве характеристики присоединяемых частей. Параметр Ду не имеет единицы измерения и приблизительно равен внутреннему диаметру присоединяемого трубопровода, выраженному в мм, округленному до ближайшей величины из стандартного ряда ». Таким образом, труба Ду100 может иметь внутренний диаметр и 95, и 105 мм — с расходомерами же все еще сложнее.
Проточная часть расходомера
Дело в том, что проточные части различных преобразователей имеют различные конфигурации. Например, у некоторых расходомеров вы можете увидеть конусообразное сужение «на входе» и такое же конусообразное расширение «на выходе». А есть приборы (в частности, электромагнитные), у которых проточная часть вообще имеет прямоугольное сечение. Поэтому «расходомер Ду100» — это в общем случае расходомер, который имеет фланцы Ду100 для присоединения к трубопроводу, но «проход» для воды внутри него совсем необязательно имеет диаметр около 100 мм (и уж точно не 100,00 мм ровно).
Также очень редко расходомер какого-либо Ду монтируется в трубу того же самого Ду. Дело в том, что расходы (скорости) теплоносителя в системах теплоснабжения, как правило, невелики. А преобразователи расхода, как мы уже упоминали выше, не могут измерять слишком маленькие расходы. И если, например, расход в трубе Ду100 не превышает, скажем, 5 м 3 /час, то для обеспечения корректных измерений мы должны будем эту трубу «заузить». На сколько? — зависит от того, какой именно расходомер мы планируем применить. Вернитесь к нашей таблице с диапазонами: в случае с электромагнитным расходомером это может быть Ду80 или 50, в случае с ультразвуковым — Ду50 или 32... впрочем, чрезмерное уменьшение диаметра может плохо повлиять на гидравлику системы, особенно если не настраивать ее дополнительно.
Для изменения диаметра трубопровода в месте установки расходомера и возврата на прежний диаметр после этого места используются конические переходы (конфузоры — сужения и диффузоры — расширения). При этом сразу после перехода расходомер не ставится: для «успокоения», формирования равномерного потока необходимо, чтобы и до, и после преобразователя были прямолинейные участки, Ду которых соответствует Ду расходомера. Протяженность этих участков указана в документации на расходомер каждого конкретного типа, однако общее правило таково: чем они длиннее, тем лучше.
Расходомеры в узле учета: Ду трубопровода больше, чем Ду расходомеров
Таким образом, расходомер подбирается не по Ду трубы, на которую он должен быть установлен, а по диапазону расходов, которые он должен измерять. Чаще всего в месте монтажа расходомера приходится делать переход с исходной трубы на трубу, Ду которой соответствует Ду выбранного преобразователя, а для присоединения использовать фланцы (или, например, резьбовые фитинги) данного Ду. Ду не имеет единицы измерения, внутреннему диаметру проточной части расходомера равен лишь приблизительно или не равен вовсе. Стандартные значения Ду преобразователей расхода (расходомеров, водосчетчиков) — 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200 и т.д. При этом необязательно расходомер любого типа выпускается на каждый из Ду этого ряда.
На этом нашу лекцию о преобразователях расхода мы снова прервем. В следующий раз поговорим о типах расходомеров, а потом уже перейдем к тепловычислителям и теплосчетчикам «в сборе».
Ультразвуковые расходомеры - это приборы основанные на измерении зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.
Ультразвуковой расходомер – это устройство, прямым назначением которого является измерение акустических эффектов, возникающих при движении вещества, расход которого необходимо измерить. Решение купить ультразвуковой расходомер будет идеальным, если требуется измерить объем или расход любых жидкостей, передающихся с помощью напорного трубопровода. Если необходим строгий контроль и учет таких показателей, как расход холодной или горячей воды, объем подачи различных нефтепродуктов, газа или отходов, лучшим вариантом будет заказать ультразвуковые расходомеры, которые помогут оперативно и просто контролировать данные параметры.
Руководящий состав большинства современных предприятий сходится во мнении, что цена расходомера – маловажный показатель, когда речь идет об экономии в масштабах корпорации. Современный ультразвуковой расходомер – это прибор, который отличается простотой и надежностью в эксплуатации, а также высокой точностью, что делает его отличным решением по низкой цене.
Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера, появившиеся позже. Главное распространение получили расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Ультразвуковые расходомеры, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.
Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.
Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5-1 %. Значительно чаще ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более.
Существующие ультразвуковые расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют в ультразвуковых расходомерах газа.
Излучатели и приемники акустических колебаний.
Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний - главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение - обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.
Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у природного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колебаний в ультразвуковых расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материалы, главным образом титанат бария и цирконат титаната свинца - твердый раствор цирконата и титаната, свинца, имеющие большой пьезомодуль и высокую диэлектрическую проницаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После специальной обработки поверхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большинстве случаев путем серебрения). К этому слою припаивают соединительные провода.
Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте пьезоэлемента. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пластины. Для веществ, содержащих механические примеси или газовые пузыри, когда необходима небольшая частота приходится применять пьезокерамику большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерамической пластины наклеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготовляют в виде круглых дисков диаметром 10-20 мм, иногда менее.
Принцип действия и разновидности ультразвуковых расходомеров с колебаниями, направленными по потоку и против него.
В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Прохождение ультразвука направленного по потоку и против него характеризуется значением скорости прохождения требуемого расстояния и время затраченное на его прохождение.
Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости.
Имеется несколько способов измерения очень малого значения времени: фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры). Большое распространение получил последний метод и его разновидности.
По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двулучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство - отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового.
Влияние профиля скоростей.
Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Рассмотрим это влияние для наиболее распространенных расходомеров с угловым вводом акустических колебаний в одной точке. При этом ультразвуковой луч будет реагировать на скорость, усредненную по диаметру, которая всегда будет больше средней скорости, усредненной по площади сечения трубопровода. Если акустические колебания посылать не в диаметральной плоскости, а в плоскости, проходящей через какую-либо из хорд. Действительно, по мере удаления хорды от диаметра скорость, усредненная по хорде, будет уменьшаться и при некотором расстоянии между диаметром и хордой, равном (0,5-0,54)D/2, скорость в турбулентной зоне станет равной усредненной. Зондирование по хорде способствует повышению точности измерения расхода, особенно если оно производится по нескольким хордам, но при этом устройство ультразвукового расходомера усложняется. Зондирование по нескольким хордам целесообразно прежде всего в образцовых установках, а также при измерении деформированных потоков, особенно в трубах большего диаметра, где трудно обеспечить достаточную длину прямого участка. Это дает снижение погрешности до 0,1 %, но зато здесь при ламинарном режиме погрешность возрастает до 3,5 %. Большая точность получается при зондировании по четырем (рис. 1,б, в) или пяти хордам. Имеются несколько вариантов расположения четырех хорд. В одном из них две параллельные хорды расположены на расстоянии 0,5D/2 от горизонтального диаметра, а две параллельные другие на таком же расстоянии от вертикального диаметра (рис. 1, б). Здесь длины всех хорд равны, что упрощает обработку результатов измерения. В другом варианте (рис. 1, в) все четыре хорды параллельны, причем две из них находятся на расстоянии 0,309D/2, а две другие - на расстоянии 0,809D>/2 от диаметра.
Рисунок 1. Схемы расположения хорд для акустического зондирования в ультразвуковом расходомере.
Зондирование по пяти хордам может осуществляться в разных вариантах. Зондирование по пяти параллельным хордам, расположение которых выбрано по квадратурной формуле Гаусса.
Рисунок 2. Ультразвуковой расходомер с акустическим зондированием по трем пространственным хордам.
Зондирование может производиться последовательно по пяти хордам, отстоящим на расстоянии 0.5D/2 от центра трубы и расположенным не в одной плоскости, а в пространстве (рис. 2). Во фланцах 1 и 8 смонтированы два пьезоэлемента 3 и 6 и два отражателя 2 и 7. Другие два отражателя 4 и 5 находятся на противоположных сторонах стенки трубы. Пьезоэлемент 3 утоплен для уменьшения влияния акустических помех. Проекции хорд, по которым проходят акустические каналы, на сечение, перпендикулярное к оси трубы, образуют равносторонний треугольник. При последовательном зондировании упрощается схема обработки сигнала и устраняются реверберационные помехи, так как рабочие и отраженные сигналы разделены во времени. Многоканальные акустические расходомеры могут обеспечить высокую точность, не требуют экспериментальной градуировки и могут применяться в качестве образцовых, но они сложны и встречаются сравнительно редко.
Для обычных ультразвуковых расходомеров с зондированием в диаметральной плоскости необходима или экспериментальная градуировка, или же определение поправочного множителя с достаточной точностью. К сожалению, выполнить это не так просто.
На самом деле колебания распространяются в узком пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через две хорды, каждая из которых отстоит от диаметральной плоскости на расстоянии d/2 в ту и другую сторону (d - диаметр излучающего пьезоэлемента). Помимо этого, вследствие различия скоростей по сечению трубы путь ультразвукового луча отличается от прямолинейного.
Для повышения точности ультразвукового расходомера перед преобразователем расхода можно установить сопло или сходящийся конус (конфузор), создающий на выходе весьма равномерный профиль скоростей, при котором множитель может быть принят равным единице. Особенно это необходимо при недостаточной длине прямого участка и, следовательно, деформированном профиле скоростей. Если в трубопроводе имеются сопротивления, закручивающие поток, то перед соплом или конфузором следует поместить струе выпрямитель.
При малых диаметрах труб гидродинамическую погрешность можно исключить, если изготовить преобразователь расхода с прямоугольным каналом и прямоугольными пьезоэлементами, создающими акустические колебания по всему поперечному сечению потока.
Преобразователи ультразвуковых расходомеров.
Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключением применяют дисковые, дающие направленное излучение.
Если пьезоэлементы установлены снаружи трубы, то преломление луча происходит в ее стенках, но и при внутренней установке пьезоэлементов иногда считают целесообразным внутреннюю полость угловых карманов заполнять звукопроводами из металла или органического стекла, в которых также происходит преломление луча. Учитывать снос надо лишь в преобразователях, имеющих преломление луча, а влиянием скорости потока можно пренебречь.
Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах 5-20 мм. а их толщину в зависимости от частоты. В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту 5-10 МГц, а иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение способствует повышению точности измерения. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.
При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.
На рис. 3 показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В первых двух схемах (рис. 3, а, б) применяют кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент - излучающий, а два крайних - приемные.
Рисунок 3. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров.
