А. Минаков, А.В

Современные вихревые расходомеры превосходят по характеристикам и возможностям своих предшественников, которые использовали большие тела обтекания, блокирующие 43% площади поперечного сечения трубы. В конструкции современных ультразвуковых расходомеров используются тела обтекания малого диаметра для получения большей амплитуды перемещения. В результате этого, значительно улучшены характеристики потери давления в системе и динамический диапазон прибора.

Назначение и области применения

Вихревые расходомеры-счетчики предназначены для измерения объемного и массового расхода жидкостей, газов и пара. Расходомеры состоят из блока электроники и первичного преобразователя. Блок выполнен в виде цилиндрического корпуса с отсеками для смотрового окна и разъемов. На корпусе расположены кабельные вводы и переходник для преобразователя. Применяются расходомеры для измерения и учёта расхода веществ технологических процессов в промышленности и коммунальном хозяйстве.

• Идеально подходит для сред с высокой температурой и высокой скоростью пара
• Производство энергии — паровые установки
• Промышленное применение — установки ОВКВ, региональное управление энергопотреблением
• Коммерческое применение — управление энергопотреблением зданий, студенческих городков и сооружений
• Нефтегазовая промышленность — распределение природного газа
• Нефтехимическая промышленность — массовая балансировка, подогрев технологических реакций

Правильный выбор датчиков напрямую влияет на финальный результат производственного круговорота, поэтому электронные расходомеры являются одним из важнейших звеньев цепи технического процесса. - это одни из самых востребованных на отечественном рынке приборов для учёта расхода веществ. Свою популярность они заслужили благодаря надёжности, простоте в эксплуатации, высокой точности измерений и, что немаловажно, своей доступности. История вихревых расходомеров начинается в 60х годах двадцатого века, но современные датчики сделали огромный шаг вперёд по сравнению со своими предками.

Что же такое вихревой расходомер и какой принцип действия

Простой пример эффекта образования вихрей - это флаг, волнующийся на ветру из-за завихрений, которые создаются движением воздуха, обтекающего флагшток. Поток измеряемого вещества проходя по внутреннему сечению арматуры расходомера, встречает на своём пути препятствие - тело обтекания, установленное в расходомере, проходя через него, увеличивает скорость, уменьшая давление. Таким образом, после преодоления препятствия создаются завихрения, называемые вихревой дорожкой Кармана. Ультразвуковой луч, генерируемый прибором, проходит через поток вихрей ниже по течению от тела обтекания. При прохождении вихрей несущая ультразвукового сигнала изменяется.

Это изменение несущей доступно для измерения и смещается пропорционально количеству образовавшихся вихрей. Цифровая обработка сигналов позволяет определить число вихрей. Эта величина преобразуется в скорость потока. Программа преобразует скорость в объемный расход в единицах измерения, выбранных оператором. В вихревых расходомерах компании используется самые маленькие тела обтекания среди расходомеров такого типа, которые обеспечивают высокую чувствительность, исключительную работоспособность при очень низких расходах. Большой динамический диапазон и низкие потери давления. При использовании встроенного термометра сопротивления и внешнего датчика давления программное обеспечение расходомера позволит скомпенсировать изменения давления и температуры для точного измерения массового расхода (расходомеры газов).

Для усиления выходного сигнала в некоторых расходомерах устанавливают несколько обтекаемых тел. Сами же тела могут иметь различные формы, например, треугольную или круглую. Одним из важнейших достоинств такого типа расходомеров является отсутствие каких-либо движущихся частей, что несомненно оказывает положительное влияние на срок службы прибора. Это одни из самых долговечных и неприхотливых приборов.

Подтипы вихревых расходомеров

Все вихревые расходомеры можно разделить на три группы по типу преобразователей.

1. Вихревые расходомеры с обтекаемым телом - поток вещества огибает тело обтекания, установленное в трубопроводе, меняется траектория движения и увеличивается скорость струй, создаются завихрения, уменьшается давление в трубе. За миделевым сечением тела скорость снижается, а давление увеличивается. На передней стороне тела обтекания образуется повышенное давление, на задней стороне — пониженное. Образование вихрей с обеих сторон происходит поочередно. За обтекаемым телом образуется вихревая дорожка Кармана.


2. Вихревые расходомеры с прецессией воронкообразного вихря - принцип действия заключается в том, что поток закручивается перед попаданием в более широкую часть трубы, вызывая пульсации давления. В качестве преобразователя сигнала обычно служат пьезоэлементы.


3. Вихревые расходомеры с осциллирующей струей - в подобного рода расходомерах пульсации давления создаются специальной конструкцией самого датчика, благодаря которой струя измеряемого вещества вытекает из специально предусмотренного отверстия в корпусе расходомера и создаёт пульсации давления.

Плюсы и минусы вихревых расходомеров

Подводя итог стоит отметить плюсы и минусы вихревых расходомеров, тезисно обобщим всё о расходомеров этого типа. Вихревые расходомеры применяются для измерения объёмного и массового расхода любых жидких и газообразных сред. Приборы хорошо справляются со своими обязанностями при температурах среды до 500 градусов Цельсия и давлении до 30Мпа. Это универсальные по всем своим параметрам расходомеры, подходящие практически для любого промышленного предприятия, где нужен точный учёт расхода жидких и газообразных веществ от воды до углеводородов.

Плюсы

К положительным моментам стоит отнести: высокую стабильность показаний, точность измерений, простоту в эксплуатации, нечувствительность к загрязнениям, отсутствие подвижных частей, охватывает практически весь спектр веществ - сред измерения.

Минусы

Ну и недостатками данный прибор не обделён: обладает большой чувствительностью к вибрациям, так же при измерениях требуется значительная скорость потока, ограничение по диаметру труб не более 300мм и менее 150мм и отмечаются просадки по давлению.

НПФ «РАСКО» уже более 15 лет целенаправленно занимается вопросами коммерческого учета воды, тепла, газа и пара. Этой проблеме посвящен целый ряд статей наших специалистов в различных изданиях. Ниже мы предлагаем для обсуждения статью инженера-метролога Коломенского ЦСМ Иванушкина И.Ю., затрагивающую интересный, по нашему мнению, вопрос внедрения новых приборов коммерческого учета газа.

