А. Минаков, А.В. Чигинев, Метрологические характеристики расходомеров: взаимосвязь, противоречия. Что важнее - точность или широкий диапазон измерений? Маркетинговое исследование рынка расходомеров
Цель исследования - анализ российского рынка промышленных расходомеров .
Расходомер - устройство, измеряющее расход жидкого или газообразного вещества, проходящего сечение трубопровода.
Сам по себе расходомер (первичный датчик, сенсор) измеряет расход вещества в единицу времени. Для практического применения часто удобно знать расход не только в единицу времени, но и за определенный период. С этой целью выпускаются счетчики расхода, которые состоят из расходомера и интегрирующей электронной схемы (или набора схем для оценки других параметров потока). Обработка показаний расходомера может также выполняться удаленно при помощи проводного или беспроводного информационного интерфейса.
В самом общем случае выпускаемые расходомеры можно разделить на бытовые и промышленные . Промышленные расходомеры применяются для автоматизации различных производственных процессов, где существует ток жидкостей, газов, высоковязких сред. Бытовые расходомеры обычно используются для расчета коммунальных платежей и предназначены для измерения расхода водопроводной воды, теплоносителя, газа.
Объектом настоящего исследования являются промышленные расходомеры следующих типов: вихревые, массовые, ультразвуковые, электромагнитные . Расходомеры перечисленных типов получили наибольшее распространение в современных технологических процессах.
Тема промышленной расходометрии в свете федеральных инициатив по повышению энергоэффективности российской экономики является крайне актуальной. На этом рынке сложилась интересная конкуренция среди различных типов расходомеров: электромагнитные являются «золотым» стандартом промышленных процессов и оптимальным решением по соотношению цена/качество. Вместе с тем они могут применяться только совместно с электропроводящими жидкостями, и не могут быть использованы для измерения расхода нефти и газа - одной из главных задач расходометрии. По этой причине на смену электромагнитным расходомерам постепенно приходят массовые, ультразвуковые и вихревые. Каждый из перечисленных типов имеет как свои преимущества, так и свои недостатки.
Российский рынок расходометрии в сильной степени зависит от импортной продукции . Доля импорта в рассматриваемый хронологический период неизменно превышала 50%, а такие компании как Endress+Hauser, Krohne, Yokogawa, Emerson, Siemens прочно закрепились на рынке. Российские производители имеют сильные позиции, преимущественно в сегменте бытовых расходомеров.
Хронологические рамки исследования: 2008-2010 гг.; прогноз - 2011-2015 гг.
География исследования: Российская Федерация.
Отчет состоит из 6 частей и 17 разделов .
В первой части приведены общие сведения об объекте исследования.
В первом разделе представлены основные определения.
Во втором разделе описаны основные типы расходомеров, составляющие объект исследования, и не относящиеся к объекту исследования. В заключении раздела приведена сводная таблица типовых характеристик расходомеров различных видов.
В третьем разделе проанализированы области применения расходомеров.
В четвертом разделе приведено описание мирового рынка: количественные характеристики, структура, тенденции, перспективные области использования.
Вторая часть посвящена описанию российского рынка расходомеров.
В пятом-восьмом разделах представлены основные количественные характеристики российского рынка расходомеров: объем за рассматриваемый период, динамика, десять ведущих производителей, структура рынка по рассматриваемым типам, характеристики внутреннего производства.
В третьей части содержатся данные внешней торговли расходомерами.
Девятый раздел посвящен описанию методологии анализа внешней торговли.
В десятом и одиннадцатом разделе представлен анализ соответственно импортных и экспортных поставок. В каждом разделе приведены количественные характеристики за рассматриваемый период, структура поставок по типу, по странам, по производителям (в том числе в разрезе типов). Все параметры приводятся в денежном и натуральном выражениях.
В четвертой части представлен конкурентный анализ.
В двенадцатом разделе приведены профили лидеров рынка (10 ведущих иностранных и российских компаний).
В тринадцатом разделе представлен ассортиментный анализ производителей расходомеров.
В пятой части приведен анализ потребления расходомеров.
В четырнадцатом разделе описана структура потребления расходомеров по отраслям, описаны основные механизмы закупок продукции.
В пятнадцатом разделе подробно описаны области применения расходомеров в нефтегазовой отрасли: учет добычи ископаемых, системы поддержания пластового давления, насосные перекачивающие станции.
Шестая часть посвящена описанию тенденций перспектив рынка.
В шестнадцатом разделе представлен анализ политических, экономических и технологических факторов развития рынка.
В семнадцатом разделе предложен количественный и качественный прогноз рынка расходомеров до 2015 года.
В заключении отчета сформулированы выводы.
К отчету прилагается база данных российских и иностранных производителей расходомеров.
Содержание маркетингового исследования рынка расходомеров
Введение
ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. МИРОВОЙ РЫНОК РАСХОДОМЕРОВ
1. Определения. Основные характеристики расходомеров
2. Типы расходомеров
2.1. Массовый (кориолисовый) расходомер
2.2. Электромагнитные расходомеры
2.3. Вихревые расходомеры
2.4. Ультразвуковые расходомеры
2.5. Другие виды расходомеров
2.6. Сводная таблица областей применения
3. Области применения расходомеров
4. Мировой рынок расходомеров
ЧАСТЬ 2. РОССИЙСКИЙ РЫНОК РАСХОДОМЕРОВ
5. Общие характеристики российского рынка расходомеров. Баланс рынка расходомеров
6. Лидеры рынка российского рынка расходомеров
7. Структура рынка расходомеров по типам
8. Внутреннее производство расходомеров
8.1. Методология анализа внутреннего производства расходомеров
8.2. Количественные характеристики внутреннего производства расходомеров
ЧАСТЬ 3. ВНЕШНЯЯ ТОРГОВЛЯ РАСХОДОМЕРАМИ
9. Методология анализа внешней торговли расходомерами
10. Импорт расходомеров
10.1. Динамика импорта расходомеров в 2008-2010 гг.
10.2. Структура импорта расходомеров по типу в 2008-2010 гг.
10.3. Структура импорта расходомеров по странам в 2008-2010 гг.
10.4. Структура импорта расходомеров по производителю в 2008-2010 гг.
10.5. Структура импорта расходомеров по типу в разрезе производителей в 2009 году
10.5.1. Вихревые расходомеры
10.5.2. Массовые расходомеры
10.5.3. Ультразвуковые расходомеры
10.5.4. Электромагнитные расходомеры
10.5.5. Прочие расходомеры
11. Экспорт расходомеров
11.1. Динамика экспорта расходомеров по годам в 2008-2010 гг.
11.2. Структура экспорта расходомеров по типу в 2009 году
11.3. Структура экспорта расходомеров по странам в 2008-2010 гг.
11.4. Структура экспорта расходомеров по производителю в 2008-2010 гг.
ЧАСТЬ 4. КОНКУРЕНТНЫЙ АНАЛИЗ РЫНКА РАСХОДОМЕРОВ
12. Профили лидеров рынка расходометрии
13. Ассортиментный анализ расходомеров
ЧАСТЬ 5. АНАЛИЗ ПОТРЕБЛЕНИЯ РАСХОДОМЕРОВ
14. Структура потребления расходомеров по отраслям
15. Особенности потребления в нефтегазовой отрасли
15.1. Производители оборудования
15.2. Замерные установки для учета добычи нефти
15.3. Станции поддержания пластового давления
15.4. Насосные перекачивающие станции
ЧАСТЬ 6. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РЫНКА РАСХОДОМЕРОВ
16. Внешние факторы рынка расходомеров
16.1. Политические и законодательные факторы
16.2. Экономические факторы
16.3. Технологические факторы
17. Прогноз развития рынка расходомеров до 2015 года
Выводы
База данных, входящая в состав маркетингового исследования, содержит подробные сведения о 38 производителях расходомеров
. Каждая компания в базе данных описана следующим набором реквизитов:
- Название компании
- Регион/страна
- Контакты
- URL
- Год основания
- О компании
- Количественные показатели деятельности
- Виды выпускаемых расходомеров
- Вихревые расходомеры
- Массовые расходомеры
- Ультразвуковые расходомеры
- Электромагнитные расходомеры
- Другие расходомеры
- Другая продукция
- Система сбыта
- Сервис
- Маркетинговая активность
- Дополнительно
Для удобства пользования, в базе данных предусмотрена возможность выбрать производителей вихревых, массовых, ультразвуковых, электромагнитных и других расходомеров, а также компании из необходимого региона.
Внимание! Для заказа маркетингового исследования с этой страницы пришлите реквизиты Вашей компании для выставления счета на .
Ультразвуковые расходомеры - это приборы основанные на измерении зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.
Ультразвуковой расходомер – это устройство, прямым назначением которого является измерение акустических эффектов, возникающих при движении вещества, расход которого необходимо измерить. Решение купить ультразвуковой расходомер будет идеальным, если требуется измерить объем или расход любых жидкостей, передающихся с помощью напорного трубопровода. Если необходим строгий контроль и учет таких показателей, как расход холодной или горячей воды, объем подачи различных нефтепродуктов, газа или отходов, лучшим вариантом будет заказать ультразвуковые расходомеры, которые помогут оперативно и просто контролировать данные параметры.
Руководящий состав большинства современных предприятий сходится во мнении, что цена расходомера – маловажный показатель, когда речь идет об экономии в масштабах корпорации. Современный ультразвуковой расходомер – это прибор, который отличается простотой и надежностью в эксплуатации, а также высокой точностью, что делает его отличным решением по низкой цене.
Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера, появившиеся позже. Главное распространение получили расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Ультразвуковые расходомеры, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.
Наряду с тремя указанными разновидностями ультразвуковых расходомеров имеются акустические расходомеры, получившие название длинноволновых, работающие в звуковом диапазоне частот акустических колебаний.
Ультразвуковые расходомеры обычно служат для измерения объемного расхода, потому что эффекты, возникающие при прохождении акустических колебаний через поток жидкости или газа, связаны со скоростью последнего. Но путем добавления акустического преобразователя, реагирующего на плотность измеряемого вещества, можно осуществить и измерение массового расхода. Приведенная погрешность ультразвуковых расходомеров лежит в широких пределах от 0,1 до 2,5 %, но в среднем может быть оценена цифрами 0,5-1 %. Значительно чаще ультразвуковые расходомеры применяют для измерения расхода жидкости, а не газа, вследствие малого акустического сопротивления последнего и трудности получения в нем интенсивных звуковых колебаний. Ультразвуковые расходомеры пригодны для труб любого диаметра, начиная от 10 мм и более.
Существующие ультразвуковые расходомеры очень разнообразны как по устройству первичных преобразователей, так и по применяемым измерительным схемам. При измерении расхода чистых жидкостей обычно применяют высокие частоты (0,1-10 МГц) акустических колебаний. При измерении же загрязненных веществ частоты колебаний приходится существенно снижать вплоть до нескольких десятков килогерц во избежание рассеяния и поглощения акустических колебаний. Необходимо, чтобы длина волны была на порядок больше диаметра твердых частиц или воздушных пузырей. Низкие частоты применяют в ультразвуковых расходомерах газа.
