книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

16.15. АКУСТИЧЕСКИЕ ДЛИННОВОЛНОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ (НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ) И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В отличие от всех ранее рассмотренных ультразвуковых рас­ ходомеров длинноволновые акустические расходомеры работают на низкой (звуковой) частоте. Схема преобразователя расхо­ да опытного образца такого расходомера [59, 60] показана на рис. 209. Источник акустических колебаний — громкоговори­ тель 1, установленный на входном участке латунной трубы диа­ метром 50 мм. Этот участок с помощью муфты 2, предотвращаю­ щей передачу вибраций и других помех, соединен с трубой 3, на которой на расстоянии L = 305 мм друг от друга размещены два микрофона 4. Их крепление снабжено прокладками 5 из порис­ той резины. Приемные диафрагмы микрофонов расположены заподлицо с внутренними стенками трубы. Акустические колеба­ ния, создаваемые источником 1, имеют длину волны X, в несколько раз превосходящую диаметр трубопровода, что благоприятно для устранения высокочастотных помех. Эта волна отражается от обоих концов трубы, в результате чего в последней навстречу друг другу движутся две волны: одна со скоростью с - v9 а другая со скоростью с + v (где с и v — скорости ультразвука и измеряемого вещества соответственно). Эти две волны образуют стоячую вол­ ну в трубопроводе. Амплитуда последней в узлах не равна нулю, так как амплитуды волн, движущихся навстречу, не равны друг другу. Так, если источник звука 1 установлен до микрофонов, то волна, движущаяся по потоку, образуется из сложения волны, образованной источником 1, и волны, отраженной от переднего конца трубы, в то время как обратная волна — только отражен­ ная от выходного конца и местных сопротивлений между ним и микрофонами. Следует избегать установки микрофонов вблизи узлов стоячей волны. При скорости потока и = 0 фазы синусои­ дальных сигналов обоих микрофонов совпадают. С появлением скорости v возникает сдвиг фаз, возрастающий с увеличением у. Расстояние L между микрофонами выбирают так, чтобы оно рав­ нялось длине волны X или ее половине Х/2, т. е. чтобы выполня­ лось уравнение X = 2L/n, где п = 1 или п = 2. При этом частота / акустических колебаний определяется зависимостью f = nc/2L. Тогда при числах Маха М, не превосходящих 0,1, имеем следую­ щую зависимость Д/ от v

Рис. 209. Низкочастотный акустический расходомер

371

Лф = ппМ = ппи/с.

При п = 1 для М = 0,1 находим Дф = ОДтс = 18°.

Длину волны X при L = 0,305 м и n = 1 находим из уравнения X - 2L/n - 0,61 м. При скорости звука с = 346,3 м /с (при 25 °С) на­ ходим частоту / = с/Х = 567,7 Гц. Сдвиг частоты Дф при v = 1 м/с равен 0,520 град (м/с). Испытания опытного образца показали хорошую линейную независимость между расходом газа и сдви­ гом фазы Дф до чисел Маха, не превышающих 0,1.

Из четырех рассмотренных разновидностей акустических рас­ ходомеров наибольшее применение получили приборы с ультра­ звуковыми колебаниями, направляемыми по потоку и против него. Ультразвуковые расходомеры со сносом применяются очень ред­ ко. Они значительно менее чувствительны, чем первые. Допплеров­ ские приборы служат преимущественно для измерения местных скоростей потока. Длинноволновые акустические расходомеры по­ явились недавно, и нет еще достаточного опыта их применения.

Из трех методов измерения разности времен прохождения уль­ тразвуковых колебаний по потоку и против него наибольшее рас­ пространение получил частотно-импульсный метод с одноканаль­ ным преобразователем расхода. Он может обеспечить наиболь­ шую точность измерения, а приведенная погрешность измерения может быть снижена до (0,5-1) % . Созданы приборы с еще мень­ шей погрешностью, вплоть до ±(0,1-0,2) % , что позволяет приме­ нять такие приборы в качестве образцовых. Измерительные схе­ мы двухканальных расходомеров проще, но точность их ниже. Фазовые расходомеры имеют преимущество перед частотными при необходимости измерения малых скоростей вплоть до 0,02 % , а так­ же при измерении загрязненных сред.

