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
m m |
|
D |
(л . V* s i n 0 |
^ |
A |
||
T1>T2 = |
----------- |
д * |
^ |
1 : t |
-------------- c |
|
+ * C T .1 ,2 + * 3 B .1 ,2 ; |
|
C-COS0 |
|
J |
||||
|
13 |
~ * C T . l |
*ст.2 + * 3 |
B . l |
*3B.2* |
||
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»
Параметры/Типоразмер |
G10 |
G16 |
G25 |
G40 |
G65 |
G100 |
|
Диаметр условного прохода (D ) |
25 |
32 |
40 |
50 |
65 |
80 |
|
Расход номинальный, QHOM(м3/ч ) |
10 |
16 |
25 |
40 |
60 |
100 |
|
Расход максимальный, 0 ,^ |
(м3/ч ) |
16 |
25 |
40 |
60 |
100 |
160 |
Расход минимальный, |
(м3/ч ) |
0,1 |
0 ,1 6 |
0 ,2 5 |
0 ,4 |
0 ,6 5 |
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
ределяющее акустический импеданс, зависящий от плотности жидкости. Испытание прибора при расходах от 0 до 1800 кг/ч раздельно на нефти и на воде дали одну и ту же градуировочную линейную зависимость.
; В работе [61], выполненной в Англии, на водяной установке исследовано влияние деформации поля скоростей на показания ультразвукового расходомера. Возникающая при этом погреш ность достигает ±2,5 % .
Вработе [62] собрано много сведений, подтверждающих на дежность и достоверность показаний ультразвуковых расходо меров. Кроме того, оцениваются результаты их «сухой» калиб ровки.
Вработе [66] рассматривается и исследуется возможность по верки счетчиков расхода, применяемых в коммунальном хозяй стве в Швеции, на установке, состоящей из высококачественной, тонкостенной, отполированной внутри и прокалиброванной тру бы с накладными пьезопреобразователями ультразвукового рас ходомера.
Вработе [70] рассматривается созданный в Китае ультразву ковой расходомер для газа с пьезоэлементами d= 15 мм, работаю щими на частоте 40 кГц. Испытание в аэродинамической трубе показало возможность измерения при скорости до 20 м /с и по грешности не более ±2 % .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Список общей литературы
01.Бобровников Г. Н., Новожилов Б. М ., Сарафанов В. Г. Бесконтактные рас ходомеры. — М .: Машиностроение, 1985. — 127 с.
02.Бирюков Б. В., Данилов М. А ., Кивилис С. С. Испытания расходомеров. —
М.: Изд-во стандартов, 1987. — 240 с.
03.Гороян В. И. Измерение расхода воздуха, газов и жидкостей в нефтяной
промышленности. — М .: Гостоптехиздат, 1947. — 264 с.
04. Ильинский В. М. Измерение массовых расходов. — М.: Энергия, 1973. — 142 с. 05. Кабза 3., Посполита Я. Оценка динамических свойств различных расходо меров / / Материалы 9-й науч.-техн. конф.: Совершенствование средств измер.
расх. жидк., газа и пара. — СПб.: МЦЭНТ, 1994. — С. 102-106.
06. Катыс Г. П. Элементы систем автоматического контроля нестационарных потоков. — М .: Изд-во АН СССР, 1959. — 211 с.
07. Катыс Г. П. Системы автоматического контроля полей скоростей и расхо дов. — М .: Наука, 1965. — 464 с.
08. Кивилис С. С. Тенденции развития расходометрии / / Метрология и изме рител. техника. — М ., 1972. — Т. 2. — С. 84-146.
09. Кремлевский П. П. Расходомеры. Производственные приборы для измере ния расхода жидкости, газа, пара. — М .; Л .: Машгиз, 1955. — 434 с.
010. Кремлевский П. П. Расходомеры. — М .; Л .: Машгиз, 1963. — 656 с.
011.Кремлевский П. П. Методы и приборы для измерения расходов и коли честв жидкостей, газа и пара / / Измерител. техника. — 1964. — Nfc 1. — С. 50-53; 1967. — № 2. — С. 71-73; 1970. — № 3. — С. 87 -89; 1973. — № 4. — С. 80-81.
012.Кремлевский П. П. Измерение расхода и количества жидкости, газа
ипара. — М .: Изд-во стандартов, 1980. — 192 с.
013.Кремлевский П. П. Измерения расхода многофазных потоков. — Л .:
Машиностроение, 1982. — 214 с.
014. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества. — Л .: Машино строение, 1975. — 776 с .; 1989. — 701 с.
015. Кремлевский IL П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Кн. 1 / Под общ. ред. и при участии Е. А . Ш о р н и к о в а. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2002. — 409 с.
016.Лачков В. И., Недзвецкий В. К. Современная система учета и регулирова ния / / Инженерные системы. — СПб., 2002. — № 4 (8). — С. 61.
017.Лобачев П. В., Шевелев Ф. А. Водомеры для водопроводов и канализа ции. — М .: Изд-во лит. по стр-ву, 1964. — 330 с.
018.Лобачев П. В., Шевелев Ф. А . Измерение расхода жидкостей и газов
всистемах водоснабжения и канализации. — М .: Стройиздат, 1985. — 423 с.
019.Павловский А . Н. Измерение расхода и количества жидкостей, газа и пара. — М .: Изд-во стандартов, 1967. — 416 с.
020.Расчет и конструирование расходомеров / Под ред. П. П. К р е м л е в
ск о г о . — Л .: Машиностроение, 1978. — 221 с.
021.Цейтлин В. Г. Расходоизмерительная техника. — М .: Изд-во стандартов, 1977. — 240 с.
022.Шорников Е. А . Измерительно-вычислительные устройства в теплоэнер гетике. — Л .: Энергоатомиздат, 1996. — 120 с.; — 1985. — 89 с.
023.Шорников Е. А . Расходомеры энергоносителей и повышение точности измерений разности расходов, температур и потребляемой теплоты. — СПб.: НПО ЦКТИ, 1995. — 80 с.
024. Ш орников Е. А ., Кабза 3. Памяти П. П. Кремлевского / / Датчики
исистемы (Sensors and Systems). — 1999. — № 9. — С. 36.
025.Шорников Е. А. Расходомеры и счетчики газа, узлы учета. — СПб.: Поли техника, 2003. — 127 с.
026. Kabza Z. Pomiary strumieni plynow (przewodnik). — Opole, 1996. — 150 s.
381