Методы контроля и измерения расхода жидкости,
применяемые в коммерческом учете воды (теплоносителя)

В данном разделе описаны следующие основные методы измерения расхода жидкости, получившие наибольшее распространение в коммерческом учете воды и тепла (теплоносителя):
1.   Объемные методы измерения расхода
2.   Магнитно-индукционный (электромагнитный) метод измерения расхода
3.   Ультразвуковой метод измерения расхода
Прочие методы, ввиду их универсальности, описаны в разделе Методы коммерческого учета газа и пара

Введение в понятие расхода:

Расход – количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода в единицу времени.

Различают следующие виды расхода вещества:

Объемный расход измеряется в единицах объема -  в единицу времени:

Qv = V / t

Массовый расход – в единицах массы в единицу времени:

Qm = m / t

Соотношение массового и объемного расходов определяется зависимостью:

Qm = ρ х Qv , где ρ - плотность вещества

Объемный расход определяется по показаниям объемных счетчиков (дифференцируемых по времени) или как произведение средней скорости потока - V и площади поперечного сечения - S (Qv = V x S)

1. Объемные методы измерения расхода

- предусматривают последовательное суммирование порций контролируемой среды, проходящих через измерительные камеры определенного объема или вытесняемых из камер счетчика и при непрерывном вращении его лопастей.

Прямой метод измерения объемного Р. используется в объемных счетчиках непосредственного действия.
В этом случае последовательно отмериваются объемы контролируемой среды, определяемые размером и формой измерительных камер, и с помощью счетного механизма подсчитывается число прошедших через счетчик порций.

Косвенный метод измерения объемного Р. используется в счетчиках без измерительных камер. Объем определяется, например, путем измерения перемещения или скорости потока, интегрированием расхода по времени. При этом необходимо учитывать плотность контролируемой среды.

1.1. Объемные счетчики с лопастями (турбинные счетчики)

- работают на косвенном методе; в качестве чувствительного элемента используется турбинка с лопастями, вращаемая контролируемым потоком.

Число оборотов турбинки Z должно быть пропорционально объему протекающей жидкости.

Z = K x V    ( где К – коэффициент, V - объем )

Характеристика прибора примерно линейна только в ограниченном диапазоне измерения от 1:10 до 1:20 вследствие наличия трения в подшипниках, нелинейности влияний профиля потока, его завихрений, вязкости среды.
 

1.2  "Счетчик Вольтмана"

Принцип действия и конструкция счётчика Вольтмана:

1. Счетчик с аксиальной турбинкой – ось шнековой турбинки совпадает с направлением контролируемого потока и соединена передачей со счетчиком оборотов.

2. Счетчик с вертикальной турбинкой – ось турбинки перпендикулярна к направлению потока и несет на себе счетчик оборотов.

Принцип действия основан на измерении скорости вращения турбинки контролируемым потоком жидкости.

Для бесперебойной работы счетчика необходимо отсутствие завихрений в поступающем на турбинку потоке.

Характерные особенности счётчиков Вольтмана:

Изменение профиля потока, вызываемое изгибом трубопровода или не полностью открытой заслонкой, обуславливают значительные погрешности счетчиков, особенно с аксиальной турбинкой. Для исключения погрешностей необходимо предусматривать перед счетчиком прямой участок трубопровода (длина которого указывается изготовителей) или устанавливать специальный конструктивный элемент - струевыпрямитель в виде пучка трубок или взаимно перпендикулярных пластин, выравнивающих поток.

Наличие в потоке струй, обладающих разной скоростью, вызывает неравномерное распределение действующих на турбинку нагрузок, что сокращает рабочий ресурс подшипников.

В счетчиках с вертикальной турбинкой поток жидкости поступает в измерительную камеру снизу. Собственный вес чувствительного элемента действует в направлении, противоположном направлению гидродинамического давления, что в значительной мере загружает подшипники. Такая конструкция позволяет при одинаковых условных проходах счетчика контролировать значительно большие расходы газов и жидкости, не перегружая подшипники.

Область применения счётчиков Вольтмана:

Счетчики Вольтмана с вертикальной турбинкой применяют главным образом для измерения расхода горячей и холодной воды на трубопроводах с присоединительными размерами более 50 мм.

