Расходомеры жидкости, счетчики для грязной и чистой воды: как выбрать

Возможные проблемы при использовании приборов учета стоков с погружными датчиками

Наиболее серьезной проблемой при использовании погружных датчиков является возможность потери ими работоспособности в результате загрязнения при работе в грязном канализационном стоке, либо разрушения при наличии в потоке перекатывающихся камней и других тяжелых предметов. При этом Водоканалы России особенно серьезно относятся к этой проблеме, потому что считают канализационные трубы в нашей стране самыми грязными. Но это не совсем так. Погружные датчики используются во всем мире, не только в хорошо ухоженных трубах Германии и Швейцарии, но и в Индии и в других странах, где канализация ничуть не чище отечественной.

Применяемые ультразвуковые датчики специально рассчитаны на тяжелые условия работы и не теряют работы при заиливании, так как мокрый ил хорошо пропускает ультразвука.

При покрытии датчиков слоем тряпок или материалом, непрозрачным для ультразвука, расходомеры ведущих производителей не дают неверных показаний, а сигнализируют об ошибке и необходимости прочистки. Для уменьшения вероятности засорения датчики обычно устанавливают не внизу (не на 6 часов), а с некоторым смещением (например, на 4 часа или 5 часов).

Применяют также установку на небольшом возвышении (на специальной подставке) и еще целый ряд методов для минимизации проблем, создаваемых грязью.

Для защиты от перекатывающихся камней и других твердых предметов, которые могут разбить корпус датчика, используют металлическую защиту специальной формы.

Еще одной проблемной задачей является измерение в потоках, имеющих в некоторые моменты времени низкий уровень. Это приводит к тому, что вода не покрывает датчик и не позволяет производить измерение скорости. Выше уже описывалась возможность перевода безнапорного потока в напорный за счет использования загнутой вверх трубы. Для поднятия уровня могут также использоваться небольшие плотины. При этом поток остается безнапорным, но уровень повышается.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДИКИ И НОРМАТИВЫ

При всем разнообразии существующих методов измерения, выбор расходомеров для учета пара ограничен. В данной статье предлагаем рассмотреть два основных способа – с помощью сужающих устройств и вихревых расходомеров.

Первый метод предусматривает установку в трубопроводе сужающего устройства (СУ). Преимущественно в качестве СУ используются диафрагмы, но также возможно применение сопел, труб Вентури и других местных гидравлических сопротивлений.

При прохождении потока через диафрагму характер его течения меняется. Непосредственно перед сужающим устройством давление среды возрастает, а после него – снижается. Чем больше разница давления до диафрагмы и после неё, тем выше расход. 

Давление среды, а также его перепад на сужающем устройстве измеряют методами и СИ, соответствующими требованиям ГОСТ 8.586.5. Учет пара данным методом также регламентируется ГОСТ Р 8.586.1 – 2005, в котором, в частности, прописано, что по условиям применения стандартных сужающих устройств, контролируемая среда должна быть однофазной и однородной по физическим свойствам (п. 6.2.2), а её расход должен быть постоянным или медленно изменяющимся во времени. (п. 6.3.1)

Второй метод с помощью вихревых расходомеров основан на эффекте фон Кармана. За телом обтекания по обеим его сторонам в потоке происходит поочередное образование вихрей. Частота вихреобразования пропорциональна скорости потока. Измерив пульсацию давления, возникающего в потоке вихрей за телом обтекания, возможно узнать расход.

При учете пара вихревыми расходомерами, помимо расхода в рабочих условиях, также необходимо дополнительно измерять давление и температуру среды. Измеренные параметры поступают в тепловычислитель, который рассчитывает значение массы пара либо тепловой энергии.

Отметим, что для измерения массы насыщенного пара достаточно только одного внешнего датчика на выбор, поскольку определенное значение давления соответствует значению температуры.

Таблица температуры и давления насыщенных паров здесь

Алгоритмы расчета теплофизических свойств пара прописаны в методике Государственной службы стандартных справочных данных ГСССД МР 147-2008.

Как правило, в составе средств измерения указанные выше алгоритмы являются принадлежностью вычислителя или контроллера. Однако, применительно к вихревым расходомерам торговой марки «ЭМИС», такие алгоритмы являются составной частью программного обеспечения электронного блока вторичного преобразователя самого счетчика – расходомера.

В соответствии с данными алгоритмами «ЭМИС»-ВИХРЬ 200» самостоятельно осуществляет коррекцию и вычисления, благодаря возможностям электронного блока с функцией вычислителя («ВВ»), предусматривающего подключение внешних датчиков давления и температуры.

