Лотки Паршалла по ISO или по ASTM (США) –устранение путаницы вокруг стандартов измерения и мониторинга расхода

 ВВЕДЕНИЕ

Лоток Паршалла назван в честь его главного разработчика, доктора Ральфа Л. Паршалла,который в 1915 году, работая в качестве инженера-исследователя в Министерстве сельского хозяйства США  (USDA), обратил внимание  практические трудности с  измерениями расхода воды в открытых каналах.   В 1922 году под названием "Усовершенствованный лоток Вентури" он опубликовал результаты свои исследований  в Сельскохозяйственном  колледже штата Колорадо. Так лоток ,им предложенный , стал известен как лоток  Паршалла.

К 1953 году доктор Паршалл разработал соотношения глубины и расхода для своих лотков  шириной горловины от 3 дюймов до 50 футов. В течение многих лет  Руководство  по измерению расходов воды Бюро мелиорации США, впервые опубликованное в 1953 году, и Циркуляр Министерства сельского хозяйства США № 843, также опубликованный в 1953 году, служили справочным материалом по размерам лотков Паршалла, характеристикам потока в них  и областям применения.

  Со временем универсальность  лотка Паршалла  стала причиной его использования в различных областях, включая распределение прав на воду, мониторинг водосборных бассейнов и  измерение расхода на очистных сооружениях  сточных вод.  Лоток Паршалла стал оказывать  значительное влияние на справедливое распределение и надлежащее управление  потоками  воды в оросительных системах. Растущая популярность лотка также привела к ряду исследований принципов его работы,  использования и прикладной направленности, а также к расширению номенклатуры типоразмеров лотка  для  измерений как в области больших ,так и в области малых расходов.  В конечном счете, была осознана необходимость стандартизации лотка Паршалла мировыми организациями по технической  стандартизации - в частности, ASTM International и ISO.

 Поскольку  лоток  Паршалла имеет короткую горловину ,было важно, чтобы  его размеры  были точными и стандартизированными по допустимым отклонениям. Другими примерами лотков с короткой горловиной  являются лотки Кафаги, лотки H-flumes и лотки Палмера-Боулюса.

Лотки с длинной горловиной  – это прямоугольные лотки и  U-образные лотки критической глубины, трапециевидные лотки(Trapezoidal Flumes).

В 1991 году ASTM стандартизировала лоток  Паршалла по ASTM D1941-91

«Стандартный метод испытаний для открытого канала Измерение расхода воды с помощью лотка Паршалла». Этот  тип лотка Паршалла также известен как американский лоток  Паршалла.

Далее подключилась  ISO, и  в 1992 году последовал  стандарт ISO 9826:1992 «Измерение расхода жидкости в открытых каналах – лотки Паршалла и САНИИРИ (Средне-азиатский научно-исследовательский институт

ирригации).

За прошедшие годы стандарт ASTM претерпел несколько изменений, особенно в 1996, 2001, 2007 и 2013 годах. Стандарт ISO  не нуждался в обновлении с момента его публикации в сентябре 1992 года. Стандарты ISO пересматриваются каждые пять лет, и в 2018 году было подтверждено, что он является действующим.

УРАВНЕНИЯ ПОТОКА И МЕТОДОЛОГИЯ

Методология расчета расхода при помощи лотков Паршалла  соответствует стандарту ISO 9826:2018 и ASTM D1941-91 (2013). В обоих  стандартах  ISO 9826:2018 и ASTM D1941-91 (2013) представлены методы расчета расхода через лотки Паршалла. Поскольку лоток  Паршалла является стандартным лотком, эти два метода должны быть аналогичны, но тщательное сравнение приблизительных размеров и ширины горловины показывает различия

в двух стандартах. В ASTM D1941-91(2013) таблицы расхода лотков Паршалла  содержит страницы табличных данных, которые сложнее внедрить в компьютерную программу по сравнению с таблицами, рисунками и уравнениями  стандарта ISO 9826:2018. ISO 9826:2018 оперирует единицами измерения СИ (метрическая система) , в то время как ASTM D1941-91 (2013) использует имперскую и обычную для США системы измерений.

Лотки  Паршалла по стандарту ASTM D1941-91 (2013) определяются шириной горловины – размеры варьируются от 1 дюйма до 300 дюймов (25 футов).Стандарт  ISO 9826:2018 определяет диапазон измерений расходов лотков Паршалла  по номеру модели – от (P)1 до (P)21, а размер - по ширине горловины. Лотки Паршалла должны быть изготовлены с учетом их размеров в строгом соответствии со спецификациями, содержащимися в опубликованных документах стандартов ISO 9826:2018 и ASTM D1941- 91(2013). Каждый лоток Паршалла - это эмпирическое устройство, откалиброванное гидравлически и индивидуально, промежуточные размеры  не стандартизированы  ISO , либо ASTM.

Лотки  Паршалла не являются масштабными моделями друг друга. Чертежи основных размеров двух стандартов полного ассортимента лотков Паршалла, основанные на обоих стандартах, можно бесплатно получить у автора.

ПРОЦЕССЫ СТАНДАРТИЗАЦИЯ ISO И ASTM

 Стандарты важны в международной торговле, поскольку несоответствующие друг другу стандарты могут быть барьерами в торговле, дающими некоторым организациям преимущества в определенных регионах мира. Стандарты содержат четкие, идентифицируемые ссылки, которые признаны на международном уровне объединять и поощрять честную конкуренцию в странах со свободной рыночной экономикой. Стандарты облегчают торговлю за счет повышения качества и надежности продукции, большей функциональной совместимости и соответствия требованиям безопасности, большей простоте обслуживания и снижению затрат.

