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"

 

 

Бесконтактные методы измерения расхода жидкости в напорных и безнапорных трубопроводах

 

Создание и развитие новых технологий и производственных процессов, увеличение стоимости воды и энергетических ресурсов, усиление мер, направленных на защиту окружающей среды, привели к возросшей потребности измерения расхода воды и других жидкостей, протекающих в напорных и безнапорных трубопроводах. Измерение расхода по частоте применения занимает в настоящее время второе место после измерений температуры, что составляет ориентировочно 25% всех промышленных измерений. В настоящее время наиболее перспективными являются методы измерения с использованием акустических волн. Это обусловлено тем, что акустические колебания и волны являются универсальными носителями информации о состоянии различных объектов. Безопасность и простота излучения–приема акустических, в основном ультразвуковых (УЗ), волн в сочетании со способностью распространяться практически в любых средах позволяют применять УЗ-методы для измерения расстояния, расхода, давления, плотности и других параметров контролируемых сред. Однако основным достоинством УЗ-методов является возможность бесконтактного измерения расстояния и расхода. 

Измерения расхода жидкости в напорных трубопроводах 

 По сложившейся традиции, для измерения расхода жидкостей в напорных трубопроводах наиболее часто применяются врезные ультразвуковые расходомеры, поскольку их принято считать более точными по сравнению с расходомерами, которые устанавливаются на внешней поверхности трубопровода (с накладными УЗ-преобразователями). Однако в последние десять лет были созданы достаточно надежные и точные (с погрешностью измерения ~2–5%) расходомеры с накладными УЗ-преобразователями, и сейчас они находят все более широкое применение. Это обусловлено тем, что расходомеры с накладными датчиками не требуют врезки в трубопровод, остановки технологических процессов, перекрытия вентилей и т. п., что особо ценно при экспресс-измерениях. Кроме того, не возникает падение давления в трубопроводе, нет влияния прибора на поток, отсутствует возможная коррозия УЗ-преобразователей. Эти приборы отличает простота установки, переноса и замены УЗ-датчиков. Накладные УЗ-преобразователи имеют специальную систему крепления, в которую входят цепи или магниты, и могут монтироваться на действующих трубопроводах в течение 10–20 минут. Применение расходомеров с накладными УЗ-преобразователями обеспечивает значительную экономию затрат, так как стоимость установки врезных расходомеров может быть сравнима со стоимостью самих расходомеров, а для трубопроводов больших диаметров – и превосходить ее. Кроме того, расходомеры с накладными УЗ-преобразователями позволяют проводить измерение расхода жидкости, протекающей в чугунных, пластмассовых, стеклянных трубопроводах, где применение врезных расходомеров существенно затруднено. Принцип действия существующих в настоящее время расходомеров с накладными УЗ-преобразователями базируется на трех различных методах измерения скорости потока: – корреляционном, – с использованием эффекта Доплера, – время-импульсном.

 • Корреляционный метод 

Корреляционный метод основан на измерении скорости движения неоднородностей потока: турбулентных вихрей, а также газообразных и твердых включений путем выделения среднего временного интервала, необходимого для преодоления этими неоднородностями расстояния между двумя парами “излучатель– приемник ультразвука”, расположенными на известном расстоянии друг от друга. Причем УЗ-колебания распространяются перпендикулярно оси потока. По разным причинам этот метод не получил широкого применения

• Метод, основанный на использовании эффекта Доплера 

 Второй метод основан на известном в физике эффекте Доплера – изменении частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта. Сигнал известной частоты (обычно 0,5–2 МГц) распространяется в жидкой среде, отражается от движущихся в потоке твердых частиц, пузырьков воздуха, локальных различий в плотностях и температурах среды. Чем больше инородных включений в жидкой среде, тем уже полоса частот информативного отраженного и принимаемого сигнала, что обеспечивает более высокую точность измерения скорости движения инородных включений, причем скорость движения инородных включений может отличаться от скорости движения самой жидкой среды примерно на 1–1,5%. Частота отраженного УЗ-сигнала сравнивается с частотой исходного сигнала (частотой излучателя) и вычисляется разница этих частот, которая в дальнейшем используется для определения скорости потока и расхода жидкости.