Прибор рассчитывает следующие параметры: мгновенный и массовый расход пара, его плотность, энтальпию и накопленную энергию.

Таблица: Параметры алгоритмов расчета

При этом важно отметить, что при поверке функции «ВВ» расходомера в момент его выпуска из производства данная процедура должна осуществляться с применением датчика давления и температуры. Помимо встроенных аттестованных алгоритмов, в соответствие с ГСССД, в числе преимуществ вихревых расходомеров также следующие возможности:

Помимо встроенных аттестованных алгоритмов, в соответствие с ГСССД, в числе преимуществ вихревых расходомеров также следующие возможности:

«ЭМИС»-Интегратор»

Вместе с тем необходимо заметить, что при требовании или желании заказчика может поставляться узел учета тепловой энергии «ЭМИС-Эско 2210», в состав которого также будет входить вычислитель, как отдельное средство СИ.

Способ монтажа

Приняв во внимание характеристики измеряемой среды, нужно также обратить внимание на условия монтажа расходомера. Можно выделить 3 основных способа монтажа

• Врезные расходомеры. Подобные приборы представляют собой уже готовую небольшую секцию трубопровода с установленным на ней расходомером. Для установки подобного прибора необходимо либо удалить участок трубы и установить расходомер на это место, либо производить монтаж на байпасном трубопроводе. Плюсом врезных расходомеров является их относительно невысокая стоимость (однако только если речь идет о небольших диаметрах трубопровода). Минусом же является неудобство монтажа – врезка требует определенных усилий, отнимает много времени и, разумеется, требует остановки производства. Кроме этого врезные расходомеры не подходят для использования на трубопроводах больших диаметров. К данному типу расходомеров относится, например, прибор VA 420.
• Погружные расходомеры. Для установки данных приборов не нужно вырезать целую секцию трубопровода или устанавливать байпасное соединение. Установка производится путем сверления небольшого отверстия в стенке трубопровода, помещения в него штанги расходомера и закрепления прибора в таком положении. Подробнее об установке погружного расходомера можно прочесть в соответствующей статье. Плюсами данного типа приборов является простота установки и относительно невысокая стоимость. Кроме этого данные приборы легко можно использовать на трубопроводах больших диаметров. К примеру, длина штанги у некоторых исполнений расходомера SS 20.600 позволяет использовать его в трубопроводах диаметром до 2 метров. Недостатком же является то, что данные приборы не очень удобно использовать на крайне малых трубопроводах – при значении диаметра 1/2» и менее предпочтительнее использовать врезные расходомеры.

Накладные расходомеры. Принцип работы данных расходомеров не требует прямого доступа к измеряемой среде – измерение производится через стенку трубопровода обычно ультразвуковым методом. Монтаж данных расходомеров является наиболее удобным и простым, но их стоимость обычно в несколько раз выше, чем у погружных и врезных приборов, поэтому использовать их имеет смысл только в случае, если нет никакой возможности нарушать целостность трубопровода.

Маркировка диафрагм

Обычно на диафрагмах стоит маркировка с указанием информации по поводу размера проходного отверстия. Как правило, эта информация отштампована на хвостовике диафрагмы. Кроме размера проходного отверстия, там может быть и другая информация, такая как: название завода-изготовителя и код материала, из которого изготовлена диафрагма, соответствующий размер трубы, для установки в которую сконструирована данная диафрагма. Эта информация предельно важна для киповца, которому приходится заниматься заменой диафрагм при повреждении или по причине того, что она сработалась. На хвостовике новой диафрагмы, которую устанавливают, должна быть такая же маркировка с информацией идентичной информации заменяемой старой диафрагмы.

Маркировка на хвостовике диафрагмы

По причине того, что диафрагмы могут быть специальной конструкции для правильной бесперебойной эксплуатации, необходимо соответствующее проекту размещение проходного отверстия. Многие производители при маркировке всех своих диафрагм добавляют слова «Up» (вверх) или «Inlet» (входная). В противном случае, при отсутствии данных слов в маркировке, общее правило монтажа всех диафрагм такого: устанавливать диафрагму нужно таким образом, чтобы сторона с маркировкой была входной для проходящего через диафрагму потока. Ориентация при установке диафрагм без маркировки определяется в зависимости от типа ребер проходного отверстия.

