Реализация время-импульсного метода при построении ультразвуковых расходомеров для напорных трубопроводов

 

  Время-импульсный 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  но 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 нее большой средней мощности, затрачиваемой на  излучение УЗ-колебаний (энергопотребление у время-импульсных расходомеров примерно 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 MKIIIR (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-импульсныхрасходомеров 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.

 

Дополнительные гидравлические сопротивления врезных ультразвуковых расходомеров

 

Врезные  ультразвуковые  расходомеры  имеют  исполнения  с  выступающими  и  невыступающими  конструктивными  элементами  в  проточную  часть  измерительного  участка (ИУ).  Значительно  выступающие  части,  как  правило,  могут  иметь  однолучевые врезные расходомеры.  Накладные  ультразвуковые  преобразователи  расхода  и  врезные,  не  имеющие выступающих  частей,  не  создают  дополнительных  гидравлических  сопротивлений, существенных  рециркуляционных  зон  и  профиль  скорости  в  таких  условиях  может  быть автомодельным  на  протяжении  всей  длины  акустического  зондирования,  если  перед  ИУ существует  прямолинейный  предвключенный  участок,  обеспечивающий  развитый  режим течения в измерительном трубопроводе (ИТ).

Для  определения  корректирующего  коэффициента  ультразвукового  расходомера  в условиях автомодельного режима течения в гладких ИТ круглого сечения в диапазоне чисел Рейнольдса 1Е4 – 5Е6  могут  применяться  эмпирическая  зависимости [, полученная  на основе  данных  Никурадзе,  и  современные  методы  вычислительной  гидродинамики .

Локальные  загромождения  проходного  сечения  ИТ,  обусловленные  расположением излучающего и принимающего электроакустическихпреобразователей в проточной части ИУ,изменяют  структуру  потока  и  профиль  скорости  по  линии  зондирования,  а  следовательно, создают предпосылки, при которых турбулентный поток не может быть развитым, несмотря на наличие  предвключенного  прямолинейного  участка.  В  зависимости  от  гидравлических сопротивлений  ИУ  и  режимов  течения,  определяющих  структуры  потока,  изменяется корректирующий  коэффициент ультразвукового расходомера. 

Дополнительные  гидравлические  сопротивления,  возникающие  при  монтаже врезных ультразвуковых  расходомеров,  могут  качественно  изменить  зависимости  корректирующего коэффициента  от  числа  Рейнольдса.  Адекватный  расчет  корректирующего  коэффициента врезных  ультразвуковых  расходомеров  в  рамках  допущения  о  несжимаемом  течении жидкости возможен и может быть применен при поверке расходомерных устройств. Особенно  это  актуально  для  расходомеров  с  большим  диаметром  трубопровода,  что  может  позволить  избежать финансовых затрат для строительства поверочных установок .

К вопросу расчета и использования гидрометрического лотка Паршалла с современными приборами учета воды

 

Исходя  из  многолетнего  опыта  эксплуатации  оросительных систем, определение расхода воды в канале с небольшим расходом целесообразнее проводить с помощью гидрометрических сооружений.  Это  объясняется  тем,  что,  несмотря  на  многообразие  влияющих факторов,  гидрометрические  сооружения  –  достаточно  надежные  средства измерения, имеющие устойчивые высокие метрологические характеристики и погрешность измерения в 1,5–2,0 раза меньше, чем при определении расхода воды непреобразованным методом «скорость – площадь» [1, 2].

В  настоящее  время  с  появлением  новых  современных  приборов для измерения расхода воды, датчиков и приборов, преобразующих измеренный  параметр  в  количество  измеренного  расхода  воды,  актуальность этого способа повышается. К известным конструкциям гидрометрических устройств  и  сооружений  можно  отнести:  водосливы,  гидрометрические лотки, насадки, приставки, существующие ГТС в качестве расходомерных  сооружений  (перепады,  быстротоки,  градуированные  регуляторы-водовыпуски,  гидрометрические  створы  с  фиксированным  руслом  по ГОСТ Р 51657.3-20001). 