Преобразователи сферического излучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра, чтобы получить достаточную длину измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях диаметра очень мала. Получить большую длину можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (рис. 3, в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 3, ж), если применены отражатели (рис. 3, д) или специальные волноводы (рис. 3, е). Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рис. 3, г - двухканальная, остальные - одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На рис. 3, ж-к показаны одноканальные, а на рис. 3, л,м - двухканальные схемы. В большинстве случаев (рис. 3. ж-и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впадинами - карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (рис. 3, ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (рис. 3, и). В некоторых случаях (рис. 3, к) пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее измеряемому веществу. Преобразователи по схемам на рис. 3, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобразователя с многократным отражением показана на рис. 3, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, отражаясь от противоположных стенок канала. Такой преобразователь исследован при работе в небольших каналах квадратного и круглого сечении.
Преобразователи со свободными карманами во избежание их засорения применяют лишь для чистых и неагрессивных сред. Тем не менее, некоторые фирмы предусматривают подвод воды для очистки. Другой их недостаток - возможность появления вихреобразования и влияние на профиль скоростей.
Преобразователи с преломлением (рис. 3, и, к) лишены этих недостатков. Кроме того, они способствуют снижению реверберационной погрешности, так как предотвращают попадание на приемный элемент отраженных колебаний. Но при изменении температуры, давления и состава измеряемого вещества угол преломления и скорость звука в материале звукопровода будут изменяться.
Пример простой конструкции узла пьезоэлемента преобразователя расхода газового бензина показан на рис. 4.
Рисунок 4. Преобразователь расходомера.
Внутри трубки 3, укрепленной на сетке 2, проходят проводники 4, из которых один соединен с центром дискового пьезоэлемента 7, а другой с помощью контактов 6 из фольги - с его краями. Все это залито эпоксидным компаундом 5 и защищено фторопластовой оболочкой 1. Многолетняя заводская эксплуатация подтвердила надежность работы данного узла.
Более сложным является устройство узла преобразователя с жидкостным звукопроводом, расположенным снаружи трубопровода. Такой преобразователь предназначен для труб, имеющих диаметр 150 мм, и служит для измерения расходов жидкости в пределах 20-200 м3/ч при давлении 0,6 МПа, он применен в расходомерам для малых труб.
Рисунок 5. Преобразователь с кольцевыми пьезоэлементами для труб малого диаметра.
Внутри изоляционной втулки находится дисковый пьезоэлемент диаметром 20 мм. Он прижимается к мембране из оргстекла. Далее акустические колебания передаются через компрессорное масло и стенку трубопровода измеряемому веществу. Масло залито в полость, образованную корпусом и площадкой, вышлифованной в стенке трубопровода.
Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, возникающих на приемных пьезоэлементах, от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Действительно, при условии, что начальные фазы обоих колебаний, имеющих период и частоту, совершенно одинаковы.
Было предложено и реализовано много схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных расходомерах большим разнообразием отличаются схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием, в частности, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием. Подобная схема применена в одноканальном расходомере, разработанным для измерения расхода суспензии полиэтилена в бензине в трубе диаметром 150 мм, Q = 180 м /ч, частота колебаний 1 МГц. Угол излучения 22°. Приведенная погрешность ±2 %. Пьезоэлементы расположены снаружи трубы (см. рис. 3, к). Электронная схема расходомера включает в себя коммутирующее устройство; задающий генератор; два генератора амплитудно-модулированных колебаний, поступающих на пьезоэлементы; устройство регулировки фазы, состоящее из усилителя ограничителя, усилителя мощности, реверсивного двигателя, фазовращателя и фазорасщепителя; измерительный фазометр и фазометр синхронизации, из которых каждый состоит из катодного повторителя, селекторных усилителей, фазового детектора и схемы автоматической регулировки усиления.
В расходомере, разработанном для контроля нефти и нефтепродуктов, переключение пьезоэлементов с излучения на прием производится с помощью мультивибратора, управляющего модуляторами задающего генератора. Особый генератор создает синусоидальное напряжение низкой частоты, из которого в триггерном устройстве образуются прямоугольные импульсы. Задний фронт этих импульсов служит для включения мультивибратора.
В схеме расходомера, ультразвуковые колебания частотой 2,1 МГц в течение 500 мкс распространяются навстречу друг другу со сдвигом фазы на 180°, после чего мультивибратор переключает пьезоэлементы с режима излучения на режим приема. В другом зарубежном расходомере переключение производится особым генератором, создающим сигналы двух форм. Один из сигналов включает генератор, возбуждающий колебания пьезоэлементов, второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием. Принятые колебания после усиления преобразуются в импульсы прямоугольной формы. После прохода через детектор сдвига фаз ширина импульсов на выходе пропорциональна этому сдвигу. На выходе после выпрямления имеем напряжение постоянного тока, пропорциональное расходу. Частота колебаний 4,2 МГц, частота переключения пьезоэлементов 4,35 кГц. Угол наклона пьезоэлементов 300. Диаметр трубы 100 мм.
Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излучения на прием созданы фазовые одноканальные расходомеры, не требующие переключения. В таких расходомерах оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот, например 6 МГц и 6,01 МГц.
Рисунок 6. Схема фазового ультразвукового расходомера.
Более простые электронные схемы имеют двухканальные фазовые расходомеры. На рис. 6 показана схема предназначенного для измерения расхода жидкостей в трубах, имеющих D, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на Qmax, равный 30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч. Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2,1) рад. Погрешность расходомера +2,5 %. Генератор Г с помощью согласующих трансформаторов связав с пьезоэлементами И1 и И2. Ультразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 1, мембраны 3, герметично вмонтированные в стенки трубопровода 4, проходят через измеряемую жидкость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П2. Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегулятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляемых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2; фазового детектора ФД и измерительного прибора (потенциометра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. Приведенная погрешность расходомера ±2,5 %.
Фазовые расходомеры были раньше самыми распространенными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимущественное применение имеют другие расходомеры, с помощью которых можно получить более высокую точность измерения.
Частотные ультразвуковые расходомеры.
Частотными называются ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него.
В зависимости от того, измеряются ли разности частот пакетов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, проходящих через жидкость или газ, расходомеры называются частотно-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего с двумя акустическими каналами показана на рис. 7. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы Ml и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2. Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов М1 и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания достигнут их. Прибор, подключенный к смесительному каскаду См, будет измерять разность частот.
Рисунок 7. Частотно-пакетный двухканальный расходомер.
В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров.
Незначительная разность частот у частотных расходомеров - существенный недостаток, затрудняющий точное измерение.
Поэтому предложено несколько способов увеличения разности частот, реализованных в частотных расходомерах, построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот гармоники и измерение разностной частоты, а также умножение разности k раз перед поступлением в измерительное устройство. Способы умножения разностной частоты могут быть различны.
Рисунок 8. Схема одноканального частотного расходомера.
На рис. 8 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в к раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее. Преобразователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым поочередно поступают импульсы: к первому от генератора 4 с периодом повторения Т1, а ко второму от генератора 8 с периодом повторения Т2. Время прохождения акустических импульсов в трубопроводе по потоку т1 и против него т2, в к раз больше периодов Т1, и Т2 соответственно. Поэтому в потоке одновременно будет находиться к импульсов. При посылке акустических импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключает пьезоэлемент 1 к генератору 4, в пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При обратной посылке импульсов генератор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэлементу 1. С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дискриминатора времени 10, на который одновременно через коммутатор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 8, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 поступают одновременно с импульсами от генераторов. В противном случае на выходе дискриминатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усилителя 6. Это напряжение через коммутатор 11 подается через усилители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор пока напряжение на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов, вырабатываемых генераторами 4 и 8, измеряется частотомером 12. Расходомеры, аналогичные рассмотренному, иногда называют частотно-временными.
Другой путь умножения разностной частоты состоит в измерении разности частот двух генераторов высокой частоты, из которых у одного период колебаний пропорционален времени прохода акустических колебаний по направлению потока, а у другого - пропорционален времени прохода акустических колебаний против потока. После прохода через делительное устройство через каждые 6 мс посылаются два импульса, разделенные временем. Первый импульс проходит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохода, через акустический тракт. Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее частоту одного генератора, пока на схему сравнения не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равны. Погрешность измерения расхода не превышает ±1 %.
В рассмотренных одноканальных частотно-импульсных расходомерах имеется поочередная коммутация импульсов, направленных по потоку и против него. Это требует точного измерения и запоминания частот автоциркуляции импульсов по потоку и против него с последующим измерением разности. Кроме того, неодновременное зондирование по потоку и против него может дать погрешность из-за изменения гидродинамических свойств потока.
Этих недостатков лишены одноканальные расходомеры в которых одновременно автоциркулируют ультразвуковые сигналы по потоку и против него, которые совершенно безынерционны.
При этом исключаются большие погрешности, присущие способам запоминания частот автоциркуляций ультразвуковых сигналов по потоку и против него с последующим выделением сигнала разности частот автоциркуляций, выделения сигнала разностной частоты, основанном на подстройке частот генераторов, на реверсивном счете импульсов и др. Кроме того, в расходомерах предусмотрено автоматическое возобновление их действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустической непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, полный или частичный уход жидкости), расходомеры индицируют направление течения потока и измеряют расход в обоих направлениях течения потока. Расходомер показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуатации, приведенная погрешность расходомера не превышает ±0,5%. Расходомер разработанный для динамических измерений расхода топлива в авиационных двигателях, а также для измерения горючего в грузовых автомобилях. Результаты испытаний показали, что измерения расходомером не изменялись при резком повороте потока под углом 90° на расстоянии одного диаметра условного прохода перед преобразователем в плоскости оси преобразователя и оси узлов пьезоэлементов, т. е. совершенно не требуются длины прямолинейных участков труб. Переходная область течения в преобразователе находилась в начальном участке градуировочной характеристики расходомера. Резкого перегиба или излома характеристики в начальном участке не было, начальный участок градуировочной характеристики был таким же. Прибор имеет очень высокую сходимость измерений. В разных точках диапазона измерений при установившемся потоке повторялись все четыре цифры результатов двух или трех последовательно проводимых измерений.
Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры.
Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути.
Времяимпульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1-0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например, 0,5 кГц.
Рисунок 9. Схема одноканального времяимпульсного расходомера.
На рис. 9 приведена упрощенная схема одного времяимпульсного расходомера. Генератор Г создает импульсы, имеющие амплитуду 700 В, длительность 0,2 мкс и частоту следования 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работающих с частотой 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и П2. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы, а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ1 или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2. устанавливая его в активное состояние проводимости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени, прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение этого напряжения пропорционально времени. В момент прихода ультразвукового импульса к пьезоэлементу П2 устройство С2 отключается. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 устройство C1 вырабатывает напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством ИУ. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду. Общая погрешность измерения расхода равна ±0,5 %.