 Соответствие требованиям ISO, сертификация и аккредитация организации по стандартам ISO - это просто способ доказать , что организация действительно соответствует соответствующему стандарту (или стандартам ). От одних организаций требуется внедрять эти стандарты, а от других - демонстрировать свое соответствие им. Даже название организации ISO стандартизировано. Название “ISO” не является аббревиатурой, а произошло от греческого слова “isos”, означающего “равный”.(Отношение к стандартам таково, что если два объекты соответствуют одному стандарту, они должны быть одинаковыми.) Это название устраняет любую путаницу, которая может возникнуть в результате перевода “Международный Организация по стандартизации” на разные языки, что привело бы к различным аббревиатурам.

  ИСО - это добровольная организация , членами которой являются признанные органы по стандартизации, каждый из которых представляет одну страну. Основная часть работы ИСО выполняется 2 700 техническими комитетами, подкомитетами и рабочими группами. Каждый комитет и подкомитет возглавляет секретариат одного из государств-членов

организациями. Американский национальный Институт стандартов (ANSI) является представителем Соединенных Штатов в ISO.

 ASTM International не играет никакой роли в требовании или обеспечении соблюдения своих стандартов. Стандарты, однако, могут становятся обязательными, когда на них ссылается внешний контракт, компания или правительство. Компания может указать, что ее продукт соответствует стандарту ASTM , если организация проводит собственное тестирование/

проверку и подтверждает, что его продукт соответствует стандарту ASTM, ссылаясь на конкретное обозначение, например, указывая, что он соответствует стандартному методу испытаний ASTM D1941-91 (2013)  «Стандартная методика испытаний при измерениях расхода в открытых каналах с помощью лотков Паршалла»,

ASTM разрабатывает общеотраслевые программы сертификации, а не программы для отдельных организаций. Программы сертификации доступны через программы сертификации оборудования для обеспечения безопасности Института материалов, продуктов, систем и услуг, который  является дочерней компанией ASTM.

Заключение.

Наиболее эффективным способом получить ясное представление об использовании водомерных  лотков Паршалла  является ознакомление с публикациями, статьями и соответствующими стандартами, которые были выпущены для этих лотков. Такая информация и стандарты не только дают обзор лотка Паршалла, но и содержат необходимые базовые принципы и практические рекомендации о том, как выбрать наиболее подходящую конструкцию для конкретных требований и как выполнить гидравлической расчет  расходомерного устройства.

Почему существуют разные типы гидрометрических лотков?

 

Все выпускаемые гидрометрические  лотки являются достаточно надежными измерительными инструментами. Однако в некоторых случаях один лоток может лучше подходить для конкретной ситуации, чем другой. Например, H-образные лотки отлично подходят для точного измерения, в то время как лотки Паршалла лучше самоочищаются - благодаря их скоростному режиму прохождения потока.

Нет засорению лотка : гидрометрические лотки и коммунально-бытовые стоки

 Одним из наиболее распространенных применений гидрометрических лотков сегодня является измерение потоков  коммунально-бытовых сточных вод (sanitary flows в англоязычной терминологии) , будь это промышленный объект, стоянка передвижных домов на колесах , курорт  или  очистные сооружения. К сожалению, гидрометрические лотки  часто выбираются исключительно исходя из их способности измерять заданный расход потоков – без учета состава этих самых  потоков! Если при измерениях малых расходов не учитывать свойства среды , могут возникнуть проблемы с засорением.

Заметим, что в жилищном строительстве, чтобы избежать засорения, наименьший размер канализационной трубы для унитаза составляет 3 дюйма [7,62 см]. При добавлении в линию нескольких туалетов размер линии увеличивается до 4 дюймов [10,16 см] и выше. Таким образом, имеет смысл утверждать , что горловины  водомерных лотков  размером менее 3 дюймов [7,62 см] не следует использовать для потоков сточных вод , содержащих неочищенные твердые  и взвешенные вещества хозяйственно-бытового происхождения. При ширине горловины лотка  менее 3 дюймов [7,62 см] вопрос не в том, засорится ли лоток, а в том, когда это произойдет. Снова и снова мы сталкиваемся с тем, что клиенты категорически настаивают на том, что для их применения подойдет лоток  с меньшим размером горловины. Снова и снова одни и те же клиенты возвращаются с вопросом, что они могут сделать, чтобы решить проблему с засорами! 

 Проблема засорения может вызывать особую тревогу при эксплуатации  готовых измерительных колодцев из стекловолокна, где водомерный лоток встроен в конструкцию. Здесь чрезвычайно трудно демонтировать лоток неподходящего  размера, так как часто его части выступают вверх / вниз по течению от колодца. Установка нового  лотка вполне может оказаться невозможной – мы видели клиентов, которым приходилось заменять как комплектные измерительные колодцы , так и их части из-за проблем с засорением гидрометрического лотка. Потратьте время и сделайте все правильно с первого раза!

Водомерные лотки HS и H-типа создают специфические  проблемы, когда дело доходит до использования  их на  коммунально-бытовых стоках. Это происходит из-за V–образной формы выпуска  лотка, который значительно сужается по мере приближения к дну лотка. Помните, что для лотков HS-flume  размером 0,4 фута  даже в верхней части лотка  отверстие имеет ширину всего 1 27/32 дюйма [4,67 см], в то время как лоток HS  размером 0,6 фута лишь немного больше, чем 2 3/4 дюйма [7,00 см] в ширину. Только у лотка HS длиной 0,8 фута, ширина  верхней части становится достаточно большой и равной  3 43/64 дюйма [9,34 см], чтобы пропускать твердые частицы .Однако даже здесь ширина сливного отверстия не достигает 3 дюймов [7,62 см], пока не будет достигнута глубина 7 9/16 дюймов [19,22 см] - уровень, который составляет 79% от общей глубины лотка.