Типы ребер диафрагм проходного отверстия

На рисунке выше в качестве примера изображены две диафрагмы со следующими типами ребер проходного отверстия: ребро диафрагмы со скосом и с углубленной фаской, нарезанной по краю ребра. В обоих случаях ребро проходного отверстия с другой стороны диафрагмы обычное прямоугольное, без скоса или фаски.

В обоих случаях, как при установке диафрагм с маркировкой, так и при установке диафрагм без маркировки, следует устанавливать диафрагму так, чтобы поток входил в диафрагму со стороны обычного прямоугольного ребра проходного отверстия. Скошенное или с нарезной фаской ребро проходного отверстия должно находится со стороны ниже по потоку относительно диафрагмы.

Время-импульсные ультразвуковые счетчики

Время-импульсный метод (или, по-другому, фазового сдвига) основан на измерении времени прохода сигнала против движения потока и по направлению перемещения жидкости. Для преобразования ультразвукового сигнала на трубопроводе устанавливают два или четыре смещенных вдоль движения воды пьезоэлемента. Как правило, применяются дисковые элементы, реже – кольцевые (на малых диаметрах).

Пьезоэлементы могут устанавливаться внутри потока (на внутренних стенках трубы или канала) или снаружи трубопровода (в этом случае сигнал проходит через наружную стенку). В зависимости от применяемых датчиков счётчики могут устанавливаться в самотечных системах (как открытых, так и закрытых), а также в полностью закрытых трубопроводах с избыточным давлением среды. Различают такие виды датчиков скорости:

• трубные – врезаются в водопровод с внешней стороны. Могут применяться в напорной и безнапорной среде;
• клиновидные – устанавливаются на дне или внутренней стенке трубы. Как правило, используются в безнапорных каналах либо в трубопроводах больших диаметров, если установка и обслуживание датчика снаружи неудобна;
• сферические или полусферические – монтируются на наклонных стенках открытых трапециевидных каналов;
• штанговые – имеют вид трубок, устанавливаются на вертикальных стенках каналов;
• накладные – бесконтактные датчики, ставятся на внешнюю поверхность трубопровода.

В зависимости от способа установки датчиков различают контактные и бесконтактные устройства. Преимущество бесконтактных переносных расходомеров в возможности устанавливать их на трубопроводы без нарушения целостности. Они достаточно редко устанавливаются стационарно, чаще используются для поверочных замеров в разных точках.

Время-импульсные расходомеры пригодны для нахождения расхода чистой воды или немного загрязненной (с незначительным включением взвешенных частиц). Их применяют в водоснабжении и водоотведении, в охлаждающих контурах, в ирригационных схемах орошения, на насосных напорных станциях, в открытых природных и искусственных каналах и реках. Применяются как для коммерческого, так и для технологического учета.

Расходомер воздуха с пле­ночным термоанемометром

Измерительный патрубок 2 вмонтирован в массовый расходомер воздуха, который в зависимости от требуемого дви­гателем расхода воздуха имеет различ­ные диаметры. Он устанавливается во впуск­ном канале за воздушным фильтром. Воз­можен также вариант встроенного измери­тельного патрубка, который устанавливается внутри воздушного фильтра.

Воздух, входящий во впускной коллектор, обтекает чувствительный элемент датчика 5, который вместе с вычислительным кон­туром 3 является основным компонентом датчика.

Входящий воздух проходит через об­водной канал 7 за чувствительным эле­ментом датчика. Чувствительность датчика при наличии сильных пульсаций потока мо­жет быть улучшена применением соответ­ствующей конструкции обводного канала, при этом определяются также и обратные токи воздуха. Датчик соединяется с ЭБУ через выводы 1.

Принцип работы массового расходомера воздуха заключается в следующем. Микромеханическая диафрагма датчика 5 на чувствительном элементе 3 нагревается центральным нагревающим резистором. При этом имеет место резкое падение температуры на каждой стороне зоны нагрева 4.

Распределение температуры по диафраг­ме регистрируется двумя температурозависимыми резисторами, которые устанавли­ваются симметрично до и после нагреваю­щего резистора (точки измерения М1 и М2). При отсутствии потока воздуха на впуске температурная характеристика 1 одинакова на каждой стороне измеритель­ной зоны (Ti = T2). Как только поток воздуха начинает обтекать чувствительный элемент датчика, распределение температуры по диафрагме меняется (характеристика 2).

На стороне входа воздуха температурная характеристика является более крутой, пос­кольку входящий воздух, обтекающий эту поверхность, охлаждает ее. Вначале на про­тивоположной стороне (сторона, наиболее близко расположенная к двигателю) чувствительный элемент датчика охлажда­ется, но затем воздух, подогреваемый наг­ревательным элементом, нагревает его. Из­менение в температурном распределении (ΔT) приводит к перепаду температур меж­ду точками измерения М1 и М2.