Излучатели и приемники акустических колебаний.
Для ввода акустических колебаний в поток и для приема их на выходе из потока необходимы излучатели и приемники колебаний - главные элементы первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров. При сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях образуются электрические заряды, и наоборот, если к этим поверхностям приложить разность электрических потенциалов, то пьезоэлемент растянется или сожмется в зависимости от того, на какой из поверхностей будет больше напряжение - обратный пьезоэффект. На последнем основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.
Пьезоэлектрический эффект был обнаружен прежде всего у природного кварца. Но теперь в качестве излучателей и приемников акустических колебаний в ультразвуковых расходомерах применяют почти всюду лишь пьезокерамические материалы, главным образом титанат бария и цирконат титаната свинца - твердый раствор цирконата и титаната, свинца, имеющие большой пьезомодуль и высокую диэлектрическую проницаемость, в несколько сот раз больше, чем у кварца. После специальной обработки поверхности излучателей и приемников их покрывают слоем металла (в большинстве случаев путем серебрения). К этому слою припаивают соединительные провода.
Для получения интенсивных акустических колебаний надо работать на резонансной частоте пьезоэлемента. При чистых жидкостях целесообразно работать на высоких резонансных частотах и поэтому следует применять тонкие пьезокерамические пластины. Для веществ, содержащих механические примеси или газовые пузыри, когда необходима небольшая частота приходится применять пьезокерамику большой толщины или с двух сторон тонкой пьезокерамической пластины наклеивать толстые металлические накладки. Излучатели и приемники в большинстве случаев изготовляют в виде круглых дисков диаметром 10-20 мм, иногда менее.
Принцип действия и разновидности ультразвуковых расходомеров с колебаниями, направленными по потоку и против него.
В большинстве случаев плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Прохождение ультразвука направленного по потоку и против него характеризуется значением скорости прохождения требуемого расстояния и время затраченное на его прохождение.
Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости.
Имеется несколько способов измерения очень малого значения времени: фазовый, при котором измеряется разность фазовых сдвигов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (фазовые расходомеры); времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры); частотный метод, при котором измеряется разность частот повторения коротких импульсов или пакетов акустических колебаний, направляемых по потоку и против него (частотные расходомеры). Большое распространение получил последний метод и его разновидности.
По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры подразделяются на однолучевые или одноканальные, двулучевые или двухканальные и многолучевые или многоканальные. У первых имеются только два пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема. Их существенное достоинство - отсутствие пространственной асимметрии акустических каналов, зависящих от различия их геометрических размеров, а также различия температур и концентрации потока в них. Вторые имеют два излучателя и два приемника, образующих два независимых акустических канала, которые располагаются параллельно или перекрещиваются друг с другом. Многоканальные применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового.
Влияние профиля скоростей.
Профиль скоростей оказывает существенное влияние на показания ультразвуковых расходомеров и их погрешность. Рассмотрим это влияние для наиболее распространенных расходомеров с угловым вводом акустических колебаний в одной точке. При этом ультразвуковой луч будет реагировать на скорость, усредненную по диаметру, которая всегда будет больше средней скорости, усредненной по площади сечения трубопровода. Если акустические колебания посылать не в диаметральной плоскости, а в плоскости, проходящей через какую-либо из хорд. Действительно, по мере удаления хорды от диаметра скорость, усредненная по хорде, будет уменьшаться и при некотором расстоянии между диаметром и хордой, равном (0,5-0,54)D/2, скорость в турбулентной зоне станет равной усредненной. Зондирование по хорде способствует повышению точности измерения расхода, особенно если оно производится по нескольким хордам, но при этом устройство ультразвукового расходомера усложняется. Зондирование по нескольким хордам целесообразно прежде всего в образцовых установках, а также при измерении деформированных потоков, особенно в трубах большего диаметра, где трудно обеспечить достаточную длину прямого участка. Это дает снижение погрешности до 0,1 %, но зато здесь при ламинарном режиме погрешность возрастает до 3,5 %. Большая точность получается при зондировании по четырем (рис. 1,б, в) или пяти хордам. Имеются несколько вариантов расположения четырех хорд. В одном из них две параллельные хорды расположены на расстоянии 0,5D/2 от горизонтального диаметра, а две параллельные другие на таком же расстоянии от вертикального диаметра (рис. 1, б). Здесь длины всех хорд равны, что упрощает обработку результатов измерения. В другом варианте (рис. 1, в) все четыре хорды параллельны, причем две из них находятся на расстоянии 0,309D/2, а две другие - на расстоянии 0,809D>/2 от диаметра.
Рисунок 1. Схемы расположения хорд для акустического зондирования в ультразвуковом расходомере.
Зондирование по пяти хордам может осуществляться в разных вариантах. Зондирование по пяти параллельным хордам, расположение которых выбрано по квадратурной формуле Гаусса.
Рисунок 2. Ультразвуковой расходомер с акустическим зондированием по трем пространственным хордам.
Зондирование может производиться последовательно по пяти хордам, отстоящим на расстоянии 0.5D/2 от центра трубы и расположенным не в одной плоскости, а в пространстве (рис. 2). Во фланцах 1 и 8 смонтированы два пьезоэлемента 3 и 6 и два отражателя 2 и 7. Другие два отражателя 4 и 5 находятся на противоположных сторонах стенки трубы. Пьезоэлемент 3 утоплен для уменьшения влияния акустических помех. Проекции хорд, по которым проходят акустические каналы, на сечение, перпендикулярное к оси трубы, образуют равносторонний треугольник. При последовательном зондировании упрощается схема обработки сигнала и устраняются реверберационные помехи, так как рабочие и отраженные сигналы разделены во времени. Многоканальные акустические расходомеры могут обеспечить высокую точность, не требуют экспериментальной градуировки и могут применяться в качестве образцовых, но они сложны и встречаются сравнительно редко.
Для обычных ультразвуковых расходомеров с зондированием в диаметральной плоскости необходима или экспериментальная градуировка, или же определение поправочного множителя с достаточной точностью. К сожалению, выполнить это не так просто.
На самом деле колебания распространяются в узком пространстве, ограниченном плоскостями, проходящими через две хорды, каждая из которых отстоит от диаметральной плоскости на расстоянии d/2 в ту и другую сторону (d - диаметр излучающего пьезоэлемента). Помимо этого, вследствие различия скоростей по сечению трубы путь ультразвукового луча отличается от прямолинейного.
Для повышения точности ультразвукового расходомера перед преобразователем расхода можно установить сопло или сходящийся конус (конфузор), создающий на выходе весьма равномерный профиль скоростей, при котором множитель может быть принят равным единице. Особенно это необходимо при недостаточной длине прямого участка и, следовательно, деформированном профиле скоростей. Если в трубопроводе имеются сопротивления, закручивающие поток, то перед соплом или конфузором следует поместить струе выпрямитель.
При малых диаметрах труб гидродинамическую погрешность можно исключить, если изготовить преобразователь расхода с прямоугольным каналом и прямоугольными пьезоэлементами, создающими акустические колебания по всему поперечному сечению потока.
Преобразователи ультразвуковых расходомеров.
Преобразователь ультразвукового расходомера состоит из отрезка трубы, на котором установлены два или четыре пьезоэлемента. За редким исключением применяют дисковые, дающие направленное излучение.
Если пьезоэлементы установлены снаружи трубы, то преломление луча происходит в ее стенках, но и при внутренней установке пьезоэлементов иногда считают целесообразным внутреннюю полость угловых карманов заполнять звукопроводами из металла или органического стекла, в которых также происходит преломление луча. Учитывать снос надо лишь в преобразователях, имеющих преломление луча, а влиянием скорости потока можно пренебречь.
Обычно диаметр пьезоэлементов берут в пределах 5-20 мм. а их толщину в зависимости от частоты. В частотных и времяимпульсных расходомерах выбирают высокую частоту 5-10 МГц, а иногда даже и 20 МГц, потому что увеличение способствует повышению точности измерения. В фазовых расходомерах частота выбирается так, чтобы при максимальном расходе получить наибольшую разность фаз, которая может быть измерена фазометром. Обычно применяется частота от 50 кГц до 2 МГц. Это относится к жидкостям. В газовых же средах приходится снижать частоту до сотен и десятков килогерц из-за трудности создания в газах интенсивных акустических колебаний, особенно высокой частоты.
При малых диаметрах труб иногда применяют не дисковые, а кольцевые излучатели и приемники.
На рис. 3 показаны основные схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров. В первых двух схемах (рис. 3, а, б) применяют кольцевые пьезопреобразователи, создающие не направленное, а сферическое излучение. Первая из этих схем (а) одноканальная, в которой каждый из двух пьезоэлементов по очереди излучает и принимает акустические колебания. Вторая схема (б) двухканальная, средний пьезоэлемент - излучающий, а два крайних - приемные.
Рисунок 3. Схемы преобразователей ультразвуковых расходомеров.
Преобразователи сферического излучения применяются лишь в трубах весьма малого диаметра, чтобы получить достаточную длину измерительного участка, которая при угловом вводе направленного излучения была бы при малых значениях диаметра очень мала. Получить большую длину можно и с дисковыми преобразователями, если излучение направлено вдоль оси трубы (рис. 3, в, г), если имеется многократное отражение волны от стенки трубы (рис. 3, ж), если применены отражатели (рис. 3, д) или специальные волноводы (рис. 3, е). Последние особенно целесообразны при необходимости защиты пьезопреобразователя от агрессивной среды. Схема по рис. 3, г - двухканальная, остальные - одноканальные. Значительно чаще применяются схемы с угловым вводом направленных акустических колебаний. На рис. 3, ж-к показаны одноканальные, а на рис. 3, л,м - двухканальные схемы. В большинстве случаев (рис. 3. ж-и, л, м) трубопроводы снабжаются особыми впадинами - карманами, в глубине которых помещены пьезоэлементы. Полости карманов могут быть свободными (рис. 3, ж, з, л, м) или же заполнены звукопроводом из металла или органического стекла (рис. 3, и). В некоторых случаях (рис. 3, к) пьезоэлементы находятся снаружи трубопровода. Они передают акустические колебания через металлический, а иногда и жидкостный звукопровод стенки трубы и далее измеряемому веществу. Преобразователи по схемам на рис. 3, и, к работают с преломлением звукового луча. Особая схема преобразователя с многократным отражением показана на рис. 3, ж. Для увеличения пути звуковой луч движется зигзагообразно, отражаясь от противоположных стенок канала. Такой преобразователь исследован при работе в небольших каналах квадратного и круглого сечении.
Преобразователи со свободными карманами во избежание их засорения применяют лишь для чистых и неагрессивных сред. Тем не менее, некоторые фирмы предусматривают подвод воды для очистки. Другой их недостаток - возможность появления вихреобразования и влияние на профиль скоростей.