Исправительные учреждения могут создавать дополнительную проблему – имея  много свободного времени, заключенные любят выбрасывать в унитаз всевозможные необычные вещи. Здесь может быть целесообразно сделать отверстие еще большего размера, если измельчитель сточных вод не находится выше по течению от водомерного лотка.

Имея это в виду, рекомендуется не использовать следующие водомерные лотки  на неочищенных  коммунально-бытовых стоках:

Лотки Паршалла :

1 дюйм [2,54 см]

2 дюйма [5,08 см]

Лотки HS-типа

0,4 фута

0,6 фута

Лотки без горловины

18 дюймов [45,72 см] x 1 дюйм [2,54 см]

18 дюймов [45,72 см] x 2 дюйма [5,08 см]

36 дюймов [91,44 см] x 2 дюйма [5,08 см]

Лотки Монтана (короткая часть)

1 дюйм [2,54 см]

2 дюйма [5,08 см]

 

Трапециевидные лотки (Trapezoidal Flumes), как правило, невосприимчивы к проблеме засорения. Там V-образное поперечное сечение этих лотков  позволяет твердым частицам легко проталкиваться, когда поток возвращается за препятствие. На самом деле единственный случай, когда содержащиеся  в сточных водах   твердые частицы являются проблемой для трапециевидных лотков - это использование слишком глубоких  концевых адаптеров для потоков с малым расходом, но высоким содержанием примесей. Здесь твердые частицы могут осаждаться перед лотком непосредственно  во входном концевом адаптере.

 

Водомерные лотки  RBC редко, если вообще когда-либо, применяются для измерения коммунально-бытовых сточных вод. Эти  не имеют концевых адаптеров для присоединения  к трубопроводам и имеют относительно низкие максимальные скорости потока при их стандартных размерах, поэтому их использование для мониторинга потока сточных вод было бы крайне ограничено – особенно когда так много других типов гидрометрических лотков  хорошо справляются с такими потоками.

Дополнительное оборудование для жироуловителя

 Сигнализатор уровня жира

Сигнализатор уровня жира предназначен для контроля уровня жира, который накопился в системе очистки сточных вод - жироуловителе. При достижении максимальной толщины накопившихся жировых отложений сигнализатор подает сигнал и тем самым позволяет своевременно обслуживать жироуловитель.

Установку сигнализатора уровня жира можно проводить в уже работающее оборудование. Сигнализатор уровня жира подключается к датчику уровня жира, который установлен в жироуловителе. При этом через релейный выход к сигнализатору можно подключить любое дополнительное оборудование. Сигнализатор устанавливается на DIN рейку и вешается на стену или любой другой вертикальной поверхности непосредственно рядом с жироуловителем или в помещении обслуживающего персонала. Установку и подключение сигнализатора уровня жира должны осуществлять только специалисты, имеющие доступ к работе с электроустановками напряжением до 1000 В и прошедшие аттестацию по технике безопасности.

Датчик уровня жира

Датчик уровня жира позволяет определять уровень жира в резервуаре жироуловителя. Датчик легко монтируется в емкости и стабильно работает в жироуловителе с большим содержанием жира и в сильнозагрязненных стоках.

Место в жироуловителе для установки датчика жира  выбирается индивидуально. Оборудование надежно закрепляется к электрическому проводу и подвешивается на нем. Положение датчика регулируется самостоятельно в ходе эксплуатации. При этом датчик не контактирует с измеряемой средой, занимает мало места, не имеет движущихся частей и может работать с агрессивными средами.

Удлинительная горловина

Удлинительная горловина для промышленного жироуловителя применяется в том случае, когда подводящая труба канализации залегает ниже расчетной глубины, или в том случае, если жироуловитель уже установлен, и требуется выполнить ландшафтные работы с поднятием уровня участка. Удлинительная горловина позволяет обеспечить большее заглубление промышленного жироуловителя по отношению к паспортному, даже спустя длительное время после установки очистного сооружения.

Удлинительные горловины могут иметь разные высоту и диаметр, поэтому при её выборе необходимо уточнить, какое именно оборудование у Вас установлено. Установить горловину можно самостоятельно, однако рекомендуется доверить эту работу специалистам, которые смогут дать гарантию на выполненную работу. Удлинительную горловину можно устанавливать на герметик при условии невысокого уровня грунтовых вод. В случае высокого уровня грунтовых вод удлинительную горловину нужно приваривать сварочным прутком.

Расходомер «Взлет РСЛ» или кое-что о «худших» разработках

 

Для  фирмы «Взлет»  хорошей  традицией  стала  регулярная  публикация  статей  по вопросам расходометрии  и теплоучета  в журнале «Энергосбережение».  Сегодня  мы хотим  поговорить о расходомерах для открытых каналов и безнапорных трубопроводов. 

Загрязненная вода от абонентов поступает в систему коллекторов в напорном или безнапорном режимах. Задача учета воды в напорных водоводах практически решена [1]. А вот вопрос организации учета воды в открытых каналах и безнапорных трубопроводах на сегодняшний день остается  открытым.  Это  связано  со спецификой  эксплуатации  расходомеров  в безнапорном  режиме.

Рассмотрим факторы, усложняющие задачу измерения расхода в этом режиме. 

1. Широкий диапазон скоростей течения, который в коллекторах и лотках лежит в пределах от 0 до 5 м/с.

