«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».

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.

Измерение расхода и количества движущейся жидкой или газообразной среды в системах учета энергоресурсов требует знаний не только таких ее термодинамических параметров как температура и давление, но ряда иных характеристик (плотность, вязкость, тип потока), которые важны для конкретных методов измерения расхода, влияют на возможность использования соответствующих технических средств и точность измерений.

Количеством среды называют массу (М) или объем (V) вещества, протекающего через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, за определенный интервал времени Т (час, сутки, месяц и т.д.).

Единица измерения массы в системе СИ – 1 килограмм, кг, (1т = 1000 кг), а объема – кубический метр, м 3 .

Расходом среды (G) называют физическую величину, равную lim (ΔК/ΔT) – пределу отношения приращения количества среды ΔК (массы ΔМ или объема ΔV) к интервалу времени ΔТ, за которое произошло это приращение, при неограниченном уменьшении ΔТ.

Различают массовый G м и объемный G v расходы, которые определяются через массу и объем среды, выражающиеся в основных единицах (кг/с или м 3 /с) или их производных. Массовый и объемный расходы связаны между собой зависимостью

где ρ - плотность вещества.

При измерении расхода, помимо рассмотренных мгновенных расходов выделяют следующие виды расходов:

· G cp – средний, равный отношению количества среды к определенному интервалу времени (минута, час, сутки, месяц и т.д.);

· G np – приведенный - действительный объемный расход, но пересчитанный на другие, так называемые нормальные значения температуры и давления (Рнор = 1,0332 кг/см 2 , tнор = 20°С);

· G макс – наибольший, определяющий верхнюю границу возможного диапазона изменения расхода;

· G мин – наименьший, определяющий границу возможного диапазона расхода;

· G ном – номинальный, равный половине наибольшего;

· G п – переходный, при котором измеряется пороговое значение погрешности прибора.

Измерительные приборы, предназначенные для измерения расхода вещества, называются расходомерами или преобразователями расхода (ГОСТ 15528-86).

Измерительные приборы, предназначенные для измерения количества вещества, называются счетчиками количества.

Довольно часто две указанные функции объединяются в одном приборе. В практике учета тепловой энергии применяются, в основном, преобразователи расхода.

Большинство преобразователей расхода предназначено для измерения расхода однокомпонентных и однофазных сред в условиях установившихся параметров потока (турбулентного характера потока, постоянства средней скорости на участке измерения и отсутствия возмущений), которые достигаются при достаточно протяженных прямолинейных участках трубопровода до и после места установки преобразователя расхода.

На этих участках не должно быть клапанов и задвижек, перепадов сечения трубопровода (сужений и расширений), резких изменений направления потока (колен и ответвлений).

Обычно требуемые длины прямолинейных участков задаются числами, кратными условному диаметру трубопровода Dy, то есть его среднему внутреннему диаметру при 20°С. Классификация средств измерения расхода и количества среды приведена на рис. 7.

Как видно из рис. 7 по измеряемому параметру (расход и (или) количество среды) средства измерения подразделяются на расходомеры, счетчики, расходомеры-счетчики и преобразователи (датчики) расхода.

Последние согласно ГОСТ 15528-86 вырабатывают сигнал измерительной информации, «не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем». Большинство современных средств расхода и количества среды реализуются в двухкомпонентном виде - первичный преобразователь (ПП) и электронный преобразователь (ЭП), причем в конкретных моделях эти две взаимосвязанные части прибора могут реализовываться в виде механически объединенного или разъединенного (связанного электрической проводной или кабельной линией) исполнений.

Современные ЭП выполняются на базе микропроцессоров, при этом в одном приборе могут быть объединены функции расходомера, счетчика и преобразователя расхода.

По типу измеряемой среды приборы разделяются на расходомеры (счетчики, преобразователи расхода) жидкости, газа и пара. Одна и та же модель не может использоваться для измерения расхода (количества) всех трех сред из-за существенных различий их физических параметров, хотя для ряда моделей (например, вихревых расходомеров) возможна программная перестройка с одного вида среды на другой (в частности с газа или пара на жидкость), что нередко используется при их градуировке или поверке в лабораторных условиях.

Жидкостью может служить холодная и горячая вода, стоки, нефть и нефтепродукты, сжиженные газы, пульпа, суспензии и т.д., то есть любые плотные и текучие среды. Для каждой конкретной модели прибора оговариваются допустимые виды жидкостей и диапазоны изменения параметров (процент газовых и плотных включений, плотность, вязкость, электропроводность). Эти параметры должны соотноситься с характеристиками реальной рабочей среды, для измерения которой будет использоваться прибор.