Преобразователи с преломлением (рис. 3, и, к) лишены этих недостатков. Кроме того, они способствуют снижению реверберационной погрешности, так как предотвращают попадание на приемный элемент отраженных колебаний. Но при изменении температуры, давления и состава измеряемого вещества угол преломления и скорость звука в материале звукопровода будут изменяться.
Пример простой конструкции узла пьезоэлемента преобразователя расхода газового бензина показан на рис. 4.
Рисунок 4. Преобразователь расходомера.
Внутри трубки 3, укрепленной на сетке 2, проходят проводники 4, из которых один соединен с центром дискового пьезоэлемента 7, а другой с помощью контактов 6 из фольги - с его краями. Все это залито эпоксидным компаундом 5 и защищено фторопластовой оболочкой 1. Многолетняя заводская эксплуатация подтвердила надежность работы данного узла.
Более сложным является устройство узла преобразователя с жидкостным звукопроводом, расположенным снаружи трубопровода. Такой преобразователь предназначен для труб, имеющих диаметр 150 мм, и служит для измерения расходов жидкости в пределах 20-200 м3/ч при давлении 0,6 МПа, он применен в расходомерам для малых труб.
Рисунок 5. Преобразователь с кольцевыми пьезоэлементами для труб малого диаметра.
Внутри изоляционной втулки находится дисковый пьезоэлемент диаметром 20 мм. Он прижимается к мембране из оргстекла. Далее акустические колебания передаются через компрессорное масло и стенку трубопровода измеряемому веществу. Масло залито в полость, образованную корпусом и площадкой, вышлифованной в стенке трубопровода.
Фазовыми называют ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, возникающих на приемных пьезоэлементах, от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него. Действительно, при условии, что начальные фазы обоих колебаний, имеющих период и частоту, совершенно одинаковы.
Было предложено и реализовано много схем одно- и двухканальных фазовых расходомеров. В одноканальных расходомерах большим разнообразием отличаются схемы переключения пьезоэлементов с излучения на прием, в частности, схемы с одновременной посылкой коротких ультразвуковых пакетов и одновременным переключением пьезоэлементов с излучения на прием. Подобная схема применена в одноканальном расходомере, разработанным для измерения расхода суспензии полиэтилена в бензине в трубе диаметром 150 мм, Q = 180 м /ч, частота колебаний 1 МГц. Угол излучения 22°. Приведенная погрешность ±2 %. Пьезоэлементы расположены снаружи трубы (см. рис. 3, к). Электронная схема расходомера включает в себя коммутирующее устройство; задающий генератор; два генератора амплитудно-модулированных колебаний, поступающих на пьезоэлементы; устройство регулировки фазы, состоящее из усилителя ограничителя, усилителя мощности, реверсивного двигателя, фазовращателя и фазорасщепителя; измерительный фазометр и фазометр синхронизации, из которых каждый состоит из катодного повторителя, селекторных усилителей, фазового детектора и схемы автоматической регулировки усиления.
В расходомере, разработанном для контроля нефти и нефтепродуктов, переключение пьезоэлементов с излучения на прием производится с помощью мультивибратора, управляющего модуляторами задающего генератора. Особый генератор создает синусоидальное напряжение низкой частоты, из которого в триггерном устройстве образуются прямоугольные импульсы. Задний фронт этих импульсов служит для включения мультивибратора.
В схеме расходомера, ультразвуковые колебания частотой 2,1 МГц в течение 500 мкс распространяются навстречу друг другу со сдвигом фазы на 180°, после чего мультивибратор переключает пьезоэлементы с режима излучения на режим приема. В другом зарубежном расходомере переключение производится особым генератором, создающим сигналы двух форм. Один из сигналов включает генератор, возбуждающий колебания пьезоэлементов, второй сигнал переключает пьезоэлементы на прием. Принятые колебания после усиления преобразуются в импульсы прямоугольной формы. После прохода через детектор сдвига фаз ширина импульсов на выходе пропорциональна этому сдвигу. На выходе после выпрямления имеем напряжение постоянного тока, пропорциональное расходу. Частота колебаний 4,2 МГц, частота переключения пьезоэлементов 4,35 кГц. Угол наклона пьезоэлементов 300. Диаметр трубы 100 мм.
Ввиду сложности большинства схем переключения пьезоэлементов с излучения на прием созданы фазовые одноканальные расходомеры, не требующие переключения. В таких расходомерах оба пьезоэлемента непрерывно излучают ультразвуковые колебания двух разных, но весьма близких частот, например 6 МГц и 6,01 МГц.
Рисунок 6. Схема фазового ультразвукового расходомера.
Более простые электронные схемы имеют двухканальные фазовые расходомеры. На рис. 6 показана схема предназначенного для измерения расхода жидкостей в трубах, имеющих D, равный 100 и 200 мм, и рассчитанного на Qmax, равный 30; 50; 100; 200 и 300 м3/ч. Частота 1 МГц, максимальная разность фаз (2-2,1) рад. Погрешность расходомера +2,5 %. Генератор Г с помощью согласующих трансформаторов связав с пьезоэлементами И1 и И2. Ультразвуковые колебания, излучаемые последними, проходят через жидкостные волноводы 1, мембраны 3, герметично вмонтированные в стенки трубопровода 4, проходят через измеряемую жидкость 2 и затем через мембраны 5 и жидкостные волноводы 6 поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П2. Последние на выходе соединены с фазометрической схемой в составе фазорегулятора ФВ; двух одинаковых усилителей У1 и У2, управляемых узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2; фазового детектора ФД и измерительного прибора (потенциометра) РП. Фазорегулятор ФВ предназначен для регулировки начальной точки фазового детектора и корректировки нуля. Приведенная погрешность расходомера ±2,5 %.
Фазовые расходомеры были раньше самыми распространенными среди ультразвуковых, но в настоящее время преимущественное применение имеют другие расходомеры, с помощью которых можно получить более высокую точность измерения.
Частотные ультразвуковые расходомеры.
Частотными называются ультразвуковые расходомеры, основанные на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов ультразвуковых колебаний от разности времен прохождения этими колебаниями одного и того же расстояния по потоку движущейся жидкости или газа и против него.
В зависимости от того, измеряются ли разности частот пакетов ультразвуковых колебаний или коротких импульсов, проходящих через жидкость или газ, расходомеры называются частотно-пакетными или частотно-импульсными. Принципиальная схема последнего с двумя акустическими каналами показана на рис. 7. Генератор Г создает колебания высокой частоты (10 МГц), которые после прохода через модуляторы Ml и М2 поступают к пьезоэлементам И1 и И2. Как только первые электрические колебания, создаваемые пьезоэлементами П1 и П2, пройдя через усилители У1 и У2 и детекторы Д1 и Д2, достигнут модуляторов М1 и М2, последние, работающие в триггерном режиме, запирают проход колебаний от генератора Г к пьезоэлементам И1 и И2. Модуляторы открываются вновь, когда последние колебания достигнут их. Прибор, подключенный к смесительному каскаду См, будет измерять разность частот.
Рисунок 7. Частотно-пакетный двухканальный расходомер.
В частотно-импульсных расходомерах генератор вырабатывает не непрерывные колебания, а короткие импульсы. Последние поступают к излучающим пьезоэлементам с интервалами, равными времени прохождения ультразвука по и против скорости потока. У них частоты в два раза больше, чем у частотно-пакетных расходомеров.
Незначительная разность частот у частотных расходомеров - существенный недостаток, затрудняющий точное измерение.
Поэтому предложено несколько способов увеличения разности частот, реализованных в частотных расходомерах, построенных в большинстве случаев по одноканальной схеме. К числу этих способов относится выделение из частот гармоники и измерение разностной частоты, а также умножение разности k раз перед поступлением в измерительное устройство. Способы умножения разностной частоты могут быть различны.
Рисунок 8. Схема одноканального частотного расходомера.
На рис. 8 приведена схема, в которой измеряется разность частот двух управляемых генераторов, периоды которых с помощью автоматической подстройки частоты устанавливаются в к раз меньшими времени распространения ультразвуковых колебаний в направлении скорости потока и против нее. Преобразователь расхода одноканальный имеет пьезоэлементы 1 и 2, к которым поочередно поступают импульсы: к первому от генератора 4 с периодом повторения Т1, а ко второму от генератора 8 с периодом повторения Т2. Время прохождения акустических импульсов в трубопроводе по потоку т1 и против него т2, в к раз больше периодов Т1, и Т2 соответственно. Поэтому в потоке одновременно будет находиться к импульсов. При посылке акустических импульсов по потоку коммутатор 5 одновременно подключает пьезоэлемент 1 к генератору 4, в пьезоэлемент 2 к усилителю приемных сигналов 6. При обратной посылке импульсов генератор 8 подключается к пьезоэлементу 2, а усилитель 6 к пьезоэлементу 1. С выхода усилителя 6 импульсы поступают на вход дискриминатора времени 10, на который одновременно через коммутатор 9 поступают импульсы от генератора 4 или 8, создающие опорное напряжение на дискриминаторе. Напряжение на выходе дискриминатора равно нулю, если импульсы от усилителя 6 поступают одновременно с импульсами от генераторов. В противном случае на выходе дискриминатора возникнет напряжение, полярность которого зависит от того, опережают ли или отстают от опорных импульсы от усилителя 6. Это напряжение через коммутатор 11 подается через усилители к реверсивным двигателям 3 или 7, которые изменяют частоту импульсов генераторов 4 и 8 до тех пор пока напряжение на выходе дискриминатора станет равным нулю. Разность частот импульсов, вырабатываемых генераторами 4 и 8, измеряется частотомером 12. Расходомеры, аналогичные рассмотренному, иногда называют частотно-временными.
Другой путь умножения разностной частоты состоит в измерении разности частот двух генераторов высокой частоты, из которых у одного период колебаний пропорционален времени прохода акустических колебаний по направлению потока, а у другого - пропорционален времени прохода акустических колебаний против потока. После прохода через делительное устройство через каждые 6 мс посылаются два импульса, разделенные временем. Первый импульс проходит по потоку (или против него) и после усиления поступает на схему сравнения, куда подается также второй импульс без прохода, через акустический тракт. Если эти два импульса поступают не одновременно, то включается устройство, регулирующее частоту одного генератора, пока на схему сравнения не будут приходить оба импульса одновременно. А это будет тогда, когда период этих импульсов будет равны. Погрешность измерения расхода не превышает ±1 %.
В рассмотренных одноканальных частотно-импульсных расходомерах имеется поочередная коммутация импульсов, направленных по потоку и против него. Это требует точного измерения и запоминания частот автоциркуляции импульсов по потоку и против него с последующим измерением разности. Кроме того, неодновременное зондирование по потоку и против него может дать погрешность из-за изменения гидродинамических свойств потока.
Этих недостатков лишены одноканальные расходомеры в которых одновременно автоциркулируют ультразвуковые сигналы по потоку и против него, которые совершенно безынерционны.