Приборы учета - всеми ли можно пользоваться?

Иванушкин И.Ю. инженер по метрологии 1 - й категории Коломенского филиала ФГУ «Менделеевский ЦСМ»

Всвязи с тем значением, которое приобретает сейчас учет энергоресурсов, особенно в связи с предстоящим принятием новой редакции закона об энергосбережении, хотелось бы еще раз поговорить о приборах, применяемых для этой цепи, в частности о таком классе средств измерений, как струйные расходомеры - счетчики.

Общеизвестно, что к основным требованиям, которые предъявляются к приборам коммерческого учета, относятся высокая точность измерения в широком диапазоне изменения физических величин, надежность, стабильность показаний в течение межповерочного интервала, простота обслуживания. К последнему относятся также работы, связанные с поверкой приборов, то есть периодического подтверждения их метрологических характеристик.

Именно на этих показателях и фиксируют внимание потребителей многочисленные организации, производящие и продающие приборы учета. Обещания высокой точности, широких диапазонов измерения, длительных межповерочных интервалов (МПИ), а иногда и возможности поверки без демонтажа, необязательность прямых участков измерительных трубопроводов (ИТ), либо необыкновенно малые значения, и т.д. и т.п., сыпятся на головы потребителей как из рога изобилия. Но так ли всегда на самом деле?

Речь пойдет, как уже было сказано, о струйных счетчиках-расходомерах. Во-первых, потому, что приборы этого типа появились на рынке сравнительно недавно и известно о них немного, во-вторых, потому, что некоторые производители этих счетчиков прельщают потребителей особенно владельцев измерительных комплексов на базе сужающих устройств, вышеупомянутым отказом от длинных прямых участков и отсутствием необходимости поверки этих самых сужающих устройств (СУ).

Собственно, сам струйный автогенератор (САГ), являющийся "сердцем" этих счетчиков известен давно и применяется в системах пневмоавтоматики в качестве одного из звеньев. Применять его для измерения расхода стали относительно недавно и на отечественном рынке имеются несколько моделей таких приборов разных производителей.

РМ-5-ПГ : «Точное измерение объемного расхода по ГОСТ 8.586-2005 в широком динамическом диапазоне независимо от плотности измеряемой среды... Диапазон измеряемых расходов 1:20…... Погрешность ±1,5%».

(Напомню: ГОСТ 8.586-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств»).

ИРГА-РС : « В основу работы струйного расходомера положен принцип измерения расхода и количества сред методом переменного перепада давления. Определение величины перепада давления и преобразование его для цепей измерения расхода потока производится струйным автогенератором (САГ), который входит в состав струйного расходомера. Он используется вместе с сужающим устройством и фактически заменяет дифманометр в узлах учета на основе сужающих устройств (СУ).

САГ представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный обратными связями, обеспечивающими режим автоколебаний. Колебания струи в САГ генерируют пульсации давления, которые при помощи пъезодатчиков преобразуются в электрический сигнал. Частота этого сигнала пропорциональна объемному расходу (корню квадратному из перепада давлений между входом и выходом САГ, т.е. между ппюсовой и минусовой камерами сужающего устройства, входящего в состав струйного расходомера).

В результате замены СУ с дифманометром на "Ирга-РС" улучшаются технические и метрологические характеристики узла учета: диапазон измерений возрастает и становится не менее чем 1:30, а погрешность измерения в диапазоне от 0,03 Q max , до Q max составит ≤ ±0,5%, без учета систематической погрешности СУ. Затраты на такую реконструкцию сопоставимы со стоимостью старого узла учета».

Turbo Flow GFG-F: «Преимущества:

• относительная погрешность ± 1%,
• минимальные прямые участки,
• динамический диапазон 1:100, с возможностью расширения до 1:180,
• совместимость присоединительных размеров с распространенными типами счетчиков фланцевого исполнения.

Принцип действий измерительного комплекса Turbo Flow GFG-F :

поток газа, проходя по трубопроводу, попадает в рабочую камеру расходомера, в которой установлена диафрагма. Перед диафрагмой формируется область повышенного давления, за счет кото­рого часть потока попадает в струй­ный автогенератор (САГ, где образуются колебания потока газа, пропор­циональные скорости потока)».

Turbo Flow GFG-ΔP : «Расходомеры газа Turbo Flow GFG-ΔP предназ­начены для модернизации узлов учета на базе сужающих уст­ройств (СУ), оснащенных преобразователями перепада давления. Для модернизации вместо дифманометра на стандартный вентильный блок устанавливается первичный преобразователь расхода (ПР) и электронный блок обработки ин­формации. Частота, регистрируемая на элементах струйного генератора, функционально зависит от расхода газа через СУ. Преобразованный частотный сигнал линейно пропорционален расходу газа, прошедшему через СУ.

Замена существующих приборов происходит путем установки расхо­домера-счетчика GFG-ΔP на уже смонтированные трубки, без допол­нительных затрат на трубный мон­таж. В результате улучшаются мет­рологические характеристики узла учета. Расширяется динамический диапазон до 1:100, а погрешность измерений снижается до ±1% во всем диапазоне измерений».

РС-СПА-М: «Достоинства струйных расходомеров-счётчиков:

• унификация измерительных приборов для различных сред;
• отсутствие подвижных частей, что обуславливает высокую надежность, стабильность характеристик во времени, высокую технологич­ность изделия;
• независимость градуировочного коэффициента от плотности из­меряемой среды;
• возможность измерения малых расходов, агрессивных, неэлектропроводных и криогенных сред;
• не требуются прямые участки до и после места установки;
• возможность проверки на месте установки.

Функциональные возможности прибора:

Приведение расхода (объема} к нормальным условиям (при под­ключении к прибору датчиков температуры и давления).

Измерение плотности изме­ряемой среды.

Измерение массового расхода (объема).

Осуществление проверки без демонтажа с трубопровода.

Технические характеристики:

Измеряемые среды: жидкости, газы, пар

Диаметр условного прохода, мм: 5÷4000

Динамический диапазон измерения, Q max / Q min: 50:1

Предел допускаемой основной погрешности, %: 0,15».

