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"

 

 

Применение лотков Вентури

 

Гидрометрические лотки Вентури являются простым и надежным инструментом, обеспечивая высокую точность измерения, универсальность которых позволяет использовать их в различных областях применения: в системах коммерческого или технологического учета вод в промышленности, в водоотведении ливневых, дренажных и хозяйственно-бытовых сточных вод, на очистных сооружениях.

 А также гидрометрические лотки Вентури  применяются при мониторинге шахтно-рудничных вод, в ирригации и мелиорации на оросительных и дренажных каналах, для мониторинга фильтрационных вод через плотины, при режимных наблюдениях на гидрологической сети в естественных и искусственных водотоках (реках, ручьях, каналах), при определении "дебита" родников и скважин, в лабораторных исследованиях при измерении расхода жидкости и др.

ОБЗОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

 

Расходомеры – это приборы, измеряющие объем или массу вещества: жидкости,  газа  или  пара,  которые  проходят  через  сечение  трубопровода  в  единицу  времени. В быту расходомеры называют «счетчиками», но это неверно, потому что  счетчик – только  одна  из  составляющих  конструкции  расходомера.  Особенности  конструкции  зависят  от  типа  прибора.  Сейчас  используют 6 типов расходомеров, у каждого из которых – свои сильные и слабые стороны. 

Ультразвуковыми расходомерами  называют  расходомеры,  принцип  работы которых основан в прохождении ультразвуковой волны через поток жидкости или газа. Ультразвуковые расходомеры работают в диапазоне частот от 20кГц до 1000 МГц.

Для прохождения волны и её интерпретации необходимы приемник и передатчик, которые обладают пьезоэлектрическим эффектом. Таким эффектом обладают  следующие  материалы  кварц,  турмалин,  тартрата  калия,  сульфата  лития,  титанат  бария,  цирконат  титаната  свинца.  Помещая  пьезоэлектрический кристалл в электрическое поле, упругая деформация вызывает уменьшение или увеличение его длины в соответствии с величиной и направлением полярности  поля.

Прикладывая напряжение, размеры пьезокерамических элементов изменяются.  При  механических  воздействиях  пьезокерамический  элемент  генерирует  электрический ток.Поэтому пьезокерамические элементы используются в качестве излучателей и приемников сигнала, т.е. как приемопередатчики.

Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены пьезоэлемента.

         Диаметр  пьезоэлемента  находится  в  пределах 5-20 милиметров,  а  его толщина  выбирается  в  зависимости  от  частоты.  В  частотных  и  время-импульсных  ультразвуковых расходомерах  для  повешения  точности  измерений  используют  частоты 5-20 МГц. Обычно в жидкостях применяются частоты (50 кГц - 2 МГц).

    В газовых средах необходимо уменьшать частоты до сотен и десятков Кгц, это вызвано  сложностью  создания  в  газах  интенсивных  акустических  колебаний, особенно высокой частоты. 

Преобразователи сферического излучения

Данные  конструкции  применяются  в  трубах  малого  диаметра.  В  качестве преобразователей  используются  кольцевые  пьезопреобразователи,  которые создают сферическое излучение. В схеме А, каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебании.

Преобразователи с отражателями. Одна из лучших схем для защиты пьезопреобразователей от условий агрессивной среды и механических примесей в жидкости. В данном случае волна подается от передатчиков-излучателей и, отражаясь от стенок отражателя, попадает на приемник.

 

На рисунках А, В, С показаны однолучевые конструкции расходомеров. На рисунке А, D, E трубопровод снабжается особыми впадинами - карманами, в глубине которых находятся пьезоэлементы. Данные конструкции применяются  для чистых и неагрессивных сред, так как возможно засорение данных полостей.  Также  вследствие  свободных  полостей  возможно  появление  вихрей, влияющих на показание расходомера. Конструкция В лишена данных недостатков, за счет заполнения данных полостей металлом или органическим стеклом.

В конструкции С, пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлические стенки трубы и измеряемому веществу. Чувствительность сигнала гораздо хуже, из-за паразитных сигналов и помех, вызванных прохождением колебаний по стенке трубы. Для увеличения  точности  используется  схемы  с 2, 4, 8 парами  преобразователей излучателей рисунок D, E.

Преимущества и недостатки ультразвуковых расходомеров

Преимущества:

 Высочайшая точность

 Отсутствие вращающихся частей

 Широкий диапазон рабочих температур

 Низкие потери давления

 Возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов

 Наличие врезных и накладных моделей

 Стабильность показаний

 Высокая надежность

 Низкое потребление электричества, в результате чего производятся модели, питаемые от батареек  повышенной емкости.

Недостатки:  

 Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию

пузырьков воздуха в воде)

Зависимость измерения от температуры воды

Подверженность электромагнитным помехам

Грамотная настройка ультразвуковго  расходомера для конкретной цели 

 

Список литературы

1. Кремлевский Пантелеймон Петрович. Расходомеры и счетчики количества вещества