При этом исключаются большие погрешности, присущие способам запоминания частот автоциркуляций ультразвуковых сигналов по потоку и против него с последующим выделением сигнала разности частот автоциркуляций, выделения сигнала разностной частоты, основанном на подстройке частот генераторов, на реверсивном счете импульсов и др. Кроме того, в расходомерах предусмотрено автоматическое возобновление их действия при нарушении работы схемы вследствие возникновения акустической непрозрачности вещества в трубе (появление газовой фазы, полный или частичный уход жидкости), расходомеры индицируют направление течения потока и измеряют расход в обоих направлениях течения потока. Расходомер показал свою хорошую работоспособность в длительной заводской эксплуатации, приведенная погрешность расходомера не превышает ±0,5%. Расходомер разработанный для динамических измерений расхода топлива в авиационных двигателях, а также для измерения горючего в грузовых автомобилях. Результаты испытаний показали, что измерения расходомером не изменялись при резком повороте потока под углом 90° на расстоянии одного диаметра условного прохода перед преобразователем в плоскости оси преобразователя и оси узлов пьезоэлементов, т. е. совершенно не требуются длины прямолинейных участков труб. Переходная область течения в преобразователе находилась в начальном участке градуировочной характеристики расходомера. Резкого перегиба или излома характеристики в начальном участке не было, начальный участок градуировочной характеристики был таким же. Прибор имеет очень высокую сходимость измерений. В разных точках диапазона измерений при установившемся потоке повторялись все четыре цифры результатов двух или трех последовательно проводимых измерений.
Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры.
Времяимпульсными называются ультразвуковые расходомеры, в которых измеряется разность времен перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него на длине пути.
Времяимпульсные расходомеры в большинстве случаев одноканальные и работают на очень коротких импульсах длительностью 0,1-0,2 мкс, посылаемых навстречу друг другу поочередно или одновременно с частотой, например, 0,5 кГц.
Рисунок 9. Схема одноканального времяимпульсного расходомера.
На рис. 9 приведена упрощенная схема одного времяимпульсного расходомера. Генератор Г создает импульсы, имеющие амплитуду 700 В, длительность 0,2 мкс и частоту следования 800 Гц, которые с помощью вибраторов В1 и В2, работающих с частотой 400 Гц, подаются поочередно к пьезоэлементам П1 и П2. Последние посылают в жидкость быстро затухающие ультразвуковые импульсы, а вибраторы В1 и В2 включают зарядные устройства ЗУ1 или ЗУ2. От генератора Г одновременно поступает импульс к пьезоэлементу П1 и импульс к триггеру ЗУ2. устанавливая его в активное состояние проводимости. При этом включается устройство С2, вырабатывающее пилообразное напряжение в течение времени, прохождения ультразвука через измеряемое вещество. Максимальное значение этого напряжения пропорционально времени. В момент прихода ультразвукового импульса к пьезоэлементу П2 устройство С2 отключается. Таким же образом за время прохода ультразвукового импульса против потока от П2 к П1 устройство C1 вырабатывает напряжение, пропорциональное времени. Разность напряжений измеряется устройством ИУ. Такой цикл повторяется 400 раз в секунду. Общая погрешность измерения расхода равна ±0,5 %.
В одном отечественном времяимпульсном расходомере для повышения динамических характеристик и устранения возможности появления погрешности от асимметрии на оба пьезоэлемента одновременно подаются короткие импульсы, возбуждающие ультразвуковые колебания, движущиеся навстречу друг другу. После достижения ими противоположных пьезоэлементов в последних образуются электрические импульсы, которые вместе с импульсами от генератора проходят через усилители и формирователи, после чего поступают в устройство, вырабатывающее напряжение, пропорциональное времени.
Ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества.
Рассмотренные ранее ультразвуковые расходомеры служат для измерения объемного расхода. Для измерения массового расхода надо иметь отдельный дополнительный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, который посылает акустические колебания в измеряемое вещество. Напряжение, снимаемое с него, пропорционально удельному акустическому сопротивлению вещества, если последнее много меньше сопротивления генератора. Умножая электрический сигнал, создаваемый этим пьезоэлементом, на сигнал, пропорциональный объемному расходу, получим на выходе сигнал, пропорциональный массовому расходу. Подобное устройство, примененное в расходомере с акустическими колебаниями, перпендикулярными к движению потока, приведено далее на рис. 13.
Для устранения погрешности от изменения скорости ультразвука с в измеряемом веществе в фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара пьезоэлементов на противоположных концах диаметра трубопровода. Время прохождения акустических колебаний между ними обратно пропорционально скорости. Соответствующий корректирующий измерительный сигнал пропорционален скорости. Он возводится в квадрат и на него делится основной сигнал расходомера. Очевидно, результирующий сигнал будет пропорционален скорости и не будет зависеть от скорости ультразвука. На рис.10 дана схема подобного одноканального фазового расходомера. Программное устройство ПУ обеспечивает поочередную подачу от генератора Г электрических колебаний частотой 1/3 МГц и к пьезоэлементам П1 и П2 через коммутатор К. Принятые колебания от этих пьезоэлементов поступают через коммутатор К, приемное устройство П и преобразователь частоты Ч2, снижающий частоту до 1/3 кГц, в измеритель ИФ сдвига фазы между ними и исходными колебаниями, поступающими от генератора Г через преобразователь частоты Ч1. Устройство И измеряет разность сдвига фаз, пропорциональную разности времен, прохождения ультразвука по потоку и против него, и вырабатывает сигнал, пропорциональный скорости.
Рисунок 10. Схема фазового одноканального расходомера с коррекцией на скорость звука.
Пьезоэлементы ПЗ и П4 имеют свой генератор-усилитель ГУ и вырабатывают сигнал, пропорциональный времени прохождения ультразвука между ними и, следовательно, пропорциональный скорости звука. В устройстве Ик происходит деление сигнала на квадрат сигнала и в измерительный прибор ИП поступает сигнал, пропорциональный скорости. Его относительная погрешность 1 %.
Имеются схемы с компенсацией влияния скорости ультразвука для времяимпульсных расходомеров.
Показания частотных расходомеров не зависят от значения скорости звука и поэтому здесь не требуется коррекции на скорость ультразвука. Но если частотный расходомер измеряет массовый расход, то необходим пьезоэлемент, работающий на резонансной частоте. С его помощью образуется сигнал пропорциональный сопротивлению вещества, из которого надо исключить множитель скорости. Для этого в схему вводят блок сложения частот повторения импульсов или пакетов акустических колебаний по потоку и против него, имея в виду, что сумма частот пропорциональна скорости. Схема такого частотно-пакетного расходомера показана на рис. 11.
Рисунок 11. Схема частотно-пакетного массового расходомера.
Ультразвуковые расходомеры с колебаниями, перпендикулярными движению.
Данные ультразвуковые расходомеры существенно отличаются от ранее рассмотренных тем, что здесь отсутствуют акустические колебания, направляемые по потоку и против него. Вместо этого ультразвуковой луч направляется перпендикулярно к движению потока и измеряется степень отклонения луча от перпендикулярного направления, зависящая от скорости и измеряемого вещества. Излучает акустические колебания лишь один пьезоэлемент. Воспринимаются эти колебания одним или двумя пьезоэлементами.
Рисунок 12. Схема расходомера с излучением, перпендикулярным к оси трубы: а) - с одним приемным пьезоэлементом, б) – с двумя приемными пьезоэлементами;
(1- генератор; 2 – излучающий пьезоэлемент; 3, 5 – приемные пьезоэлементы; 4 – усилитель)
При одном приемном элементе (рис.12, а) количество акустической энергии, поступающей на него, будет уменьшаться с ростом скорости, и выходной сигнал усилителя будет падать. В одной работе указывается, что сигнал становится равным нулю при скорости = 15 м/с (диаметр пьезоэлементов 20 мм, частота 10 МГц). При двух приемных пьезоэлементах 3 и 5 (рис.12, б), расположенных симметрично относительно излучателя 2, выходной сигнал дифференциального усилителя 4 возрастает с ростом скорости. При скорости = 0 здесь выходной сигнал равен нулю благодаря равенству акустической энергии, поступающей на пьезоэлементы 3 и 5. включенные навстречу друг другу. Рассматриваемые расходомеры просты по устройству. Схема с дифференциальным включением пьезоэлементов лучше. Она улучшает стабильность показаний, нарушаемую в схеме с одним приемным пьезоэлементом. изменением коэффициента поглощения под влиянием случайных причин. Тем не менее точность измерения расхода ограничена малой чувствительностью самого метода.
Рисунок 13. Схема расходомера с многократным отражением.
В связи с этим предложены расходомеры с многочисленным отражением акустических колебаний от стенок трубы. Колебания направляются не перпендикулярно к оси трубы, а образуют небольшой угол с ним (рис. 13). Путь ультразвукового луча при скорости = 0 изображен сплошной линией. В этом случае оба приемных пьезоэлемента получают одинаковое количество акустической энергии, и сигнал на выходе дифференциального усилителя УД отсутствует. Путь луча при появлении скорости v показан штриховой линией. Чем больше скорость тем большее количество энергии получает левый приемный пьезоэлемент по сравнению с правым и тем больший сигнал будет на выходе усилителя УД. От генератора Г сигналы поступают на излучатель 3 и коммутатор К. Вспомогательный пьезоэлемент, возбуждаемый на резонансной частоте, дает сигнал, пропорциональный акустическому сопротивлению измеряемого вещества. Этот сигнал через схему и детектор коррекции ДК поступает в вычислительное устройство ВУ. Здесь он умножается на основной сигнал, пропорциональный скорости поступающий из усилителя УД через детектор Д. Результирующий сигнал, пропорциональный скорости, т. е. массовому расходу, измеряется прибором МП. Чувствительность такого расходомера достаточно высокая, но его показания зависят от состояния (коррозии и загрязнения) отражающих поверхностей трубы.
Ультразвуковые расходомеры особого назначения.
Ультразвуковой метод находит применение не только для измерения расходов жидкости и газов, движущихся в трубопроводах, но также для измерения скоростей и расходов этих веществ в открытых каналах и реках, в шахтных выработках и метеорологических установках. Кроме того, имеются разработки переносных расходомеров, предназначенных для установки снаружи трубопровода.
Рисунок 14. Переносной ультразвуковой преобразователь расхода.
Измерение расхода воздуха в шахтах. Два пьезоэлемента, установленные на одной стенке шахтной выработки, направляют акустические излучения небольшой частоты (16-17 кГц) в противоположные стороны. Приемные пьезоэлементы расположены на другой стенке на больших (5-6 м) расстояниях от излучателей магнитострикционного типа.
Измерение скорости воздуха в метеорологических установках. Акустические методы измерения скорости воздуха все шире внедряются в метеорологическую практику. Разрабатываются специальные конструкции преобразователей, предназначенные для применения в метеорологических установках. В одной из них пьезокерамическое радиально поляризованное кольцо создает ненаправленное излучение в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии.