Последний из названных привле­кает особенное внимание, поскольку в нашем регионе примерно от 25 до 30% узлов учета природного газа оборудовано этими счетчиками и есть тенденция к их увеличению.

«Недостатки: струйному автоге­нераторному расходомеру присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер...

(* Примечание: Выше в статье ав­тор перечисляет недостатки вихревых расходомеров: повышенная чувст­вительность к искажениям эпюры скоростей потока (а значит, повы­шенные требования к стабильности потока, то есть к длинам прямых участков) и относительно большие невозвратимые потери напора, свя­занные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тепа. Самым серьезным недостатком является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без пред­варительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним.)

Однако, к сожалению, есть и до­полнительные. Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной сторо­ны, может использоваться только в качестве парциального расходоме­ра, через который идет только незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода га­за (а это неминуемо снижает досто­верность измерений), а с другой, су­щественно больше, чем вихревой расходомер, подвержен засорению. А во-вторых, нестабильность коэф­фициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера».

В этой же статье автор приводит результаты испытаний расходомера РС-СПА, проведенных фирмой "ГАЗТУРБавтоматика" совместно с фирмой "Газприборавтоматика", в результате которых было установ­лено, что изменение коэффициента преобразования у различных моди­фикаций прибора находится в диапа­зоне от 14,5% до 18,5% при изме­нении расхода через прибор в диапа­зоне изменения расхода не более 1:5 (!).

Во-вторых, вызывает недоумение то, что, например, для счетчиков ти­па РС-СПА разработана собственная методика выполнения измерений (МВИ) МИ 3021-2006, во многом про­тиворечащая ГОСТ 8.586-2005, осо­бенно в части требований к монтажу средств измерений (СИ) и измери­тельному участку. На этом стоит ос­тановиться подробнее, поскольку аналогичные вопросы возникали и при общении с производителями других моделей, например Turbo Flow GFG. Главное, что служило кам­нем преткновения, - это требования к СУ и к прямым участкам. Напомню, что и те и другие счетчики выпуска­ются в двух вариантах: одни служат для замены дифманометров и под­ключаются к существующим СУ, дру­гие (как правило для ИТ малых диа­метров) выполнены в моноблочном исполнении со своим СУ. Например, в счетчиках РС-СПА «первичный пре­образователь расхода (ППР) РС включает в себя САГ с устройством преобразования сигнала, выполнен­ных в одном агрегате и установлен­ными на измерительный трубопро­вод с местным сужением потока . Здесь, мне кажется, нужно разделить два вопроса: зачем нужна диафрагма (местное сужение потока) и зачем необходимы прямые участки опреде­ленной длины?

Что бы ни заявляли производите­ли, так или иначе эти приборы ис­пользуют для вычисления расхода именно перепад давления, который создается с помощью. СУ В одном из патентов на счетчик РС-СПА (№2175436) автор после объяснения работы САГ пишет следующее: «...В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с часто­той, пропорциональной объемному расходу и корню квадратному из от­ношения перепада давления на струйном автогенераторе к плотности измеряемой среды

f= kQ = k √(∆ρ/ρ), где

f - частота колебаний.

Q - объемный расход;

∆ρ и ρ- перепад давления и плот­ность измеряемой среды;

к - коэффициент пропорциональ­ности.»

Перепад давления на САГ, или, говоря иначе, разность потенциалов, является источником возникновения автоколебаний и от величины этой разности зависит их частота. То есть, вычисление расхода тем точнее, чем точнее измерение частоты коле­баний, то есть чем точнее перепад давления на САГ соответствует рас­ходу через данный участок ИТ. Влия­ют ли на точность воспроизведения перепада давления параметры СУ? Несомненно. Об этом написаны уже десятки томов сотни статей и ГОСТ 8.586-2005, который в какой-то сте­пени подытожил результаты много­численных исследований этого воп­роса. Почему производители заявля­ют, что при установке этих счетчиков состояние СУ их больше не волнует, совершенно непонятно. Как извест­но, на точность воспроизведения пе­репада влияют и качество входной кромки, и шероховатость, и другие параметры диафрагмы.

Приведу пример. Поскольку одна из основных целей, которые сейчас преследуют потребители газа (и ко­торую поддерживают менеджеры по продаже), заключается в том, что­бы облегчить себе жизнь и избавить­ся от необходимости удлинения прямых участков (!), ежегодного де­монтажа и поверки диафрагм (!), свести всю поверку измерительного комплекса к поверке счетчика «на месте» (!), да еще и раз в два года (!), то очень скоро в балансовых пока­зателях могут появиться расхожде­ния, причины которых будут неявны. В ссылке указано, что полный сред­ний срок службы, например, счетчи­ка РС-СПА составляет 8 пет. Вот как изменятся показания счетчика в те­чение этого интервала времени, если проводить расчет не по методике , а по ГОСТ 8.586, то есть не игнорируя наличие в счетчике сужающего уст­ройства. В качестве данных были взяты значения конкретного узла учета природного газа одного из нес­кольких ГРП машиностроительного предприятия и параметры установленного на ГРП счетчика РС-СПА исполнения РС-ПЗ, в том числе параметры диафрагмы. Среднее годовое значение давления газа 3,5 кГс/см2, средняя годовая тем­пература 5 °С, максимальный пере­пад давления (примерно поддержи­ваемый в течение года) - 25000 Па. Среднее за год изменение внутрен­него диаметра диафрагмы было при­нято + 0,01%. значение вполне реаль­ное, даже заниженное, учитывая ка­чество газа. Результаты расчетов:

при установке счетчика макси­мальный расход Qс составит 4148,89 м 3 /ч;

через два года (первый межповерочный интервал счетчика) это значение будет уже равняться 4182,56 м 3 /ч;

через четыре года 4198,56 м 3 /ч:

через шесть лет 4207,21 м 3 /ч:

через восемь лет (гарантиро­ванный срок службы счетчика) -4212,38 м 3 /ч.

