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

Принцип действия ультразвуковых расходомеров «ВЗЛЕТ МР»

 

Принцип действия ультразвуковых расходомеров «ВЗЛЕТ МР» основан на методе измерения расхода жидкости при помощи ультразвукового зондирования, при котором  ультразвуковые колебания, возбуждаемые электроакустическими преобразователями, распространяются в измеряемой среде по и против направления потока .Электроакустические преобразователя .подключенные ко вторичному измерительному преобразователю ультразвукового расходомера, поочередно выполняют функции  излучателей и приемников .При движении жидкости время распространения ультразвуковых колебаний по потоку меньше ,чем время распространения против потока , а разница этих времен пропорциональна скорости потока и ,следовательно, расходу жидкости.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ УРОВНЕМЕРЫ. КАК НЕ ОШИБИТЬСЯ И ЧТО О НИХ НАДО ЗНАТЬ

 

Каким бы простым ни казался метод гидростатического измерения уровня, тем не менее, существуют некоторые особенности при выборе прибора, при установке и условиях дальнейшей эксплуатации которые необходимо учитывать.

В основе действия гидростатических датчиков уровня лежит закон пропорциональности между высотой столба жидкости и гидростатическим давлением этого столба:
P = ρ*g*h,
где P - гидростатическое давление столба жидкости, g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения, ρ - плотность жидкости.

Особенности монтажа, выбора и применения

Существует три основных типа гидростатических уровнемеров - погружные, врезные и фланцевые выделяемые по типу присоединения к процессу. Так же, так как этот фактор обуславливает специальные требования к материалам из которых изготовлен прибор, имеет смысл выделять гидростатические уровнемеры по типу измеряемых сред: неагрессивная к нержавеющей стали, агрессивная к нержавеющей стали пульпообразная, густая и абразивная среды.

При выборе метода измерения уровня, следует учитывать, что корректные измерения гидростатическими датчиками возможны только в средах с постоянной плотностью, так как гидростатическое давление зависит от плотности жидкости и величины уровня. При необходимости решения задачи измерения уровня в средах с меняющейся плотностью, возможна установка двух датчиков уровня. Один прибор устанавливается в емкость для отбора пробы. В емкости обеспечивается постоянный уровень и уровнемер измеряет плотность, а данные со второго (собственно уровнемера) пересчитываются в контроллере с учетом текущей плотности среды, с которого уже скорректированный сигнал поступает в верхний уровень.

Гидростатические датчики уровня - датчики избыточного давления, которым необходима связь сенсора с атмосферой. У датчиков избыточного давления измеряемая среда (Pср) и атмосферное давление(Pатм бак) действуют с одной стороны чувствительного элемента и только атмосферное давление (Pатм) - с другой. Для открытых ёмкостей, Pатм= Pатм бак. Таким образом, атмосферное давление в баке компенсируется атмосферным давлением вне его и датчик измеряет только давление среды.

Для измерения уровня в полностью закрытых емкостях, где создаётся избыточное давление (Р изб.) между крышкой емкости и жидкостью, наиболее оптимальным будет применение гидростатических датчиков дифференциального давления. В этом случае, с помощью специального капилляра необходимо связывать датчик дифференциального давления с областью избыточного давления емкости.

Для подачи атмосферного давления в корпус погружного датчикауровня применяется специальный кабель, который помимо сигнальных линий несет еще и полую трубку, защищенную на обратном конце воздухопроницаемым, но водонепроницаемым фильтром. Корпус погружногодатчика воздухопроницаем и должен быть водонепроницаем (степень пылевлагозащиты IP 68).

Длина кабеля должна быть больше максимального уровня жидкости в емкости. Так как в гидростатических датчиках уровня используется специальный кабель, то цена кабеля в цене датчика может быть очень существенна. При некоторых условиях можно уменьшить конечную стоимость прибора уменьшив длину кабеля. Для этого надо знать минимальный и максимальный уровень жидкости в емкости. Как только специальный кабель выведен в атмосферу, сигнал можно передавать далее и обычным кабелем. Технически, переход со специального кабеля в обычный реализуется с помощью клеммной коробки. В случае, когда в емкости всегда есть какой-то минимальный уровень, ниже которого измеряемая среда не опускается, прибор можно установить на фиксированной высоте и уровень учитывать как показания уровнемера плюс высота столба жидкости под ним.