При деформированном поле скоростей вследствие недостаточной длины прямого участка трубопровода может возникнуть .большая дополнительная погрешность. Для устранения погрешности надо применять сопло или конфузор, выравнивающие профиль, или же преобразователь расхода, в котором акустические колебания направ­ ляются не в диаметральной плоскости, а по несколькими хордам.

Основная область применения ультразвуковых расходомеров — измерение расхода различных жидкостей. Особенно целесообраз­ ны они для измерения расхода неэлектропроводных и агрессив­ ных жидкостей, а также нефтепродуктов.

16.16. ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ СОВРЕМЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ

ИИХ РАЗВИТИЕ

Внастоящее время в промышленности и коммунальном хо­ зяйстве используются ультразвуковые приборы допплеровские и по разности времен прохождения сигналов по и против потока в зависимости от состава измеряемых сред.

372

Краткие технические данные характерных приборов приведе­ ны в табл. 11, а их описания ниже.

Из показанных в табл. 11 УДР-001 и «Днепр-7» используют эффект Допплера [4, 22]. «Гобой-1» Рязанского завода предназ­ начен для газа, пьезоэлементы датчика находятся внутри преоб­ разователя расхода, имеющего вид патрубка с фланцами на кон­ цах [15].

Счетчик «Центросоник» фирмы «Центрприбор» (Москва) пред­ назначен для измерения расхода и массы нефтепродуктов, масел и других жидкостей, в том числе пищевых, по измерению скоро­ сти и плотности вещества с учетом вязкости и температуры [16].

Расходомер «SONOFLO» типа «SONO 3000/3300» фирмы «Данфосс» (см. табл. 11) состоит из первичного преобразователя «SONO 3300» и вторичного «SONO 3000», которые могут приме­ няться с российскими вычислителями СПТ-941 и другими в со­ ставе теплосчетчиков. Датчики выпускаются во фланцевом ис­ полнении. Содержат 4 ультразвуковых датчика на патрубке и 4 кабеля длиной по 30 м. Давление воды 1,6 (2,5 и 4) МПа. Потреб­ ляемая мощность до 15 В*А. По спецзаказу изготавливаются дат­ чики на диаметры 0,5-1,2 м. Выходные сигналы постоянного тока 4-20 мА и импульсные.

Хорошо зарекомендовал себя при эксплуатации в течение 5 лет в теплопунктах жилых домов расходомер UFM-001 [35], на основе которого Чебоксарский завод электроники и механики выпускает модель UFM-005 (табл. 12). UFM удобен тем, что при поверках датчики не снимаются с трубопровода и при длитель­ ной работе на теплофикационной воде внутри не образуется оса­ док благодаря гладкому патрубку из нержавеющей стали, если диаметр патрубков датчиков меньше диаметра трубопровода. Дат­ чик состоит из патрубка, с противоположных сторон которого имеются два стакана с пьезоэлементами.

На ЖК-индикаторе прибора UFM-005 отображаются: расход жидкости (м^/ч); объем жидкости, прошедшей через трубопро-

Т а б л и ц а 11

Основные данные ультразвуковых приборов

373

Т а б л и ц а 12

Технические характеристики прибора UFM-005

хзда

М /Ч

вод, нарастающим итогом (м3) и время работы расходомера-счет­ чика в реальных часах (год, день, часы, минуты). Кроме этого, среднечасовые и среднесуточные параметры, которые хранятся в архиве прибора, выводятся на ЖК-индикатор, печать, ПЭВМ: объем жидкости, прошедшей через трубопровод (м3) и календар­ ные данные запрашиваемых параметров и время работы расходо­ мера-счетчика.