2. Магнитно-индукционный (электромагнитный) метод измерения расхода

Принцип действия и конструкция магнито-индукционного расходомера

В электрическом проводнике, перемещающемся в магнитном поле, возникает электрический ток (по закону электромагнитной индукции). Этот эффект используется в электромагнитном расходомере для определения расхода.

Протекающая жидкость отождествляется с проводником, т.е. она должна обладать определенной минимальной проводимостью.

В обладающей электрической проводимостью жидкости, протекающей через магнитное поле, возникает электрическое поле (по закону Фарадея). Контролируемый поток протекает по армированной изолятором трубе, в стенках которой перпендикулярно направлению магнитного поля и потока среды установлены два диаметрально расположенных электрода, с которых снимается напряжение, пропорциональное средней скорости потока среды.

Этот сигнал (порядка милливольт), образованный высокоомным источником, с помощью кабеля подводится к измерительному преобразователю, который усиливает его и осуществляет дальнейшую обработку.

Характерные особенности электромагнитных Р.

Индуктивный метод применим для контроля расходов жидкостей, обладающих хотя бы малой электрической проводимостью, т.к. входное сопротивление усилителя нельзя увеличивать до бесконечности. Поэтому этот метод неприменим для измерения расходов газов.

Сопротивление первичного измерительного преобразователя представляет собой сумму внутреннего сопротивления жидкости и переходного сопротивления системы жидкость-электрод. Электронное устройство для обработки измерительной информации должно обладать входным сопротивлением, превышающим не менее чем на два порядка величину выходного сопротивления первичного измерительного преобразователя.

В отличие от расходомеров других типов, принцип действия которых основан на измерениях механических величин, магнитно-индуктивный преобразователь расхода выдает непосредственно электрический сигнал, дальнейшая обработка которого заключается лишь в фильтрации помех и усилений.


Достоинства электромагнитных преобразователей расхода:

1.  Линейная зависимость выходного сигнала от средней скорости контролируемого потока (по точности превосходит другие методы измерения.).

2.  Отсутствие в трубопроводе механических элементов, что обеспечивает малую потерю давления, не превышающую потерю в прямых трубопроводах той же длины.

3.  Установка преобразователей не изменяет профиль трубопровода и характер потока.

4.  Результат измерения в нормальных условиях эксплуатации не зависят от температуры, вязкости, концентрации и давления контролируемой среды.

5.  Результат измерения не зависит от направления потока контролируемой среды.

6.  Наличие в потоке инородных частиц не влияет на результат измерения.

Область применения электромагнитных Р.

Э/м преобразователи расхода применяются в различных отраслях промышленности, в условиях, где другие методы непригодны, в том числе, например, для измерения расхода:

-  пульсирующего потока;

-  турбулентного и ламинарного потока;

-  химических агрессивных и коррозионно-активных жидкостей (при соответствующей подготовке расходомера и электродов);

-  вязких и насыщенных твердыми токонепроводящими частицами сред.

В частном случае, этот метод используется для агрессивных кислот, пульп, сточных вод, жидких металлов.

3. Ультразвуковой (акустический) метод измерения расхода

Скорость распространения ультразвуковых колебаний (частотой от 50 КГц и выше) в движущихся жидкостях изменяется в зависимости от скорости перемещения самой жидкости.

Ультразвуковые расходомеры - это приборы основанные на измерении зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все применяемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми.

Ультразвуковые Р. по принципу измерения разделяются по на основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера. Наибольшее распространение получили расходомеры, основанные на измерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются ультразвуковые расходомеры, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления. Ультразвуковые расходомеры, основанные на явлении Доплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые.

Существует два способа определения скорости потока:

1) при помощи ультразвуковых сигналов, посылаемых во встречных направлениях параллельно потоку;

2) при помощи ультразвуковых сигналов, посылаемых под определенным углом к потоку.

В первом случае, ультразвуковой сигнал, посылаемый параллельно потоку через неподвижную жидкость из т.А в т.В, распространяется со скоростью звука а. При совпадении направления сигнала с направлением перемещающейся со скоростью v жидкости результирующая скорость прохождения сигнала определяется суммой скоростей v+a. При этом сигнал достигает т.В раньше, чем при прохождении через неподвижную жидкость.