В одном отечественном времяимпульсном расходомере для повышения динамических характеристик и устранения возможности появления погрешности от асимметрии на оба пьезоэлемента одновременно подаются короткие импульсы, возбуждающие ультразвуковые колебания, движущиеся навстречу друг другу. После достижения ими противоположных пьезоэлементов в последних образуются электрические импульсы, которые вместе с импульсами от генератора проходят через усилители и формирователи, после чего поступают в устройство, вырабатывающее напряжение, пропорциональное времени.
Ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества.
Рассмотренные ранее ультразвуковые расходомеры служат для измерения объемного расхода. Для измерения массового расхода надо иметь отдельный дополнительный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, который посылает акустические колебания в измеряемое вещество. Напряжение, снимаемое с него, пропорционально удельному акустическому сопротивлению вещества, если последнее много меньше сопротивления генератора. Умножая электрический сигнал, создаваемый этим пьезоэлементом, на сигнал, пропорциональный объемному расходу, получим на выходе сигнал, пропорциональный массовому расходу. Подобное устройство, примененное в расходомере с акустическими колебаниями, перпендикулярными к движению потока, приведено далее на рис. 13.
Для устранения погрешности от изменения скорости ультразвука с в измеряемом веществе в фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара пьезоэлементов на противоположных концах диаметра трубопровода. Время прохождения акустических колебаний между ними обратно пропорционально скорости. Соответствующий корректирующий измерительный сигнал пропорционален скорости. Он возводится в квадрат и на него делится основной сигнал расходомера. Очевидно, результирующий сигнал будет пропорционален скорости и не будет зависеть от скорости ультразвука. На рис.10 дана схема подобного одноканального фазового расходомера. Программное устройство ПУ обеспечивает поочередную подачу от генератора Г электрических колебаний частотой 1/3 МГц и к пьезоэлементам П1 и П2 через коммутатор К. Принятые колебания от этих пьезоэлементов поступают через коммутатор К, приемное устройство П и преобразователь частоты Ч2, снижающий частоту до 1/3 кГц, в измеритель ИФ сдвига фазы между ними и исходными колебаниями, поступающими от генератора Г через преобразователь частоты Ч1. Устройство И измеряет разность сдвига фаз, пропорциональную разности времен, прохождения ультразвука по потоку и против него, и вырабатывает сигнал, пропорциональный скорости.
Рисунок 10. Схема фазового одноканального расходомера с коррекцией на скорость звука.
Пьезоэлементы ПЗ и П4 имеют свой генератор-усилитель ГУ и вырабатывают сигнал, пропорциональный времени прохождения ультразвука между ними и, следовательно, пропорциональный скорости звука. В устройстве Ик происходит деление сигнала на квадрат сигнала и в измерительный прибор ИП поступает сигнал, пропорциональный скорости. Его относительная погрешность 1 %.
Имеются схемы с компенсацией влияния скорости ультразвука для времяимпульсных расходомеров.
Показания частотных расходомеров не зависят от значения скорости звука и поэтому здесь не требуется коррекции на скорость ультразвука. Но если частотный расходомер измеряет массовый расход, то необходим пьезоэлемент, работающий на резонансной частоте. С его помощью образуется сигнал пропорциональный сопротивлению вещества, из которого надо исключить множитель скорости. Для этого в схему вводят блок сложения частот повторения импульсов или пакетов акустических колебаний по потоку и против него, имея в виду, что сумма частот пропорциональна скорости. Схема такого частотно-пакетного расходомера показана на рис. 11.
Рисунок 11. Схема частотно-пакетного массового расходомера.
Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.
Данные ультразвуковые расходомеры существенно отличаются от ранее рассмотренных тем, что здесь отсутствуют акустические колебания, направляемые по потоку и против него. Вместо этого ультразвуковой луч направляется перпендикулярно к движению потока и измеряется степень отклонения луча от перпендикулярного направления, зависящая от скорости и измеряемого вещества. Излучает акустические колебания лишь один пьезоэлемент. Воспринимаются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами.
Рисунок 12. Схема расходомера с излучением, перпендикулярным к оси трубы: а) - с одним приемным пьезоэлементом, б) – с двумя приемными пьезоэлементами;
(1- генератор; 2 – излучающий пьезоэлемент; 3, 5 – приемные пьезоэлементы; 4 – усилитель)
При одном приемном элементе (рис.12, а) количество акустической энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости, и выходной сигнал усилителя будет падать. В одной работе указывается, что сигнал становится равным нулю при скорости = 15 м/с (диаметр пьезоэлементов 20 мм, частота 10 МГц). При двух приемных пьезоэлементах 3 и 5 (рис.12, б), расположенных симметрично относительно излучателя 2, выходной сигнал дифференциального усилителя 4 возрастает с ростом скорости. При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы 3 и 5. включенные навстречу друг другу. Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. Схема с дифференциальным включением пьезоэлементов лучше. Она улучшает стабильность показаний, нарушаемую в схеме с одним приемным пьезоэлементом. изменением коэффициента поглощения под влиянием случайных причин. Тем не менее точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.
Рисунок 13. Схема расходомера с многократным отражением.
В связи с этим предложены расходомеры с многочисленным отражением акустических колебаний от стенок трубы. Колебания направляются не перпендикулярно к оси трубы, а образуют небольшой угол с ним (рис. 13). Путь ультразвукового луча при скорости = 0 изображен сплошной линией. В этом случае оба приемных пьезоэлемента получают одинаковое количество акустической энергии, и сигнал на выходе дифференциального усилителя УД отсутствует. Путь луча при появлении скорости v показан штриховой линией. Чем больше скорость тем большее количество энергии получает левый приемный пьезоэлемент по сравнению с правым и тем больший сигнал будет на выходе усилителя УД. От генератора Г сигналы поступают на излучатель 3 и коммутатор К. Вспомогательный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, дает сигнал, пропорциональный акустическому сопротивлению измеряемого вещества. Этот сигнал через схему и детектор коррекции ДК поступает в вычислительное устройство ВУ. Здесь он умножается на основной сигнал, пропорциональный скорости поступающий из усилителя УД через детектор Д. Результирующий сигнал, пропорциональный скорости, т. е. массовому расходу, измеряется прибором МП. Чувствительность такого расходомера достаточно высокая, но его показания зависят от состояния (коррозии и загрязнения) отражающих поверхностей трубы.
Ультразвуковые расходомеры особого назначения.
Ультразвуковой метод находит применение не только для измерения расходов жидкости и газов, движущихся в трубопроводах, но также для измерения скоростей и расходов этих веществ в открытых каналах и реках, в шахтных выработках и метеорологических установках. Кроме того, имеются разработки переносных расходомеров, предназначенных для установки снаружи трубопровода.
Рисунок 14. Переносной ультразвуковой преобразователь расхода.
Измерение расхода воздуха в шахтах. Два пьезоэлемента, установленные на одной стенке шахтной выработки, направляют акустические излучения небольшой частоты (16-17 кГц) в противоположные стороны. Приемные пьезоэлементы расположены на другой стенке на больших (5-6 м) расстояниях от излучателей магнитострикционного типа.
Измерение скорости воздуха в метеорологических установках. Акустические методы измерения скорости воздуха все шире внедряются в метеорологическую практику. Разрабатываются специальные конструкции преобразователей, предназначенные для применения в метеорологических установках. В одной из них пьезокерамическое радиально поляризованное кольцо создает ненаправленное излучение в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии.
Погрешности расходомеров основанных на перемещении акустических колебаний.
Неправильный учет профиля скоростей . Эта погрешность возникает от неравенства средней скорости потока измеряемого вещества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффициентом, определить точное значение которого затруднительно. В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение поправочный коэффициент еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибора принято постоянное значение поправочного коэффициента, соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает дополнительная погрешность измерения. При деформированных потоках истинное значение поправочного коэффициента особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам (см. рис. 1), или же устанавливать сопло или конфузор, выпрямляющие эпюру скоростей.
Изменение скорости ультразвука . Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности последних, которая изменяется с изменением температуры, давления и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость практически зависит лишь от температуры и содержания. Изменение скорости имеет существенное значение для фазовых и времяимпульсных расходомеров. У них погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь 2-4 % и более, так как при изменении скорости на 1 % погрешность возрастает на 2 %. У расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, погрешность в два раза меньше. У частотных расходомеров изменение значения скорости очень мало сказывается на результатах измерения.
Устранить влияние изменения скорости на показания фазовых и времяимпульсных расходомеров, а также расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, можно, применяя или соответствующие схемы коррекции, или же переходя на измерение массового расхода.
В первом случае вводится дополнительный акустический канал, перпендикулярный к оси трубы. Для фазовых расходомеров соответствующая схема дана на рис. 10. При измерении массового расхода вводится дополнительный пьезоэлемент, служащий для измерения акустического сопротивления среды, пропорционального сопротивления вещества (см. рис. 11 и 13).
В преобразователях с преломлением возможна частичная компенсация влияния с путем подбора материала эвукопровода и угла а его расположения Компенсация происходит потому, что температурное воздействие измерения показателя преломления на разность времен в фазовых и времяимпульсных расходомерах противонаправлено непосредственному воздействию на время изменения скорости. Но при значительных изменениях температуры этот способ малоэффективен из-за нестабильности температурных коэффициентов. Несколько большие возможности данный способ имеет при установке пьезоэлементов снаружи трубы и применении жидкостных звукопроводов.
Асимметрия электронно-акустических каналов . В двулучевых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустических каналов, что может вызвать существенную погрешность измерения разности времен перемещения по направлению потока и против него. Погрешность по времени складывается из погрешности времени, вызванной различием геометрических размеров каналов, обусловленной различием в них плотности измеряемого вещества.
Погрешность от геометрической асимметрии может быть компенсирована при нулевом расходе. Но при отклонении скоростей, при которых эта компенсация производилась, погрешность вновь возникнет, хотя и в значительно меньшей степени. Для уменьшения погрешности оба акустических канала располагают возможно ближе друг к другу. В этом отношении схемы с каналами, расположенными параллельно (см. рис. 3, л), лучше схем с пересекающимися акустическими каналами (см. рис. 3, м). Наибольшая погрешность может возникнуть в схеме с тремя пьезоэлементами (см. рис. 3, б). При малых диаметрах трубы и низкочастотном, а следовательно, плохо направленном излучении, когда трудно применить преобразователь углового типа, приходится применять особые меры для поддержания равенства температур в обоих каналах. Так, при измерении небольшого расхода каменноугольной смолы, содержащей твердые частицы и влагу, частота акустических колебаний была взята равной 0,1 МГц, а преобразователь расхода выполнен по схеме, показанной на рис. 194, г. Для выравнивания температуры в каналах, удаленных друг от друга, они просверлены в массивном металлическом блоке, покрытом теплоизоляцией.
