Типы существующих расходомеров: преимущества и недостатки

Типы ультразвуковых расходомеров

По времени прохождения импульса

Устройство ультразвукового расходомера, основанного на измерении времени прохождения импульса, представлено на рисунке 1. Преобразователи А и В являются и источником, и приемником акустических волн. Сигнал идущий по потоку и против него обладает разным временем прохождения. Разность этого времени пропорционально скорости потока и расходу. Такой метод называется фазовым. Так же существуют частотный метод, основывающийся на измерении времени запаздывания ультразвуковых сигналов.

Рисунок 1. Устройство ультразвукового расходомера

Доплеровский расходомер

Эффект Доплера при ультразвуковом измерении расхода используется следующим образом: излучатель посылает волну с некоторой частотой f и скоростью v; волна отражается от частиц, пузырьков или маленьких вихрей в жидкости, скорость которых равна скорости всего потока; отраженная волна имеет частоту отличную от начальной частоты сигнала; разница этих частот пропорциональна разнице скоростей среды и волны; Зная скорость потока, далее можно рассчитать расход. Схематично принцип действия доплеровского расходомера представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Устройство доплеровского расходомера

Преимущества и недостатки УЗ счетных приборов

Ультразвуковые приборы учета воды, как и любые другие, обладают рядом достоинств и недостатков.

Преимущества:

• минимальная погрешность измерений;
• отсутствует сопротивление потоку. У приборов с отражателями внутри трубы оно минимально;
• высокая надежность и долговечность, обусловленная отсутствием контакта со средой и механических движущихся деталей;
• широкие границы измерений с сохранением высокой точности;
• низкое потребление электроэнергии, автономность и независимость от состояния электросети;
• не требует чрезмерной протяженности прямых участков магистрали.

К недостаткам можно отнести:

• чувствительность к пузырькам воздуха в жидкости и равномерности течения;
• сложность калибровки и регулировки;
• высокая цена.

Внимание! Совокупность приведенных качеств обеспечивает безусловное лидерство ультразвуковых водомеров в системах коммерческого использования воды.

Виды расходомеров сточных вод: уровнемеры, радарные расходомеры, доплеровские, кросс-корреляционные, электромагнитные, время-импульсные, рычажные и другие расходомеры.

В настоящее время существует несколько методов измерения расхода сточных вод в безнапорных трубопроводах и большое количество различных типов оборудования для решения этой задачи. К таким методам можно отнести:

1.  Использование в качестве расходомеров уровнемеров, установленных на лотках Паршаля или Вентури, либо непосредственно над каналом или в колодце трубопровода. При этом средняя скорость не измеряется вообще, а предполагается, что это величина постоянная и расход зависит только от уровня.
2. Радарные бесконтактные расходомеры, измеряющие уровень и скорость поверхностного стока. Средняя скорость потока определяется путем умножения скорости поверхностного стока на постоянный коэффициент.
3. Погружные ультразвуковые расходомеры на основе метода Доплера, измеряющие скорость в различных точках потока и вычисляющие среднюю скорость на основе дополнительно вводимых данных о шероховатости стенок трубопровода и т.д.
4. Системы, обеспечивающие перевод безнапорного режима работы трубопровода в напорный. При этом на самотечную трубу устанавливается секция, загнутая вверх, обеспечивающая заполнение трубы 100%, после чего измерение расхода в этой трубе обеспечивается ультразвуковыми или полнопроходными электромагнитными приборами учета, предназначенными для напорных трубопроводов.
5. Погружные ультразвуковые кросс-кореляционные расходомеры, измеряющие скорость в потоке по слоям и вычисляющие среднее ее значение на основе полученных данных о распределении скоростей по всему сечению потока.
6. Время-импульсные расходомеры (метод еще называют транзит-тайм или время переноса) представляют собой два датчика, расположенных на противоположных стенках трубы или канала, каждый из которых является и приемником и излучателем. Датчики направлены друг на друга и посылают узконаправленный ультразвуковой сигнал один в направлении другого. Ось, проходящая через датчики расположено под углом от 45 до 70 градусов к оси трубопровода. Двигаясь с потоком по течению ультразвуковой луч проходит расстояние от одного датчика до другого быстрее, чем против течения. Исходя из этого определяется скорость течения.