По факту нахождения теплосчетчика в отключенном состоя­ нии в отчетный период при печати данных из архива формирует­ ся надпись «по dat» («нет данных»).

Пределы допускаемых погрешностей не превышают при изме­ рении:

—расхода ±1 % ;

—объема от -Fmin до Ff ±5 % ;

—объема от Ff до Fma^ ±2 % ;

—времени ±0,1 % .

Выпускается и двухканальная модель UFM-005-2.

Фирма «Взлет» (Санкт-Петербург) выпускает семейство расходо­ меров-счетчиков «Взлет-МР» (ранее «Взлет-PC») моделей УРСВ-510

374

(ранее 010М), УРСВ-110, УРСВ-520, УРСВ-522, УРСВ-540, УРСВ-544 для различных жидкостей в широком диапазоне рас­ ходов, вязкостей и температур. Модель УРСВ-510 одноканаль­ ная, УРСВ-520 и УРСВ-540 — двух- и четырехканальные, УРСВ-522

иУРСВ-544 — двух- и четырехлучевые, УРСВ-110 — для мазута

ивязких жидкостей. Основные технические характеристики их сходные. Вид вторичных преобразователей (электронных блоков

приборов) показан на рис. 210, а, б.

Расходомер-счетчик «Взлет-МР» (табл. 13) типа УРСВ-510 по­ зволяет измерять расходы практически любых жидкостей не­ зависимо от направления потока: холодной и горячей воды, сточ­ ных вод, нефти и нефтепродуктов, в том числе мазута и масел, агрессивных растворов и т. д. без предварительного измерения скорости ультразвука, обеспечивают работу прибора как с наклад­ ными, так и с врезными электроакустическими преобразователя­ ми (ПЭА) в напорных металлических и пластмассовых трубопро­ водах. ПЭА герметичны, работают при температуре корпуса от ~30 до +150 °С, имеют сертификат на взрывобезопасность. При диаметрах трубопровода < 1200 мм возможна поставка расходо­ меров с датчиками, смонтированными на специальных измери­ тельных участках труб. Давление в трубопроводе до 2,5 МПа.

Управление прибором осуществляется при помощи клавиату­ ры, расположенной на лицевой панели прибора. Результаты из­ мерений, направление потока и режимы работы прибора отобра­ жаются на жидкокристаллическом индикаторе (см. рис. 210, а).

Рис. 210. Внешний вид электронных блоков приборов: а — ♦Взлет PC* (УРСВ-010М); б — ♦Взлет МР* (УРСВ-520, УРСВ-540)

375

Т а б л и ц а 13 Основные технические и метрологические характеристики

_________________ ультразвуковых приборов____________________________

П р и м е ч а н и е . Межповерочный интервал — 4 года. Поверка может осуществляться проливным или имитационным методами. Поверочный комплекс поставляется фирмой «Взлет».

*Пределы допускаемых значений относительной погрешности зависят от варианта ис­ полнения первичного преобразователя расхода

Расходомер обеспечивает запись в архив, хранение и вывод на индикатор измеренных значений объемов с учетом направления потока за последние 728 ч, 64 сут и 24 мес, а также данных об отказах и нештатных ситуациях. Возможна установка произволь­ ного периода архивирования (960 записей).

Базовая модель расходомера обеспечивает вывод результа­ тов измерений на внешние устройства в виде сигналов последо­ вательных интерфейсов RS232 и RS485, импульсов с нормиро­ ванным весом и программируемой длительностью на пассивном выходе.

По заказу расходомер может быть оснащен программируемым токовым выходом и активным импульсным выходом. По специ­ альному заказу поставляется программное обеспечение пользова­ теля. Прибор обеспечивает работу в режиме дозатора.