Доплеровские ультразвуковые расходомеры.
Доплеровские расходомеры основаны на измерении, зависящем от расхода допплеровской разности частот, возникающей при отражении акустических колебаний неоднородностями потока. Разность частот зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости распространения этих колебаний.
При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов (рис. 15) относительно скорости или, что то же, оси трубы углы наклона равны друг другу.
Рисунок 15. Схема доплеровского преобразователя расхода (1,2 – излучающий и приемный пьезоэлемент)
Таким образом, измеряемая разность частот может служить для измерения скорости частицы отражателя, т. е. для измерения местной скорости потока. Это сближает допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на измерении местной скорости. Для их применения нужно знать соотношение между скоростью и частицы отражателя и средней скоростью поток. В одной работе рассмотрена возможность с помощью допплеровского метода измерить скорости в ряде точек диаметрального сечения потока, т. е. получить профиль скоростей. Для этого излучатель посылает в поток акустические импульсы длительностью 0,1-1 мкс и частотой 15-23 кГц. Приемное устройство открывается лишь на мгновение через время задержки после посылки импульса. Измеряя время задержки, можно получить информацию о скорости частиц, находящихся в разных точках сечения потока.
При небольших диаметрах труб (менее 50-100 мм) встречаются доплеровские расходомеры, у которых длины излучающего и приемного пьезоэлементов равны внутреннему диаметру трубы. Они реагируют не на одну, а на несколько местных скоростей частиц, находящихся в диаметральной плоскости сечения трубы. Пример такого прибора показан на рис. 16. Пьезоэлементы из титаната бария, длиной 20 мм, шириной 6-5 мм, частота излучения 5 МГц, допплеровский сдвиг частот порядка 15 кГц. Измеряемое вещество - однопроцентная суспензия бетонита, имеющая диаметры частиц не более 0,1 мм. Для исключения неопределенности показаний в переходной зоне пьезоэлементы в средней части были экранированы. Благодаря этому отношение скоростей в ламинарной зоне резко возросло и практически стало таким же, как и у турбулентной зоны, и наклон градуировочной прямой стал одинаковым в обеих зонах. Для предотвращения образования вихрей в сравнительно больших карманах, где установлены пьезоэлементы, свободной пространство в них заполнено фольгой из полистирола, имеющего одинаковое с водой акустическое сопротивление.
Теперь в большинстве случаев пьезоэлементы у допплеровских расходомеров помещают снаружи трубы. Это особенно необходимо в случае измерения загрязненных и абразивных веществ, но при этом надо считаться с дополнительными погрешностями, обусловленными, в частности, преломлением луча в стенке трубы.
Рисунок 16. Схема доплеровского расходомера в труде малого диаметра (1,2 – излучающий и приемные пьезоэлементы; 3 – генератор колебаний частотой 5 МГц; 4 – фильтр выпрямитель; 5 – усилитель; 6 – измеритель доплеровского сдвига частот)
По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей - отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 %.
Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности от окружающего вещества. Но и естественных неоднородностей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жидкостях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии рекомендуется вдувать в поток воздух или газ через трубку с отверстиями 0,25-0,5 мм на расстоянии перед преобразователем расхода. Расход вдуваемого газа составляет 0,005 0,1 % от расхода измеряемого вещества.
Акустические длинноволновые расходомеры (низкой частоты).
В отличие от всех ранее рассмотренных ультразвуковых расходомеров длинноволновые акустические расходомеры работают на низкой (звуковой) частоте. Схема преобразователя расхода опытного образца такого расходомера показана на рис. 17.
Рисунок 17. Низкочастотный акустический расходомер.
Источник акустических колебаний - громкоговоритель 1, установленный на входном участке латунной трубы диаметром 50 мм. Этот участок с помощью муфты 2, предотвращающей передачу вибраций и других помех, соединен с трубой 3, на которой на расстоянии 305 мм друг от друга размещены два микрофона 4. Их крепление снабжено прокладками 5 из пористой резины. Приемные диафрагмы микрофонов расположены заподлицо с внутренними стенками трубы. Акустические колебания, создаваемые источником 1, имеют длину волны, в несколько раз превосходящую диаметр трубопровода, что благоприятно для устранения высокочастотных помех. Эта волна отражается от обоих концов трубы, в результате чего в последней навстречу друг другу движутся две волны. Эти две волны образуют стоячую волну в трубопроводе. Амплитуда последней в узлах не равна нулю, так как амплитуды волн, движущихся навстречу, не равны друг другу. Так, если источник звука 1 установлен до микрофонов, то волна, движущаяся по потоку, образуется из сложения волны, образованной источником 1, и волны, отраженной от переднего конца трубы, в то время как обратная волна - только отраженная от выходного конца и местных сопротивлений между ним и микрофонами. Следует избегать установки микрофонов вблизи узлов стоячей волны. При скорости потока = 0 фазы синусоидальных сигналов обоих микрофонов совпадают. С появлением скорости возникает сдвиг фаз, возрастающий с увеличением скорости. Расстояние L между микрофонами выбирают так, чтобы оно равнялось длине волны или ее половине.
Выводы.
Из четырех рассмотренных разновидностей акустических расходомеров наибольшее применение получили приборы с ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры со сносом применяются очень редко. Они значительно менее чувствительны, чем первые. Допплеровские приборы служат преимущественно для измерения местных скоростей потока. Длинноволновые акустические расходомеры появились недавно, и нет еще достаточного опыта их применения.
Из трех методов измерения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него наибольшее распространение получил частотно-импульсный метод с одноканальным преобразователем расхода. Он может обеспечить наибольшую точность измерения, а приведенная погрешность измерения может быть снижена до (0,5-1) %. Созданы приборы с еще меньшей погрешностью, вплоть до ±(0,1 0,2) %, что позволяет применять такие приборы в качестве образцовых. Измерительные схемы двухканальных расходомеров проще, но точность их ниже. Фазовые расходомеры имеют преимущество перед частотными при необходимости измерения малых скоростей вплоть до 0,02 %, а также при измерении загрязненных сред.
При деформированном поле скоростей вследствие недостаточной длины прямого участка трубопровода может возникнуть большая дополнительная погрешность. Для устранения погрешности надо применять сопло или конфузор, выравнивающие профиль, или же преобразователь расхода, в котором акустические колебания направляются не в диаметральной плоскости, а по несколькими хордам.
Основная область применения ультразвуковых расходомеров - измерение расхода различных жидкостей. Особенно целесообразны они для измерения расхода неэлектропроводных и агрессивных жидкостей, а также нефтепродуктов.
Справочные данные:
Фазовые ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,02 | 2,5 | |
| 2 | 6 т/ч | 300 т/ч | ||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | 180 | ||
| 5 | 150 | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | 100 | ||
| 9 | ||||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | ||||
| 12 | ||||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | ||||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Частотные ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,1 | 2 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | 100 | ||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,2 | ||
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,2 | 1 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | 1200 | ||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | 10 | ||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Доплеровские ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 2 | 3 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | 10 | ||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Используемая литература:
Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с
Особенности выбора типоразмера расходомера
В большинстве случаев величина расхода, которую требуется измерять, изменяется в довольно широких пределах от Q min (минимальный расход) до Q max (максимальный расход). Отношение величины максимального к величине минимального расхода называется динамическим диапазоном измерения. Необходимо помнить, что под минимальной и максимальной величинами расхода, в данном случае, понимаются такие значения, при измерении которых расходомер обеспечивает заявленную точность.
Выбор типоразмера измерителя расхода является наиболее сложной задачей. Номинальный диаметр его измерительной части (Ду) и диаметр трубопровода определяют расход измеряемой среды, скорость движения которой должна находиться в определенных пределах.
Так при измерении расхода абразивных жидкостей, пульпы, рудного шлама и т.п. электромагнитными расходомерами, необходимо обеспечить скорость движения среды не более 2 м/с. При измерении расходов сред, склонных к образованию отложений (сточные воды), скорость движения среды наоборот рекомендуется повысить, чтобы илистые отложения более эффективно вымывались. Для измерения расходов чистых неабразивных жидкостей электромагнитными расходомерами рекомендуется обеспечить скорость потока равной 2,5…3 м/с.
При измерении расходов жидкостей скорость потока не должна превышать 10 м/с. При измерении расхода газов и пара скорость потока, в большинстве случаев, не должна быть выше 80 м/с.
Ориентировочные значения расхода жидкости в зависимости от диаметра трубопровода и измерительной части расходомера при разных скоростях движения среды приведены в таблице 1.
Таблица 1.
| ДУ | Расход м 3 /ч | |||
| [мм] | [дюйм] | Расход при v=0,3 м/с |
Заводская уставка при v~2,5 м/с |
Расход при V=10 м/с |
| 2 | 1/12" | 0,0034 | 0,0283 | 0,1131 |
| 4 | 5/32" | 0,0136 | 0,1131 | 0,4524 |
| 8 | 5/16" | 0,0543 | 0,4524 | 1,810 |
| 15 | 1/2" | 0,1909 | 1,590 | 6,362 |
| 25 | 1" | 0,5301 | 4,418 | 17,67 |
| 32 | 1 1/4" | 0,8686 | 7,238 | 28,95 |
| 40 | 250 | 10" | 53,01 | 441,8 |
| 50 | 2" | 2,121 | 17,67 | 70,69 |
| 66 | 2 1/2" | 3,584 | 29,87 | 119,5 |
| 80 | 3" | 5,429 | 45,24 | 181,0 |
| 100 | 4" | 8,482 | 70,69 | 282,7 |
| 125 | 5" | 13,25 | 110,5 | 441,8 |
| 150 | 6" | 19,09 | 159,0 | 636,2 |
| 200 | 8" | 33,93 | 282,7 | 1131 |
| 1767 | 1 1/2" | 1,357 | 11,31 | 45,24 |
На диапазон измерения расхода также влияют температура и давление измеряемой среды. В таблице 2 для примера показаны диапазоны измерения расхода воздуха при температуре 20°С и различном избыточном давлении вихревого расходомера .