2.  Проведение  корректной  калибровки.  Дело  в том,  что  для  использования  существующих  расходомеров необходимо предварительно на объекте измерения провести одноточечную калибровку:  экспериментально  определить  величину  расхода,  соответствующую  определенному  наполнению,  или  измерить  индивидуальные  характеристики  канала/трубопровода (коэффициент  шероховатости  стенок  канала,  диаметр  и форму  трубы,  уклон).  Эти  данные  передаются на фирму-производитель для индивидуальной настройки прибора под данный объект. Согласитесь, что это не вполне удобно.

3.  Образование  отложений.  В процессе  эксплуатации  в измерительных  участках  осаждается ил или другие отложения, которые вызывают дополнительную погрешность измерения из-за некорректно определенного живого сечения потока.

4.  Загрязнение  поверхности  датчика,  возникающее  при  полном  наполнении  канала и испарениях — отрицательно влияет на работоспособность датчика, если он не имеет функции самоочистки. 

5. Возможность подтопления канала при выпадении большого количества атмосферных осадков,  превышающих  проектное  значение;  сверхнормативная  перегрузка  трубопроводных  сетей или накопление большого количества отложений приводят к увеличению погрешности измерения расхода, а в ряде случаев и к возникновению обратного подпора. 

6. Возникновение обратного подпора. Если в расходомере не предусмотрена возможность определения направления потока, то при обратном подпоре расходомер будет показывать расход даже при отсутствии движения жидкости или при обратном течении.

7. Измерения при малых значениях расходов в периоды малой нагрузки (например, ночью).

8. Как известно, гидравлика — дело тонкое, и турбулентный поток в зависимости от скорости, диаметра трубопровода, наполнения и шероховатости стенок условно подразделяется на три области течения: область гидравлически гладких труб, переходная и область квадратичного сопротивления.  Наличие  обратного  подпора  может  привести  к тому,  что  поток  может  оказаться в любой из этих областей, и даже в области ламинарного режима течения.

9. Задача точного определения значения расхода осложняется в случае неосесимметричного профиля потока.

10.  Сложность  точного  определения  индивидуальных  характеристик  трубопровода (уклона канала,  его  внутреннего  диаметра,  коэффициента  шероховатости  стенок),  вносящих  основной вклад в погрешность измерения расхода. Причем большая доля вносимой погрешности измерения приходятся на коэффициент шероховатости стенок, изменяющийся в процессе эксплуатации.

Очередная разработка фирмы «Взлет» — ультразвуковой расходомер для безнапорных трубопроводов «Взлет РСЛ». Вы ожидаете, что мы скажем, что наш прибор — лучший. Если оценивать по формальным признакам, то сегодня мы этого сказать не имеем права. Зададимся вопросом: «Лучшим» или «худшим» является прибор, превосходящий по своим характеристикам требования нормативно-технических документов? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо проанализировать соответствие действующих документов и современных возможностей построения измерительной техники. Быстрое развитие элементной базы за последние годы

дало возможность существенно увеличить объем памяти прибора, а, следовательно, реализовать более сложные и совершенные методики измерений, позволяющие учитывать большее количество факторов, влияющих на точность измерения.

В настоящее время применяются два подхода к измерению расхода в безнапорных трубопроводах.

Первый  заключается  в измерении  одного  параметра —  уровня  наполнения  трубопровода с дальнейшим пересчетом уровня в расход по вводимой в прибор расходной характеристике водовода.

Второй, позволяющий обеспечить большую точность измерения, но значительно более сложный  в реализации,  заключается  в измерении  двух  параметров:  осредненной  скорости в поперечном сечении канала, уровня наполнения и вычисления по ним расхода. Этот метод реализован  в некоторых  западных  приборах,  например,  в расходомере «PulsFlow» фирмы «Nivus» (Германия). 

Действующие  отечественные  нормативно-технические  документы [3], [4] предусматривают использование методики, основанной на косвенном определении расхода по уровню наполнения, поэтому в нашей новой разработке — ультразвуковом расходомере «Взлет РСЛ» для безнапорных трубопроводов и открытых каналов был заложен именно этот метод. И это одно из немногих требований, по которым расходомер «Взлет РСЛ» соответствует методике [3].

Рассмотрим, какое же место среди существующих приборов данного класса занимает расходомер «Взлет РСЛ». Лучше он или хуже существующих аналогов?

С учетом изложенных проблем, сформулируем, какими техническими характеристиками должен обладать «хороший» расходомер [2]:

-универсальностью  с точки  зрения  применения  для  каналов  и трубопроводов  различных типов и профилей; 

-  учитывать состояние поверхности стенок канала или трубопровода; 

- автоматически  корректировать  измеренное  значение  расхода  в зависимости  от области турбулентного потока (область гидравлически гладких труб, переходная, область квадратичного сопротивления); 

- учитывать обратный подпор (обратное течение) в каналах; 

- корректировать результат измерений в случае не осесимметричного профиля потока; 

- проводить измерения с нормированной погрешностью при полном наполнении трубопровода; 

- определять скорость потока для уменьшения составляющих погрешности измерения, зависящих от индивидуальных характеристик трубопровода. 

Технические требования к современным приборам предполагают, что в прибор для определения  расхода  закладывается  расходная  характеристика,  определяемая  в соответствии с методическими указаниями. Сегодня основными нормативными документами являются [3] и [4].

К сожалению, они не свободны от ряда недостатков.

Во-первых, говоря об областях течения, необходимо отметить, что МИ 2220 [3] ограничивает область использования только областью квадратичного сопротивления. Как было отмечено, наличие обратного подпора, времени суток, индивидуальных характеристик канала может приводить  к тому,  что  в процессе  эксплуатации  область  течения  потока  может  варьироваться

от ламинарного  режима  до области  квадратичного  сопротивления  турбулентного  режима.  При этом  ни расчетной  формулы,  ни графика  для  расчета  потока  для  других  областей  МИ 2220 [3] не приводит.