Таким образом, через восемь лет эксплуатации, при прочих равных условиях, счетчик покажет расход, который на 63,58 м3/ч (!) больше реального, будучи при этом полностью исправным и прошедшим по­верку, то есть, при сохранении своих метрологических характеристик.

Замечу, что в расчетах учитыва­лось только изменение внутреннего диаметра диафрагмы и изменение поправочного коэффициента притуп­ления входной кромки (формулы 5.13 и 5.14 ГОСТ 8.586.2-2005), остальные характеристики, в том числе и харак­теристики измерительного трубо­провода, считались неизменными.

Более того, были рассчитаны ха­рактеристики измерительного комп­лекса при минимальном учитывае­мом перепаде давления (на момент установки счетчика он составлял 1000 Па, при этом относительная расширенная неопределенность из­мерения расхода равнялась 3,93%). В результате расчетов были получе­ны следующие значения относитель­ной расширенной неопределенности (при тех же условиях изменения внут­реннего диаметра диафрагмы и ко­эффициента притупления входной кромки):

через два года 4,06 %;

через четыре 4,16 %;

через шесть 4,22%;

через восемь 4,25%.

То есть, через два года эксплуата­ции, при следующей поверке, изме­рительный комплекс уже не соот­ветствовал бы установленным нор­мам погрешности. Довольно трудно при этом говорить о коммерческом учете, поскольку его достоверность более чем сомнительна. Хочу доба­вить, что полные результаты расче­тов, которые здесь не приводятся, чтобы не перегружать статью, пока­зывают, что изменение в указанном диапазоне характеристик СУ приве­дет к изменению таких показателей, как коэффициент гидравлического сопротивления, коэффициент потерь давления и др., которые приведут к изменению характеристик не толь­ко самого ГРП, но и газопотребляю­щего оборудования.

Замечу, в расчетах предполага­лось, что измерительный комплекс выполнен с учетом требований ГОСТ 8.586-2005, то есть в том числе и с прямыми участками ИТ необходи­мой длины, о необязательности кото­рых заявляют производители счетчиков РС-СПА и некоторых других.

Почему, тоже непонятно. Повто­рю, точность вычисления расхода струйными счетчиками зависит от перепада давления на САГ, точнее, от того, насколько точно перепад да­вления на СУ соответствует скорости потока. А это, как известно, зависит не только от характеристик СУ. но и от того, в какой области пара­метров находится сам поток в изме­рительном сечении. Для того, чтобы в месте установки диафрагмы было сформировано установившееся те­чение, характеризующееся устойчи­вым турбулентным режимом с чис­лом Rе в линейной области, как раз необходимы прямые участки опреде­ленной длины, исключающие на­личие местных возмущений потока. Об этом тоже написано немало, в том числе и в ГОСТ 8.586-2005, который на основании результатов многолет­них исследований регламентирует требования к прямым участкам в зависимости от наличия тех или иных местных сопротивлений (МС).

И еще один аспект не может не вызвать недоумение. Речь идет о динамическом диапазоне и пог­решности счетчиков. Напомню став­шие уже "хрестоматийными" недос­татки диафрагмы:

• узкий динамический диапазон измерения расхода (в среднем от 1:3 до 1:5);
• нелинейный выходной сигнал, требующий линеаризации;
• нормирование погрешности с приведением к верхнему пределу измерений, а следовательно, гипер­болический рост погрешности, при­веденной к точке измерения при уменьшении расхода;
• значительное падение давления на сужающем устройстве (СУ), не­избежное в силу принципа действия;
• неконтролируемое изменение погрешности вследствие затупления кромки при эксплуатации;
• невозможность извлечения СУ без перекрытия трубопровода:
• значительная длина необходи­мых прямых участков без местных сопротивлений;
• засорение импульсных линий в "грязных" потоках, накопление кон­денсата, приводящее к неверным по­казаниям;
• сложность расчета СУ, включая расчет неопределенностей измере­ния расхода.

Я согласен с тем, что благодаря встроенной в счетчик электронике можно в какой-то степени расширить диапазон измерений, линеаризовать характеристику расходомера, снизить общую погрешность комплекса. Но, повторюсь, вряд ли каким-то обра­зом удастся учесть изменение свойств диафрагмы хотя бы за межповерочный интервал (не говоря уже о большем периоде времени), сте­пень засорения соединительных ли­ний (изменение значения перепада давления) и, тем более, искажение потока за счет местных сопротивлений.

И все было бы ничего, если бы не то обстоятельство, что счетчики эти используются, как правило, в уз­лах коммерческого учета газов и жидкостей, то есть так или иначе связаны с государственными учетны­ми и энергосберегающими опера­циями. Многочисленные публикации на данную тему говорят о неприме­нимости данных приборов для этих цепей, а в отчете рабочей группы по подготовке материалов и проекта решения совместного технического совета Департамента топливно-энергетического хозяйства и Пре­фектур г. Москвы комиссия, прово­дившая анализ теплосчетчиков и расходомеров воды делает вооб­ще категоричный вывод: «Теплосчетчик РС-СПА-М-МАС не отвечает большинству основных и дополнительных критериев и не может быть рекомендован к использованию». Замечу, что среди критериев, выдви­нутых рабочей группой, были, например, такие, как «высокая на­дежность и точность измерений на протяжении длительного промежутка времени, минимальное гидравличес­кое сопротивление при номинальном расходе, электромагнитная совмес­тимость» и др.

Вот те основные аспекты, кото­рые хотелось отметить при обсуж­дении струйных счетчиков-расходомеров. Замечу еще раз, что в статье не подвергается сомнению примени­мость метода при измерении расхо­да вообще. Речь идет именно о ком­мерческом учете энергоресурсов, со своими требованиями и своей спецификой. Поэтому хотелось бы пожелать производителям подобных приборов быть более точными и добросовестными в определении харак­теристик и рекомендаций по приме­нимости их продукции для тех или иных целей. Я понимаю, и не раз слышал, что рынок диктует свои пра­вила и т.д. и т.п. Но в конце концов не надо забывать, что все мы пользу­емся общими запасами. И планета производит нефть, газ, воду, воздух независимо от политических форма­ций и форм собственности. Так кто кого хочет обмануть?