Под газом подразумевается природный газ (метан) и технические (кислород, водород, пропилен и т.д.) газы, а также сжатый воздух.

Пар может быть насыщенным или перегретый. Для влажного пара точное измерение расхода проблематично.

Подавляющее большинство расходомеров объемные. К массовым расходомерам относятся тепловые и кориолисовы.

Рис. 7 Классификация расходомеров и счетчиков количества вещества

4.4.1. Тахометрические расходомеры

В тахометрических расходомерах расход среды измеряется по скорости движения (вращения) механического преобразовательного элемента. К таким расходомерам относятся шариковые, крыльчатые и турбинные Последние два типа получили широкое применение для измерения расхода холодной и горячей воды, других технических жидкостей и газа. Современные расходомеры данного типа, как правило, комплектуются встроенным импульсным датчиком расхода, что позволяет использовать их при автоматизации учета.

Жидкостные турбинные расходомеры чувствительны к вязкости среды, особенно при малых расходах. Их общий недостаток - подверженность износу подвижных механических узлов и изменение в связи с этим точностных характеристик в процессе эксплуатации. Тахометрические расходомеры выпускаются для трубопроводов диаметром до 300 мм и мало пригодны для измерения абразивных и агрессивных сред.

4.4.2. Расходомеры переменного перепада давления (РППД)

Принцип действия РППД основан на измерении в соответствии с уравнением Бернулли перепада статического или полного давления потока среды на установленном первичном преобразователе (ПП) и вычислении по этому перепаду средней скорости движения среды и ее расхода.

РППД определяет объемный или массовый расход движущейся среды по измеряемому перепаду давления.

В качестве ПП в РППД при измерении расхода по перепаду статического давления используются стандартные сужающие устройства (диафрагмы, трубы Вентури, сопла), а при измерении по перепаду полного давления - многовходовые трубки Пито и усредняющие напорные трубки.

Измерение расхода жидкости, газа и пара с помощью сужающих устройств регламентирует ГОСТ 8.563-97.

На практике наиболее часто используются РППД, построенные с применением диафрагм. Расчетная погрешность измерения расхода диафрагмой зависит от характеристик среды и составляет, как правило, от 0,5% до 1,0%. Технические условия для стандартных диафрагм регламентированы ГОСТ 26969- 86.

РППД на диафрагме представляет собой составной расходомер, в комплект которого входят собственно диафрагма, соединительные или импульсные линии (трубки) отбора измеряемого давления, вентильный блок, уравнительные сосуды (при необходимости), дифференциальный манометр и вторичный показывающий или самопишущий прибор, шкала которого градуирована в единицах расхода (в зависимости от характеристик вторичного прибора в комплект может дополнительно входить блок извлечения квадратного корня).

Принцип действия РППД на диафрагме заключается в сжатии среды отверстием диафрагмы, что приводит к увеличению за ее кромкой скорости потока и его кинетической энергии (динамического давления) с соответствующим уменьшением статического давления. По краям диафрагмы создается перепад давлений, который отводится импульсными трубками к дифманометру. После прохождения диафрагмы поток расширяется, снижая скорость и восстанавливая статическое давление, которое уже не достигает прежнего значения из-за вихревых потерь давления на гидравлическом сопротивлении диафрагмы (Р п). Величина Р п зависит от величины m = d 2 /D 2 (соотношения квадратов площадей отверстия диафрагмы и поперечного сечения трубопроводов). Чем меньше m, тем больше перепад давления и выше точность измерения расхода, но тем больше безвозвратная потеря давления на диафрагме.

Динамический диапазон измерения диафрагменных расходомеров невелик и составляет 3:1, что объясняется квадратичной зависимостью перепада давления от расхода. Большинство дифманометров имеет динамический диапазон измерения не более 10:1. Поэтому для расходомера с одним дифманометром характерен динамический диапазон 3:1, или от (100-30 процентов) G макс, что ограничивает его применение измерением только маломеняющихся расходов.

Следует отметить, что расход слабо сжимаемых сред, плотность которых незначительно зависит от температуры и давления (например, вода), с высокой степенью точности определяется измеряемым перепадом давления.

Для сжимаемых сред (пар, газ), плотность которых существенно зависит от давления и температуры, для точного измерения расхода необходимо еще и определение плотности среды, которое производится на основании измерения температуры и давления. При этом для сухого насыщенного пара достаточно измерить только одну из величин, поскольку его температура и давление являются взаимозависимыми параметрами.