Во-вторых, для расчета расхода предусмотрено использование только одной нормированной расходной характеристики, не учитывающей диаметр условного прохода и других факторов. Для  получения точных результатов при малых наполнениях (меньших 0,2) этого явно не достаточно.

Проведенный нами оценочный расчет показывает, что в этом диапазоне относительная погрешность,  рассчитанная  по формуле (1) при  использовании  кривой,  приведенной  в МИ 2220 [3], и по кривым, рассчитанным с учетом диаметра условного прохода, может достигать 40% при наполнении 0,1 и 100 % при наполнении 0,06 для трубопровода диаметром 200 мм. Отсюда очевидна необходимость построения семейства кривых для различных диаметров трубопроводов.

В-третьих, [3] допускает проводить калибровку по двум альтернативным методам: расчетному — по формуле Шези и экспериментальному — с помощью гидрометрических вертушек.

При этом необходимо отметить, что применение формулы Шези  ограничено  областью  квадратичного  сопротивления.

Ограниченный  инструментарий (использование  только  гидрометрических  вертушек)  неудобен  из-за  проблем,  связанных  с его  приобретением.  Кроме  того,  гидрометрические  вертушки имеют в загрязненных потоках малую надежность  и низкие метрологические характеристики. При этом формула для расчета показателя степени «y» при гидравлическом

радиусе  для  формулы  Шези  не приводится,  что  снижает точность определения расхода. В литературе существует ряд формул для определения показателя «y». Среди них: формула Маннинга, формула Павловского, приближенная формула Павловского. Проведенный нами расчет в [2] показал, что в зависимости от выбранной формулы (Маннинга или Павловского) для расчета «у», относительная погрешность вычисления величины «у» достигает. При этом относительная погрешность определения величин расхода, вносимая неоднозначностью величины «у» в формулах Павловского и Маннинга достигает 10%. 

В-четвертых, пересчет уровня в расход в МИ 2200[3] осуществляется по нормированной градуировочной характеристике, а формулы, по которой получена данная расчетная характеристика не приводится.

В результате всего сказанного очевидно, что в точности соблюдая требования [3] можно разработать прибор, измеряющий с погрешностью ±4 %, как это требуют [3] лишь в достаточно узком диапазоне наполнений и областей течения потока, ограниченных квадратичной областью. 

По этим причинам и в связи с тем, что фирма «Взлет» всегда во главу угла ставила точность измерения,  и возникло  решение  о разработке … «худшего»  прибора,  не соответствующего [3] по ряду требований.

Расходомер «Взлет  РСЛ»  обеспечивает  выполнение  методики  измерений,  отличающейся от методики [3], в части:  

1. Прибор измеряет с заданной погрешностью во всем диапазоне скоростей турбулентного течения: от области гидравлически гладких труб до области квадратичного отклонения;

2. Откроем Вам основной секрет: пересчет расхода в расходомере «Взлет РСЛ» выполняется не по одной, как это требуют МИ 2220 [3], а по 11 кривым ( с аппроксимацией значений между кривыми) учетом различных значений диаметра трубопровода, вследствие чего удалось повысить точность измерения расхода при малых наполнениях;

3.  Калибровка  трубопровода  может  проводиться  на основе  расчетного  метода.  Существует возможность выполнения расчета не только по формуле Шези, но и по формуле Дарси-Вейсбаха  с вычислением коэффициента гидравлического трения по приближенной формуле Кальбрука, что позволяет повысить точность определения расхода.

4. Для расчета нормированой градуировочной характеристики используется формула Дарси-Вейсбаха с вычислением коэффициента гидравлического трения по точной формуле Кальбрука.

Пойдя на сознательное отклонение от указанных требований методики [3], в приборе удалось достичь ряд преимуществ.

Так чем же «худший» расходомер «Взлет РСЛ» лучше? Тем, что:

1.  В приборе  использован  новый  импульсно-частотно-фазовый  метод,  позволяющий  исключить влияние амплитуды на точность определения времени прихода эхо-сигнала. Пояснение: величина амплитуды при измерениях по воздуху имеет большие флуктуации. В результате этого, при измерении времени прихода по фиксированному порогу, как это реализовано в большинстве  расходомеров, возникает дополнительная погрешность измерения; 

2.  Программирование  расходной  характеристики  выполняется  на объекте  эксплуатации  без участия фирмы-изготовителя;

3.  Введена  автоматическая  коррекция  влияния  параметров  газовой  среды (температура, влажность, давление, химический состав) на измеряемые параметры за счет использования реперного отражателя;

4. Имеются программируемые уровни — «уставки» (8 шт.), при достижении которых происходит срабатывание релейных выходов. Это позволяет при необходимости установить сигнализацию величины наполнения трубопровода;

5. Прибор обеспечивает минимальное влияние пены на точность измерения расхода;

6. Имеется индикация скорости звука и температуры газовой среды;

7. Предусмотрена звуковая сигнализация начала и окончания заданного интервала времени от встроенного таймера.

Таким образом, глубокоуважаемый партнер, на сегодняшний день ситуация такова, что приходится выбирать «худшие» приборы, чтобы проводить лучшие измерения.

 

Жмылев А. Б., Топунов А. В, Шерман О. А.

 

Литература

1. А. П. Зайцев, В. М. Симахин, Н. В. Филиповская Учет сточных вод в Санкт-Петербурге// Ма-

териалы 13-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоно-

сителей», С.-Пб., 2001 г., С.103-107.

2.  А. Б. Жмылев,  Л. А. Лисицинский,  О. А. Шерман.  Измерения  расхода  жидкостей

в безнапорных трубопроводах и каналах: анализ проблем, пути решения и оптимизации// Мате-

риалы 13-й Международной научно-практической конференции «Коммерческий учет энергоноси-

телей», С.-Пб., 2001 г., С.316-324.