Таблица 2.
| Диаметр трубы | Давление (бар); Плотность (кг/м 3) | ||||||||
| 0 бар 1,205 кг/м 3 |
3,4 бар 5,248 кг/м 3 |
6,9 бар 9,409 кг/м 3 |
11 бар 14,28 кг/м 3 |
13,8 бар 17,61 кг/м 3 |
20,7 бар 25,82 кг/м 3 |
27,6 бар 34,02 кг/м 3 |
34,5 бар 4 2,22 кг/м 3 |
69 бар 83,24 кг/м 3 |
|
| 50 мм | 0,4829…9,748 | 1,288…4245 | 1,902…76,11 | 2,512…115,5 | 2,889…142,5 | 3,927…208,8 | 4,482…275,2 | 5,177…341,6 | 8,141…673,4 |
| 75 мм | 1,064…21,48 | 2,838…93,52 | 4,190…167,7 | 5,535…254,6 | 6,365…313,9 | 8,215…460,1 | 9,895…606,3 | 11,41…752,5 | 17,94…1484 |
| 100 мм | 1,832…36,98 | 4,888..161,0 | 7,215…288,7 | 99,531…438,3 | 10,96…540,5 | 14,15…792,3 | 17,00…1044 | 19,64…1296 | 30,89…2555 |
| 150 мм | 4,157…83,93 | 11,09…365,5 | 16,37…655,3 | 21,63…994,8 | 24,88…1227 | 32,10…1798 | 38,59…2369 | 44,57…2941 | 70,09…5798 |
| 200 мм | 7,199…145,3 | 19,21…632,8 | 28,35…1135 | 37,46…1723 | 43,07…2124 | 55,59…3113 | 66,82…4103 | 77,18…5092 | 121,4…10039 |
| 250 мм | 11,35…229,1 | 30,27…997,5 | 44,69…1789 | 57,04…2715 | 67,90…3348 | 87,62…4908 | 105,3…6367 | 121,7…8027 | 191,3…15824 |
| 300 мм | 16,11…325,2 | 42,97…1416 | 63,44…2539 | 83,81…3854 | 96,38…4752 | 124,4…6966 | 149,5…9180 | 172,7…11393 | 271,6…22462 |
| 350 мм | 19,47…393,0 | 51,95….1712 | 76,68…3069 | 101,3…4659 | 116,5…5745 | 150,3…8420 | 180,7…11096 | 208,7…13772 | 328,3…27151 |
| 400 мм | 25,43…513,4 | 67,85…2235 | 100,2…4008 | 132,3…6085 | 152,2…7503 | 196,4…10998 | 236,0…14493 | 272,6…17988 | 428,7…35462 |
| 450 мм | 32,19…649,8 | 85,88…2830 | 126,8…5073 | 167,5…7702 | 192,6…9497 | 248,5…13921 | 298,8…18345 | 345,1…22768 | 542,7…44887 |
| 500 мм | 40,00…807,4 | 106,7…3516 | 157,5…6304 | 208,1…9571 | 239,3…11801 | 308,8…17298 | 371,3…22795 | 428,8…28292 | 674,3…55776 |
| 550 мм | 51,04…1030 | 136,2…4486 | 201,0…8044 | 265,5…12212 | 305,4…15058 | 394,1…22072 | 476,7…29086 | 547,1…36100 | 860,5…71170 |
| 600 мм | 57,85…1168 | 154,3…5085 | 227,8…9118 | 301,0…13842 | 346,1…17068 | 446,7…25019 | 537,032969 | 620,2…40919 | 975,3…80671 |
Более точное определение минимального и максимального значения расходов для данного типоразмера расходомера производится с помощью специальных программных средств, разработанных производителем. При расчете учитывается влияние минимальных и максимальных значений температуры и давления среды, ее плотность, вязкость и другие характеристики, влияющие на скорость потока и объемный расход.
Влияние гидравлического сопротивления
Необходимо также учитывать и то, что расходомер может оказывать определенное сопротивление движению измеряемой среды и вносить дополнительное гидравлическое сопротивление. Наибольшим гидравлическим сопротивлением обладает вихревой расходомер из-за наличия в измерительной части прибора тела обтекания довольно большого объема. Кориолисовый расходомер также обладает гидравлическим сопротивлением, приводящим к потере давления, из-за наличия в конструкции изгибов и разветвлений трубопроводов.
Наименьшим гидравлическим сопротивлением обладают электромагнитные и ультразвуковые измерители расхода, так как они не имеют изгибов и частей, выступающих внутрь измерительной части. Они относятся к полнопроходным. Некоторые потери давления могут быть вызваны материалом футеровки измерительной части (например, резиновой футеровкой) или неправильной установкой (уплотнительные прокладки выступают внутрь проточной части расходомера).
В таблице 3 приведены значения динамического диапазона измерения расхода и максимальные значения скорости потока для расходомеров различного принципа действия.
Таблица 3.
| Метод | Динамический диапазон | Максимальная скорость потока |
| Электромагнитный | 100:1 | 10 м/с (жидкость) |
| Вихревой | 25:1 | 10 м/с (жидкость), 80 м/с (пар, газ) |
| Ультразвуковой (врезные датчики) | 100:1 | 10 м/с (жидкость) |
| Ультразвуковой (накладные датчики) | 100:1 | 12 м/с (жидкость), 40 м/с (пар, газ) |
| Кориолисовый | 100:1 | 10 м/с (жидкость), 300 м/с (пар, газ) |
Метрологические характеристики и их влияние на выбор
В настоящее время встречаются электромагнитные расходомеры с заявленным динамическим диапазоном 500:1 и даже 1000:1. Такие значительные динамические диапазоны измерения достигаются путем применения многоточечной калибровки при выпуске расходомера из производства. К сожалению, в процессе дальнейшей эксплуатации метрологические характеристики ухудшаются и реальный динамический диапазон значительно сужается.
Метрологические характеристики расходомеров выходят на первый план в случае их применения для коммерческого учета энергоресурсов. Необходимо помнить, что все приборы, которые планируется использовать для целей коммерческого учета, должны быть в обязательном порядке внесены в Государственный реестр средств измерений после прохождения соответствующих испытаний, по результатам которых подтверждаются заявленные производителем метрологические характеристики. Именно действующим описанием типа средства измерения следует руководствоваться при оценке погрешностей. Так как, например, в некоторых случаях, заявленная производителем низкая погрешность измерения может быть обеспечена не во всем диапазоне, а только в некоторой его узкой части. И, к сожалению, производители не всегда отражают этот факт в своей технической документации и рекламных материалах.
Для снижения издержек на последующее метрологическое обслуживание (поверку) расходомеров при прочих равных условиях рекомендуется выбирать приборы с максимальным межповерочным интервалом. На данный момент большинство расходомеров имеет межповерочный интервал один раз 4 года и более. При выборе марки прибора не стоит гнаться за максимальным значением межповерочного интервала в случае когда долговременная точность измерения является определяющей характеристикой, особенно если это предложение от малоизвестного производителя. Для расходомеров с условным диаметром более 250 мм (DN 250) наличие методики поверки без демонтажа измерительной части, так называемой имитационной, беспроливной поверки, зачастую становиться решающим фактором в пользу выбора конкретного производителя и типа. Проведение поверки проливным методом расходомеров с условным диаметром более 250 мм в настоящее время является сложной задачей в виду отсутствия в России аттестованных проливных установок для поверки средств измерения расхода большого диаметра. Но необходимо помнить, что метод беспроливной поверки добавляет к базовой погрешности измерения еще дополнительную погрешность 1…1,5%, что не всегда может быть приемлемо.
В таблице 4 приведены метрологические характеристики измерителей расхода с различным способом измерения, пожалуй, с лучшими на сегодняшний день показателями точности. Если предлагаемое вам поставщиком решение обладает еще более высокими показателями точности, то следует более тщательно подойти к вопросу проверки заявленных метрологических характеристик данного оборудования.
Таблица 4.
|
На точность измерения объемного и массового расхода влияет не только метод измерения , качество применяемых при изготовлении материалов, примененные схематические решения и программные алгоритмы вычислений, но и правильность монтажа и настройки, своевременность и полнота технического обслуживания. Этим вопросам будет посвящена заключительная, третья часть руководства по выбору расходомеров, так как затраты на монтаж и последующее обслуживание, а также возможные технические особенности применения тоже должны учитываться в процессе выбора расходомера. |
Измерение расхода и количества движущейся жидкой или газообразной среды в системах учета энергоресурсов требует знаний не только таких ее термодинамических параметров как температура и давление, но ряда иных характеристик (плотность, вязкость, тип потока), которые важны для конкретных методов измерения расхода, влияют на возможность использования соответствующих технических средств и точность измерений.
Количеством среды называют массу (М) или объем (V) вещества, протекающего через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, за определенный интервал времени Т (час, сутки, месяц и т.д.).
Единица измерения массы в системе СИ – 1 килограмм, кг, (1т = 1000 кг), а объема – кубический метр, м 3 .
Расходом среды (G) называют физическую величину, равную lim (ΔК/ΔT) – пределу отношения приращения количества среды ΔК (массы ΔМ или объема ΔV) к интервалу времени ΔТ, за которое произошло это приращение, при неограниченном уменьшении ΔТ.
Различают массовый G м и объемный G v расходы, которые определяются через массу и объем среды, выражающиеся в основных единицах (кг/с или м 3 /с) или их производных. Массовый и объемный расходы связаны между собой зависимостью
где ρ - плотность вещества.
При измерении расхода, помимо рассмотренных мгновенных расходов выделяют следующие виды расходов:
· G cp – средний, равный отношению количества среды к определенному интервалу времени (минута, час, сутки, месяц и т.д.);
· G np – приведенный - действительный объемный расход, но пересчитанный на другие, так называемые нормальные значения температуры и давления (Рнор = 1,0332 кг/см 2 , tнор = 20°С);
· G макс – наибольший, определяющий верхнюю границу возможного диапазона изменения расхода;
· G мин – наименьший, определяющий границу возможного диапазона расхода;
· G ном – номинальный, равный половине наибольшего;
· G п – переходный, при котором измеряется пороговое значение погрешности прибора.
Измерительные приборы, предназначенные для измерения расхода вещества, называются расходомерами или преобразователями расхода (ГОСТ 15528-86).
Измерительные приборы, предназначенные для измерения количества вещества, называются счетчиками количества.
Довольно часто две указанные функции объединяются в одном приборе. В практике учета тепловой энергии применяются, в основном, преобразователи расхода.
Большинство преобразователей расхода предназначено для измерения расхода однокомпонентных и однофазных сред в условиях установившихся параметров потока (турбулентного характера потока, постоянства средней скорости на участке измерения и отсутствия возмущений), которые достигаются при достаточно протяженных прямолинейных участках трубопровода до и после места установки преобразователя расхода.
На этих участках не должно быть клапанов и задвижек, перепадов сечения трубопровода (сужений и расширений), резких изменений направления потока (колен и ответвлений).
Обычно требуемые длины прямолинейных участков задаются числами, кратными условному диаметру трубопровода Dy, то есть его среднему внутреннему диаметру при 20°С. Классификация средств измерения расхода и количества среды приведена на рис. 7.