Тепло рассеивается в воздухе и, следова­тельно, температурная характеристика чувствительного элемента датчика является функцией массового расхода воздуха. Раз­ница температур, таким образом, есть мера массового расхода воздуха и при этом она не зависит от абсолютной температуры про­текающего потока воздуха. Кроме этого, разница температур является направлен­ной. Это означает, что массовый расходо­мер не только регистрирует количество вхо­дящего воздуха, но также и его направление.

Благодаря очень тонкой микромеханичес­кой диафрагме датчик имеет очень высокую динамическую чувствительность (

Такой уровень напряжения подходит для обработки сигналов в ЭБУ. Используя характеристику датчика, запрограммированную в ЭБУ, измеренное напряжение преобразуется в величину, представляющую массовый расход воздуха (кг/ч). Форма кривой характеристики явля­ется такой, что диагностические устрой­ства, встроенные в ЭБУ, могут определять такие нарушения, как обрыв цепи

Разница сопротивлений в точках измере­ния М1 и М2 преобразуется встроенным в датчик вычислительным (гибридной схе­мой) контуром в аналоговый сигнал напря­жением 0…5 В. Такой уровень напряжения подходит для обработки сигналов в ЭБУ. Используя характеристику датчика, запрограммированную в ЭБУ, измеренное напряжение преобразуется в величину, представляющую массовый расход воздуха (кг/ч). Форма кривой характеристики явля­ется такой, что диагностические устрой­ства, встроенные в ЭБУ, могут определять такие нарушения, как обрыв цепи.

В датчик может также быть вмонти­рован температурный датчик для выполне­ния вспомогательных функций. Он распола­гается в пластмассовом корпусе и не явля­ется обязательным для измерения массо­вого расхода воздуха.

История создания и принцип действия ультразвуковых расходомеров

В 1880 г. Пьер и Жак Кюри открыли, что под действием силы на поверхности ряда материалов появляются электрические заряды. Данный эффект был назван прямым пьезоэффектом, а деформация материалов под воздействием электрического поля – обратным пьезоэффектом.

Данное открытие начало применяться на практике с 1917 г., когда французский математик и физик Поль Ланжевен изобрел ультразвуковой эхолокатор для обнаружения подводных объектов.

В 1950 — 1960 годах японский физик Шигео Сатомуро, работавший в области медицины, впервые разработал и применил ультразвуковые приборы, основанные на методе Доплера, для мониторинга тока крови в теле человека. Вскоре после этого были разработаны и стали внедряться доплеровские ультразвуковые расходомеры для самых различных типов жидкости.

Заложенный в их основе принцип был открыт и опубликован известным австрийским математиком и физиком Кристианом Доплером в 1842 году. Из анализа волновой теории он сделал выводы, что если источник света или звука движется в направлении приемника, то это увеличивает частоту принимаемого сигнала, а если источник света или звука или ультразвука движется в направлении от приемника, то это уменьшает частоту принимаемого сигнала. Доплер теоретически обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.

Однако приборам для измерения скорости течения жидкости, работающим на методе Доплера, необходимо наличие частиц или пузырьков воздуха в потоке жидкости и этот метод не подходит для чистой воды.

В результате в 1990-х годах был разработан и начал широко применяться время-импульсный метод, который обеспечивал высокоточные измерения в потоке однородной жидкости или газа, без существенных включений и разделений на фракции.

Но даже при работе в воде с достаточным количеством взвешенных частиц метод Доплера имеет существенный недостаток. Он не учитывал распределение скоростей движения жидкости по слоям потока, что приводит к существенным ошибкам при измерениях в больших трубах и каналах. Известно, например, что в открытых каналах скорость движения воды у дна существенно ниже, чем скорость ближе к поверхности, разница между этими скоростями зависит от шероховатости дна и стенок канала, наличия отложений и других факторов, которые учитываются в Доплеровских счетчиках за счет использования теоретических коэффициентов, т.е. учитываются весьма приблизительно.

Для более точного определения поправочных коэффициентов была предложена калибровка приборов на каждом месте измерения. Однако вскоре выяснилось, что калибровочный коэффициент зависит от текущего уровня и скорости потока, что сделало требуемую систему калибровки весьма сложной и практически неприменимой. В результате и сегодня погрешность, которую дает Доплеровский расходомер, во многих случаях получается достаточно большой.