Погрешности расходомеров основанных на перемещении акустических колебаний.
Неправильный учет профиля скоростей . Эта погрешность возникает от неравенства средней скорости потока измеряемого вещества средней скорости по пути перемещения акустических колебаний. Это неравенство учитывают поправочным коэффициентом, определить точное значение которого затруднительно. В переходной же области от ламинарного к турбулентному режиму изменение поправочный коэффициент еще более значительно. Поэтому, если при градуировке прибора принято постоянное значение поправочного коэффициента, соответствующее среднему или другому значению расхода, то при иных расходах возникает дополнительная погрешность измерения. При деформированных потоках истинное значение поправочного коэффициента особенно трудно определить. В этом случае следует применять преобразователи расхода, в которых акустические колебания направляются по четырем хордам (см. рис. 1), или же устанавливать сопло или конфузор, выпрямляющие эпюру скоростей.
Изменение скорости ультразвука . Скорость ультразвука с в жидкостях и газах зависит от плотности последних, которая изменяется с изменением температуры, давления и состава или содержания (концентрации) отдельных компонентов. Для жидкостей скорость практически зависит лишь от температуры и содержания. Изменение скорости имеет существенное значение для фазовых и времяимпульсных расходомеров. У них погрешность измерения расхода от изменения с может легко достичь 2-4 % и более, так как при изменении скорости на 1 % погрешность возрастает на 2 %. У расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, погрешность в два раза меньше. У частотных расходомеров изменение значения скорости очень мало сказывается на результатах измерения.
Устранить влияние изменения скорости на показания фазовых и времяимпульсных расходомеров, а также расходомеров с излучением, перпендикулярным к оси трубы, можно, применяя или соответствующие схемы коррекции, или же переходя на измерение массового расхода.
В первом случае вводится дополнительный акустический канал, перпендикулярный к оси трубы. Для фазовых расходомеров соответствующая схема дана на рис. 10. При измерении массового расхода вводится дополнительный пьезоэлемент, служащий для измерения акустического сопротивления среды, пропорционального сопротивления вещества (см. рис. 11 и 13).
В преобразователях с преломлением возможна частичная компенсация влияния с путем подбора материала эвукопровода и угла а его расположения Компенсация происходит потому, что температурное воздействие измерения показателя преломления на разность времен в фазовых и времяимпульсных расходомерах противонаправлено непосредственному воздействию на время изменения скорости. Но при значительных изменениях температуры этот способ малоэффективен из-за нестабильности температурных коэффициентов. Несколько большие возможности данный способ имеет при установке пьезоэлементов снаружи трубы и применении жидкостных звукопроводов.
Асимметрия электронно-акустических каналов . В двулучевых расходомерах неизбежна некоторая асимметрия акустических каналов, что может вызвать существенную погрешность измерения разности времен перемещения по направлению потока и против него. Погрешность по времени складывается из погрешности времени, вызванной различием геометрических размеров каналов, обусловленной различием в них плотности измеряемого вещества.
Погрешность от геометрической асимметрии может быть компенсирована при нулевом расходе. Но при отклонении скоростей, при которых эта компенсация производилась, погрешность вновь возникнет, хотя и в значительно меньшей степени. Для уменьшения погрешности оба акустических канала располагают возможно ближе друг к другу. В этом отношении схемы с каналами, расположенными параллельно (см. рис. 3, л), лучше схем с пересекающимися акустическими каналами (см. рис. 3, м). Наибольшая погрешность может возникнуть в схеме с тремя пьезоэлементами (см. рис. 3, б). При малых диаметрах трубы и низкочастотном, а следовательно, плохо направленном излучении, когда трудно применить преобразователь углового типа, приходится применять особые меры для поддержания равенства температур в обоих каналах. Так, при измерении небольшого расхода каменноугольной смолы, содержащей твердые частицы и влагу, частота акустических колебаний была взята равной 0,1 МГц, а преобразователь расхода выполнен по схеме, показанной на рис. 194, г. Для выравнивания температуры в каналах, удаленных друг от друга, они просверлены в массивном металлическом блоке, покрытом теплоизоляцией.
Доплеровские ультразвуковые расходомеры.
Доплеровские расходомеры основаны на измерении, зависящем от расхода допплеровской разности частот, возникающей при отражении акустических колебаний неоднородностями потока. Разность частот зависит от скорости частицы, отражающей акустические колебания и скорости распространения этих колебаний.
При симметричном расположении излучающего и приемного пьезоэлементов (рис. 15) относительно скорости или, что то же, оси трубы углы наклона равны друг другу.
Рисунок 15. Схема доплеровского преобразователя расхода (1,2 – излучающий и приемный пьезоэлемент)
Таким образом, измеряемая разность частот может служить для измерения скорости частицы отражателя, т. е. для измерения местной скорости потока. Это сближает допплеровские ультразвуковые расходомеры с другими расходомерами, основанными на измерении местной скорости. Для их применения нужно знать соотношение между скоростью и частицы отражателя и средней скоростью поток. В одной работе рассмотрена возможность с помощью допплеровского метода измерить скорости в ряде точек диаметрального сечения потока, т. е. получить профиль скоростей. Для этого излучатель посылает в поток акустические импульсы длительностью 0,1-1 мкс и частотой 15-23 кГц. Приемное устройство открывается лишь на мгновение через время задержки после посылки импульса. Измеряя время задержки, можно получить информацию о скорости частиц, находящихся в разных точках сечения потока.
При небольших диаметрах труб (менее 50-100 мм) встречаются доплеровские расходомеры, у которых длины излучающего и приемного пьезоэлементов равны внутреннему диаметру трубы. Они реагируют не на одну, а на несколько местных скоростей частиц, находящихся в диаметральной плоскости сечения трубы. Пример такого прибора показан на рис. 16. Пьезоэлементы из титаната бария, длиной 20 мм, шириной 6-5 мм, частота излучения 5 МГц, допплеровский сдвиг частот порядка 15 кГц. Измеряемое вещество - однопроцентная суспензия бетонита, имеющая диаметры частиц не более 0,1 мм. Для исключения неопределенности показаний в переходной зоне пьезоэлементы в средней части были экранированы. Благодаря этому отношение скоростей в ламинарной зоне резко возросло и практически стало таким же, как и у турбулентной зоны, и наклон градуировочной прямой стал одинаковым в обеих зонах. Для предотвращения образования вихрей в сравнительно больших карманах, где установлены пьезоэлементы, свободной пространство в них заполнено фольгой из полистирола, имеющего одинаковое с водой акустическое сопротивление.
Теперь в большинстве случаев пьезоэлементы у допплеровских расходомеров помещают снаружи трубы. Это особенно необходимо в случае измерения загрязненных и абразивных веществ, но при этом надо считаться с дополнительными погрешностями, обусловленными, в частности, преломлением луча в стенке трубы.
Рисунок 16. Схема доплеровского расходомера в труде малого диаметра (1,2 – излучающий и приемные пьезоэлементы; 3 – генератор колебаний частотой 5 МГц; 4 – фильтр выпрямитель; 5 – усилитель; 6 – измеритель доплеровского сдвига частот)
По сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность ввиду того, что выходной сигнал представляет целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей - отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2-3 %.
Допплеровские ультразвуковые расходомеры находят все более широкое распространение. Они применяются главным образом для измерения расхода различных гидросмесей, в том числе пульп, суспензий и эмульсий, содержащих частицы, отличающиеся по плотности от окружающего вещества. Но и естественных неоднородностей (в том числе газовых пузырей), имеющихся в различных жидкостях, бывает достаточно для проявления эффекта Допплера. При их отсутствии рекомендуется вдувать в поток воздух или газ через трубку с отверстиями 0,25-0,5 мм на расстоянии перед преобразователем расхода. Расход вдуваемого газа составляет 0,005 0,1 % от расхода измеряемого вещества.
Акустические длинноволновые расходомеры (низкой частоты).
В отличие от всех ранее рассмотренных ультразвуковых расходомеров длинноволновые акустические расходомеры работают на низкой (звуковой) частоте. Схема преобразователя расхода опытного образца такого расходомера показана на рис. 17.
Рисунок 17. Низкочастотный акустический расходомер.
Источник акустических колебаний - громкоговоритель 1, установленный на входном участке латунной трубы диаметром 50 мм. Этот участок с помощью муфты 2, предотвращающей передачу вибраций и других помех, соединен с трубой 3, на которой на расстоянии 305 мм друг от друга размещены два микрофона 4. Их крепление снабжено прокладками 5 из пористой резины. Приемные диафрагмы микрофонов расположены заподлицо с внутренними стенками трубы. Акустические колебания, создаваемые источником 1, имеют длину волны, в несколько раз превосходящую диаметр трубопровода, что благоприятно для устранения высокочастотных помех. Эта волна отражается от обоих концов трубы, в результате чего в последней навстречу друг другу движутся две волны. Эти две волны образуют стоячую волну в трубопроводе. Амплитуда последней в узлах не равна нулю, так как амплитуды волн, движущихся навстречу, не равны друг другу. Так, если источник звука 1 установлен до микрофонов, то волна, движущаяся по потоку, образуется из сложения волны, образованной источником 1, и волны, отраженной от переднего конца трубы, в то время как обратная волна - только отраженная от выходного конца и местных сопротивлений между ним и микрофонами. Следует избегать установки микрофонов вблизи узлов стоячей волны. При скорости потока = 0 фазы синусоидальных сигналов обоих микрофонов совпадают. С появлением скорости возникает сдвиг фаз, возрастающий с увеличением скорости. Расстояние L между микрофонами выбирают так, чтобы оно равнялось длине волны или ее половине.
Выводы.
Из четырех рассмотренных разновидностей акустических расходомеров наибольшее применение получили приборы с ультразвуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры со сносом применяются очень редко. Они значительно менее чувствительны, чем первые. Допплеровские приборы служат преимущественно для измерения местных скоростей потока. Длинноволновые акустические расходомеры появились недавно, и нет еще достаточного опыта их применения.
Из трех методов измерения разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него наибольшее распространение получил частотно-импульсный метод с одноканальным преобразователем расхода. Он может обеспечить наибольшую точность измерения, а приведенная погрешность измерения может быть снижена до (0,5-1) %. Созданы приборы с еще меньшей погрешностью, вплоть до ±(0,1 0,2) %, что позволяет применять такие приборы в качестве образцовых. Измерительные схемы двухканальных расходомеров проще, но точность их ниже. Фазовые расходомеры имеют преимущество перед частотными при необходимости измерения малых скоростей вплоть до 0,02 %, а также при измерении загрязненных сред.
При деформированном поле скоростей вследствие недостаточной длины прямого участка трубопровода может возникнуть большая дополнительная погрешность. Для устранения погрешности надо применять сопло или конфузор, выравнивающие профиль, или же преобразователь расхода, в котором акустические колебания направляются не в диаметральной плоскости, а по несколькими хордам.