3. ГСИ. Расход сточной жидкости в безнапорных трубопроводах. Методика выполнения изме-

рений. МИ 2220-96, 1996 г.

4. ГСИ. Расход жидкости в безнапорных каналах систем водоснабжения и канализации. Мето-

дика  выполнения  измерений  при  помощи  стандартных  водосливов  и лотков.  МИ 2406-97.,

 

К вопросу измерения расходов воды в трубопроводах больших диаметров

 

В настоящее время для измерения расходов воды в трубопроводах больших диаметров предлагается широкая  номенклатура  приборов,  принцип  работы  которых  основан на самых различных методах. Однако опыт практического использования данных приборов убедительно  показал,

что большинство из них в достаточной степени не  адаптированы  к  объективному  состоянию  водопроводных сетей, в результате чего точность и надежность измерения ими расходов воды не удовлетворяют современным требованиям.

В этой связи в отечественной практике для измерения расходов воды в трубопроводах больших диаметров наибольшее применение нашли приборы: ультразвуковые  времяимпульсные и вихревые погружные.

Для  оценки  эффективности  применения  указанных  расходомеров считаем целесообразным провести сравнительный анализ достоверности и надежности результатов  измерений  исходя  из  принципов,  заложенных  в основу  их работы.

Ультразвуковые время-импульсные расходомеры

  Принцип  работы  ультразвуковых  времяимпульсных  расходомеров основан на измерении разности времени прохождения  зондирующих  акустических  колебаний  по направлению движения жидкости в трубопроводе и против  него,  величина  которой  пропорциональна  скорости потока, а следовательно и расходу через измерительное сечение  трубопровода.  Поэтому,  точность  измерений данным типом расходомеров будет зависеть от точности определения  измерительного  сечения  трубопровода  и погрешности ультразвукового преобразователя скорости потока.

   Точность  определения  измерительного  сечения  трубопровода главным образом зависит от метода и средств измерения линейных параметров трубопровода, в то время как точность ультразвукового времяимпульсного преобразователя скорости потока оценивается погрешностями систематического и случайного характера, основными источниками которых могут являться:

1)    зависимость показаний от профиля скоростей или от коэффициента гидравлического трения трубопровода λ и числа Re;

    2)изменение  скорости  распространения  ультразвука  в среде вследствие изменения ее параметров – давления и температуры, а также степени концентрации в среде других веществ;

3) асимметрия электронно-акустических каналов;

4) паразитные акустические сигналы.

Профиль скоростей оказывает существенное влияние  на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Причина заключается в том, что прибор реагирует  на скорость потока VD, усредненную по линии прохождения ультразвукового луча, которая отличается от средней скорости потока Vс по сечению трубопровода.

В случае наиболее распространенной схемы расходомеров с зондированием в диаметральной плоскости:

где Vr - cкорость при осесимметричном потоке на расстоянии r от центра.

Из уравнений (1), (2) следует Vc=k*VD, где k < 1.

Значение коэффициента k зависит от вида функции Vr=f(r), характеризующей профиль скоростей.

При ламинарном течении ( Re < Rкр ≈ 2000) величина скорости движения частиц жидкости в поперечном сечении потока изменяется по параболическому закону:

[А.Н. Патрашев. Гидромеханика. Военно-морское издательство, М., 1972].

Подставляя значение Vr в уравнения (1), (2) и интегрируя их получаем значение поправочного коэффициента k для зоны устойчивого ламинарного течения:

 В зоне турбулентного течения (Re > R*кр ≈ 4000) поправочный  коэффициент  определяется  уравнением [Кивилис С.С., Решетников В.А. Влияние профиля установившегося  потока  на  погрешность   ультразвуковых расходомеров.Измерительная техника. 1965.)

где λ - коэффициент гидравлического трения определяемый по графику Коулбрука или по формуле:

где:

Ra- шероховатость внутренней поверхности трубопровода  (определяется  экспериментально,  методом линейных измерений по ГОСТ 2789-73) , мм;

 Dср - среднее значение  внутреннего  диаметра  трубопровода,  мм; 

Re  - число Рейнольдса.

Исследования состояния отечественных водопроводных сетей показывают, что значение коэффициента гидравлического трения λ находится в диапазоне 0,01...0,02 для  новых  трубопроводов  и  достигает  0,06....0,07  для  трубопроводов бывших в эксплуатации, в зависимости от условий эксплуатации и физического состава измеряемой среды.

Подставляя значения λ в уравнение (3) получим значения k= 0,958 ÷ 0,895(для новых и бывших в эксплуатации трубопроводов). Это означает, что в случае неправильного определения параметра шероховатости внутренней поверхности трубопровода, систематическая погрешность ультразвукового расходомера может достигать значения 7%, причем увеличение шероховатости приводит к завышению показаний.

Кроме  того,  в  диапазоне  расходов  от  ламинарного  до  автомодельной  области  турбулентного  течения  Re=4000 ÷50000  (например,  для  трубопроводов  Dy=1000мм  данная  зона  соответствует  расходам Q=200÷2200  м3/ч  при  температуре  воды  плюс  5˚С)  коэффициент k изменяется в диапазоне 0,918 ч÷0,958 (на 4,4%) и зависит не только от шероховатости, но и от Re.

Чтобы исключить эту погрешность, необходимо корректировать характеристику прибора в функции от Re, что весьма сложно сделать, т.к. Re в свою очередь зависит не  только  от  скорости  потока,  но  и  в  большой  степени от кинематической вязкости и температуры измеряемой среды (см., например, Кинематическая вязкость воды по данным ГСССД).