История расходомеров начинается с 1797 года, когда итальянский ученый Джованни Баттиста Вентури опубликовал работу в области гидравлики: исследование об истечении воды через короткие цилиндрические и расходящиеся насадки. В 1887 американским учёным К. Гершелем был предложен водомер, названный именем Вентури. Известна трубка Вентури для измерения скорости в воздушном и водяном потоке и для создания вакуума в авиационных гироскопах. В 1962 г. инженер Хейнрих Кюблер изобрёл магнитный выключатель, позволивший разрабатывать и изготавливать приборы для измерения уровня жидких и сыпучих материалов. Следом за ним были разработаны поплавковые магнитные выключатели, телеметрические датчики уровня и байпасные указатели уровня.

Ультразвуковая модификация расходомера была придумана Юрием Александровичем Ковалем, преподавателем кафедры основ радиотехники Харьковского национального университета радиоэлектроники. Патент на турбинный расходомер был выдан в 1970 г сотрудникам НИИ теплоэнергетического приборостроения СССР.

Продукция Вестмедгрупп охватывает весь спектр приспособлений для интенсивной терапии, в частности, расходомеры Flowmeter, признанного производителя измерительного оборудования.

Расходомеры - технические устройства, предназначенные для измерения массового или объемного расхода.

Существует много различных признаков, по которым можно классифицировать расходомеры (например, по точности, диапазонам измерений, виду выходного сигнала и т. п.). Однако наиболее общей является классификация по принципам измерений, по тем физическим явлениям, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в выходной сигнал первичного преобразователя расходомера (датчика).

• Расходомеры переменного перепада давления (с сужающими устройствами; с гидравлическими сопротивлениями; центробежные; с напорными устройствами; струйные), преобразующие скоростной напор в перепад давления.
• Расходомеры обтекания (расходомеры постоянного перепада - ротаметры, поплавковые, поршневые, гидродинамические), преобразующие скоростной напор в перемещение обтекаемого тела.
• Тахометрические расходомеры (турбинные с аксиальной или тангенциальной турбиной; шариковые), преобразующие скорость потока в угловую скорость вращения обтекаемого элемента (лопастей турбинки или шарика).
• Электромагнитные расходомеры, преобразующие скорость движущейся в магнитном поле проводящей жидкости в ЭДС.
• Ультразвуковые расходомеры, основанные на эффекте увлечения звуковых колебаний движущейся средой.
• Инерциальные расходомеры (турбосиловые; кориолисовы; гигроскопический), основанные на инерционном воздействии массы движущейся с линейным или угловым ускорением жикости.
• Тепловые расходомеры (калориметрические; термоанемометрические), основанные на эффекте переноса тепла движущейся средой от нагретого тела.
• Оптические расходомеры, основанные на эффекте увлечения света движущейся средой (Физо-Френели) или рассеяния света движущимися частицами (Допплера).
• Меточные расходомеры (с тепловыми, ионизационными, магнитными, концентрационными, турбулентными метками), основанные на измерении скорости или состоянии метки при прохождении ее между двумя фиксированными сечениями потока.

Расходомеры – это комплектующие принадлежности к медицинским газам. В медицинской сфере расходомеры устанавливаются на: газораспределительную консоль, криогенный газификатор, шприцевой насос, на систему газораспределительного централизованного больничного оборудования.

Значительная часть серийно выпускаемых расходомеров имеет класс точности (приведенную погрешность) 1-1,5 %. Если принять, что измерения преимущественно проводятся в середине шкалы, относительная погрешность этих измерении составляет 2-3 %. С учетом же влияния раз-личных дестабилизирующих факторов действительная погрешность будет еще больше.

В то же время для эффективного управления технологическими процессами в нефтяной, газовой, химической отраслях промышленности, энергетическими и транспортными установками, для учетных операций уже сегодня требуется на порядок более высокая точность измеренийрасхода. Именно это обстоятельство обусловливает необходимость создания и внедрения расходомеров, имеющих класс не хуже 0,1-0,3 %.

Характерная особенность расходоизмерительной практики - чрезвычайно широкая номенклатура измеряемых веществ, имеющих различные физико-химические свойства - плотность, вязкость, температуру, фазовый состав и структуру. Поэтому в этой области измерений особенно остро стоит проблема создания приборов инвариантных (малочувстви-тельных) к физико-химическим свойствам измеряемых сред, к неинформативным параметрам входного сигнала.

Изыскание новых принципов стабилизации функции преобразования, использование систем автоматической коррекции показаний, введения поправок - таковы основные направления технического поиска решения этой проблемы.

Конструктивно в общем случае расходомеры состоят из первичного преобразователя – измерительной части и вторичного преобразователя – электронного блока. По конструкции первичных преобразователей их можно разделить на следующие виды:

• полнопроточные, первичный преобразователь которых встраивается непосредственно в поперечное сечение трубопровода;
• погружные, первичный преобразователь которых вставляется в трубопровод через отверстие. Данные приборы, в зависимости от конструкции, возможно монтировать/демонтировать без снятия давления в трубопроводе;
• с накладными первичными преобразователями, монтируемые непосредственно на внешней поверхности трубопровода - только ультразвуковые расходомеры.
• Основным видом соединения полнопроточных расходомеров с трубопроводом является фланцевое. При этом существует две его разновидности:
• традиционное фланцевое соединение, когда проточная часть расходомера имеет фланцы на входе и выходе, которые болтами или шпильками прикручиваются к ответным фланцам трубопровода;
• сэндвичевое соединение, когда проточная часть расходомера своих фланцев не имеет, а зажимается между ответными фланцами трубопровода с помощью длинных шпилек.

Обе разновидности фланцевого соединения одинаково надежны, однако, сэндвичевое соединение требует большей аккуратности при выполнении сварочных работ и монтаже расходомера. С другой стороны, стоимость расходомеров с сэндвичевым соединением значительно ниже, чем с фланцевым по причине меньшей металлоемкости.