Как видно из рис. 7 по измеряемому параметру (расход и (или) количество среды) средства измерения подразделяются на расходомеры, счетчики, расходомеры-счетчики и преобразователи (датчики) расхода.
Последние согласно ГОСТ 15528-86 вырабатывают сигнал измерительной информации, «не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем». Большинство современных средств расхода и количества среды реализуются в двухкомпонентном виде - первичный преобразователь (ПП) и электронный преобразователь (ЭП), причем в конкретных моделях эти две взаимосвязанные части прибора могут реализовываться в виде механически объединенного или разъединенного (связанного электрической проводной или кабельной линией) исполнений.
Современные ЭП выполняются на базе микропроцессоров, при этом в одном приборе могут быть объединены функции расходомера, счетчика и преобразователя расхода.
По типу измеряемой среды приборы разделяются на расходомеры (счетчики, преобразователи расхода) жидкости, газа и пара. Одна и та же модель не может использоваться для измерения расхода (количества) всех трех сред из-за существенных различий их физических параметров, хотя для ряда моделей (например, вихревых расходомеров) возможна программная перестройка с одного вида среды на другой (в частности с газа или пара на жидкость), что нередко используется при их градуировке или поверке в лабораторных условиях.
Жидкостью может служить холодная и горячая вода, стоки, нефть и нефтепродукты, сжиженные газы, пульпа, суспензии и т.д., то есть любые плотные и текучие среды. Для каждой конкретной модели прибора оговариваются допустимые виды жидкостей и диапазоны изменения параметров (процент газовых и плотных включений, плотность, вязкость, электропроводность). Эти параметры должны соотноситься с характеристиками реальной рабочей среды, для измерения которой будет использоваться прибор.
Под газом подразумевается природный газ (метан) и технические (кислород, водород, пропилен и т.д.) газы, а также сжатый воздух.
Пар может быть насыщенным или перегретый. Для влажного пара точное измерение расхода проблематично.
Подавляющее большинство расходомеров объемные. К массовым расходомерам относятся тепловые и кориолисовы.
Рис. 7 Классификация расходомеров и счетчиков количества вещества
4.4.1. Тахометрические расходомеры
В тахометрических расходомерах расход среды измеряется по скорости движения (вращения) механического преобразовательного элемента. К таким расходомерам относятся шариковые, крыльчатые и турбинные Последние два типа получили широкое применение для измерения расхода холодной и горячей воды, других технических жидкостей и газа. Современные расходомеры данного типа, как правило, комплектуются встроенным импульсным датчиком расхода, что позволяет использовать их при автоматизации учета.
Жидкостные турбинные расходомеры чувствительны к вязкости среды, особенно при малых расходах. Их общий недостаток - подверженность износу подвижных механических узлов и изменение в связи с этим точностных характеристик в процессе эксплуатации. Тахометрические расходомеры выпускаются для трубопроводов диаметром до 300 мм и мало пригодны для измерения абразивных и агрессивных сред.
4.4.2. Расходомеры переменного перепада давления (РППД)
Принцип действия РППД основан на измерении в соответствии с уравнением Бернулли перепада статического или полного давления потока среды на установленном первичном преобразователе (ПП) и вычислении по этому перепаду средней скорости движения среды и ее расхода.
РППД определяет объемный или массовый расход движущейся среды по измеряемому перепаду давления.
В качестве ПП в РППД при измерении расхода по перепаду статического давления используются стандартные сужающие устройства (диафрагмы, трубы Вентури, сопла), а при измерении по перепаду полного давления - многовходовые трубки Пито и усредняющие напорные трубки.
Измерение расхода жидкости, газа и пара с помощью сужающих устройств регламентирует ГОСТ 8.563-97.
На практике наиболее часто используются РППД, построенные с применением диафрагм. Расчетная погрешность измерения расхода диафрагмой зависит от характеристик среды и составляет, как правило, от 0,5% до 1,0%. Технические условия для стандартных диафрагм регламентированы ГОСТ 26969- 86.
РППД на диафрагме представляет собой составной расходомер, в комплект которого входят собственно диафрагма, соединительные или импульсные линии (трубки) отбора измеряемого давления, вентильный блок, уравнительные сосуды (при необходимости), дифференциальный манометр и вторичный показывающий или самопишущий прибор, шкала которого градуирована в единицах расхода (в зависимости от характеристик вторичного прибора в комплект может дополнительно входить блок извлечения квадратного корня).
Принцип действия РППД на диафрагме заключается в сжатии среды отверстием диафрагмы, что приводит к увеличению за ее кромкой скорости потока и его кинетической энергии (динамического давления) с соответствующим уменьшением статического давления. По краям диафрагмы создается перепад давлений, который отводится импульсными трубками к дифманометру. После прохождения диафрагмы поток расширяется, снижая скорость и восстанавливая статическое давление, которое уже не достигает прежнего значения из-за вихревых потерь давления на гидравлическом сопротивлении диафрагмы (Р п). Величина Р п зависит от величины m = d 2 /D 2 (соотношения квадратов площадей отверстия диафрагмы и поперечного сечения трубопроводов). Чем меньше m, тем больше перепад давления и выше точность измерения расхода, но тем больше безвозвратная потеря давления на диафрагме.
Динамический диапазон измерения диафрагменных расходомеров невелик и составляет 3:1, что объясняется квадратичной зависимостью перепада давления от расхода. Большинство дифманометров имеет динамический диапазон измерения не более 10:1. Поэтому для расходомера с одним дифманометром характерен динамический диапазон 3:1, или от (100-30 процентов) G макс, что ограничивает его применение измерением только маломеняющихся расходов.
Следует отметить, что расход слабо сжимаемых сред, плотность которых незначительно зависит от температуры и давления (например, вода), с высокой степенью точности определяется измеряемым перепадом давления.
Для сжимаемых сред (пар, газ), плотность которых существенно зависит от давления и температуры, для точного измерения расхода необходимо еще и определение плотности среды, которое производится на основании измерения температуры и давления. При этом для сухого насыщенного пара достаточно измерить только одну из величин, поскольку его температура и давление являются взаимозависимыми параметрами.
Поэтому при определении расхода газа или перегретого пара на основании диаграмм самопишущих приборов при переменных температурах и давлениях приходится вручную обрабатывать три диаграммы (перепада давления, температуры и расхода), что во много раз увеличивает трудоемкость процесса и снижает точность определения рас хода.
Современные вторичные приборы, построенные с применением микропроцессорной техники, проводят эту процедуру автоматически.
Рассматриваемый метод измерения расхода имеет как достоинства, так и недостатки.
К достоинствам следует отнести:
· хорошую пригодность для работы в самых различных жидкостных и газовых средах;
· высокую чувствительность;
· отсутствие движущихся частей;
· сравнительно невысокую стоимость для трубопроводов диаметром до 300 мм.
К недостатком можно отнести:
· требование к прямолинейности измерительного участка (10 D y до и 5 D y после места установки диафрагмы);
· ограниченный динамический диапазон;
· значительные потери давления на диафрагме;
· нелинейная зависимость выходного сигнала от расхода;
· сложность изготовления и монтажа для трубопроводов большого диаметра;
· необходимость ежегодных поверок с отключением и разборкой трубопровода;
· старение диафрагмы (накопление осадков и эрозия кромок проходного отверстия).
Как видно из перечисленного, недостатков у рассматриваемого метода измерения расхода значительно больше, чем достоинств. Поэтому в подавляющем большинстве случаев предпочтительно использование более современных расходомеров (вихревых, электромагнитных, ультразвуковых).
Для измерения расхода высокотемпературного перегретого пара, например, этот метод пока является единственно пригодным.
4.4.3. Вихревые расходомеры
Принцип действия современных вихревых расходомеров основан на измерении частоты следования вихрей так называемой дорожки Кармана, образующейся при огибании потоком тела обтекания, неподвижно расположенного поперек контролируемого потока среды в его центре. В качестве тела обтекания обычно используется цилиндр или призма трапециевидного или треугольного сечения.
В результате тормозящего и ускоряющего действий слоев возникают сдвиговые напряжения или вращающие моменты сил, которые формируют вокруг некоторых мгновенных осей самосвертывающиеся вихри и обеспечивают их срыв с острых кормовых кромок тела обтекания. В 1911 г. американский аэродинамик Карман определил условия устойчивого симметричного вихреобразования, при котором вихри разного направления (по и против часовой стрелки) поочередно сбегают справа и слева с поверхности тела обтекания и следуют по потоку в шахмат ном порядке в виде вихревой дорожки. Схема работы вихревого расходомера приведена на рис. 8.
Ри
Рис. 8 Схема работы вихревого расходомера
Каждый вихрь представляет собой локальный элемент среды, в котором потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую, что приводит к снижению статического давления. Это местное снижение давление может быть зафиксировано чувствительным элементом (сенсором). При этом сенсор преобразует перепады (пульсации) давления в электрические им пульсы, частота которых при Re > 3800 (то есть при установившемся турбулентном потоке) пропорционально зависит от скорости среды.
Зная сечение трубы по средней скорости можно определить объемный расход среды. На практике обычно используют уравнение Gv = f/К, где К – градуировочный или калибровочный коэффициент (количество импульсов на единицу объема среды), определяемый только параметрами обтекаемого тела и трубопровода и не зависящий от плотности, вязкости, температуры и давления среды. Поэтому каждый расходомер калибруется изготовителем индивидуально для обеспечения высокой точности и повторяемости измерений.
В качестве сенсоров обычно применяют пьезоэлементы, механические элементы (мембраны), встроенные тензорезисторы или ультразвуковые преобразователи скорости (излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, обнаруживающие вихревые колебания потока).
К достоинствам вихревых расходомеров можно отнести:
· относительно небольших прямолинейных участков (обычно 5D y до и 3D y после места установки);
· отсутствие в потоке подвижных изнашивающихся частей;
· независимость показаний от плотности, вязкости, температуры и давления среды;
· широкий динамический диапазон (30:1);
· линейность шкалы;
· высокая точность;
· высокое быстродействие;
· простота установки.
Недостаткам являются:
· вносимое гидравлическое сопротивление;
· чувствительность к механическим включениям;
· чувствительность к акустическим и вибрационным помехам.
Среди предприятий, выпускающих вихревые расходомеры для жидкости следует выделить челябинский концерн «Метран» («Метран 300-ПР») и завод «Старорусприбор» (ДРВ, РСВ). В г.Тюмени «Сибнефтеавтоматика» выпускает вихревые датчики расхода газа (ДРГ) и расхода пара (ДРП). ДРП рассчитаны на измерение расхода пара, температура которого не превышает 250°С.