Основная область применения ультразвуковых расходомеров - измерение расхода различных жидкостей. Особенно целесообразны они для измерения расхода неэлектропроводных и агрессивных жидкостей, а также нефтепродуктов.
Справочные данные:
Фазовые ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,02 | 2,5 | |
| 2 | 6 т/ч | 300 т/ч | ||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | 180 | ||
| 5 | 150 | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | 100 | ||
| 9 | ||||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | ||||
| 12 | ||||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | ||||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Частотные ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,1 | 2 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | 100 | ||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Времяимпульсные ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,2 | ||
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Ультразвуковые расходомеры с коррекцией на скорость звука и плотность измеряемого вещества
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 0,2 | 1 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | 1200 | ||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | |||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | 10 | ||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Доплеровские ультразвуковые расходомеры
| № | Параметр | Значение | Примечание | |
| min | max | |||
| 1 | Класс точности | 2 | 3 | |
| 2 | Диапазон измеряемых расходов Qmax/Qmin | |||
| 3 | Чувствительность, л/мин | |||
| 4 | Измеряемый расход, л/мин | |||
| 5 | Диаметр условного прохода (ДУ), мм | 10 | ||
| 6 | Давление изм среды | |||
| 7 | Температура изм среды | |||
| 8 | Температура окр среды | |||
| 9 | Возможн. изм. агрессивных сред | |||
| 10 | Взрывозащищенное исполнение | |||
| 11 | Длина прямого участка до расхомера, d | |||
| 12 | Длина прямого участка после расхомера, d | |||
| 13 | Вязкость изм. среды, сСт | |||
| 14 | Требования к тонкости фильтрации изм среды, мкм | |||
| 15 | Срок наработки на отказ, час | |||
| 16 | Срок службы, лет | |||
| 17 | Допустимость гидроударов | |||
| 18 | Цена, $/мм ДУ | |||
Используемая литература:
Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2004. - 412 с
Классификация задач измерения расхода
По функциональному назначению задачи измерения расхода в промышленности условно можно разделить на две основные части:
задачи учета:
– коммерческого;
– оперативного (технологического);
Задачи контроля и управления технологическими процессами:
– поддержание заданного расхода;
– смешивание двух и более сред в определенной пропорции;
– процессы дозирования/наполнения.
Задачи учета предъявляют высокие требования к погрешности измерений расхода и стабильности работы расходомера, т. к. его показания являются основанием для расчетных операций между поставщиком и потребителем. К задачам оперативного учета относятся такие применения, как межцеховой, внутрицеховой учет и т. д. В зависимости от требований, предъявляемых к данным задачам, возможно использование расходомеров более простой конструкции с большей погрешностью измерений, чем при коммерческом учете.
Задачи контроля и управления технологическими процессами весьма разнообразны, поэтому выбор типа расходомера зависит от степени важности и требований, предъявляемых к данному процессу.
По условиям измерения задачи определения расхода можно классифицировать следующим образом:
измерение расхода в полностью заполненных (напорных) трубопроводах;
измерение расхода в не полностью заполненных (безнапорных) трубопроводах, открытых каналах и лотках.
Задачи измерения расхода в полностью заполненных трубопроводах являются стандартными, и большинство расходомеров предназначены именно для данного применения.
Задачи второй группы являются специфичными, т. к. требуют, в первую очередь, определения уровня жидкости. Причем, в зависимости от типа лотка или канала, определение расхода возможно через измеренный уровень на основе теоретически доказанных и экспериментально подтвержденных зависимостей расхода жидкости от уровня. Однако, существуют применения, где наряду с измерением уровня жидкости в канале, лотке или не полностью заполненном трубопроводе необходимо определение и скорости потока.
Измерение расхода жидкостей
Для измерения расхода жидкостей в промышленных условиях целесообразно применять электромагнитные, ультразвуковые, массовые кориолисовые расходомеры и ротаметры.
Кроме того, в ряде случаев оптимальным решением может быть применение вихревых расходомеров и расходомеров переменного перепада давления.
При выборе приборов для измерения расхода электропроводящих жидкостей и пульп в первую очередь рекомендуется рассмотреть возможность применения электромагнитных расходомеров.
В силу своих конструктивных особенностей, разнообразия материалов футеровки и электродов данные приборы имеют широкую область применения и используются при измерении расхода следующих сред:
общетехнические среды (вода и др.);
высококоррозионно активные среды (кислоты, щелочи и др.);
абразивные и адгезионные (налипающие) среды;
гидросмеси, пасты и суспензии с содержанием волокон или твердой фазы более 10% (масс.).
Высокая точность измерения (± 0,2…0,5% измеряемой величины), малое время отклика (до 0,1 с в зависимости от модели), отсутствие движущихся частей, высокая надежность и длительный срок службы, минимальное обслуживание – все это делает полнопроточные электромагнитные расходомеры оптимальным решением задач измерения расхода и учета количества электропроводящих сред в трубопроводах малого и среднего диаметра.
Погружные электромагнитные расходомеры широко применяются в задачах оперативного контроля и технологических процессах, где не требуется высокая точность измерений, а также при измерении расхода в трубопроводах больших диаметров (>
DN400) и скорости потока в открытых каналах и лотках.
Ультразвуковые расходомеры в основном применяются для измерения расхода неэлектропроводящих сред (нефть и продукты ее переработки, спирты, растворители и др.). Полнопроточные расходомеры применяются как в узлах коммерческого учета, так и для управления технологическими процессами. Погрешность измерения данных приборов, в зависимости от исполнения, составляет порядка ± 0,5% измеряемой величины. В зависимости от принципа измерения среда должна быть чистой (времяимпульсные расходомеры) или с содержанием нерастворенных частиц и/или нерастворенного воздуха (доплеровские расходомеры). В качестве примера сред для второго случая можно указать гидросмеси, суспензии, буровые растворы и др.
Расходомеры с накладными датчиками просты в монтаже и, как правило, применяются для оперативного учета и в неответственных технологических процессах (погрешность порядка ±1…3% шкалы) или в применениях, где нет возможности установки полнопроточных расходомеров.
Массовые кориолисовые расходомеры, в силу своего принципа измерения, могут измерять расход практически любых сред. Данные приборы отличаются высокой точностью измерений (± 0,1…0,5% измеряемой величины при измерении массового расхода) и высокой стоимостью. Поэтому кориолисовые расходомеры в первую очередь рекомендуется применять в узлах коммерческого учета, процессах дозирования/наполнения или ответственных технологических процессах, где необходимо измерять массовый расход среды или контролировать сразу несколько параметров (массовый расход, плотность и температуру).
Кроме того, массовые расходомеры можно применять в качестве плотномеров при их установке, например, в байпасной линии. Во всех остальных случаях, при более простых применениях, массовые расходомеры могут оказаться неконкурентоспособными по сравнению с объемными расходомерами, которые можно применять для решения этих же задач.
В качестве материалов измерительных трубок в массовых расходомерах используются, как правило, нержавеющая сталь, сплав Hastelloy, поэтому данные приборы не годятся для измерения высококоррозионно-активных сред. Способность измерять массовый расход напрямую позволяет применять массовые расходомеры при измерении расхода двухфазных сред с возможностью определения концентрации одной среды в другой. Существуют и ограничения. В качестве материалов измерительных трубок в массовых расходомерах используются, как правило, нержавеющая сталь и сплав Hastelloy, поэтому данные приборы не подходят для измерения расхода высококоррозионно-активных сред. Также на точность измерения расхода массовыми расходомерами сильно влияет наличие нерастворенного газа в измеряемой среде.
Ротаметры, как правило, применяются для измерения малых расходов. Класс точности данных приборов, в зависимости от исполнения, варьируется в пределах 1,6…2,5, поэтому использование данных приборов рекомендуется в задачах оперативного учета и контроля технологических процессов.
В качестве материалов измерительной трубки используются нержавеющая сталь и фторопласт PTFE, что позволяет применять ротаметры для измерения расхода коррозионно-активных сред. Металлические ротаметры также позволяют измерять расход высокотемпературных сред.Необходимо отметить, что измерение расхода адгезионных, абразивных сред и сред с механическими примесями с помощью ротаметров невозможно. Кроме того, существует ограничение по монтажу данного типа расходомеров: их установка допускается только на вертикальных трубопроводах с направлением потока измеряемой среды снизу вверх. Современные ротаметры, кроме индикаторов, могут оснащаться микропроцессорным электронным модулем с выходным сигналом 4…20 мА, счетчиком суммарного количества и конечными переключателями для работы в режиме реле потока.
Несмотря на то, что вихревые расходомеры разрабатывались специально для измерения расхода газа/пара, их возможно применять также для измерения расхода жидких сред. Однако, в силу их конструктивных характеристик, наиболее рекомендуемыми применениями данных приборов в задачах оперативного учета и контроля технологических процессов, являются:
измерение расхода высокотемпературных жидкостей с температурой до +450 °С;
измерение расхода криогенных жидкостей с температурой до -200 °С;
при высоком, до 25 МПа, технологическом давлении в трубопроводе;
измерение расхода в трубопроводах большого диаметра (погружные вихревые расходомеры).
Жидкость при этом должна быть чистой, однофазной, с вязкостью не более 7 сП.
Измерение расхода газа и пара
В отличие от жидкостей, которые условно можно считать практически несжимаемыми средами, объем газовых сред существенно зависит от температуры и давления. Поэтому при учете количества газов оперируют объемом и расходом, приведенными либо к нормальным условиям (T = 0 °C, P = 101,325 кПа абс.), либо к стандартным условиям (Т = +20 °С, Р = 101,325 кПа абс.).
Таким образом, для измерения количества газа и пара наряду с объемным расходомером необходимы датчики давления и температуры, либо плотномер, либо массовый расходомер, а также вычислительное устройство (корректор или другой вторичный прибор с соответствующими математическими функциями). При регулировании расхода газов в технологических процессах зачастую ограничиваются измерением одного лишь объемного расхода, но для точного регулирования также необходимо определять расход при нормальных условиях, особенно в случае значительных колебаний плотности газа.
Наиболее часто для измерения расхода газа и пара применяется метод переменного перепада давления (ППД), причем в качестве первичных преобразователей расхода традиционно используются сужающие устройства, в первую очередь – стандартная диафрагма. Основными преимуществами расходомеров ППД является беспроливная поверка, невысокая стоимость, широкий диапазон применений и большой опыт эксплуатации. Тем не менее, данный метод обладает и весьма серьезными недостатками: квадратичной зависимостью перепада давления от расхода, большими потерями давления на сужающих устройствах и жесткими требованиями к прямым участкам трубопровода. В результате в настоящее время как в России, так и во всем мире имеется четкая тенденция по замене расходомерных комплексов с сужающими устройствами на расходомеры с другими принципами измерения. Для трубопроводов малых и средних диаметров сейчас существует широкий выбор различных методов и средств измерения расхода, но для трубопроводов диаметром 300…400 мм и выше альтернатива методу ППД практически отсутствует. Избавиться от недостатков традиционных расходомеров ППД с сужающими устройствами, сохранив при этом преимущества самого метода, позволяет использование в качестве первичных преобразователей расхода осредняющих напорных трубок серии Torbar, а в качестве средств измерения перепада давления (дифманометров) – цифровых датчиков разности давления серии EJA/EJX. При этом потери давления уменьшаются в десятки и сотни раз, прямые участки сокращаются в среднем в 1,5…2 раза, динамический диапазон по расходу может достигать 1:10.
