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.

 

О НЕИНТРУЗИВНОМ ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДАХ

 

По сложившейся традиции, для измерения параметров течения жидкостей  в  трубопроводах  наиболее  часто  применяются  врезные  измерительные устройства , поскольку их принято считать более точными по сравнению с устройствами,  которые  устанавливаются  на  внешней  поверхности  трубопровода. Однако, в последние годы были созданы достаточно надежные и точные устройства с накладными преобразователями и сейчас они находят все более широкое применение.

  Неинтрузивные  технологии  измерения  и  контроля  –  это  совокупность методов с соответствующим набором технических средств, которые позволяют  осуществлять технологические операции без необходимости проникновения на объект измерений.

  Неинтрузивные  технологии  и  устройства  актуальны  в  первую  очередь экономическими  преимуществами  их  использования.  Это  особенно  хорошо видно в области расходометрии, где расходомеры с накладными датчиками не требуют  врезки  в  трубопровод  с  остановкой  технологических  процессов,  что особо ценно при экспресс-измерениях.

 Решение  технических  вопросов  в  процессе  разработки  таких  средств измерения  и,  в  частности,  вопросов  измерения  расхода  и  температуры многофазных  или  многокомпонентных  жидкостей  невозможно  без исследований  в  области  фундаментальной  физики,  электромагнетизма, гидромеханики,  математики  и  теории  алгоритмов,  что  определяет значительную наукоемкость данного направления [2–6]. 

1.  Вопросы измерения параметров потоков в трубопроводах.

1.1 Производственные расходомеры и счетчики количества. 

Для  измерения  расходов  однофазной  и  многофазной  текучей  среды обычно используют одни и те же устройства . На объектах нефтегазовой промышленности  расход  газа  и  его  количество  традиционно  измеряют  в основном методом переменного перепада давления на сужающем устройстве, при помощи тахометрических расходомеров и счетчиков.

 Главным  толчком  к  поиску  новых  методов  измерения  расхода  стали многочисленные недостатки классических методов, что и привело в последние годы  к  достаточно  активному  внедрению  ультразвуковых  методов измерения расхода. Расходомерыс ультразвуковыми преобразователями основаны на явлении смещения звукового  колебания  движущейся  средой    и  наиболее  часто  реализуются посредством  время-импульсного,  на  эффекте  Доплера  и  корреляционного метода. 

  Наибольшее применение находит время-импульсный метод, основанный на  измерении  разности  скоростей  распространения  ультразвуковых колебаний  по направлению течения потока и против его. Данный метод получил наибольшее распространение  в  современных  датчиках  за  счет  высокой  точности  и  малой инерционности” измерений в любых средах с малым содержанием примесей, газов  и  прочих  включений.  На  отечественном  рынке  можно  выделить следующие  модели:  Micronics  Portaflow  MKII-R,  Krohne  LT860,  Panametrics PT868, Сингур АКРОН-01.

Сравнительно  недавно  начали  использовать ультразвуковые корреляционные  расходомеры,  в  основе  работы  которых  заложена  кросс-корреляция  детектированных  изменений  сигналов  в  жидких  и  газовых включениях  потока.  Передача  несущего  сигнала  в  поток  и  измерение соответствующего «отклика» позволяет получить информацию об изменениях в потоке в виде изменения амплитуды, фазы или частоты вследствие наличия в потоке  возмущающих  включений.  Необходимо  отметить,  что  ультразвуковые методы  характеризуются  и  значительными  негативными факторами: зависимость  собственной  скорости  ультразвуковых  колебаний  от  свойств измеряемой среды; скорость потока при измерении усредняется не по сечению трубы, а вдоль направления излучения, что вынуждает снабжать конструкцию дополнительными датчиками. 

1.2 Задача измерения параметров многофазных жидкостей.

В  нефтяной  промышленности  с  конца  1970-х  годов  возникла  проблема измерения  параметров  смесей  нефть-вода-газ,  что  и  определило  новое направление  исследований.  Обычно,  для  оптимизации  разработки  и  срока службы  месторождения,  требуется  отслеживать  дебит  скважины  с  помощью замерных  сепараторов  ,  которые,  однако,  дорого  стоят  и  требуют длительного  времени  для  осуществления  контроля  скважины.  Погрешность измерений сепараторами составляет ±5-10% расхода каждой фазы и их нельзя  применять для мониторинга скважины. 

Поэтому  необходимо,  чтобы  многофазные  расходомеры  обладали сравнительно высокой точностью (допустимая погрешность для каждой фазы не более ±5% расхода) и надежностью, не зависели от режима течения потока и были пригодными в широком диапазоне содержания компонентов.   

Конкретные  работы  в  области  неинтрузивных  измерений  расхода направлены,  в  основном,  на  дальнейшее  развитие  технологий  ультразвуковых измерений применительно  к  многофазным  потокам,  технологий  пассивной  акустической расходометрии и ряда других .

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.