Доплеровские УЗ-расходомеры применяются главным образом для измерения расхода многофазных потоков: пульп, суспензий и эмульсий. Типичный представитель таких приборов – расходомер DDF 3078 PEEK MEASUREMENT (США). 

 •Время-импульсный метод 

 Третий метод основан на разности скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока жидкости и навстречу ему. УЗ-колебания, проходящие сквозь среду в направлении движения потока, достигают приемника быстрее, чем УЗ-колебания, проходящие сквозь среду навстречу движению потока. Измеряя разницу скоростей распространения УЗ-колебаний вдоль направления движения потока и навстречу потоку жидкости, можно определить скорость движения жидкой среды и вычислить ее расход. Данный метод получил в последние годы наиболее широкое применение. Это обусловлено его высокой точностью в широком диапазоне изменения расходов любых звукопроводящих сред с низким содержанием (порядка 1–3%) газообразных и твердых включений, малой инерционностью (0,1–1 с), возможностью измерения расхода пульсирующих и импульсных потоков, высокой чувствительностью к изменению скорости потока (~1–2 мм/с). Поскольку излучение УЗ-колебаний происходит короткими импульсами, длительность которых на 2–3 порядка меньше периода их повторения, появляется возможность вкладывать в каждый акустический импульс достаточно высокий уровень энергии при относительно небольшой средней мощности, затрачиваемой на излучение УЗ-колебаний (энергопотребление у время-импульсных расходомеровпримерно в 2–4 раза ниже, чем у расходомеров с использованием эффекта Доплера). Последнее имеет существенное значение при вводе акустических колебаний в поток жидкости непосредственно через стенку трубопровода, так как большое различие акустических сопротивлений контролируемой среды и материала трубопровода обусловливает низкий КПД передачи энергии УЗ-колебаний. Наиболее известными приборами, реализующими время-импульсный метод измерений расхода жидкости, являются расходомеры PORTAFLOW MKII-R (MICRONICS, Великобритания), PT 868 (PANAMETRICS, Ирландия), LT860 (KROHNE, Германия), АКРОН-01 (“СИГНУР”, Россия), однако высокая стоимость импортных приборов (порядка 6–12 тысяч долларов) существенно ограничивает их применение. Несмотря на простоту монтажа накладных УЗ-преобразователей на действующие трубопроводы, для получения достоверных результатов измерений необходимо соблюдать следующие условия:

– зачищать внешнюю поверхность трубопровода от краски и ржавчины до металлического блеска. Поверхность преобразователя и место контакта преобразователя с трубопроводом должны быть покрыты специальными желеобразными смазками, чтобы удалить воздушную прослойку, не пропускающую УЗ-колебания;

– материал трубопровода должен быть звукопроводящим. Сравнительно рыхлые материалы (бетон, теплоизолирующая обшивка, внутренняя футеровка – особенно не жестко связанная с материалом основного трубопровода) часто вообще не позволяют применять расходомеры с накладными УЗ-преобразователями. “Твердые” материалы трубопровода (сталь, чугун, алюминий, ПВХ, стекло) хорошо проводят УЗ-колебания, и проблем с применением расходомеров с накладными датчиками не возникает; 