4.4.4. Электромагнитные расходомеры
Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии движущейся (проводящей) жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в движущемся проводнике, пересекающем магнитное поле, индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна скорости движения проводника. В данном случае в качестве проводника выступает поток проводящей жидкости. Для измерения возникающей ЭДС через стенки трубы изолированно от нее выводятся два электрода. Схема работы электромагнитного расходомера приведена на рис. 9.
Разность потенциалов Е, на электродах, расположенных на расстоянии D, равном внутреннему диаметру трубы, определяется из выражения:
где В – магнитная индукция, V cp – средняя скорость жидкости.
Если магнитное поле создается электромагнитом, питаемым переменным током частотой f, то
E = 4*B макс *G v *sincωt/πD
Электромагнитные расходомеры имеют много достоинств. Они могут применяться для измерения любых, в том числе больших расходов жидкости в трубопроводах диаметром начиная от 2 мм и выше. Их показания не зависят от вязкости и плотности среды. Шкала прибора линейна, а динамический диапазон достигает 100:1. Быстродействие прибора достаточно высоко. Преобразователь расхода не имеет частей, выступающих внутрь трубы, и не создает дополнительной потери давления. Влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем расходомеров других типов.
Рис. 9 Схема работы электромагнитного расходомера
Большинство выпускаемых электромагнитных расходомеров пригодно для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10 -5 ×Ом -1 × см -1 , что соответствует электропроводности водопроводной воды.
4.4.5. Ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковые расходомеры основаны на измерении того или иного акустического эффекта, зависящего от расхода и возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через поток жидкости или газа.
Основными элементами первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что при сжатии и растяжении в определенных направлениях кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).
В этом случае пьезоэлемент работает как приемник ультразвуковых колебаний. Если же к этим поверхностям приложить разность потенциалов в виде электрического импульса, то пьезоэлемент растянется или сожмется и начнет работать как излучатель ультразвуковой волны. Это явление называется обратным пьезоэффектом.
В качестве пьезодатчиков применяются различные керамические материалы (титанат бария, цирконат титаната свинца и т.д.). Пьезоэлементы обычно изготавливаются в виде дисков диаметром 10-20 мм, которые необходимо снабдить электродами, которые создаются покрытием специально обработанные поверхности слоем металла (как правило, серебра).
Существует несколько способов измерения расхода с помощью ультразвука (частотный, фазовый, корреляционный, с использованием эффекта Доплера). Однако наибольшее распространение получил времяимпульсный ультразвуковой метод, принцип действия которого представлен на рис. 10.
Время прохождения ультразвукового сигнала по акустическому пути L от излучателя 1 к приемнику 2 и от излучателя 2 к приемнику 1 будет равно соответственно:
t 1-2 = L/(C-V*Cosφ);
t 2-1 = L/(C + V*Cosφ),
где С - скорость ультразвука в среде.
Рис. 10 Схема работы времяимпульсного ультразвукового расходомера
Разница во времени прохождения сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях:
Δt = (2L*V*Cosφ) / (С 2 - V 2 *Cos 2 φ)
Таким образом, зная внутренний диаметр трубопровода, угол наклона акустической ocи к оси трубы, скорость ультразвука в конкретной среде и измерив разницу во времени прохождения сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях, можно определить объемный расход среды в трубопроводе.
Величина Δt незначительна и составляет обычно от нескольких единиц до нескольких десятков наносекунд и ее измерение с достаточной точностью при одном проходе сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях произвести сложно. Поэтому измерения производят организуя так называемое «синхрокольцо», при котором измеряют время прохождения сигнала в каждом направлении сотни и тысячи раз, предполагая, что скорость потока за это время не из меняется.
Время – импульсный ультразвуковой метод очень хорош при измерении расходов на трубопроводах больших диаметров. Однако, он требует значительных прямолинейных участков трубопровода (15D y до и 10 D y после места установки прибора). Он не создает дополнительных потерь давления, обладает широким динамическим диапазоном и высокой точностью, но весьма чувствителен к вибрационным и ударным помехам.
НПФ «РАСКО» уже более 15 лет целенаправленно занимается вопросами коммерческого учета воды, тепла, газа и пара. Этой проблеме посвящен целый ряд статей наших специалистов в различных изданиях. Ниже мы предлагаем для обсуждения статью инженера-метролога Коломенского ЦСМ Иванушкина И.Ю., затрагивающую интересный, по нашему мнению, вопрос внедрения новых приборов коммерческого учета газа.
Приборы учета - всеми ли можно пользоваться?
Иванушкин И.Ю. инженер по метрологии 1 - й категории Коломенского филиала ФГУ «Менделеевский ЦСМ»
Всвязи с тем значением, которое приобретает сейчас учет энергоресурсов, особенно в связи с предстоящим принятием новой редакции закона об энергосбережении, хотелось бы еще раз поговорить о приборах, применяемых для этой цепи, в частности о таком классе средств измерений, как струйные расходомеры - счетчики.
Общеизвестно, что к основным требованиям, которые предъявляются к приборам коммерческого учета, относятся высокая точность измерения в широком диапазоне изменения физических величин, надежность, стабильность показаний в течение межповерочного интервала, простота обслуживания. К последнему относятся также работы, связанные с поверкой приборов, то есть периодического подтверждения их метрологических характеристик.
Именно на этих показателях и фиксируют внимание потребителей многочисленные организации, производящие и продающие приборы учета. Обещания высокой точности, широких диапазонов измерения, длительных межповерочных интервалов (МПИ), а иногда и возможности поверки без демонтажа, необязательность прямых участков измерительных трубопроводов (ИТ), либо необыкновенно малые значения, и т.д. и т.п., сыпятся на головы потребителей как из рога изобилия. Но так ли всегда на самом деле?
Речь пойдет, как уже было сказано, о струйных счетчиках-расходомерах. Во-первых, потому, что приборы этого типа появились на рынке сравнительно недавно и известно о них немного, во-вторых, потому, что некоторые производители этих счетчиков прельщают потребителей особенно владельцев измерительных комплексов на базе сужающих устройств, вышеупомянутым отказом от длинных прямых участков и отсутствием необходимости поверки этих самых сужающих устройств (СУ).
Собственно, сам струйный автогенератор (САГ), являющийся "сердцем" этих счетчиков известен давно и применяется в системах пневмоавтоматики в качестве одного из звеньев. Применять его для измерения расхода стали относительно недавно и на отечественном рынке имеются несколько моделей таких приборов разных производителей.
РМ-5-ПГ : «Точное измерение объемного расхода по ГОСТ 8.586-2005 в широком динамическом диапазоне независимо от плотности измеряемой среды... Диапазон измеряемых расходов 1:20…... Погрешность ±1,5%».
(Напомню: ГОСТ 8.586-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств»).
ИРГА-РС : « В основу работы струйного расходомера положен принцип измерения расхода и количества сред методом переменного перепада давления. Определение величины перепада давления и преобразование его для цепей измерения расхода потока производится струйным автогенератором (САГ), который входит в состав струйного расходомера. Он используется вместе с сужающим устройством и фактически заменяет дифманометр в узлах учета на основе сужающих устройств (СУ).
САГ представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный обратными связями, обеспечивающими режим автоколебаний. Колебания струи в САГ генерируют пульсации давления, которые при помощи пъезодатчиков преобразуются в электрический сигнал. Частота этого сигнала пропорциональна объемному расходу (корню квадратному из перепада давлений между входом и выходом САГ, т.е. между ппюсовой и минусовой камерами сужающего устройства, входящего в состав струйного расходомера).
В результате замены СУ с дифманометром на "Ирга-РС" улучшаются технические и метрологические характеристики узла учета: диапазон измерений возрастает и становится не менее чем 1:30, а погрешность измерения в диапазоне от 0,03 Q max , до Q max составит ≤ ±0,5%, без учета систематической погрешности СУ. Затраты на такую реконструкцию сопоставимы со стоимостью старого узла учета».
Turbo Flow GFG-F: «Преимущества:
- относительная погрешность ± 1%,
- минимальные прямые участки,
- динамический диапазон 1:100, с возможностью расширения до 1:180,
- совместимость присоединительных размеров с распространенными типами счетчиков фланцевого исполнения.
Принцип действий измерительного комплекса Turbo Flow GFG-F :
поток газа, проходя по трубопроводу, попадает в рабочую камеру расходомера, в которой установлена диафрагма. Перед диафрагмой формируется область повышенного давления, за счет которого часть потока попадает в струйный автогенератор (САГ, где образуются колебания потока газа, пропорциональные скорости потока)».
Turbo Flow GFG-ΔP : «Расходомеры газа Turbo Flow GFG-ΔP предназначены для модернизации узлов учета на базе сужающих устройств (СУ), оснащенных преобразователями перепада давления. Для модернизации вместо дифманометра на стандартный вентильный блок устанавливается первичный преобразователь расхода (ПР) и электронный блок обработки информации. Частота, регистрируемая на элементах струйного генератора, функционально зависит от расхода газа через СУ. Преобразованный частотный сигнал линейно пропорционален расходу газа, прошедшему через СУ.
Замена существующих приборов происходит путем установки расходомера-счетчика GFG-ΔP на уже смонтированные трубки, без дополнительных затрат на трубный монтаж. В результате улучшаются метрологические характеристики узла учета. Расширяется динамический диапазон до 1:100, а погрешность измерений снижается до ±1% во всем диапазоне измерений».
РС-СПА-М: «Достоинства струйных расходомеров-счётчиков:
- унификация измерительных приборов для различных сред;
- отсутствие подвижных частей, что обуславливает высокую надежность, стабильность характеристик во времени, высокую технологичность изделия;
- независимость градуировочного коэффициента от плотности измеряемой среды;
- возможность измерения малых расходов, агрессивных, неэлектропроводных и криогенных сред;
- не требуются прямые участки до и после места установки;
- возможность проверки на месте установки.
Функциональные возможности прибора:
Приведение расхода (объема} к нормальным условиям (при подключении к прибору датчиков температуры и давления).
Измерение плотности измеряемой среды.
Измерение массового расхода (объема).
Осуществление проверки без демонтажа с трубопровода.
Технические характеристики:
Измеряемые среды: жидкости, газы, пар
Диаметр условного прохода, мм: 5÷4000
Динамический диапазон измерения, Q max / Q min: 50:1
Предел допускаемой основной погрешности, %: 0,15».
Последний из названных привлекает особенное внимание, поскольку в нашем регионе примерно от 25 до 30% узлов учета природного газа оборудовано этими счетчиками и есть тенденция к их увеличению.
«Недостатки: струйному автогенераторному расходомеру присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер...