В последнее время более широкое применение для измерения расхода газа и пара находят вихревые расходомеры. По сравнению с расходомерами переменного перепада давления они обладают более широким динамическим диапазоном, меньшими потерями давления и прямыми участками. Наиболее эффективны данные приборы в задачах учета, прежде всего коммерческого, и в ответственных задачах регулирования расхода. Использование расходомера со встроенным датчиком температуры либо стандартного расходомера совместно с датчиками температуры и давления позволяет определить массовый расход среды, что особенно актуально при измерении расхода пара.
Однако данные приборы в силу особенностей своего принципа измерения не применяются для:
измерения расхода многофазных, адгезионных сред и сред с твердыми включениями;
измерения расхода сред с малыми скоростями потока.
При малых и средних скоростях потока для измерения расхода технических газов широко применяются ротаметры. Данные приборы рассчитаны на работу как с высокотемпературными, так и с коррозионно-активными средами и широко используются в различных исполнениях. Однако как указывалось выше, ротаметры монтируются только на вертикальных трубопроводах с направлением потока снизу вверх и не применяются при измерении расхода адгезионных сред и сред с содержанием твердых включений, в том числе абразивных.
При необходимости непосредственного измерения массового расхода газа также применяются массовые кориолисовые расходомеры. Однако при применении данных приборов измерение плотности и, соответственно, расчет объемного расхода невозможны, т. к. плотность газов ниже минимального значения диапазона измерений плотности данных расходомеров. С учетом высокой стоимости данных приборов их применение рекомендуется в наиболее ответственных процессах, где критичным параметром является массовый расход среды.
Сводная таблица применения различных типов расходомеров
| Тип расхода |
Пар |
Газы |
Жидкости |
Давление измеряемой среды |
|||||||||||||
| Вязкость |
С меха- ническим |
||||||||||||||||
| Расходомеры переменного перепада давления |
O |
O |
∆ |
O |
∆ | O |
∆ | X |
∆ | X |
∆ | ∆ | O |
O |
O |
O |
|
| Электромагнитные расходомеры |
X |
X | X | O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
∆ | X | X | O |
|
| Вихревые расходомеры |
O |
O |
∆ | O |
X |
O |
∆ | X |
X |
X |
X |
X |
O |
O |
O |
O |
|
| Ультрозвуковые расходомеры |
время-пролетные |
X |
∆ | ∆ | O |
O |
O |
∆ | X |
X |
X |
O |
O |
∆ | ∆ | O |
O |
| доплеровские |
X |
X |
X |
X |
O |
O |
O |
∆ | O |
O |
O |
O |
∆ | ∆ | O |
O |
|
| Ротаметры |
O |
O |
X |
O |
X |
O |
O |
O |
X |
X |
X |
∆ | O |
O |
O |
O |
|
| Массовые кориолисовые расходомеры |
O |
O |
O |
O |
O |
O |
∆ | X |
O |
∆ | O |
O |
O |
O |
O |
O |
|
| Механические счетчики |
X |
O |
X |
O |
∆ | O |
∆ | X |
X |
X |
∆ | X |
∆ | ∆ | O |
O |
|
К.т.н. А.А. Минаков, член Совета НП «Метрология Энергосбережения»,
генеральный директор ЗАО «ПромСервис», г. Димитровград;
А.В. Чигинев, технический директор, ОАО «ТЕВИС», г. Тольятти
Расходомеры сегодня устойчиво ассоциируются с коммерческим учетом тепловой энергии, холодной и горячей воды. Естественно, что все основные характеристики этих приборов, в первую очередь, должны рассматриваться с точки зрения решения задачи коммерческого учета. Учет энергоресурсов и называется коммерческим только потому, что он является основой для взаимных расчетов между поставщиком и потребителем, рынок тепло-, водоснабжения невозможен без учета .
При выборе приборов учета потребителем рассматриваются технические (надежность, долговечность, возможность обслуживания и т.д.), метрологические (точность, динамический диапазон, межповерочный интервал), экономические (стоимость прибора, стоимость владения) характеристики. Все эти характеристики взаимосвязаны, т.к., например, достижение высоких технических и метрологических характеристик обычно повышает стоимость прибора и стоимость его обслуживания, включая поверку.
Рассмотрим более подробно основные метрологические характеристики:
■ точность (погрешность);
■ динамический диапазон;
■ межповерочный интервал.
Эти характеристики также, в свою очередь, взаимосвязаны . Получить высокую точность измерений в узком динамическом диапазоне и сохранить ее на короткое время значительно проще, чем выдержать в широком диапазоне и на длительный срок. Потребителю хочется, конечно, чтобы присутствовали и высокая точность, и широкий диапазон измерений, и межповерочный интервал был бы как можно больше, да еще, чтобы все это было очень дешево. Желание Потребителя понятно, и производители приборов, исходя из своего желания угодить Потребителю, и, соответственно, продать больше своей продукции, начинают гонку за показателями. Работают над конструкцией, повышают качество изделий, улучшают метрологические характеристики. Это естественный процесс, который объективно должен бы работать в пользу Потребителя, если бы производители приборов не вносили в него субъективный фактор - желание получить конкурентное преимущество за счет декларирования максимально высоких метрологических характеристик.
Причем речь обычно идет одновременно обо всех характеристиках, да еще и в сочетании со стоимостью.
В этой гонке зачастую выходят за пределы разумного, забывая о том, что улучшение одной характеристики может привести к ухудшению другой; о физических процессах, происходящих в реальных условиях; наконец, о том, что у каждого метода измерения есть свои, естественные ограничения, преодолеть которые не под силу даже при идеальном качестве продукции . Естественно, с повышением метрологических характеристик повышается и стоимость приборов учета.
Потребители приборов, в общем-то, «повелись» на предложение производителей приборов, не очень-то задумываясь: «А какие значения метрологических характеристик им нужны? Какие из характеристик важнее для коммерческого учета? Нет ли тут какого-то подвоха?». Попробуем проанализировать необходимые значения всех перечисленных характеристик.
Диапазон расходомера в учете тепла и ГВС - а сколько на самом деле надо ?
Есть мнение - чем больше, тем лучше!
Существуют серийно выпускаемые электромагнитные расходомеры (практически у всех производителей) с диапазоном 1:1000.
Есть информация о диапазонах до 1:5000.
А в каких диапазонах реально эксплуатируются преобразователи расхода?
В ОАО «ТЕВИС» накоплены данные за более, чем 20 лет эксплуатации приборов более, чем на 1000 объектов. Результаты обработки накопленных данных показывают, что динамический диапазон при измерении расхода в циркуляционных системах отопления и ГВС ни разу не превысил 1:13!!! Проект новых не утвержденных пока предписывает соблюдение динамического диапазона расходомера не менее 1:50, т.е. примерно в 4 раза шире, чем требуется в действительности. Аналогичное требование включено в проект « от НП «Российское теплоснабжение».
Межповерочный интервал (МПИ)
Казалось бы, здесь все ясно. Чем дольше сохраняются заявленные метрологические характеристики (точность, диапазон), тем лучше.
МПИ у большинства производителей расходомеров воды не менее 4-х лет на все типы датчиков расхода.
Вопрос: «А все ли типы датчиков расхода способны сохранять заявленные метрологические характеристики в течение этого срока ?»
Давно считается общеизвестным, что у тахометрических датчиков расхода точность и динамический диапазон быстро снижаются в процессе эксплуатации.
Очень сильно зависят от условий и продолжительности эксплуатации эти характеристики и для электромагнитных расходомеров.
Нам в ЗАО «ПромСервис» попадались электромагнитные датчики расхода воды, систематическая погрешность которых за 3 года возросла более чем на 30% (на столько они при этом уменьшали реальный расход). И только вихревые и ультразвуковые расходомеры подтверждали свои метрологические характеристики в заявленном МПИ.
Именно поэтому в качестве образцовых средств при поверки методом сличения в ЗАО «ПромСервис» используются вихревые датчики расхода ВЭПС-М с индивидуальной градуировкой .
Росстандарту надо быть внимательнее и требовательнее при утверждении типа на расходомеры с МПИ больше 1 года и требовать реальных подтверждений сохранения метрологических характеристик в течение длительного времени.
Точность (погрешность)
Единственная характеристика, величина которой напрямую связана с точностью оплаты тепла (воды). Учитывая, что основная часть погрешности определения количества тепла определяется погрешностью измерения расхода, повышение точности расходомеров - основной путь повышения точности оплаты за тепло-, водоснабжение.
При огромных объемах поставляемых энергоресурсов погрешность измерения расхода воды не только ±2% (допустимые сегодня), но и ±1% приводят к очень значимым погрешностям при оплате энергоресурсов.
Реальное же повышение точности измерения расхода теплоносителя и воды (например, до ±0,5%) возможно только при малом значении динамического диапазона и снижении межповерочного интервала.
Выводы
1. Повышение динамического диапазона при измерении расхода теплоносителя больше, чем 1:25 нецелесообразно из-за отсутствия в действительности такого диапазона расходов в реальных сетях теплоснабжения и ГВС.
2. Межповерочный интервал более 1 года требует длительного экспериментального подтверждения, без которого его нельзя считать обоснованным.
3. Для повышения точности расчетов за энергоресурсы необходимо повышение точности измерения расхода воды.
Литература
1. Минаков А.А. Теплоснабжение - это рынок?! / Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика-2006», г. Димитровград, 2006 г. С. 13-14.
2. Минаков А.А. Естественные ограничения метрологических характеристик преобразователей расхода воды, накладываемых методом измерений. / Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика-2006». г. Димитровград. 2006 г. С. 100-105.
3. Чигинев А.В. Диапазон расходомера в теплоплоучете - а сколько на самом деле надо? / Доклад на IV Международном конгрессе «Энергоэффективность. XXI век.», Санкт-Петербург, 2012, с. 56-65.
4. Гайнутдинов З.Х. Проливная установка ЗАО «ПромСервис». / Сборник материалов IX Международной научнопрактической конференции «Энергоресурсосбережение. Диагностика-2007». С. 67-73.
Особенности выбора типоразмера расходомера
В большинстве случаев величина расхода, которую требуется измерять, изменяется в довольно широких пределах от Q min (минимальный расход) до Q max (максимальный расход). Отношение величины максимального к величине минимального расхода называется динамическим диапазоном измерения. Необходимо помнить, что под минимальной и максимальной величинами расхода, в данном случае, понимаются такие значения, при измерении которых расходомер обеспечивает заявленную точность.