– равномерность потока жидкости в трубопроводе имеет важное значение для получения достоверных результатов измерений. Так как конфигурация трубопровода около места установки накладных УЗ-преобразователей влияет на характер потока и, следовательно, может повлиять на результаты измерений, то для установки датчиков необходимо найти достаточно длинный прямолинейный участок трубопровода. Для время-импульсных расходомеров длина прямолинейного участка трубопровода должна составлять 5–10 Ду до и не менее 5 Ду после места установки датчиков (Ду – диаметр условного прохода трубопровода). Расходомеры, работающие на эффекте Доплера, предъявляют более строгие требования к прямолинейным участкам трубопровода (10–20 Ду до расходомера и не менее 10 Ду после него). В общем случае спектр отраженного сигнала довольно широк. В нем присутствуют гармоники различного происхождения, а не только информативные. Находящиеся в трубопроводе фланцы, клапаны, ответвления, изгибы, сужения и т. п. приводят к переменным локальным возмущениям потока, которые отражают исходный УЗ-сигнал и вносят неинформативные гармоники в спектр отраженного сигнала. Кроме того, вибрации трубопровода существенно затрудняют применение доплеровских расходомеров. Датчики расходомеров обоих типов желательно устанавливать на полностью заполненном жидкостью горизонтальном отрезке трубопровода на боковых поверхностях, а не в вертикальной плоскости, так как отложения на дне или воздушные пузыри сверху могут препятствовать нормальному распространению УЗ колебаний. Если нет возможности установить датчики на горизонтальном участке трубопровода, то следует выбирать для их установки вертикальный участок трубопровода с восходящим потоком жидкости. В трубопроводе с нисходящим потоком жидкости могут присутствовать пузырьки воздуха, стремящиеся вверх, что может привести к существенной погрешности измерений с помощью доплеровских расходомеров. При использовании расходомеров с накладными датчиками особое внимание необходимо уделять определению внутреннего диаметра трубопровода Ду, так как расход жидкости вычисляется на основании измерения скорости потока и введенного оператором значения Ду. Получить точное значение Ду (не вскрывая трубопровод) – непростая задача, особенно на старых трубопроводах. Реальное внутреннее сечение трубопровода может быть сильно искажено коррозией (за исключением пластмассовых труб), а также отложениями солей кальция, уменьшающими это сечение. Для более точного определения внутреннего сечения трубопровода используются ультразвуковые толщиномеры. Пользователю для корректного измерения расхода необходимо дополнительно приобретать УЗ-толщиномер. Стоимость современных УЗ-толщиномеров составляет примерно 500–800 долларов. Однако расходомеры РТ 868 и АКРОН-01 имеют встроенные УЗ-толщиномеры, что существенно повышает потребительские качества этих приборов. В процессе выбора и практического использования УЗ-расходомеров с накладными датчиками необходимо учитывать все вышеизложенные обстоятельства. Поэтому при экспресс-обследованиях и инструментальном энергоаудите эти приборы незаменимы. 

Измерения расхода жидкости в безнапорных трубопроводах и каналах 

Расход жидкости (в основном сточных вод) в безнапорных трубопроводах и каналах измеряется, как правило, методом переменного уровня, когда мерой расхода является определяемый уровень жидкости в выбранном измерительном сечении. Для получения устойчивой зависимости между уровнем и расходом в канал встраивают сужающее устройство – измерительный лоток или водослив. В безнапорных трубопроводах диаметром 0,1–3,0 м и лотках U-образной формы можно производить измерение расхода по методике, разработанной Научно-исследовательским институтом коммунального водоснабжения и очистки воды (НИИКВОВ), которая не требует встраивания сужающих устройств. Суть метода состоит в измерениях скорости движения потока и уровня заполнения трубопровода или лотка, при котором выполнялись эти измерения скорости. Далее следует расчет градуировочной характеристики водовода на основе полученных результатов. Таким образом, основной задачей при измерении расхода в безнапорных трубопроводах и каналах является измерение уровня текущей жидкости. Для решения этой задачи существует несколько методов. 

Пьезометрический метод  

 Пьезометрический метод в основном применяется для вспененных потоков и при наличии сильного ветра. Пьезометрический датчик устанавливается и крепится на дне канала и измеряет гидростатическое давление столба жидкости. Расход жидкости рассчитывается исходя из этой величины и гидравлических характеристик канала. 