(* Примечание: Выше в статье автор перечисляет недостатки вихревых расходомеров: повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (а значит, повышенные требования к стабильности потока, то есть к длинам прямых участков) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тепа. Самым серьезным недостатком является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним.)
Однако, к сожалению, есть и дополнительные. Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может использоваться только в качестве парциального расходомера, через который идет только незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода газа (а это неминуемо снижает достоверность измерений), а с другой, существенно больше, чем вихревой расходомер, подвержен засорению. А во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера».
В этой же статье автор приводит результаты испытаний расходомера РС-СПА, проведенных фирмой "ГАЗТУРБавтоматика" совместно с фирмой "Газприборавтоматика", в результате которых было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне от 14,5% до 18,5% при изменении расхода через прибор в диапазоне изменения расхода не более 1:5 (!).
Во-вторых, вызывает недоумение то, что, например, для счетчиков типа РС-СПА разработана собственная методика выполнения измерений (МВИ) МИ 3021-2006, во многом противоречащая ГОСТ 8.586-2005, особенно в части требований к монтажу средств измерений (СИ) и измерительному участку. На этом стоит остановиться подробнее, поскольку аналогичные вопросы возникали и при общении с производителями других моделей, например Turbo Flow GFG. Главное, что служило камнем преткновения, - это требования к СУ и к прямым участкам. Напомню, что и те и другие счетчики выпускаются в двух вариантах: одни служат для замены дифманометров и подключаются к существующим СУ, другие (как правило для ИТ малых диаметров) выполнены в моноблочном исполнении со своим СУ. Например, в счетчиках РС-СПА «первичный преобразователь расхода (ППР) РС включает в себя САГ с устройством преобразования сигнала, выполненных в одном агрегате и установленными на измерительный трубопровод с местным сужением потока . Здесь, мне кажется, нужно разделить два вопроса: зачем нужна диафрагма (местное сужение потока) и зачем необходимы прямые участки определенной длины?
Что бы ни заявляли производители, так или иначе эти приборы используют для вычисления расхода именно перепад давления, который создается с помощью. СУ В одном из патентов на счетчик РС-СПА (№2175436) автор после объяснения работы САГ пишет следующее: «...В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой, пропорциональной объемному расходу и корню квадратному из отношения перепада давления на струйном автогенераторе к плотности измеряемой среды
f= kQ = k √(∆ρ/ρ), где
f - частота колебаний.
Q - объемный расход;
∆ρ и ρ- перепад давления и плотность измеряемой среды;
к - коэффициент пропорциональности.»
Перепад давления на САГ, или, говоря иначе, разность потенциалов, является источником возникновения автоколебаний и от величины этой разности зависит их частота. То есть, вычисление расхода тем точнее, чем точнее измерение частоты колебаний, то есть чем точнее перепад давления на САГ соответствует расходу через данный участок ИТ. Влияют ли на точность воспроизведения перепада давления параметры СУ? Несомненно. Об этом написаны уже десятки томов сотни статей и ГОСТ 8.586-2005, который в какой-то степени подытожил результаты многочисленных исследований этого вопроса. Почему производители заявляют, что при установке этих счетчиков состояние СУ их больше не волнует, совершенно непонятно. Как известно, на точность воспроизведения перепада влияют и качество входной кромки, и шероховатость, и другие параметры диафрагмы.
Приведу пример. Поскольку одна из основных целей, которые сейчас преследуют потребители газа (и которую поддерживают менеджеры по продаже), заключается в том, чтобы облегчить себе жизнь и избавиться от необходимости удлинения прямых участков (!), ежегодного демонтажа и поверки диафрагм (!), свести всю поверку измерительного комплекса к поверке счетчика «на месте» (!), да еще и раз в два года (!), то очень скоро в балансовых показателях могут появиться расхождения, причины которых будут неявны. В ссылке указано, что полный средний срок службы, например, счетчика РС-СПА составляет 8 пет. Вот как изменятся показания счетчика в течение этого интервала времени, если проводить расчет не по методике , а по ГОСТ 8.586, то есть не игнорируя наличие в счетчике сужающего устройства. В качестве данных были взяты значения конкретного узла учета природного газа одного из нескольких ГРП машиностроительного предприятия и параметры установленного на ГРП счетчика РС-СПА исполнения РС-ПЗ, в том числе параметры диафрагмы. Среднее годовое значение давления газа 3,5 кГс/см2, средняя годовая температура 5 °С, максимальный перепад давления (примерно поддерживаемый в течение года) - 25000 Па. Среднее за год изменение внутреннего диаметра диафрагмы было принято + 0,01%. значение вполне реальное, даже заниженное, учитывая качество газа. Результаты расчетов:
при установке счетчика максимальный расход Qс составит 4148,89 м 3 /ч;
через два года (первый межповерочный интервал счетчика) это значение будет уже равняться 4182,56 м 3 /ч;
через четыре года 4198,56 м 3 /ч:
через шесть лет 4207,21 м 3 /ч:
через восемь лет (гарантированный срок службы счетчика) -4212,38 м 3 /ч.
Таким образом, через восемь лет эксплуатации, при прочих равных условиях, счетчик покажет расход, который на 63,58 м3/ч (!) больше реального, будучи при этом полностью исправным и прошедшим поверку, то есть, при сохранении своих метрологических характеристик.
Замечу, что в расчетах учитывалось только изменение внутреннего диаметра диафрагмы и изменение поправочного коэффициента притупления входной кромки (формулы 5.13 и 5.14 ГОСТ 8.586.2-2005), остальные характеристики, в том числе и характеристики измерительного трубопровода, считались неизменными.
Более того, были рассчитаны характеристики измерительного комплекса при минимальном учитываемом перепаде давления (на момент установки счетчика он составлял 1000 Па, при этом относительная расширенная неопределенность измерения расхода равнялась 3,93%). В результате расчетов были получены следующие значения относительной расширенной неопределенности (при тех же условиях изменения внутреннего диаметра диафрагмы и коэффициента притупления входной кромки):
через два года 4,06 %;
через четыре 4,16 %;
через шесть 4,22%;
через восемь 4,25%.
То есть, через два года эксплуатации, при следующей поверке, измерительный комплекс уже не соответствовал бы установленным нормам погрешности. Довольно трудно при этом говорить о коммерческом учете, поскольку его достоверность более чем сомнительна. Хочу добавить, что полные результаты расчетов, которые здесь не приводятся, чтобы не перегружать статью, показывают, что изменение в указанном диапазоне характеристик СУ приведет к изменению таких показателей, как коэффициент гидравлического сопротивления, коэффициент потерь давления и др., которые приведут к изменению характеристик не только самого ГРП, но и газопотребляющего оборудования.
Замечу, в расчетах предполагалось, что измерительный комплекс выполнен с учетом требований ГОСТ 8.586-2005, то есть в том числе и с прямыми участками ИТ необходимой длины, о необязательности которых заявляют производители счетчиков РС-СПА и некоторых других.
Почему, тоже непонятно. Повторю, точность вычисления расхода струйными счетчиками зависит от перепада давления на САГ, точнее, от того, насколько точно перепад давления на СУ соответствует скорости потока. А это, как известно, зависит не только от характеристик СУ. но и от того, в какой области параметров находится сам поток в измерительном сечении. Для того, чтобы в месте установки диафрагмы было сформировано установившееся течение, характеризующееся устойчивым турбулентным режимом с числом Rе в линейной области, как раз необходимы прямые участки определенной длины, исключающие наличие местных возмущений потока. Об этом тоже написано немало, в том числе и в ГОСТ 8.586-2005, который на основании результатов многолетних исследований регламентирует требования к прямым участкам в зависимости от наличия тех или иных местных сопротивлений (МС).
И еще один аспект не может не вызвать недоумение. Речь идет о динамическом диапазоне и погрешности счетчиков. Напомню ставшие уже "хрестоматийными" недостатки диафрагмы:
- узкий динамический диапазон измерения расхода (в среднем от 1:3 до 1:5);
- нелинейный выходной сигнал, требующий линеаризации;
- нормирование погрешности с приведением к верхнему пределу измерений, а следовательно, гиперболический рост погрешности, приведенной к точке измерения при уменьшении расхода;
- значительное падение давления на сужающем устройстве (СУ), неизбежное в силу принципа действия;
- неконтролируемое изменение погрешности вследствие затупления кромки при эксплуатации;
- невозможность извлечения СУ без перекрытия трубопровода:
- значительная длина необходимых прямых участков без местных сопротивлений;
- засорение импульсных линий в "грязных" потоках, накопление конденсата, приводящее к неверным показаниям;
- сложность расчета СУ, включая расчет неопределенностей измерения расхода.
Я согласен с тем, что благодаря встроенной в счетчик электронике можно в какой-то степени расширить диапазон измерений, линеаризовать характеристику расходомера, снизить общую погрешность комплекса. Но, повторюсь, вряд ли каким-то образом удастся учесть изменение свойств диафрагмы хотя бы за межповерочный интервал (не говоря уже о большем периоде времени), степень засорения соединительных линий (изменение значения перепада давления) и, тем более, искажение потока за счет местных сопротивлений.
И все было бы ничего, если бы не то обстоятельство, что счетчики эти используются, как правило, в узлах коммерческого учета газов и жидкостей, то есть так или иначе связаны с государственными учетными и энергосберегающими операциями. Многочисленные публикации на данную тему говорят о неприменимости данных приборов для этих цепей, а в отчете рабочей группы по подготовке материалов и проекта решения совместного технического совета Департамента топливно-энергетического хозяйства и Префектур г. Москвы комиссия, проводившая анализ теплосчетчиков и расходомеров воды делает вообще категоричный вывод: «Теплосчетчик РС-СПА-М-МАС не отвечает большинству основных и дополнительных критериев и не может быть рекомендован к использованию». Замечу, что среди критериев, выдвинутых рабочей группой, были, например, такие, как «высокая надежность и точность измерений на протяжении длительного промежутка времени, минимальное гидравлическое сопротивление при номинальном расходе, электромагнитная совместимость» и др.
Вот те основные аспекты, которые хотелось отметить при обсуждении струйных счетчиков-расходомеров. Замечу еще раз, что в статье не подвергается сомнению применимость метода при измерении расхода вообще. Речь идет именно о коммерческом учете энергоресурсов, со своими требованиями и своей спецификой. Поэтому хотелось бы пожелать производителям подобных приборов быть более точными и добросовестными в определении характеристик и рекомендаций по применимости их продукции для тех или иных целей. Я понимаю, и не раз слышал, что рынок диктует свои правила и т.д. и т.п. Но в конце концов не надо забывать, что все мы пользуемся общими запасами. И планета производит нефть, газ, воду, воздух независимо от политических формаций и форм собственности. Так кто кого хочет обмануть?
