История создания ультразвуковых расходомеров началась в 1963 г., когда впервые они были представлены в Японии для промышленного применения. С тех пор данные приборы претерпели значительные усовершенствования и сегодня представлены в различных конструктивных вариантах и конфигурациях для использования во многих отраслях народного хозяйства. Так, многохордовые расходомеры способствуют повышению точности измерений за счет минимизации негативных эффектов вихреобразования, вязкости сред, а также эффектов, связанных с особенностями установки расходомерных узлов (имеются ввиду местные сопротивления).
Ультразвуковая технология - это одна из немногих технологий, позволяющих измерять любые среды: жидкости, газы и даже пар. Измерение практически без потерь давления может сэкономить значительные затраты на насосное оборудование особенно там, где требуются высокое давление в магистрали или длинные дистанции транспортировки тех или иных сред.
Но, как говорится, нет предела совершенству, и задачи последующего повышения эффективности ультразвукового метода, в частности, точности, актуальны и по сей день. Особенно, когда речь идет об измерении очень дорогих сегодня энергоресурсов.
Перспективы повышения точности измерений в основном кроются в особенностях метода измерений и технологии производства реализующих этот метод приборов, поэтому рассмотрим факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс измерения, и оценим пути устранения вызываемых ими погрешностей.
2.2 Погрешность, вносимая гидродинамическим поправочным коэффициентом
Неточность определения этого коэффициента вносит, пожалуй, самую большую долю в суммарную погрешность прибора.
Под гидродинамическим поправочным коэффициентом k понимают отношение
k= Vср/Vl, (8)
где Vср - средняя скорость потока, усредненная по сечению расходомерного участка;
Vl - средняя скорость потока, усредненная по длине канала зондирования, расположенного между пьезодатчиками.
Некорректное принятие того или иного значения поправочного коэффициента может давать до 5% погрешности особенно в нижней части диапазона измерений.
Для уменьшения этой величины часто используют многохордовые схемы зондирования потока, благодаря которым, в частности при задействовании 5 хорд, разброс погрешностей показаний уменьшается до ±0.3%. Традиционно этот коэффициент вычисляется по формуле, выведенной на базе степенного закона распределения скоростей в потоке по данным измерений, проведенных Никурадзе: k = 2n/(1+2n), где n =11,269 - 3,0191gRe+0,432lg2Re, где Re - число Рейнольдса.
Проблема состоит в том, что предложенная теория подходит лишь для случая практически идеальной трубы без изменения ее конфигурации, т.е. сужений, расширений, без наличия на расходомерном участке «карманов» около ультразвуковых датчиков, и т.д. Кроме того, предложенная формула не учитывает асимметрию потока, приводящую к неравномерному распределению скоростей, в результате которого измеренная средняя скорость не будет соответствовать реальной. Выходит, что для получения истинных значений поправочного коэффициента k целесообразно провести численный эксперимент, а для оценки его достоверности сравнить полученные результаты с результатами натурного эксперимента. Впоследствии такой путь даст огромную экономию временных и материальных затрат.
Численный эксперимент проводится фирмой «СЕМПАЛ» еще на этапе разработки расходомерного узла. Для его осуществления прежде всего создается сетка модели будущей конструкции.
Моделирование проводится на всех расходах диапазона измерений, что фактически охватывает разные режимы течения, от ламинарного до турбулентного. Контура распределения скоростей дают возможность оценить так называемые проблемные зоны на расходомерном участке.
На основании полученной картины распределения скоростей в РУ (рис. 13) и, используя наложенную на эту модель трассировку акустического луча, мы определяем гидродинамический поправочный коэффициент с достаточно высокой точностью.
Рис. 11. Контура распределения скоростей в ультразвуковом расходомерном узле
Благодаря проведению численного моделирования оценивается также влияние местных сопротивлений, предопределяющее выбор оптимальной длины прямого участка перед расходомером или целесообразность его использования как такового еще на стадии проектирования расходомерного узла на объекте. Для оценки адекватности результатов численного моделирования используется образцовый проливной стенд.