Полнопроточные расходомеры точнее всех определяют среднюю скорость потока, так как производят измерения по всему сечению потока. Соответственно они имеют более низкую погрешность измерений, вплоть до ±0,2…0,5% измеряемой величины. Точность измерения расхода массовыми кориолисовыми расходомерами практически не зависит от профиля потока, что позволяет добиться погрешности измерения массового расхода порядка ±0,1…0,2% измеряемой величины.

Погружные расходомеры производят измерения скорости потока в одной точке. Средняя скорость потока определяется в них на основании существующих теоретических и экспериментальных зависимостей распределения скоростей потока по сечению трубопровода. Различные возмущающие воздействия приводят к искажению профиля потока, что не может не сказываться на результатах измерения этими приборами. На данный момент погрешность измерений погружных расходомеров составляет порядка ±1…2% шкалы и существенно зависит от правильности их установки.

Ультразвуковые расходомеры измеряют скорость потока в одной или нескольких плоскостях сечения потока в зависимости от количества первичных преобразователей, что определяет их погрешность измерений расхода, составляющую ±1…3% измеряемой величины. Погрешность данных приборов также зависит от правильности и места установки первичных преобразователей.

По компоновке расходомеры могут быть:

• интегрального исполнения – вторичный преобразователь монтируется непосредственно на первичном преобразователе;
• разнесенного исполнения – вторичный преобразователь монтируется на некотором удалении от первичного и соединяется с ним кабелем.

В большинстве случаев целесообразнее применять расходомеры в интегральном исполнении. Однако, существует ряд факторов, при наличии которых используют расходомеры в разнесенном исполнении:

• высокая температура измеряемой среды;
• высокая температура окружающей среды в месте установки расходомера;
• высокая вибрация трубопровода;
• возможность затопления места установки расходомера (для таких случаев первичные преобразователи, как правило, имеют водонепроницаемое исполнение IP68);
• затрудненный доступ к месту установки расходомера.

На многих производствах существуют взрывоопасные зоны, в которых из-за утечек и испарения горючих веществ находятся или могут возникать взрывоопасные газовые среды. В таких зонах необходимо применять расходомеры во взрывозащищенном исполнении.

Наибольшее распространение получили два вида взрывозащиты расходомеров: искробезопасная цепь – данный метод подразумевает, что при возникновении искры в электрических цепях прибора ее мощности будет недостаточно для воспламенения взрывоопасной смеси;

взрывонепроницаемая оболочка – данный метод подразумевает, что электрические цепи прибора помещены в специальную особо прочную оболочку. При этом не исключается контакт электрических цепей со взрывоопасной смесью и возможность ее воспламенения, но гарантируется, что оболочка выдержит возникшее в результате взрыва избыточное давление, т. е. вспышка не выйдет за пределы взрывонепроницаемой оболочки.

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 (> CN400) 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).

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. Также на точность измерения расхода массовыми расходомерами сильно влияет наличие нерастворенного газа в измеряемой среде.

Ротаметры применяются для измерения малых расходов. Класс точности данных приборов, в зависимости от исполнения, варьируется в пределах 1,6…2,5.

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 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.

«Главная» метрологическая характеристика любого средства измерений — это его погрешность. Погрешностью средства измерений мы называем разность между показаниями данного средства и истинным значением измеряемой физической величины. Но здесь есть одна «философская» тонкость. Истинные значения нам неизвестны в принципе — иначе измерения не нужны были бы вовсе. Поэтому мы определяем погрешность во время поверки, сравнивая показания поверяемого средства измерений с неким эталоном (или с показаниями эталонного средства измерений) — и считаем, что в ходе эксплуатации наше средство измеряет с погрешностью не хуже той, которая была продемонстрирована в метрологической лаборатории. Но это — тоже условность, и связана она с тем, что «погрешности бывают разные».

Если мы заглянем, например, в паспорт комплекта термопреобразователей сопротивления, то найдем там такие метрологические характеристики этого средства измерений:

• диапазон измеряемой разности температур — от 0 до 180°С;
• погрешность измерения разности температур — ±(0,10+0,002Dt).

Отсюда ясно, что если разность температур, которую мы измеряем, составляет, например, 100°С, то при измерениях при помощи данного комплекта термопреобразователей мы, возможно, ошибемся в ту или другую сторону, но не более чем на 0,3°С. Все просто и понятно. А теперь открываем паспорт какого-либо расходомера и читаем что-то вроде вот этого:

• предел допускаемой основной относительной погрешности при преобразовании расхода в выходной электрический сигнал — ±1,0%.

Понятно, что «относительная погрешность» — это та, которая нормируется не в литрах (кубометрах), а в процентах. Т.е. при измерениях расхода 1 м 3 /час данный расходомер «имеет право» ошибаться на 0,01 м 3 /час, при измерениях расхода 100 м 3 /час — уже на 1 м 3 /час. А вот что такое «основная погрешность»? И если есть «основная», то должны быть и некие «дополнительные»?

Да, они есть. Например, температурная погрешность, которая зависит от температуры измеряемой жидкости. Подавляющее большинство отечественных производителей в своей документации о дополнительных погрешностях ничего не пишут. Вероятно, тем самым они намекают на то, что любые дополнительные погрешности пренебрежимо малы по сравнению с основной. Но в руководствах по эксплуатации некоторых приборов можно найти, например, такие сведения:

• пределы дополнительной погрешности от влияния температуры измеряемой среды — 0,05% на каждые 10°С.

Много это или мало? На 100°С — уже 0,5%, т.е. половина основной погрешности...

Но к чему мы начали весь этот разговор? К тому, что, говоря о погрешности, нужно ясно понимать, что это такое, и о какой именно погрешности идет речь. Производитель, указывая в документации только предел основной относительной погрешности, как бы «минимизирует свои риски». Ведь раз нормирована только эта погрешность (эта составляющая погрешности), то и при поверке — на стенде — будет контролироваться только она, по ней расходомер будет получать допуск в эксплуатацию. А в этой самой эксплуатации — в подвале — будут проявляться и другие, дополнительные погрешности, и они могут быть значительными, но мы о них ничего не знаем и не можем их контролировать. Т.е. расходомер должен ошибаться, например, не более чем на 1%, но может ошибаться и на 1,5%, и еще на сколько-нибудь, и это может быть объяснено, но не может повлечь за собою никаких санкций. Парадокс? Возможно.