Существуют и некоторые другие типы счетчиков сточных вод, но они мало распространены из-за их очевидных недостатков при работе в стоках.
Это, например, электромагнитные точечные расходомеры, датчики которых производят измерение в локализованной области потока. Их недостатком является то, что электромагнитные точечные датчики способны продолжительно работать только в относительно чистой воде.

Также существуют устройства, определяющие скорость течения на основании измерения угла отклонения штыря (рычага), погруженного в поток. Этот метод достаточно прост, но любая грязь на поверхности течения, особенно в хозбытовых фекальных стоках (волосы, тряпки и т.д.), незамедлительно нарушает показания.

Установка УЗ водомера

При монтаже прибора следует выполнять определенные условия.

Требования к месту установки:

• свободный доступ к прибору;
• наличие в месте установки прямолинейного участка трубы необходимой протяженности. Длина зависит от типа применяемого прибора;
• отсутствие на мерном участке пузырьков воздуха и завихрений жидкости;
• температура воздуха не должна выходить за рамки допустимых условиями эксплуатации величин;
• поблизости не должно быть сильных электромагнитных помех.

Непосредственно монтаж выполняется в следующей последовательности:

• Установка УПР вместе с ПЭП. В случае использования отражателей, отключают подачу воды, затем осуществляется врезка преобразователя с помощью сварки, либо фланцевым соединением. При накладных датчиках отключение не требуется. Компоненты монтируются на трубопровод с внешней стороны. Во всех случаях требуется скрупулезное соблюдение геометрических размеров и углов наклона датчиков;
• монтаж электронного блока управления;
• прокладка соединительных кабелей;
• подсоединение ПЭП.

Затем осуществляется сложная и трудоемкая калибровка прибора. Все операции требуют высокой квалификации исполнителя. Проявлять самостоятельность, не обладая достаточным опытом, не стоит.

Разработка фильтра для подавления акустических помех

В различных областях деятельности современного общества, при использовании акустических систем в замкнутом пространстве,
остается актуальной проблема подавления акустических помех. Такие помехи возникают в самых различных сферах деятельности человека – при озвучивании помещений, в тактических и летных шлемофонах,
в слуховых аппаратах, в исследовательских системах с излучателями и приемниками сигналов звуковой частоты и т.д.

Для подавления сигнала акустической помехи предлагается ввести в измерительный усилитель каскад активного
фильтра верхних частот с частотой среза порядка 120 кГц. Фильтр практически не будет ослаблять полезный
измерительный сигнал с частотой 125 кГц, и будет эффективно подавлять сигнал помехи частотой порядка 30 кГц.

Рисунок 11 – Осциллограмма без акустической помехи

Рисунок 12 – Осциллограмма с акустической помехой

Популярные модели расходомеров

В ассортименте НКФ «Волга» представлены 4 вида счетчиков для определения величины сточных вод: ADS FlowShark, Observer fm 2, GreyLine AVFM 5.0 и ACCUSONIC.

Перейти в каталог

ПРЕИМУЩЕСТВА И ОСОБЕННОСТИ ВИХРЕВЫХ РАСХОДОМЕРОВ:

• стабильность измерения при изменении показателей температуры и давления;
• надежность и стабильность в работе и простота в управлении;
• высокая метрологическая стабильность измерений;
• измерения с содержанием газовой фазы до 15%;
• широкий динамический диапазон;
• низкое энергопотребление допускает их пользование в удаленных районах при двухпроводной схеме подключения;
• измерение при высоких давлении и температуре технологического процесса;
• возможность метрологической диагностики прибора в процессе эксплуатации без остановки потока;
• цифровая фильтрация сигнала;
• удаленная передача данных, настройка, поверка и диагностика через Modbus RTU по интерфейсам RS-485, Hart и USB;
• фирменное ПО;
• при установке необходимы прямые участки не менее 10 Ду (после сужения) и 12 Ду (после колена, тройника, расширения) до и 5 Ду после;
• устанавливается только на прямолинейном участке или на восходящем потоке;
• невозможность эксплуатации на средах с механическими включениями размером выше среднего;
• невозможность применения для высоковязких, сыпучих и неоднородных сред.