Такой сложный научный подход на самом деле оправдывает себя, поскольку помогает определить «гидродинамическую специфику» работы расходомерного узла тепловодосчетчика СВТУ-10М в разных условиях, а значит создавать прибор с высокой стабильностью показаний.
2.3 Температурная погрешность
Эта погрешность определяется влиянием температуры на процесс распределения эпюры скоростей по сечению трубы, а также на характер прохождения в такой среде ультразвукового сигнала. Выявления подобной погрешности зачастую не происходит, поскольку подавляющее большинство проливных стендов работают на холодной воде. В реальных же условиях, если рассматривать отрасль теплоучета, разница температур подачи и обратки весьма существенна, что приводит к образованию так называемых «сверхнормативных» утечек.
Теплосчетчик СВТУ-10М фирмы «СЕМПАЛ» с ультразвуковым методом измерения расхода теплоносителя неоднократно проходил испытания на горячеводном стенде. Причем в проливной стенд «загонялся» реагент, имитирующий реальную химобработанную воду систем отопления, делались сужающие и искажающие поток вставки (шайбы), а также проводились многодневные горячеводные проливы при температуре 85°С. При этом по некоторым типам приборов достаточно известных фирм отклонения от заявленных метрологических характеристик оказались такими значительными (десятки процентов), что дальнейшие их испытания были просто прекращены. В то же время тепло счетчик СВТУ-10М показал стабильные результаты по всей серии испытаний.
2.4 Погрешности, определяемые геометрическими параметрами РУ
Эти погрешности могут иметь разное происхождение.
Во-первых, следует учитывать заложенные на стадии создания конструкторской документации допуски на диаметр РУ. Именно из-за них в ряде случаев мы получаем ступеньку при присоединении расходомерного участка к подводящей трубе. Если речь идет об акустических расходомерах, где лучи располагаются вблизи стенок трубопровода, то данная ступенька может существенно отразиться на конечном результате измерения. По данным исследований, проводимых компанией Instromet Inc. (г. Хьюстон, США) ступенька в 5 % приводит к появлению погрешности 0.1-0.15 % даже у многолучевых расходомеров. Во избежание негативного влияния ступенек, а также для реализации возможности присоединения РУ к трубам отличающегося в пределах заданного допуска диаметра, целесообразно использовать конические переходы, чтобы не происходил отрыв пограничного слоя от стенок трубы, не искажалась эпюра скоростей, и, соответственно, не вносилась погрешность в измерительный процесс.
Во-вторых, при присоединении РУ к трубе может иметь место разная шероховатость внутренних поверхностей трубы и РУ. По результатам проведенных исследований погрешность может достигать до 0.3 % при использовании труб с высокой степенью коррозии, равномерно образованной на внутренней поверхности труб.
На практике зачастую бывает весьма тяжело разделить коррозию от загрязнения или осадочного налета, который образуется на стенках труб, причем весьма неравномерно по окружности, но как первая, так и вторая субстанция приводят к уменьшению проходного сечения РУ, а значит к появлению дополнительной составляющей погрешности. По поводу неравномерности налета: в трубопроводах больших диаметров часто наблюдаются стекловидные осадки, а также «сталагмитовые» образования толщиной в несколько сантиметров на дне трубы, и раковины от коррозии на «потолке» из-за частого прохода водо-воздушных «пробок».
Возвращаясь еще раз к допускам, заложенным на стадии выполнения конструкторской документации, укажем, что на фирме «СЕМПАЛ» закладывается весьма высокая степень точности изготовления деталей, (в ряде случаев допустимые отклонения на основные размеры РУ не превышают десятка микрон), притом все размеры тщательно контролируются отделом технического контроля. Такой подход позволяет добиваться стабильности и высокого качества в производстве расходомерных участков, другими словами, исключения погрешностей, связанных с неточностью выполнения того или иного размера РУ.