Поэтому при определении расхода газа или перегретого пара на основании диаграмм самопишущих приборов при переменных температурах и давлениях приходится вручную обрабатывать три диаграммы (перепада давления, температуры и расхода), что во много раз увеличивает трудоемкость процесса и снижает точность определения рас хода.

Современные вторичные приборы, построенные с применением микропроцессорной техники, проводят эту процедуру автоматически.

Рассматриваемый метод измерения расхода имеет как достоинства, так и недостатки.

К достоинствам следует отнести:

· хорошую пригодность для работы в самых различных жидкостных и газовых средах;

· высокую чувствительность;

· отсутствие движущихся частей;

· сравнительно невысокую стоимость для трубопроводов диаметром до 300 мм.

К недостатком можно отнести:

· требование к прямолинейности измерительного участка (10 D y до и 5 D y после места установки диафрагмы);

· ограниченный динамический диапазон;

· значительные потери давления на диафрагме;

· нелинейная зависимость выходного сигнала от расхода;

· сложность изготовления и монтажа для трубопроводов большого диаметра;

· необходимость ежегодных поверок с отключением и разборкой трубопровода;

· старение диафрагмы (накопление осадков и эрозия кромок проходного отверстия).

Как видно из перечисленного, недостатков у рассматриваемого метода измерения расхода значительно больше, чем достоинств. Поэтому в подавляющем большинстве случаев предпочтительно использование более современных расходомеров (вихревых, электромагнитных, ультразвуковых).

Для измерения расхода высокотемпературного перегретого пара, например, этот метод пока является единственно пригодным.

4.4.3. Вихревые расходомеры

Принцип действия современных вихревых расходомеров основан на измерении частоты следования вихрей так называемой дорожки Кармана, образующейся при огибании потоком тела обтекания, неподвижно расположенного поперек контролируемого потока среды в его центре. В качестве тела обтекания обычно используется цилиндр или призма трапециевидного или треугольного сечения.

В результате тормозящего и ускоряющего действий слоев возникают сдвиговые напряжения или вращающие моменты сил, которые формируют вокруг некоторых мгновенных осей самосвертывающиеся вихри и обеспечивают их срыв с острых кормовых кромок тела обтекания. В 1911 г. американский аэродинамик Карман определил условия устойчивого симметричного вихреобразования, при котором вихри разного направления (по и против часовой стрелки) поочередно сбегают справа и слева с поверхности тела обтекания и следуют по потоку в шахмат ном порядке в виде вихревой дорожки. Схема работы вихревого расходомера приведена на рис. 8.

Ри

Рис. 8 Схема работы вихревого расходомера

Каждый вихрь представляет собой локальный элемент среды, в котором потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую, что приводит к снижению статического давления. Это местное снижение давление может быть зафиксировано чувствительным элементом (сенсором). При этом сенсор преобразует перепады (пульсации) давления в электрические им пульсы, частота которых при Re > 3800 (то есть при установившемся турбулентном потоке) пропорционально зависит от скорости среды.

Зная сечение трубы по средней скорости можно определить объемный расход среды. На практике обычно используют уравнение Gv = f/К, где К – градуировочный или калибровочный коэффициент (количество импульсов на единицу объема среды), определяемый только параметрами обтекаемого тела и трубопровода и не зависящий от плотности, вязкости, температуры и давления среды. Поэтому каждый расходомер калибруется изготовителем индивидуально для обеспечения высокой точности и повторяемости измерений.

В качестве сенсоров обычно применяют пьезоэлементы, механические элементы (мембраны), встроенные тензорезисторы или ультразвуковые преобразователи скорости (излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, обнаруживающие вихревые колебания потока).

К достоинствам вихревых расходомеров можно отнести:

· относительно небольших прямолинейных участков (обычно 5D y до и 3D y после места установки);

· отсутствие в потоке подвижных изнашивающихся частей;

· независимость показаний от плотности, вязкости, температуры и давления среды;

· широкий динамический диапазон (30:1);

· линейность шкалы;

· высокая точность;

· высокое быстродействие;

· простота установки.

Недостаткам являются:

· вносимое гидравлическое сопротивление;

· чувствительность к механическим включениям;

· чувствительность к акустическим и вибрационным помехам.

Среди предприятий, выпускающих вихревые расходомеры для жидкости следует выделить челябинский концерн «Метран» («Метран 300-ПР») и завод «Старорусприбор» (ДРВ, РСВ). В г.Тюмени «Сибнефтеавтоматика» выпускает вихревые датчики расхода газа (ДРГ) и расхода пара (ДРП). ДРП рассчитаны на измерение расхода пара, температура которого не превышает 250°С.