Выбор типоразмера измерителя расхода является наиболее сложной задачей. Номинальный диаметр его измерительной части (Ду) и диаметр трубопровода определяют расход измеряемой среды, скорость движения которой должна находиться в определенных пределах.
Так при измерении расхода абразивных жидкостей, пульпы, рудного шлама и т.п. электромагнитными расходомерами, необходимо обеспечить скорость движения среды не более 2 м/с. При измерении расходов сред, склонных к образованию отложений (сточные воды), скорость движения среды наоборот рекомендуется повысить, чтобы илистые отложения более эффективно вымывались. Для измерения расходов чистых неабразивных жидкостей электромагнитными расходомерами рекомендуется обеспечить скорость потока равной 2,5…3 м/с.
При измерении расходов жидкостей скорость потока не должна превышать 10 м/с. При измерении расхода газов и пара скорость потока, в большинстве случаев, не должна быть выше 80 м/с.
Ориентировочные значения расхода жидкости в зависимости от диаметра трубопровода и измерительной части расходомера при разных скоростях движения среды приведены в таблице 1.
Таблица 1.
| ДУ | Расход м 3 /ч | |||
| [мм] | [дюйм] | Расход при v=0,3 м/с |
Заводская уставка при v~2,5 м/с |
Расход при V=10 м/с |
| 2 | 1/12" | 0,0034 | 0,0283 | 0,1131 |
| 4 | 5/32" | 0,0136 | 0,1131 | 0,4524 |
| 8 | 5/16" | 0,0543 | 0,4524 | 1,810 |
| 15 | 1/2" | 0,1909 | 1,590 | 6,362 |
| 25 | 1" | 0,5301 | 4,418 | 17,67 |
| 32 | 1 1/4" | 0,8686 | 7,238 | 28,95 |
| 40 | 250 | 10" | 53,01 | 441,8 |
| 50 | 2" | 2,121 | 17,67 | 70,69 |
| 66 | 2 1/2" | 3,584 | 29,87 | 119,5 |
| 80 | 3" | 5,429 | 45,24 | 181,0 |
| 100 | 4" | 8,482 | 70,69 | 282,7 |
| 125 | 5" | 13,25 | 110,5 | 441,8 |
| 150 | 6" | 19,09 | 159,0 | 636,2 |
| 200 | 8" | 33,93 | 282,7 | 1131 |
| 1767 | 1 1/2" | 1,357 | 11,31 | 45,24 |
На диапазон измерения расхода также влияют температура и давление измеряемой среды. В таблице 2 для примера показаны диапазоны измерения расхода воздуха при температуре 20°С и различном избыточном давлении вихревого расходомера .
Таблица 2.
| Диаметр трубы | Давление (бар); Плотность (кг/м 3) | ||||||||
| 0 бар 1,205 кг/м 3 |
3,4 бар 5,248 кг/м 3 |
6,9 бар 9,409 кг/м 3 |
11 бар 14,28 кг/м 3 |
13,8 бар 17,61 кг/м 3 |
20,7 бар 25,82 кг/м 3 |
27,6 бар 34,02 кг/м 3 |
34,5 бар 4 2,22 кг/м 3 |
69 бар 83,24 кг/м 3 |
|
| 50 мм | 0,4829…9,748 | 1,288…4245 | 1,902…76,11 | 2,512…115,5 | 2,889…142,5 | 3,927…208,8 | 4,482…275,2 | 5,177…341,6 | 8,141…673,4 |
| 75 мм | 1,064…21,48 | 2,838…93,52 | 4,190…167,7 | 5,535…254,6 | 6,365…313,9 | 8,215…460,1 | 9,895…606,3 | 11,41…752,5 | 17,94…1484 |
| 100 мм | 1,832…36,98 | 4,888..161,0 | 7,215…288,7 | 99,531…438,3 | 10,96…540,5 | 14,15…792,3 | 17,00…1044 | 19,64…1296 | 30,89…2555 |
| 150 мм | 4,157…83,93 | 11,09…365,5 | 16,37…655,3 | 21,63…994,8 | 24,88…1227 | 32,10…1798 | 38,59…2369 | 44,57…2941 | 70,09…5798 |
| 200 мм | 7,199…145,3 | 19,21…632,8 | 28,35…1135 | 37,46…1723 | 43,07…2124 | 55,59…3113 | 66,82…4103 | 77,18…5092 | 121,4…10039 |
| 250 мм | 11,35…229,1 | 30,27…997,5 | 44,69…1789 | 57,04…2715 | 67,90…3348 | 87,62…4908 | 105,3…6367 | 121,7…8027 | 191,3…15824 |
| 300 мм | 16,11…325,2 | 42,97…1416 | 63,44…2539 | 83,81…3854 | 96,38…4752 | 124,4…6966 | 149,5…9180 | 172,7…11393 | 271,6…22462 |
| 350 мм | 19,47…393,0 | 51,95….1712 | 76,68…3069 | 101,3…4659 | 116,5…5745 | 150,3…8420 | 180,7…11096 | 208,7…13772 | 328,3…27151 |
| 400 мм | 25,43…513,4 | 67,85…2235 | 100,2…4008 | 132,3…6085 | 152,2…7503 | 196,4…10998 | 236,0…14493 | 272,6…17988 | 428,7…35462 |
| 450 мм | 32,19…649,8 | 85,88…2830 | 126,8…5073 | 167,5…7702 | 192,6…9497 | 248,5…13921 | 298,8…18345 | 345,1…22768 | 542,7…44887 |
| 500 мм | 40,00…807,4 | 106,7…3516 | 157,5…6304 | 208,1…9571 | 239,3…11801 | 308,8…17298 | 371,3…22795 | 428,8…28292 | 674,3…55776 |
| 550 мм | 51,04…1030 | 136,2…4486 | 201,0…8044 | 265,5…12212 | 305,4…15058 | 394,1…22072 | 476,7…29086 | 547,1…36100 | 860,5…71170 |
| 600 мм | 57,85…1168 | 154,3…5085 | 227,8…9118 | 301,0…13842 | 346,1…17068 | 446,7…25019 | 537,032969 | 620,2…40919 | 975,3…80671 |
Более точное определение минимального и максимального значения расходов для данного типоразмера расходомера производится с помощью специальных программных средств, разработанных производителем. При расчете учитывается влияние минимальных и максимальных значений температуры и давления среды, ее плотность, вязкость и другие характеристики, влияющие на скорость потока и объемный расход.
Влияние гидравлического сопротивления
Необходимо также учитывать и то, что расходомер может оказывать определенное сопротивление движению измеряемой среды и вносить дополнительное гидравлическое сопротивление. Наибольшим гидравлическим сопротивлением обладает вихревой расходомер из-за наличия в измерительной части прибора тела обтекания довольно большого объема. Кориолисовый расходомер также обладает гидравлическим сопротивлением, приводящим к потере давления, из-за наличия в конструкции изгибов и разветвлений трубопроводов.
Наименьшим гидравлическим сопротивлением обладают электромагнитные и ультразвуковые измерители расхода, так как они не имеют изгибов и частей, выступающих внутрь измерительной части. Они относятся к полнопроходным. Некоторые потери давления могут быть вызваны материалом футеровки измерительной части (например, резиновой футеровкой) или неправильной установкой (уплотнительные прокладки выступают внутрь проточной части расходомера).
В таблице 3 приведены значения динамического диапазона измерения расхода и максимальные значения скорости потока для расходомеров различного принципа действия.
Таблица 3.
| Метод | Динамический диапазон | Максимальная скорость потока |
| Электромагнитный | 100:1 | 10 м/с (жидкость) |
| Вихревой | 25:1 | 10 м/с (жидкость), 80 м/с (пар, газ) |
| Ультразвуковой (врезные датчики) | 100:1 | 10 м/с (жидкость) |
| Ультразвуковой (накладные датчики) | 100:1 | 12 м/с (жидкость), 40 м/с (пар, газ) |
| Кориолисовый | 100:1 | 10 м/с (жидкость), 300 м/с (пар, газ) |
Метрологические характеристики и их влияние на выбор
В настоящее время встречаются электромагнитные расходомеры с заявленным динамическим диапазоном 500:1 и даже 1000:1. Такие значительные динамические диапазоны измерения достигаются путем применения многоточечной калибровки при выпуске расходомера из производства. К сожалению, в процессе дальнейшей эксплуатации метрологические характеристики ухудшаются и реальный динамический диапазон значительно сужается.
Метрологические характеристики расходомеров выходят на первый план в случае их применения для коммерческого учета энергоресурсов. Необходимо помнить, что все приборы, которые планируется использовать для целей коммерческого учета, должны быть в обязательном порядке внесены в Государственный реестр средств измерений после прохождения соответствующих испытаний, по результатам которых подтверждаются заявленные производителем метрологические характеристики. Именно действующим описанием типа средства измерения следует руководствоваться при оценке погрешностей. Так как, например, в некоторых случаях, заявленная производителем низкая погрешность измерения может быть обеспечена не во всем диапазоне, а только в некоторой его узкой части. И, к сожалению, производители не всегда отражают этот факт в своей технической документации и рекламных материалах.
Для снижения издержек на последующее метрологическое обслуживание (поверку) расходомеров при прочих равных условиях рекомендуется выбирать приборы с максимальным межповерочным интервалом. На данный момент большинство расходомеров имеет межповерочный интервал один раз 4 года и более. При выборе марки прибора не стоит гнаться за максимальным значением межповерочного интервала в случае когда долговременная точность измерения является определяющей характеристикой, особенно если это предложение от малоизвестного производителя. Для расходомеров с условным диаметром более 250 мм (DN 250) наличие методики поверки без демонтажа измерительной части, так называемой имитационной, беспроливной поверки, зачастую становиться решающим фактором в пользу выбора конкретного производителя и типа. Проведение поверки проливным методом расходомеров с условным диаметром более 250 мм в настоящее время является сложной задачей в виду отсутствия в России аттестованных проливных установок для поверки средств измерения расхода большого диаметра. Но необходимо помнить, что метод беспроливной поверки добавляет к базовой погрешности измерения еще дополнительную погрешность 1…1,5%, что не всегда может быть приемлемо.
В таблице 4 приведены метрологические характеристики измерителей расхода с различным способом измерения, пожалуй, с лучшими на сегодняшний день показателями точности. Если предлагаемое вам поставщиком решение обладает еще более высокими показателями точности, то следует более тщательно подойти к вопросу проверки заявленных метрологических характеристик данного оборудования.
Таблица 4.
|
На точность измерения объемного и массового расхода влияет не только метод измерения , качество применяемых при изготовлении материалов, примененные схематические решения и программные алгоритмы вычислений, но и правильность монтажа и настройки, своевременность и полнота технического обслуживания. Этим вопросам будет посвящена заключительная, третья часть руководства по выбору расходомеров, так как затраты на монтаж и последующее обслуживание, а также возможные технические особенности применения тоже должны учитываться в процессе выбора расходомера. |
