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-
Комментариев нет:
Отправить комментарий