 

Влияние изменения скорости  распространения ультразвука в среде на показания расходомеров  

Скорость  распространения  ультразвука  в  жидких средах  зависит  от  температуры,  давления  и  содержания (концентрации) в среде отдельных компонентов. Для воды и водных растворов эмпирические формулы расчета абсолютных изменений скорости звука представляют  собой зависимости вида:

 

где Δср - изменение скорости звука от давления. По данным  [Чверткин  Е.И.  Гидро-акустическая  телеметрия. ЛГУ.  1978.]  Δср  =  0,165ч0.185  м/с  на  0,1МПа  давления (для диапазона давлений 0....0,6 Мпа величина незначительная,  которую  можно  не  учитывать  при  оценке  погрешности);

Δсb - изменение скорости звука от состава (концентрации)  водных  растворов.  Коэффициент  положительный  и  равен  (0,8ч1.5)  10-3 г/л.  При  содержании  в  воде  загрязнений 10г/л может привести к погрешности измерений до 3%.

Δcm - изменение скорости звука от температуры.

Данная  величина  положительная  и  может  оказывать  значительное влияние на показания ультразвуковых расходомеров.  По  данным  [А.П.  Евтютов,  А.Е.  Колесников. Справочник по гидроакустике. Л., “Судостроение”, 1982.] приращение скорости звука в воде при изменении температуры на 1˚С зависит от температуры (таблица 1).

Таким образом, при колебаниях температуры воды от 5 до 25˚С, что например свойственно для случая водозабора из естественных источников (сезонная и суточная изменчивость), общее изменение скорости звука может составлять Δст =64 м/с.

Так как, для времяимпульсныхультразвуковых расходомеров величина времени dТ, пропорциональная скорости потока и объемному расходу жидкости, определяется выражением

 

[см.,  например,  Расходомер-счетчик  ультразвуковой времяимпульсный.  Техническое  описание  и  инструкция по эксплуатации], зависимость погрешности измерений от изменения скорости звука может быть представлена формулой:

Подставляя в данную формулу Δст=64 м/с и среднее значение  скорости  ультразвука  в  воде  с=1450м/с  при Т=5˚С, получим δQ=9%.

Из выше сказанного следует, что изменение скорости ультразвука в измеряемой среде имеет существенное значение для времяимпульсных расходомеров, в уравнение измерений  которых  входит  множитель  с2.  Погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь

9 - 12% и более, так как при изменении скорости ультразвука на 1% погрешность возрастает на 2%.

Ассиметрия электронно-акустических каналов

В однолучевых приборах, работающих с поочередным излучением,  возможны  погрешности  δа  из-за  асимметрии условий прохождения ультразвукового сигнала по потоку и против него. Данная погрешность может быть вызвана главным образом изменением скорости звука в акустическом канале, мембранах и звукопроводах из-за разности температур измеряемой среды, мембран и звукопроводов соответственно.

Данная  погрешность  может  быть  компенсирована при нулевом расходе. Однако при отклонении скоростей звука от значений, при которых эта компенсация производилась, погрешность вновь возникает. По данным [Г.П.

Катыс. Системы автоматического контроля полей скоростей и расходов. М., Издательство “Наука”, 1965] погрешность δа может достигать 5% даже при значениях Δс/с, равных всего 0,01%

Паразитные акустические сигналы

Основными источниками паразитных сигналов являются реверберация, возникающая в результате отражений ультразвука от границ жидкости с звукопроводами  или пьезоэлементами, продольные и поперечные волны

в трубопроводе, а также виброакустические помехи другого происхождения. Оценить данную погрешность количественно не представляется возможным, так как в большинстве случаев она имеет случайное происхождение.

Таким  образом,  суммарная  погрешность  измерения расхода  ультразвуковыми  времяимпульсными  расходомерами определяется:

 

где: δω- погрешность определения площади измерительного сечения трубопровода, δω < 0,2% ;

δk - погрешность определения k, δk < 7%;

δc-  погрешность,  возникающая  от  нестабильности скорости ультразвука в измеряемой среде, δc ≤ 9....12%;

δΔt- погрешность измерения интервала времени (погрешность,  вносимая  электронной  измерительно-преобразовательной схемой) δΔt < 3% для поддиапазона Qmin до Qt и δΔt < 1,5% для поддиапазона Qt до Qmax[Расходомеры-счетчики  ультразвуковые.  Методика  поверки. ];

δa - погрешность от асимметрии, δc < 5%;

δП- погрешность от паразитных акустических помех,

δп - ?.

  Подставляя  значения  выше  перечисленных  погрешностей в формулу 6, получаем предельную суммарную погрешность  измерения  расхода  δQ  ≤  15%.  Следует  иметь ввиду, что погрешность измерения расхода время-импульсными  ультразвуковыми  расходомерами  может  достигать  данной  величины  в  случае  временной  нестабильности  скорости  звука,  неправильного  определения  коэффициента  k  и  отсутствия  его  корректировки  в  реальном масштабе времени в функции от числа Re ( т.е.от скорости потока и кинематической вязкости υ, изменяющейся в свою очередь от температуры измеряемой среды)

 

Вихревые погружные расходомеры

В  основу  работы  вихревых  погружных  расходомеров  заложен  метод,  обусловленный  закономерностями турбулентного движения жидкости в трубопроводах, согласно которым скорость потока через определенную  ограниченную площадь в плоскости сечения трубопровода  пропорциональна  средней  скорости  измеряемой  среды  в  данном  сечении.  Непосредственно  процесс  измерения заключается в определении погружным первичным преобразователем  вихревого  типа  величины  скорости потока, площади поперечного (измерительного) сечения трубопровода и вычислении вторичным микропроцессорным преобразователем (блоком электроники) объемного  расхода в функции от измеренных параметров.