Разработка схемы автоматической регулировки усиления (АРУ)

Система АРУ необходима для стабилизации требуемого уровня сигнала на выходе измерительного усилителя в широком
диапазоне давлений газа от 1 до 100 атмосфер в расходомерах диаметром от 50 до 500 мм. Известно, что
уровень сигнала пропорционален давлению газа и обратно пропорционален расстоянию между УЗ-датчиками.
Таким образом, система АРУ должна уметь регулировать коэффициент усиления измерительного усилителя не
менее чем в 1000 раз. Предлагается выполнить АРУ по принципу следящей системы со ступенчатым
изменением коэффициента усиления с шагом в 5 %.

Предлагается выполнить АРУ по принципу следящей системы со ступенчатым изменением коэффициента усиления с шагом в 5 %.
Если уровень измерительного сигнала окажется меньше номинального, то система АРУ будет последовательно
увеличивать коэффициент усиления с шагом в 5%, если больше – уменьшать.

Определим необходимое число ступеней регулировки усиления

На рисунке 6 представлено предложенное схемное решение усилителя системы АРУ. Стабилизация амплитуды измерительного
сигнала осуществляется посредством управления коэффициентом передачи усилительного каскада на операционном усилителе (ОУ)
DA1 с помощью двух 7-разрядных цифровых потенциометров R1 и R2.

Регулировка коэффициента передачи осуществляется по принципу следящей системы. Если измеренная амплитуда измерительного
сигнала меньше требуемой, то происходит увеличение коэффициента передачи на одну ступень (на 5 %), если же амплитуда
больше – уменьшение коэффициента передачи на одну ступень.

Диапазон возможных значений коэффициента передачи усилителя АРУ: от 0,05 до 50. Число ступеней коэффициента передачи: 142.

Рисунок 6 – Усилитель АРУ

Приведем основные расчетные соотношения для схемы усилителя системы АРУ.

Коэффициент передачи входного делителя на потенциометре R1

Сопротивление потенциометра R2

Коэффициент усиления усилителя на ОУ без входного делителя

Суммарный коэффициент передачи усилителя АРУ

Выполним математическое моделирование и определим относительное измерение коэффициента передачи усилителя
АРУ при изменении на единицу кодов потенциометров Kod1 и Kod2. Результаты моделирования приведены на рисунках 7 и 8
соответственно. Из результатов следует, что данные зависимости нелинейные и это существенно затрудняет определение
необходимых значений кодов цифровых потенциометров для реализации ступенчатой регулировки усиления с выбранным шагом в 5 %.

Для решения задачи определения необходимых значений кодов цифровых потенциометров R1 и R2 для каждой из 142 ступеней
регулировки усиления АРУ разработана программа в среде Delphi. Данная программа из 16384 возможных комбинаций кодов
цифровых потенциометров выбирает 142 кода, обеспечивающих требуемый шаг регулировки. Окно программы с результатами расчетов
приведено на рисунке 9.

Рисунок 7 – Зависимость относительного изменения коэффициента передачи усилителя АРУ при изменении на единицу кода цифрового потенциометра R1

Рисунок 8 – Зависимость относительного изменения коэффициента передачи усилителя АРУ при изменении на единицу кода цифрового потенциометра R2

Программа реализует следующий алгоритм. Вначале формируется массив всех возможных значений коэффициента передачи усилителя АРУ KS от 0.008 до 51 с выравниванием по возрастанию. Всего 16384 значения. Затем выполняет расчет необходимых 142 значений коэффициента передачи усилителя АРУ с выбранным шагом в 5 % от 0,05 до 51. На третьем финальном шаге программа формирует итоговый массив коэффициентов АРУ.