В последнее время все чаще рассматривается использование гидрометрических лотков с современными датчиками или приборами для измерения расходов воды на открытом канале [3, 4]. Использование лотков как водомерного устройства значительно упрощает процесс измерения, сводя его к определению всего одного гидравлического параметра в одном постоянном  месте.  В  связи  с  этим  легко  автоматизировать  в  перспективе процесс измерения этого параметра, регистрацию и передачу полученной информации в центры обработки данных на расстояние для контроля и регулирования  водораспределения.  Конструкции  гидрометрических  лотков просты.  Их  может  построить  на  месте  использования  служба  эксплуатации, они могут быть собраны из унифицированных блоков или изготовлены на заводах железобетонных изделий. Эксплуатация этих сооружений не сложная и не требует больших постоянных трудозатрат. Водомерное устройство со стандартными водосливами и лотками допускается комплектовать  буйковыми,  емкостными,  тензометрическими,  акустическими  уровнемерами,  дифманометрами-уровнемерами,  ультразвуковыми  и  погружными датчиками давления и другими современными приборами [5]. 

   Материалы  и  методы. 

Основная  функция  гидрометрических  сооружений состоит в придании потоку жидкости заданного характера и режима течения в пределах ограниченного русла и в обеспечении независимости этого движения от условий протекания жидкости в нижнем и верхнем  бьефах  сооружения  или  возможности  количественного  учета  этого влияния на определяемый расход воды. Для реализации этого гидрометрические сооружения и устройства преобразуют известный метод «скорость – площадь»  так,  что расход может определяться  не  двумя, а  только одним параметром,измеряемым в заданном месте. Таким образом, используемые методы  расчета  устанавливают  для  каждого  типа  сооружения  функциональную зависимость измеряемого параметра от изменения расхода воды. Существующие  методы  расчета  основаны  на  использовании  результатов измерений  либо  напора  при  открытом  свободном  потоке,  либо  разности напоров (перепада уровней или давлений) при напорном истечении жидкости. Уравнение расхода в этом случае имеет следующий общий вид [1]:

где  Aw  – площадь живого сечения, м2;

Vк  – средняя скорость в русле или канале, м/с;

f1,f2, f3 – функциональная зависимость измеряемого параметра;

h  – глубина канала или русла (напор с точкой отсчета от средней от-

метки дна), м;

Δh  – разность измеряемых напоров или уровней, м;

ΔP  – разность давлений, м.

В нашем случае рассматривается лоток Паршалла при свободном истечении потока воды с функциональной зависимостью расхода от одного измеряемого параметра во входной части лотка (напора), т. е. Q= f (h).

Результаты и обсуждение.

Для теоретического изучения применимости  гидрометрического  лотка,  оснащенного  современными  датчиками или приборами для выполнения измерений расходов воды на открытом канале,  был  выбран  лоток  Паршалла.  Рекомендуемая  конструкция  лотка Паршалла предназначена для измерения расхода жидкости в каналах и естественных водотоках, а также для измерения расхода воды, поступающей из небольших емкостей (водохранилищ, накопителей и др.). Для измерения расходов в широких каналах с небольшим наполнением необходимо, что бы выполнялось условие h/B ≤ 0,5 (где  h  – высота столба жидкости в канале, м;  B  – ширина сужающей входной секции). 

На  рисунке  1  представлен  общий  вид  лотка.  Лоток  имеет  прямоугольную форму поперечного сечения и состоит из трех основных частей: сужающей входной секции, секции горловины, расширяющейся выходной секции.

Входная секция имеет горизонтальное дно, которое называется порогом лотка, и вертикальные боковые стенки. Секция горловины имеет параллельные  боковые  стенки  в  плане.  Дно  горловины  плавно  понижается по направлению потока с постоянным для всех размеров лотков уклоном 3:8.Линия сопряжения дна входной секции с секцией горловины называется гребнем порога [6]. 

Гидрометрические  сооружения  на  базе  стандартных  лотков  представляют собой простое гидравлическое устройство, но требуют разработки  точного  проекта.  Критерии  определения  размера  гидрометрического лотка – величина наибольшего пропускного расхода воды, а также гидравлические  характеристики  подводящего  и  отводящего  участка  канала  или водоема [7]. 

  Гидравлический расчет лотка Паршалла сводится к нахождению ширины горловины лотка по заданному расходу и принятому верхнему пределу измерения напора при условии обеспечения свободного незатопленного истечения и спокойного режима в подводящем канале. 