Что интересно: в наших «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя» требования к метрологическим характеристикам расходомеров (водосчетчиков) сформулированы так (п.5.2.4.):

«Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2%... ».

Данная формулировка порождает вопросы. Во-первых, о какой погрешности идет речь — «основной» или «вообще»? Если в документах моего водосчетчика написано: «основная относительная — 2%», то пригоден ли он для учета «по Правилам»? Ведь если основная — уже 2%, и есть какие-либо дополнительные, то «в сумме» получим больше... Во-вторых, в Правилах говорится о погрешности измерений «массы (объема)». Но подавляющее большинство типов применяемых в теплоучете расходомеров массу не измеряют — это функция тепловычислителя. Мы можем предположить, что погрешность «расчета» вычислителем массы по показаниям «объемных» расходомеров (в таком расчете будут участвовать еще и показания термопреобразователей, и датчиков давления, если они есть) пренебрежимо мала, и можно считать погрешность измерений массы теплосчетчиком равной погрешности измерений объема водосчетчиком (расходомером). Но это, в общем-то, не совсем строгое и не вполне законное предположение.

Проливная поверочная установка

Также некорректно отождествлять погрешность измерений расхода и объема, поскольку расход и объем — это разные физические величины. Все гораздо более понятно, когда речь идет о единых теплосчетчиках: для них нормированы погрешности «каналов измерения» объемов и масс. Но когда мы берем отдельный расходомер, в паспорте которого — «предел допускаемой основной относительной погрешности преобразования объема в выходной электрический сигнал», то понять, соответствует ли он требованиям Правил учета, непросто. Также непросто сравнить его с каким-либо другим расходомером, для которого производитель указал, например, «предел допускаемой относительной погрешности измерений расхода». Разные формулировки, но разный ли в них смысл? Формально — да.

Следующий нюанс: любой расходомер метрологически работоспособен только в каком-то определенном диапазоне измеряемых расходов. Т.е. не может измерять (или может, но с погрешностями, при которых измерения уже не имеют практического смысла) слишком маленькие и слишком большие расходы. Величины нижнего и верхнего пределов диапазона, а также соотношение между ними (так называемый динамический диапазон) зависят от диаметра расходомера (Ду, условный проход) и от его типа. Так, например, качественный электромагнитный расходомер способен измерить меньший расход, чем качественный же вихревой того же Ду; электромагнитный расходомер Ду20 способен измерить меньший расход, чем электромагнитный расходомер той же марки Ду200 — и т.д., и т.п. Для иллюстрации приводим таблицу, в которой указаны диапазоны неких вихревого, ультразвукового и электромагнитного преобразователей расхода, в которых «относительная погрешность преобразования расхода и объема в выходные сигналы» (вероятно, основная), не выходит за рамки ±1%.

При этом производитель для тех же расходомеров в рекламе может указывать большие динамические диапазоны: например, 1:100 для ультразвукового и т.д. Это не обман: просто «широкий» диапазон делится на поддиапазоны: «внизу» (например, от 0,7 до 1,4 м 3 /час для Ду50) погрешность не превышает 3%, «вверху» (от 1,4 до 70 м 3 /час)1:100 не превышает 1%, что и отражено в нашей таблице. А, например, для нашего вихревого «рекламный» диапазон составит 1:32, но в его нижней части (например, от 1,0 до 2,0 м 3 /час для Ду50) погрешность нормирована на уровне 1,5%. Таким образом, сравнивать эти «1:32» с «1:100» ультразвукового расходомера напрямую нельзя; корректно сравнивать только те диапазоны, в которых для данных расходомеров нормирована одинаковая погрешность.

Кстати, частично процитированный нами выше п.5.2.4 Правил учета более полно выглядит так:

«Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2% в диапазоне расхода воды и конденсата от 4 до 100% ».

«От 4 до 100%» — это динамический диапазон 1:25, т.е. значение расхода на нижней границе составляет 4% или одну двадцать пятую часть от значения на верхней границе. По приведенной нами выше таблице видно, что ультразвуковой и электромагнитный расходомеры укладываются в эти рамки «с большим запасом»: у них погрешность не превышает 1% в диапазонах 1:50 и 1:100 соответственно. Вихревой также уложился: хотя в таблице видим диапазон всего 1:16, но из пояснений под таблицей знаем, что у данного прибора погрешность не превышает 1,5% в динамическом диапазоне 1:32.

Итак, из всего вышесказанного должно стать понятно, что, оценивать или сравнивать метрологические характеристики различных расходомеров можно только тогда, когда они, образно говоря, «приведены к общему знаменателю». Т.е. когда речь идет об одних и тех же составляющих погрешности и о диапазонах, в которых погрешности рассматриваемых приборов одинаковы.

Очень часто в разговорах применительно к расходомерам используют понятие «класс точности». Например, говорят: «наш расходомер имеет класс точности 1% ». Однако согласно общепринятому определению (см. «РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения») «класс точности — это обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность ». Поэтому расходомер, у которого предел основной относительной погрешности — 1%, нельзя назвать расходомером «класса точности 1%», ведь в эту «цифру» не входят ни дополнительные погрешности, ни «другие характеристики, влияющие на точность».

«Диаметры» расходомеров

Рассуждая выше о диапазонах измерений, мы упомянули такую характеристику расходомеров, как их «диаметр». Собственно, говорить «диаметр расходомера» не совсем корректно, ведь «в общем и целом» расходомер представляет собою не цилиндр и не шар. У него есть некие габаритные размеры, из которых с т.з. монтажа наиболее важным является длина. А диаметр в общем случае есть у проточной части. Но мы обычно говорим не о каком-то реальном диаметре, а о таком параметре, как условный проход. Его обозначают как Ду (у нас) или DN, как принято на Западе. Часто пишут «Ду — столько-то миллиметров », но это тоже неграмотно. Ведь по определению «Ду (DN) — это параметр, принимаемый для трубопроводных систем в качестве характеристики присоединяемых частей. Параметр Ду не имеет единицы измерения и приблизительно равен внутреннему диаметру присоединяемого трубопровода, выраженному в мм, округленному до ближайшей величины из стандартного ряда ». Таким образом, труба Ду100 может иметь внутренний диаметр и 95, и 105 мм — с расходомерами же все еще сложнее.