Если при тех же условиях направление сигнала противоположно направлению движения жидкости (из В в А), то результирующая скорость определяется разностью скоростей a-v. Время прохождения сигнала против потока превышает время его прохождения по направлению потока.

Разность времени прохождения сигнала служит мерой скорости потока v. Объем жидкости, протекающий в единицу времени через данное сечение известной геометрической формы, может быть определен путем измерения средней скорости потока.


Во втором случаи - Ультразвуковой сигнал посылается из т.А в т.В под углом навстречу потоку.

При этом проекция средней скорости потока v на его ось обозначена va. Если сигнал посылается из А в В, то скорости прохождения (a - va) соответствует время прохождения t1.

Тогда     a-va=l/t1,    где  va=v*cos σ.

При посылке сигнала из т.В в т.А имеем a+va=l/t2.

Вычитая из первой зависимости вторую, получаем
v= l / (2*cos β) * (1/t2 – 1/t1)

При таком одноканальном способе распространения ультразвуковых волн с помощью одного излучателя и одного приемника должна выдерживаться постоянная температура, так как изменения времени распространения ультразвука, вызываемые колебаниями температуры Δta, могут превысить изменения измеряемой разности времени его прохождения Δt, обусловленной изменением скорости потока среды.

На практике применяют схемы с двумя раздельными каналами, позволяющими одновременно посылать волны в двух противоположных направлениях.

При этом изменение параметров среды одинаково влияет на оба сигнала и не оказывает влияния на измеряемую разность времен их прохождения или разность фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковой сигнал для измерения генерируется пьезоэлектрическим вибратором, выполненным в виде помещенной в корпус мембраны с наклеенными на нее пьезокристаллами. При приложении к пьезокристаллу электрического напряжения указанных частот кристалл начинает вибрировать, генерируя ультразвуковые волны.


Характеристика ультразвукового расходомера

Для обеспечения на всем диапазоне измерений погрешности ±2% необходимы специальные меры. В качестве источников ультразвуковых колебаний применимы пьезоэлектрические материалы: кварц, титанат бария, цирконат свинца. Диапазон применяемых частот 0,5 – 10 МГц.
Для получения точности 1% на всем диапазоне, а также при очень малых скоростях потоков (0,1-0,5 м/с) следует выбирать способ измерения, обеспечивающий независимость результатов от скорости распространения ультразвука в данной среде или использовать схемы температурной компенсации, гарантирующие высокую точность.

Достоинста ультразвуковых преобразователей расхода:
+ Высокая точность измерений
+ Стабильные метрологические характеристики
+ Широкий диапазон измеряемых расходов
+ Широкий диапазон рабочих температур
+ Устойчивость к загрязнению
+ Отсутствие движущихся (вращающихся) частей
+ Низкие потери давления
+ Универсальность (возможность измерения как жидких, так и газообразных продуктов и пара)
+ Наличие врезных и накладных моделей
+ Высокая надежность 
+ Низкое потребление электричества (возможность автономности и портативности: некоторые модели питаются от батареек, повышенной емкости)

Недостатки ультразвуковых преобразователей расхода:
- Высокие требования к однородности среды (чувствительность к наличию пузырьков воздуха в воде)
- Зависимость измерения от температуры воды
- Подверженность электромагнитным помехам
- Сложность настройки (требуется грамотная настройка расходомера для конкретной цели)
- Относительно высокая стоимость

Возможные варианты и пути решение проблем ультрозвуковых Р.:
Для устранения зависимости измерения от температуры в корпус преобразователя расхода встраивается термосопротивление, после обработки сигналов микропроцессором происходит коррекция потока по температуре.
Для снижения зависимости от однородности среды используется поправка по методу Доплера.
Для защиты от электромагнитных помех достаточно сделать выравнивание потенциалов между трубопроводами и расходомером.

Также рекомендуем ознакомиться с Методами коммерческого учета газа

или вернуться в общий раздел Методы измерения расхода жидкости, газа и пара