Погрешность измерения расхода и количества жидкой среды погружным счетчиком - расходомером может быть рассчитана в соответствии с ГОСТ 8.361-79.При установке первичного преобразователя скорости  потока в точке средней скорости предел допускаемой погрешности измерения расхода (количества) δQ (δV) складывается  из  погрешности  измерения  скорости  потока, погрешности определения площади измерительного сечения трубопровода, погрешности установки первичного  преобразователя скорости потока и погрешности относительной координаты точки средней скорости.

Среднее квадратическое отклонение результатов измерений расхода (количества) определяется по формуле: 

σQ - абсолютное среднее квадратическое отклонение  результатов определения площади измерительного сечения, мм2;

λ - коэффициент гидравлического трения (рассчитывается  по  данным  результатов  определения  параметра шероховатости и числа Рейнольдса Re);

σy - абсолютное среднее квадратическое отклонение координаты установки первичного преобразователя скорости потока, мм.;

r  -  радиус  трубопровода  в  измерительном  сечении, мм.

Приняв во внимание то, что суммарная погрешность преобразователя  скорости  потока  и  блока  электроники не превышает значения  1,5% (s/u =0,0075) относительная погрешность  измерения  объема  в  процентах  с  доверительной вероятностью 0,95 определяется по формуле:

 

При установке первичного преобразователя скорости потока на оси трубопровода и экспериментальном определении коэффициента КV, предел допускаемой погрешности измерения расхода δQ в процентах с доверительной вероятностью 0,95 определяется по формуле

где δω - абсолютное среднее квадратическое отклонение  результатов  определения  площади  измерительного сечения, м2;

 δКV - абсолютное среднее квадратическое отклонение результатов определения коэффициента KV (зависит  от точности определения параметра шероховатости Rш и числа Рейнольдса Re).

Погрешность определения площади измерительного  сечения зависит от применяемого метода и средств измерения.  При  измерении  наружного  периметра  трубопровода и толщины стенки, среднее квадратическое отклонение определение площади измерительного сечения  вычисляется по формуле:

Где:

D - наружный диаметр трубопровода, мм;

С - толщина стенки трубопровода, мм;

σD- абсолютное среднее квадратическое отклонение измерений диаметра трубопровода, мм,

σC - абсолютное среднее квадратическое отклонение  измерений толщины стенки трубопровода, мм.

В  каждом  случае  измерения  расхода  вихревым  погружным счетчиком-расходомером предел допускаемой  погрешности δQ вычисляется по формуле (7) или (8) в  зависимости  от  условий  измерения  скорости  потока  и  площади измерительного сечения.

Требования к погрешности проведения измерений

Существующие методики обеспечивают выполнение измерений и расчетов с погрешностью, не превышающей следующих значений:

- средней длины периметра трубопровода Lср в месте установки первичного преобразователя скорости потока  не более ± 0,5 мм.

-средней  толщины  стенки  трубопровода  Сср  в  месте установки первичного преобразователя скорости потока   не более ± 0,2 мм.

- величины шероховатости Rш внутренней поверхности трубопровода в месте установки первичного преобразователя расхода - не более ± 2%.

- площади измерительного сечения трубопровода - не более ± 0,2%

Устройство для установки первичного преобразователя скорости потока счетчика-расходомера обеспечивает  возможность его установки в точку измерения с точностью ± 1 мм.

При правильно выполненных измерениях и расчетах  относительная погрешность вихревых погружных расходомеров в рабочих условиях эксплуатации не превышает  ± 2%.

Выводы

1. Основными негативными факторами, влияющими на метрологические характеристики ультразвуковых расходомеров являются: изменение скорости звука в измеряемой среде, паразитные акустические сигналы, аэрация и содержание в измеряемой среде инородных включений.

Кроме  того,  качество  измерений  ультразвуковыми  расходомерами в большой степени зависит от правильного монтажа и точности определения программируемых параметров прибора.

Поверка  ультразвуковых  расходомеров  имитационным способом удобна, но ставит под сомнение достоверность измерений в реальных условиях.

Указанные  факторы  существенно  снижают  надежность и точность измерения ультразвуковыми расходомерами и ограничивают их использование в узлах коммерческого учета.

Применение ультразвуковых расходомеров ограничено условиями виброакустических помех.

Указанные  факторы  существенно  снижают  надежность и точность измерения ультразвуковыми расходомерами и ограничивают их использование в узлах коммерческого учета.

2.  Основными  составляющими  погрешности  счетчиков  -  расходомеров  вихревых  погружных  являются ошибки в определении площади измерительного сечения и отклонение координаты установки первичного преобразователя скорости потока от точки средних скоростей или оси трубопровода. Данные погрешности имеют систематический характер и могут быть исключены правильным выполнением измерений по методике поверки.

Первичная  поверка  (калибровка)  преобразователя скорости потока и блока электроники, метрологически обеспеченная  методом  испытания  на  эталонной  расходомерной  установке,  независимость  показаний  от  давления и температуры, а также достаточная устойчивость к  внешним  воз-действующим  факторам  обеспечивают достоверность показаний прибора в реальных условиях эксплуатации.

Простота монтажа (демонтажа) первичного преобразователя скорости потока, возможность его установки на трубопроводах непрерывного действия, простота расчета и ввода в блок электроники установочных параметров являются дополнительным положительным обстоятельством при использовании погружных вихревых счетчиков - расходомеров.

 

Канаев А. Н.  с.н.с.

Поляков А. И. с.н.с.

Новиков М. Г.  докт. техн. наук 

ФГУП "Санкт-Петербургский НИИ Коммунального  хозяйства"