Новым существенным шагом в области развития ультразвуковых технологий измерения расхода стало создание в 2000 году метода кросс-корреляция, который позволяет определить скорость движения жидкости в разных слоях.

Метод также требует наличия частиц в потоке и основывается на математическом сопоставлении (корреляции) ультразвуковых фотографий потока, получаемых с высокой частотой. В результате данного сравнения определяется изменение положение частиц во всех слоях потока за известный промежуток времени и определяется средняя скорость без ввода каких-либо теоретических коэффициентов.

В настоящее время принцип работы ультразвукового расходомера воды базируется на одном из указанных выше методов.

Расходомеры перепада давления

В основе принципа действия таких приборов – измерение перепада давления, возникающего в момент прохождения жидкостного или газового потока через сужающееся приспособления (шайбу, сопло). В этом месте меняется скорость потока, а давление возрастает. Замеры в точке прохождения препятствия производятся с использованием дифференциального датчика давления.

Недостатки

• Измерения возможны в малом динамическом диапазоне.
• Любые осадки на сужающем устройстве приводят к значительным погрешностям.
• Механические препятствия в сечении снижают надежность конструкции.

Эти шесть вариантов считаются основными типами расходомеров для измерения объемов жидкостей и газообразных сред, воздух и воды.

В компании Измеркон предлагается широкий выбор промышленных расходомеров воздуха и сжатых газов, в том числе и с цифровым интерфейсом. Вы можете подобрать подходящую модель, ориентируясь на описание или проконсультировавшись с менеджерами. Наша компания из Санкт-Петербурга обеспечивает отправку измерительных приборов по всей России.

Проверка датчика температуры всасываемого воздуха

Перед тем как проверить датчик температуры всасываемого воздуха, нужно разобраться с принципом его работы. Датчик основан на термисторе. В зависимости от температуры поступающего воздуха, ДТВВ меняет свое электрическое сопротивление. Формируемые при этом сигналы подаются на ECM с тем, чтобы получить правильное соотношение топливной смеси. Диагностику датчика температуры воздуха на впуске необходимо выполнять на основе измерения сопротивления и величины электрических сигналов, исходящих от него.

Проверку начинают с вычисления сопротивления. Для этого пользуются омметром, сняв датчик с автомобиля, Процедура происходит путем отключения двух проводов и подсоединения их к измерительному прибору (мультиметру). Измерение проводят в двух режимах работы двигателя — “холодном” и на полных оборотах.

Измерение сопротивления датчика

В первом случае сопротивление будет высокоомное (несколько кОм). Во втором — низкоомное (до одного кОм). В инструкции по эксплуатации к датчику обязательно есть таблица или график со значениями сопротивления в зависимости от температуры. Значительные отклонения говорят о неправильной работе устройства.

В качестве примера приводим таблицу таблицу соотношения температуры и сопротивления датчика всасываемого воздуха для двигателей автомобиля ВАЗ 2170 «Лада Приора»:

На следующем этапе, проверьте соединение проводников с управляющим устройством. То есть, с помощью тестера удостоверьтесь в наличии проводимости каждого контакта на массу. Воспользуйтесь омметром, который включите между разъемом температурного датчика и отключенным разъемом управляющего устройства. При этом значение должно быть 0 Ом (учтите, что при этом вам необходима схема контактов). Проверьте каждый контакт на разъеме датчика омметром при отключенном разъеме относительно массы.

Измерение сопротивления ДТВВ у Toyota Camry XV20

Например, чтобы проверить сопротивление датчика на автомобиле Toyota Camry XV20 с 6-ти цилиндровым двигателем, необходимо присоединить омметр (мультиметр) к 4-му и 5-му выводу датчика (см. рисунок).

Однако чаще всего ДТВВ имеет два выхода терморезистора, между которым и нужно проверять сопротивление элемента.

Также предлагаем вашему вниманию схему подключения IAT в автомобиле Hyundai Matrix:

Схема подключения ДТВВ с ДАД у Hyundai Matrix

Заключительный этап проверки — выяснить напряжение питания на разъеме. При этом необходимо включить зажигание автомобиля. Величина электрического сигнала должна составлять 5 В (у некоторых моделей ДТВВ это значение может отличаться, уточняйте его в паспортных данных).

Датчик температуры всасываемого воздуха является полупроводниковым прибором. Соответственно, его настройка невозможна. Возможна лишь чистка контактов, проверка сигнальных проводов, а также полная замена устройства.