 Выбор  размеров  лотка  желательно  сделать  в  расчете  на  свободное истечение (т. е. при отсутствии затопления со стороны нижнего бьефа).Критерием затопления является соотношение высот уровня воды над дном в верхнем (hв) и нижнем (h ) бьефах лотка. Отношение этих высот называется коэффициентом подтопления (η ), который равен:

                                                   η=h/ hв  (1)

Рассмотрим  пример.  При  определении  геометрических  параметров лотка Паршалла выбираем наибольший расход воды в подводящем канале – 1,5 м3/с. Ширину горловины лотка принимаем равной 1,0 м. Верхний предел измерения напора в лотке – 1,2 м, нижний – 0,7 м. Вычисляем коэффициент подтопления по формуле (1), который составляет 0,6, что по нормативному документу МИ 2406-97 соответствует допустимому значению [8].

С помощью рабочих расчетных формул [6] находим размеры основных элементов лоткаПаршалла с расходом до 1,5 м3/с при свободном незатопленном истечении и спокойном режиме в нижнем бьефе:

Высота порога лотка (K) составляет 0,25 м, превышение гребня порога над дном канала нижнего бьефа (Z) – 0,075 м, длина секции горловины (F) – 0,6 м, длина расширяющейся секции (V) – 0,9 м. 

Используя нормативный документ МИ 2406-97 [8], по данным таблиц  находим  геометрические  размеры  стандартного  лотка.  Отклонения от размеров  и  их  соотношений  при  расчете  параметров  лотка  Паршалла с расходом  до  1,5 м3/с  не  превышают  1,5 %  от  нормированных  значений размеров (соотношений), указанных в нормативе.В таблице 1 приведены нормализованные типоразмеры лотков Паршалла с шириной горловины до 1 м [8].

Измерение расхода воды с использованием лотка Паршалла основано  на  знании  зависимости  его  расхода  от  его  же  уровня  в  определенной точке лотка с известными геометрическими размерами.  В  данном случае для определения расхода воды, проходящего через лоток, и для наиболее точного  соответствия  результатов  расчета  используется  эмпирическая формула, полученная из опытных данных института «Южгипроводхоз» [6]. 

Эмпирическая формула для определения расхода воды (Q ) для лотка Паршалла следующая, м3/с: 

Таким образом, подставляя значение ширины горловины (b), равное 1 м, можно подсчитать расход воды, проходящий через лоток: 

   Расход воды с заданными параметрами лотка составляет 1,5 м3/с, что отвечает наибольшему расходу воды в подводящем канале. 

Для измерения уровня воды в лотке предлагается оснастить его современным  прибором-уровнемером.  В  настоящее  время  известно  много современных датчиков,  приборов-уровнемеров для измерения  уровня  воды, имеющих унифицированный выходной сигнал для работы с системой автоматического и дистанционного управления и контроля [9, 10]. Для надежности их работы в сложных эксплуатационных условиях и сохранности от вандализма предлагается их разместить в специальном успокоительном колодце, который соединен с лотком  трубой [8]. Диаметр трубы (d ), соединяющей поток воды в лотке с успокоительным колодцем, должен соответствовать условию, м: 

Для измерения уровня воды в лотке Паршалла можно использовать погружныегидростатические датчики давления, размещенные в успокоительном колодце. Критерием выбора датчиков может быть диапазон изменения уровней воды в канале или соответственно давления столба жидкости. Датчик монтируется непосредственно в воде на тросе или иной конструкции на дне колодца, принятого за начало отсчета уровня (измеренное значение уровня обусловлено давлением столба жидкости над датчиком).

Датчик  и  измерительный  преобразователь  давления  могут  находиться   в  одном корпусе. Блок дистанционного контроля и мониторинга располагается на крышке колодца в специальном антивандальном кожухе. На рисунке 2 показана схема установки датчика давления и блока дистанционного контроля и мониторинга в успокоительном колодце.

Блок  дистанционного  контроля  и  мониторинга  служит  для  приема,преобразования,  передачи  и  хранения  выходных  сигналов.  Он  состоит из контроллера-модема,  обеспечивающего  выполнение  заданного  расчетного  алгоритма,  с  функцией  GSM-передатчика  и  передающей  антенны.