 Барботажный (пневмометрический) метод 

Метод применяется в основном для потоков с большим содержанием пены и пара, значительными колебаниями температуры, а также при наличии в жидкости коррозионно-активных веществ. Этим методом измеряется давление, необходимое для выдавливания пузырька воздуха через трубку, конец которой закреплен на дне канала. Гидростатическое давление столба жидкости, а значит и уровень жидкости, пропорциональны этому давлению. Так как трубка может закупориваться, ее периодически необходимо продувать. Расход жидкости определяется исходя из измеренного давления и гидравлических характеристик канала. 

 Метод с использованием эффекта Доплера 

Этот метод применяется в основном для измерения расхода загрязненных потоков, когда не требуется относительно высокая точность. УЗ-датчик устанавливается на дно канала или трубопровода и осуществляет измерение локальной скорости потока, которая может несколько отличаться от средней скорости потока. Расход воды определяется исходя из усредненной скорости потока и площади сечения. Кроме того, тем или иным способом измеряется уровень потока. 

Бесконтактный акустический метод 

Бесконтактный акустический метод применяется для сильно загрязненных потоков. УЗ-датчик, практически не требующий обслуживания, устанавливается выше максимально возможного уровня заполнения канала или трубопровода и измеряет уровень жидкости в канале по времени распространения акустических колебаний от УЗ-преобразователя до поверхности потока. Расход жидкости определяется исходя из величины уровня заполнения и градуировочных характеристик канала или трубопровода. Этот метод измерения получил в настоящее время наиболее широкое применение. К его достоинствам можно отнести высокую разрешающую способность (0,5–1,0 мм), малую инерционность (1–2 с) и широкий диапазон измерения уровня (от 0,01 до 10,0 м). Кроме того, если по метрологическим характеристикам все эти методы существенно не отличаются друг от друга, то эксплуатационные характеристики акустического метода значительно выше. Этот метод измерения не требует внедрения в поток, что повышает надежность функционирования УЗ датчиков (отсутствует возможность их коррозии), а также упрощает установку и замену прибора. В России наиболее известными приборами, реализующими акустический метод измерения, являются расходомеры ЭХО-Р-02 фирмы “СИГНУР” (Россия) и расходомеры серии 4210 фирмы ISCO (Швейцария). Несмотря на простоту установки УЗ-преобразователя акустического расходомера, для получения достоверных результатов необходимо соблюдать следующие условия: 

– измерительное сечение, т. е. сечение, в котором располагается акустический преобразователь, необходимо выбирать в середине потока или трубопровода; 

 – поток жидкости должен быть установившимся, для чего длина прямолинейного участка трубопровода без боковых отводов, имеющего постоянный уклон перед измерительным сечением, должна быть не менее 20, а после него не менее 10 максимальных уровней заполнения трубопровода; 

– в измерительном сечении и вблизи него не должно быть местных выступов, закладных деталей и других предметов, вызывающих искажения уровня за счет местных возмущений потока; 

– на погрешность измерения расхода оказывает существенное влияние погрешность калибровки трубопровода или лотка. Допускается осуществлять калибровку трубопроводов и лотков расчетным методом с использованием известной формулы Шези. Основными данными для такого расчета являются строительный уклон трубопровода и коэффициент шероховатости стенок. Однако уклон, указанный в строительной документации, часто не совпадает с реальным, а коэффициент шероховатости стенок изменяется в процессе эксплуатации. Поэтому калибровка трубопроводов и лотков расчетным методом дает менее точные результаты, чем экспериментальный метод НИИКВОВ. В процессе выбора и практического использования расходомеров для безнапорных трубопроводов и каналов необходимо учитывать метрологические и эксплуатационные качества приборов, однако, при прочих равных параметрах, по эксплуатационным характеристикам акустический метод измерения расхода жидкости имеет существенное преимущество.