На заключительном этапе производится калибровка расходомеров на образцовом поверочном стенде фирмы «СЕМПАЛ ». Проливы ведутся как на холодной, так и на горячей воде в соответствии с определенной программой, цель которой состоит в определении точности и повторяемости показаний прибора в разных условиях. Повторяемость каждого расходомера СВТУ-10М находится в пределах ±0.3 %, что является весьма высоким показателем стабильности средств измерений.
Как следует из всего вышесказанного, влияние ряда факторов, дестабилизирующих работу ультразвуковых расходомеров, можно заранее предвидеть и предотвратить, сэкономив при этом большие денежные средства, связанные с неточностью учета. Во многом этому помогает использование программного обеспечения на базе современных методов обработки данных. Кроме того , программное обеспечение дает возможность наиболее полно реализовать в приборе функции контроля, учета и анализа нештатных ситуаций, возникающих на объектах эксплуатации. В связи с этим фирмой «СЕМПАЛ» разработана программа “SEMPAL Device Manager”, которая позволяет осуществлять такие операции:
- без выхода на объект обратиться к любому теплосчетчику СВТУ-10М, установленному на произвольно расположенном объекте;
- считывать архивы из переносного устройства съема данных УСД-01;
контролировать все изменения расхода, температуры и давлений в режиме реального времени;
- считывать и распечатывать на принтер любые виды архивной информации, накопленной в приборе, с автоматическим впечатыванием в ведомость теплового учета полных данных об объекте;
- дистанционно изменять параметры почасового и посуточного регулирования встроенных в СВТУ-10М регуляторов;
- автоматически в заданные интервалы времени считывать архивы с любого количества теплосчетчиков СВТУ-10М, расположенных в любых точках мира, а также многое другое.
3. Особенности выбора расходомеров. Сравнение расходомеров, их достоинства и недостатки
Основываясь на данных 1 и 2 главы, изучив виды расходомеров и их возможные погрешности, рассмотрим особенности их выбора. Каждый из описанных выше расходомеров имеет свои преимущества и недостатки, но ни один из них не сочетает в себе все полезные характеристики других. В связи с этим процедура выбора нужного расходомера представляется особенно актуальной.
Пользуясь характеристиками жидкости, расход которой необходимо измерять (степень загрязненности, вязкость, электропроводность), можно сразу исключить из рассмотрения некоторые типы расходомеров и проводить выбор из меньшего числа приборов, способных справиться с поставленной задачей. После определения типов расходомеров, пригодных для использования необходимо сопоставить их возможности с конкретными условиями применения.
Для выбора типа расходомера, его расчета и установки необходимо иметь исходные данные по объекту, где предполагается установить расходомер. К этим данным относятся:
- назначение объекта;
- требуемая точность измерения расхода;
- чертежи коммуникаций трубопроводов объекта и прилегающих к нему подводящих и отводящих трубопроводов с указанием их диаметров, расположение фасонных частей и арматуры; планы и разрезы помещений, где возможна установка измерительных приборов (насосных станций, очистных сооружений и т.п.);
- максимальные эксплуатационные расходы, жидкости или газа и график их колебаний (суточный и сезонный);
- взаимное расположение отдельных сооружений объекта (для проектирования расходомеров с дистанционной передачей показаний) и пункт, где желательно иметь показания всех или нескольких расходомеров;
- избыточное давление или вакуум в трубопроводах объекта;
- типы насосных агрегатов (для насосных станций);
- степень загрязненности воды или сточной жидкости и ее температура;
- исполнительные чертежи трубопроводов объекта;
- режим работы отдельных трубопроводов объекта, возможность перерывов в их работе, длительность этих перерывов (как для существующих, так и для проектируемых объектов);
- стоимость электроэнергии, потребляемой насосными станциями (для оценки экономичности расходомеров).
Вопрос точности неизбежно является одним из первых при выборе типа расходомера. Это и не удивительно, так как измерение расхода жидкости осуществляется обычно либо в коммерческих целях, либо потому, что его измерение позволяет повысить эффективность технологического процесса, дает возможность использовать автоматизацию или улучшить качество выпускаемого продукта.