При наличии отложений на стенках трубы, повышенном со­ держании газа или взвесей в жидкости применяются приборы с пониженной частотой до 0,3 кГц. При повышенном уровне элек­ тромагнитных помех используется специальное исполнение при­ бора. Изменение амплитуды сигнала датчика автоматически ре­ гулируется усилителем прибора.

376

По принципу работы расходомер относится к времяимпульсным ультразвуковым расходомерам, работа которых основана на измерении разности времен прохождения коротких импульсов (зондирующих) ультразвуковых колебаний (УЗК) по направле­ нию скорости потока жидкости в трубопроводе и против него. Возбуждение зондирующих импульсов производится первичны­ ми электроакустическими преобразователями, устанавливаемы­ ми на трубопровод с измеряемым расходом.

По способу организации зондирования потока жидкости ульт­ развуковыми импульсами расходомер относится к автоциркуляционным расходомерам с попеременной коммутацией.

Особенностью этих ультразвуковых расходомеров (УЗР) явля­ ется попеременное функционирование двух синхроколец. Син­ хрокольца образованы приемно-усилительным трактом, охвачен­ ным запаздывающей обратной связью через электроакустический тракт (ПЭА1 — стенка трубопровода — жидкость — стенка тру­ бопровода — ПЭА2).

Первичный преобразователь расхода включает в себя отрезок трубы и закрепленные на нем два электроакустических преобра­ зователя — ПЭА1 и ПЭА2, обеспечивающие излучение ультра­ звуковых сигналов (УЗС) в жидкость под углом к оси трубопро­ вода. При движении жидкости наблюдается снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению полного времени распро­ странения УЗС между ПЭА: по потоку жидкости (от ПЭА1 к ПЭА2) время распространения уменьшается, а против потока (от ПЭА2 к ПЭА1) — возрастает.

Вторичный измерительный преобразователь посредством по­ переменного излучения в движущуюся жидкость УЗС и их при­ ема осуществляет измерение разности времен распространения УЗС по потоку и против потока жидкости dT. Данная величина dTyпропорциональная скорости, а следовательно, и расходу жид­ кости, определяется выражением

dT = T1 -T 2 = 2 n v D - t g B / c 2 +f3,

где

Tv T2 — полное время распространения УЗС, соответственно, по потоку и против потока жидкости; dT — разность времен Tj, Т2; п — коэффициент установки ПЭА: для установки ПЭА с отраже­ нием УЗС от стенки трубопровода п = 2; для установки без отра­ жения — п = 1 (пьезоэлементы с разных сторон трубы); D—

377

внутренний диаметр трубопровода; с, 0 — скорость и угол рас­ пространения УЗС в неподвижной жидкости; v — скорость жид­ кости, усредненная вдоль ультразвукового луча; £ст, t3B— допол­ нительная задержка УЗС в стенках трубопровода, звукопроводах ПЭА и электронном тракте при распространении УЗС по потоку и против потока жидкости.

Для измерения расходов нефти и нефтепродуктов, кроме ука­ занных в табл. 11 приборов, особенно высокоточного «Центросоник» [16], который выпускает завод «Старорусприбор», выпуска­ ются специальные модели «Взлет-МР» типа УРСВ-110 и УВР-011 (Харьковской фирмой «Энергоучет») с врезными датчиками для диаметров труб 25-300 мм. Эти фирмы выпускают также ряд моделей расходомеров для воды и других жидкостей. Для этих целей используют и допплеровские расходомеры с накладными датчиками (см. табл. 11).

«Старорусприбор» выпускает прибор АС-001 с автономным питанием для диаметров труб 15-80 мм [15]. «Энергоучет» про­ изводит прибор УВР-011 A /В на диаметры 25-1600 мм классов точности 1-1,5 с накладными датчиками и 0,25-0,5 с врезными датчиками. Производится также портативная модель УВР-011 с емкостью батарей на 4-8 ч работы. Выпускается портативная модель «Взлет ПР» для диаметров до 5 м. Оба прибора УВР для диаметров до 1,6 м.