Проточная часть расходомера

Дело в том, что проточные части различных преобразователей имеют различные конфигурации. Например, у некоторых расходомеров вы можете увидеть конусообразное сужение «на входе» и такое же конусообразное расширение «на выходе». А есть приборы (в частности, электромагнитные), у которых проточная часть вообще имеет прямоугольное сечение. Поэтому «расходомер Ду100» — это в общем случае расходомер, который имеет фланцы Ду100 для присоединения к трубопроводу, но «проход» для воды внутри него совсем необязательно имеет диаметр около 100 мм (и уж точно не 100,00 мм ровно).

Также очень редко расходомер какого-либо Ду монтируется в трубу того же самого Ду. Дело в том, что расходы (скорости) теплоносителя в системах теплоснабжения, как правило, невелики. А преобразователи расхода, как мы уже упоминали выше, не могут измерять слишком маленькие расходы. И если, например, расход в трубе Ду100 не превышает, скажем, 5 м 3 /час, то для обеспечения корректных измерений мы должны будем эту трубу «заузить». На сколько? — зависит от того, какой именно расходомер мы планируем применить. Вернитесь к нашей таблице с диапазонами: в случае с электромагнитным расходомером это может быть Ду80 или 50, в случае с ультразвуковым — Ду50 или 32... впрочем, чрезмерное уменьшение диаметра может плохо повлиять на гидравлику системы, особенно если не настраивать ее дополнительно.

Для изменения диаметра трубопровода в месте установки расходомера и возврата на прежний диаметр после этого места используются конические переходы (конфузоры — сужения и диффузоры — расширения). При этом сразу после перехода расходомер не ставится: для «успокоения», формирования равномерного потока необходимо, чтобы и до, и после преобразователя были прямолинейные участки, Ду которых соответствует Ду расходомера. Протяженность этих участков указана в документации на расходомер каждого конкретного типа, однако общее правило таково: чем они длиннее, тем лучше.

Расходомеры в узле учета: Ду трубопровода больше, чем Ду расходомеров

Таким образом, расходомер подбирается не по Ду трубы, на которую он должен быть установлен, а по диапазону расходов, которые он должен измерять. Чаще всего в месте монтажа расходомера приходится делать переход с исходной трубы на трубу, Ду которой соответствует Ду выбранного преобразователя, а для присоединения использовать фланцы (или, например, резьбовые фитинги) данного Ду. Ду не имеет единицы измерения, внутреннему диаметру проточной части расходомера равен лишь приблизительно или не равен вовсе. Стандартные значения Ду преобразователей расхода (расходомеров, водосчетчиков) — 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200 и т.д. При этом необязательно расходомер любого типа выпускается на каждый из Ду этого ряда.

На этом нашу лекцию о преобразователях расхода мы снова прервем. В следующий раз поговорим о типах расходомеров, а потом уже перейдем к тепловычислителям и теплосчетчикам «в сборе».

1.Можно рассмотреть значение потока жидкости или газа как входной аналоговый сигнал, расходомер как формирователь дискретного ряда значений (дальнейшее преобразование полученного сигнала линеаризацию, коррекцию и.т.д. не рассматриваем).Расходомер определяет мгновенные значения расхода в соответствии с его динамическими возможностями. Максимальная частота, с которой расходомер может с заявленной и подтвержденной метрологической точностью определять величину расхода, и есть максимальная частота дискретизации. Для точной передачи данных по расходу верхняя гармоника сигнала, описывающего измеряемый поток, не должна превышать удвоенной частоты дискретизации. Т.е. если поток пульсирующий и его гармоники превышают половину частоты дискретизации, то погрешность измерения возрастает. И чем более выражен пульсирующий характер расхода, тем выше значение ошибки в передаче данных и в конечном счете погрешности измерения. Таким образом по каналу измерения динамические характеристики потока и расходомера должны согласоваться. Динамический характер потока необходимо учитывать при выборе типа средства измерения. Выбор необходимо осуществлять на основе знания динамических характеристик средства измерения. Возможно не все существенные параметры данного средства измерения нормированы? 2. 3,2 секунды -это заводская установка преобразователя. Время окончания переходного процесса в апериодическом звене бесконечно велико, но часто на практике процесс можно считать законченным за время равное 3…4 Т –постоянных времени звена. 3. Турбулентность. Ротационные, овально-шестеренные, кориолисовые и др. расходомеры при работе активно воздействуют на поток в штатном режиме. Указанное «время отклика» – это один из двух динамических параметров указанных в описании серийно выпускаемого расходомера-счетчика. Конечно, этого мало. Ресиверы, трубопроводы, задвижки, насосы, клапаны, краны, сужения, выравниватели и др. конечно влияют. Как выбрать перечень существенных факторов, как получить количественные оценки взаимовлияния? Какие динамические параметры в достаточной мере характеризуют динамические свойства расходомера? Как их получить и применить? Как учесть взаимовлияние динамических характеристик в системе «средство измерения- объект измерения» на инструментальную погрешность? Каких либо справочных материалов найти пока не удалось. Кстати, подход «с точки зрения теоремы Котельникова» подтверждает актуальность постановки задачи, может быть использован для первоначальной качественной оценки. Спасибо за информацию.

1. Не все расходомеры определяют мгновенное значение расхода. Скорее можно говорить об усредненном значении по сечению и некоторой длине участка трубы. О максимальной частоте при которой расходомер соответствует метрологическим характеристикам -это скорее ваши фантазии чем реальность. Также поскольку скорость движения молекул в плоскостях x, y, z различна, то стоит говорить о турбулентных и ламинарных потоках, а не о пульсирующих и равномерных. Учет динамики потока не повысит точность проведения измерений. Для получения необходимой точности во-первых соблюдают прямые участки до и после расходомера, а во-вторых, при необходимости, ставят струевыпрямители (повышают ламинарность потока).