При монтаже гидростатических уровнемеров, чтобы избежать влияния повышенного давления при закачивании жидкости, так как струя насоса может создавать область повышенного давления, датчики надо устанавливать на максимальном удалении от источника турбулентности. С помощью гидростатического датчика уровня жидкости можно измерять объём. Для цилиндрических и параллелепипедообразных емкостей используют формулу V=S*h, где V - объём, S - площадь основания, h - высота. Для емкостей в форме усеченного конуса V=π(h₂3-h₁3)/3tg2a. Для ёмкостей сложных конфигураций емкость необходимо "разделить" на части и рассчитывать по формулам для параллепипеда, цилиндра и конуса. Для горизонтально расположенных цилиндрических емкостей рекомендуется использовать BD Sensors RUS DMD 331-A-S, который позволяет калибровать выходной сигнал по табличным значениям, то есть достаточно точно учитывать кривизну емкости.

Измерение уровня в различных средах

Для измерения гидростатическими датчиками уровня сред, не агрессивных к нержавеющей стали, наиболее оптимальны по соотношению цена/решение задачи - уровнемеры с корпусом из нержавеющей стали, керамическим тензорезистивным сенсором с открытой или защищенной мембраной из нержавеющей стали. Открытая мембрана из нержавеющей стали подходит для случаев измерения загрязненной среды, но без включений, могущих повредить мембрану.

Мембрана, закрытая защитным колпачком в таких средах быстро забивается отложениями и прибор начинает выдавать некорректные значения, поэтому, при выборе датчика с защищенной мембраной надо понимать уровень загрязнения среды, то есть частоту, с которой придется очищать мембрану. Это в свою очередь так же нежелательно, так как повышает риск повреждения мембраны при механической очистке. Другими словами, защищенную мембрану имеет  смысл использовать для работы в средах с включениями крупнее технологических отверстий в колпачке предназначенных для доступа среды к мембране сенсора. Для сред с включениями могущими повредить мембрану, или сильно загрязненными, лучше использовать приборы с керамической мембраной.

Измерение уровня в агрессивных средах обуславливает исполнение мембраны, корпуса и уплотнения из специальных материалов некорродирующих или слабо корродирующих в измеряемой среде. Сегодня у BD Sensors RUS существуют решения для большинства использующихся в промышленности кислот, щелочей, растворов солей (например, раствора гипохлорита натрия), морской воды. Например,погружной датчик уровня жидкости BD Sensors RUS LMK 858 с керамической мембраной, корпусом из PVDF, уплотнением из EPDM и кабелем с тефлоновым покрытием гарантированно "держит" серную кислоту концентрацией от 5 до 98% и температурой до 50°С.

Для погружных уровнемеров так же учитывают и материал, из которого изготовлен кабель. В уровнемерах БДСенсорс РУС используются четыре типа кабеля: PVC - для воды и жидкостей на водной основе, PUR - для масел и маслообразных жидкостей, FEP - высокоагрессивных жидкостей (сильно концентрированных кислот и щелочей) и TPE для высокотемпературных сред до 125°С. При подборе уровнемера следует учитывать также и рабочую температуру измеряемой среды, так как высокие температуры могут выступать катализаторами или ускорять коррозию материалов, из которых изготовлен прибор. В каждом частном случае, под каждую агрессивную среду прибор подбирают по таблицам химической устойчивости веществ.

Сложность измерения уровня в пульпообразных, густых и абразивных средах обусловлена тем, что они требуют использовать мембрану незащищенную колпачком. В целом, оптимальным решением для таких сред являются приборы с керамическими мембранами, которые более устойчивы к абразивным средам и могут использоваться без защитных колпачков. Однако следует учитывать, что в общем случае, приборы с керамической мембраной предполагают большую погрешность по сравнению с металлической, а также не рекомендованы для использования в системах, где возможны гидроудары.

 

Измерительные преобразователи давления

 

Датчики  давления  выпускаются  в  виде  отдельных  приборов  или  могут  быть интегрированы  в  состав  многофункциональных  устройств.  Выбор  датчика  давления зависит  от  характеристик  измеряемого  вещества,  условий  рабочей  среды,  измеряемого диапазона, а также уровня чувствительности сенсора и точности измерений. По принципу действия, или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал, первичные измерительныепреобразователи давления (ИПД)  подразделяют ,прежде всего, на деформационные и электрические. В первых деформационные перемещения УЧЭ- упругого  чувствительного элемента   (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформируются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преобразователей (например, магнитотранзисторного или оптоэлектронного) в электрический или электромагнитный сигнал, а во вторых измеряемое давление, оказывая воздействия на чувствительный элемент (ЧЭ), изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые  становятся мерой этого давления.