Расходомер-счетчик «Гобой-1» предназначен для измере­ ния объема газа нарастающим итогом, приведенного к стан­ дартным условиям. Характеристики типоразмеров приведены в табл. 14.

Основная относительная погрешность измерения объема, приве­ денного к стандартным условиям, не превышает (1 +[5Qmin/Q]) % , где Q — измеряемый объем.

Параметры контролируемой среды (газа): температура от -10 до +50 °С; абсолютное давление от 90 до 200 кПа (разделено на 2 диапазона); плотность при нормальных условиях от 0,67 до 0,88 кг/м3.

Исполнение по устойчивости к климатическим воздействиям — УХЛЗ, но для работы при температуре окружающей среды от -40 до +50 °С. Счетчики могут работать во взрывоопасных поме­ щениях, маркировка взрывозащиты 1 ExibIIAT5.

Т а б л и ц а 14

Параметры типоразмеров «Гобой-1»

378

Счетчики обеспечивают измерение, расчет, индикацию на от­ счетом устройстве и возможность передачи данных по стандарт­ ному интерфейсу RS485 двухпроводной линии связи длиной до 1000 м следующих параметров: объем газа нарастающим итогом, приведенного к стандартным условиям; неисправности или ава­ рийные ситуации; текущего времени и даты; времени нахожде­ ния счетчика в неисправном состоянии; рабочего давления; рабо­ чей температуры и объемного расхода.

Выпускаются счетчики с возможностью архивирования пара­ метров (объема, температуры, давления) с глубиной хранения суточных данных 45 сут, месячных данных — не менее 2 лет.

Электропитание счетчиков осуществляется от автономных эле­ ментов питания, конструктивно входящих в состав измеритель­ но-вычислительного блока, обеспечивающих работоспособность счетчиков не менее 2 лет.

Полный ресурс работы счетчиков 25 лет, средняя наработка на отказ — 70 000 ч. Межповерочный интервал 4 года.

Кроме изложенного, влиянию отложений внутри датчиков и опыту эксплуатации приборов посвящены статьи и доклады [4, 9, 10, 26, 35], а в докладе на 19-й конференции «Коммерческий учет энергоносителей» в Санкт-Петербурге фирмой «Промсервис» (г. Дмитровград) было указано, что счетчик «Прамер-510» эф­ фективно работал на загрязненных жидкостях до 2 % по объему.

Дадим краткий обзор работ по ультразвуковым расходомерам, опубликованных на международных конференциях FLOMEKO в Сеуле в 1993 г. и в Пекине в 1996 г.

Работа [37] в основной части общеобзорного характера по уль­ тразвуковому методу измерения с пьезоэлементами, помещаемы­ ми снаружи трубопровода, отмечает 19 достоинств и преимуществ этого метода. Вместе с тем констатируется, что погрешность уль­ тразвуковых расходомеров находится в пределах от 1 до 5 % , что значительно больше, чем у расходомеров с пьезоэлементами, кон­ тактирующими с измеряемым веществом.

Вработе [39] дана оценка нового допплеровского акустическо­ го расходомера, созданного в Швейцарии. Дан интегральный рас­ чет и анализ спектра частотного сдвига допплеровского сигнала, позволяющий повысить точность измерения скорости потока.

Вработе [47] сообщается о разработанном в концерне «Рургаз» (Германия) методе моделирования влияния вихревых потоков после колен (особенно в разных плоскостях) на показания ульт­ развуковых расходомеров. Приводится оценка погрешности из­ мерения в зависимости от типа вихря и от конфигурации акусти­ ческих лучей расходомера.

ВАнглии построен и испытан [45] ультразвуковой расходо­ мер, обеспечивающий измерение расхода жидкости в единицах массы с погрешностью, не превышающей ±1 % . Он включает в се­ бя акустическую схему, измеряющую объемный расход, еще аку­ стическое зондирование перпендикулярно оси трубопровода, оп­

379