Для обеспечения невозможности какого-либо вмешательства извне прибор помещается в опломбированный недоступный кожух или корпус и не имеет  каких-либо  выводов  или  гнезд  подключения,  воздействие  на  которые может исказить показания прибора. Энергонезависимость прибора достигается системой автономного питания. Современный технический уровень средств измерения допускает длительное использование прибора с питанием от батарей или аккумуляторов [11, 12].

Выводы. В последнее время все большее внимание уделяется точности  измерения  использованной  воды  на  открытых оросительных  каналах с небольшим  диапазоном  расходов.  С  появлением  новых  современных  приборов, преобразующих измеренный параметр в количество измеренного  расхода  воды,  возрастает  актуальность  их  использования  совместно с гидрометрическими  устройствами.  Для  измерения  расхода  воды  на  открытом  канале  предлагается  использование  лотка  Паршалла  с  современными приборами измерения, состоящими из погружного датчикадавления и блока дистанционного контроля и мониторинга, установленными в успокоительном колодце.

Л. В. Юченко, А. П. Васильченко

Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации, Новочеркасск, Российская Федерация 

Список использованных источников

1 Филиппов, Е. Г. Гидравлика гидрометрических сооружений для открытых каналов / Е. Г. Филиппов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 288 с.

2 Кушер, А. М. Гидрометрические лотки для оросительных каналов / А. М. Кушер // Природообустройство. – 2016. – № 5. – С. 78–84.

3 Конев, А. В. Измерение расхода жидкости в безнапорных потоках. Анализ современных методов / А. В. Конев // Журнал «ИСУП». – 2019. – № 3(81). – С. 49–54.

4 Su, B. Water level sensor based on a new design structure for irrigation water measurement  /  B.  Su,  X.  Ma  //  IFAC  Proceedings  Volumes.  –  2010.  –  Vol.  43.  – Р.  39–44.  – DOI: 10.3182/20101206-3-JP-3009.00006.

5 Соболин, Г. В. Учет воды на оросительных системах / Г. В. Соболин, И. В. Сатункин, Ю. А. Гулянов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – 2004. – № 4. – С. 46–48.

6 Оснащение  гидротехнических  сооружений  мелиоративных  систем  нормированными  сужающими  устройствами  с  коммерческими  приборами  водоучета  типа  РОС-1. Альбом 5. Технические решения по измерению расхода стандартными водосливами и лотками. Типовой проект 91399 / Южгипроводхоз, Росводстрой, Ростовводмелиорация. – Ростов н/Д., 1991. – 28 с.

7 Шенбергер,  И.  В.  Способы  измерения  расхода  воды  в  безнапорных  потоках для открытых каналов с помощью стандартных гидрометрических лотков и водосливов / И.  В.  Шенбергер,  А.  В.  Ефименко  //  Водные  ресурсы  и  водопользование.  –  2019.  –№ 1(180). – С. 37–41. 

8 Расход  жидкости  в  безнапорных  каналах  систем  водоснабжения  и  канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков:МИ  2406-97:  утв.  Всерос.  науч.-исслед.  ин-том  расходометрии:  введ.  в  действие с 15.05.97. – М.: ВНИИР, 1997. – 33 с. 

9 Матюгин,  М.  А.  Современные  приборы  и  методы  измерения  расхода  воды в открытых водотоках / М. А. Матюгин, Д. А. Мильцын // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. – 2015. – № 44. – С. 66–76. 

10 James,  C.  S.  Flow-measuring  structures  /  C.  S.  James  //  Hydraulic  Structures.  – 2020. – Р. 243–282. – DOI: 10.1007/978-3-030-34086-5_7.

11 Блок дистанционного контроля и мониторинга БДКМ-GSM-1 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https:intor.ru/ru/list_item/apparatura-i-uspd-uspd/blok-distantsionnogokontrolia-i-monitoringa-bdkm-gsm-1, 2020. 

12 Loizou, K. Water level sensing: State of the art review and performance evaluation of  a  low-cost  measurement  system  /  K.  Loizou,  E.  Koutroulis  //  Measurement.  –  2016.  – Vol. 89. – P. 204–214. – DOI: 10.1016/j.measurement.2016.04.019.