   Подавляющее большинство современных общепромышленных ИПД реализованы на основе ёмкостных (используют УЧЭ в виде конденсатора с переменным зазором: смещение или прогиб под действием прилагаемого давления подвижного электрода мембраны относительно нее подвижного изменяет ёмкость УЧЭ),пьезоэлектрических (основаны на зависимости поляризованного заряда или резонансной частоты пьезокристаллов :кварца, турмалина и других — от давления) или тензорезисторных (используют зависимость активного сопротивления проводника или полупроводника от степени его деформации) принципах. В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконноооптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, акустические, диффузионные и т.д.

 На сегодняшний день самыми популярными в СНГ являются тензорезисторные ИПД.  

  Тензорезисторные чувствительные элементы ТРЧЭ (в переводной литературе их иногда называют пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) представляют собой металлическую и/или диэлектрическую измерительную мембрану, на которой размещаются тензорезисторы (чаще всего в виде уравновешенного измерительного моста) с контактными площадками для проводного подключения к внутренней или внешней электроизмерительной схеме — электронному блоку обработки сигнала. Деформация мембраны под воздействием внешнего давления Р приводит к локальным деформациям тензорезисторного моста и его разбалансу — изменению сопротивления, которое измеряется электронным блоком . Тензорезисторы (ТР) выполняются как из металла (проволочные, фольговые или пленочные), так и из полупроводника (поликристаллические из порошкообразного полупроводника и монокристаллические из кристалла кремния). Поскольку чувствительность полупроводниковых ТР в десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, поскольку интегральная технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одновременно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обработки, тов последние годы получили преимущественное развитие интегральные полупроводниковые ТРЧЭ. Такие элементы реализуются либо по технологии диффузионных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой подложки  p-n переходами — технология «кремний на кремнии», либо по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на диэлектрике» на стеклокерамике, кварце или сапфире. Для ТРЧЭ, особенно полупроводниковых, существенно влияние температуры на упругие и электрические характеристики ТР, что требует применения специальных схем температурной компенсации погрешностей (в частности, с этой целью в расширенной схеме тензомоста используются компенсационные резисторы и терморезисторы). Особенно широкое применение в изготовлении общепромышленных ИПД в силу своих высоких механических, изолирующих и теплоустойчивых качеств получила технология КНС — «кремний на сапфире».

  По выходному сигналу датчики давления  подразделяются на аналоговые и  цифровые.

Основной парк действующих ИПД относится к аналоговым с унифицированным токовым сигналом 0...5, 0...20 или 4...20 мA. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым  выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4-20 мA. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей давления с использованием различных разновидностей промышленных сетей Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др.). При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых производителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифровые интерфейсы, как ДДПК (двоично-десятичный параллельный код), ИРПС (интерфейс радиальный последовательный) и RSS232C.

 Измерительные преобразователи давления различаются, кроме того, по видам измеряемого давления, используемым единицам измерения и ряду основных технических параметров (ГОСТ 22520-85): диапазону измеряемого давления (выбирается для каждой модели из стандартного ряда давлений), пределу основной допускаемой погрешности (определяется при нормальной температуре +25°С от верхнего предела диапазона измерения и включает в себя, как правило,погрешности от гистерезиса ЧЭ, его линейности и воспроизводимости результатов измерения), пределу дополнительной температурной погрешности (этот предел задается от изменения температуры относительно нормальной на каждые 10 или 28°С или на весь температурный диапазон работы), допустимому рабочему диапазону температур окружающей среды (иногда дополнительно указывают допустимый диапазон температур технологического процесса или измеряемой среды и корпуса прибора), динамическому диапазону измерения давлений (отношению максимального значения измеряемого давления к минимальному), стабильности метрологических характеристик во времени (как процент от верхнего предела диапазона измерения в течение 6 или 12 месяцев), устойчивости к вибрациям, защите от высокочастотных помех, климатическим и взрывозащищенным исполнениям (ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 14254-96), требованиям к источнику питания и по другим параметрам.