4.4.4. Электромагнитные расходомеры

Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на взаимодействии движущейся (проводящей) жидкости с магнитным полем. Это взаимодействие подчиняется закону электромагнитной индукции, согласно которому в движущемся проводнике, пересекающем магнитное поле, индуцируется ЭДС, величина которой пропорциональна скорости движения проводника. В данном случае в качестве проводника выступает поток проводящей жидкости. Для измерения возникающей ЭДС через стенки трубы изолированно от нее выводятся два электрода. Схема работы электромагнитного расходомера приведена на рис. 9.

Разность потенциалов Е, на электродах, расположенных на расстоянии D, равном внутреннему диаметру трубы, определяется из выражения:

где В – магнитная индукция, V cp – средняя скорость жидкости.

Если магнитное поле создается электромагнитом, питаемым переменным током частотой f, то

E = 4*B макс *G v *sincωt/πD

Электромагнитные расходомеры имеют много достоинств. Они могут применяться для измерения любых, в том числе больших расходов жидкости в трубопроводах диаметром начиная от 2 мм и выше. Их показания не зависят от вязкости и плотности среды. Шкала прибора линейна, а динамический диапазон достигает 100:1. Быстродействие прибора достаточно высоко. Преобразователь расхода не имеет частей, выступающих внутрь трубы, и не создает дополнительной потери давления. Влияние местных сопротивлений значительно меньше, чем расходомеров других типов.

Рис. 9 Схема работы электромагнитного расходомера

Большинство выпускаемых электромагнитных расходомеров пригодно для измерения расхода жидкостей с электропроводностью не менее 10 -5 ×Ом -1 × см -1 , что соответствует электропроводности водопроводной воды.

4.4.5. Ультразвуковые расходомеры

Ультразвуковые расходомеры основаны на измерении того или иного акустического эффекта, зависящего от расхода и возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через поток жидкости или газа.

Основными элементами первичных преобразователей ультразвуковых расходомеров являются излучатели и приемники ультразвуковых колебаний. Их действие основано на пьезоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что при сжатии и растяжении в определенных направлениях кристаллов (пьезоэлементов) на их поверхностях возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

В этом случае пьезоэлемент работает как приемник ультразвуковых колебаний. Если же к этим поверхностям приложить разность потенциалов в виде электрического импульса, то пьезоэлемент растянется или сожмется и начнет работать как излучатель ультразвуковой волны. Это явление называется обратным пьезоэффектом.

В качестве пьезодатчиков применяются различные керамические материалы (титанат бария, цирконат титаната свинца и т.д.). Пьезоэлементы обычно изготавливаются в виде дисков диаметром 10-20 мм, которые необходимо снабдить электродами, которые создаются покрытием специально обработанные поверхности слоем металла (как правило, серебра).

Существует несколько способов измерения расхода с помощью ультразвука (частотный, фазовый, корреляционный, с использованием эффекта Доплера). Однако наибольшее распространение получил времяимпульсный ультразвуковой метод, принцип действия которого представлен на рис. 10.

Время прохождения ультразвукового сигнала по акустическому пути L от излучателя 1 к приемнику 2 и от излучателя 2 к приемнику 1 будет равно соответственно:

t 1-2 = L/(C-V*Cosφ);

t 2-1 = L/(C + V*Cosφ),

где С - скорость ультразвука в среде.

Рис. 10 Схема работы времяимпульсного ультразвукового расходомера

Разница во времени прохождения сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях:

Δt = (2L*V*Cosφ) / (С 2 - V 2 *Cos 2 φ)

Таким образом, зная внутренний диаметр трубопровода, угол наклона акустической ocи к оси трубы, скорость ультразвука в конкретной среде и измерив разницу во времени прохождения сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях, можно определить объемный расход среды в трубопроводе.

Величина Δt незначительна и составляет обычно от нескольких единиц до нескольких десятков наносекунд и ее измерение с достаточной точностью при одном проходе сигнала в «прямом» и «обратном» направлениях произвести сложно. Поэтому измерения производят организуя так называемое «синхрокольцо», при котором измеряют время прохождения сигнала в каждом направлении сотни и тысячи раз, предполагая, что скорость потока за это время не из меняется.

Время – импульсный ультразвуковой метод очень хорош при измерении расходов на трубопроводах больших диаметров. Однако, он требует значительных прямолинейных участков трубопровода (15D y до и 10 D y после места установки прибора). Он не создает дополнительных потерь давления, обладает широким динамическим диапазоном и высокой точностью, но весьма чувствителен к вибрационным и ударным помехам.

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.