Уровень измерительного сигнала определяется и стабилизируется по амплитуде первого перегиба (см.рис.10).

Рисунок 9 – Программа на Delphi для расчета коэффициентов АРУ

Рисунок 10 – Определение уровня измерительного сигнала по амплитуде первого перегиба

Принцип работы ультразвукового расходомера

Как понятно из названия, ультразвуковой расходомер в своей работе использует ультразвук, который не воспринимается человеческим ухом.

Звук возникает в результате вибраций, которые распространяются в виде волн. Для того, чтобы появился звук, необходимо учесть несколько моментов: источник, посылающий звуковые волны, воздушную или жидкую среду, в которой могут распространяться звуковые волны и объект, принимающий или улавливающий звуковые волны.

Количество звуковых волн, воспроизведенных вибрирующим объектом в течение некоторого заданного отрезка времени называется частотой звуковых волн. Чем быстрее вибрирует объект, тем больше будет посылаться звуковых волн, тем выше будет частота звука. И соответственно, чем медленнее происходит вибрирование, тем ниже частота.

Термином «ультразвук» называется звук с частотой выше уровня частоты, воспринимаемой человеческим ухом. Для того, чтобы определить скорость движения среды с помощью ультразвуковых расходомеров измеряют изменения ультразвуковых частот.

Если работает ультразвуковой расходомер, то источник, вибрируя, посылает ультразвуковые волны с некоторой заведомо известной частотой. Звуковые волны распространяются, двигаются в потоке среды до тех пор, пока они ни наталкиваются на пузырьки воздуха или на твердые частицы в потоке движущейся среды. Когда звуковые волны сталкиваются с воздушными пузырьками или твердыми частицами, они отталкиваются или отражаются от пузырька или частицы и двигаются в обратном направлении к принимающему устройству или приемнику.

Частица или пузырек в среде, находящейся в покое

При замере среды в покое у отраженных звуковых волн будет та же самая частота, что и у посланных источником звуковых волн. На рисунке выше изображен пузырек воздуха или твердая частица в среде, находящейся в покое. Пузырек или частица начинают вибрировать с частотой, посланных звуковых волн.
Если среда находится в движении, уровень частоты отраженных звуковых волн, ультразвукового расходомера, сдвигается или изменяется по сравнению с уровнем частоты посланных звуковых волн. На рисунке ниже ряд звуковых волн «впереди» движущегося пузырька более уплотнен в своем последовательном чередовании, чем «позади» пузырька.

Пузырек воздуха в потоке движущейся среды

Волны позади пузырька вытянуты по своей конфигурации по причине наличия скорости движущегося потока. Сам пузырек тоже несколько деформирован по той же самой причине наличия скорости движущегося потока.

Поскольку пузырек движется по мере того, как он посылает обратно или отражает звуковые волны, то фактически он движется «догоняя» звуковые волны впереди него и удаляясь от волн позади него. Другими словами, пузырек начинает вибрировать с той же самой частотой, что и посланные источником звуковые волны, но в результате наличия скорости движущегося потока, который несет этот пузырек, уровень частоты отраженных волн сдвигается. Когда звуковые волны, скомпрессированные в процессе движения потока впереди пузырька, достигают приемника, частота их выше, чем частота звуковых волн, посланных источником, потому, что интенсивность попадания волн на приемник будет выше, чем интенсивность их попадания на приемник в условиях среды, находящейся в покое.

После того, как пройдет пузырек, на приемник ультразвукового расходомера попадают вытянутые по своей конфигурации волны. Частота этих волн ниже, чем частота звуковых волн, посланных передатчиком. Т.к. в последовательности этих волн отмечается расширение, для того, чтобы попасть на приемник этим вытянутым по своей конфигурации волнам понадобиться больше времени.

По мере увеличения скорости движения потока, увеличивается также и сдвиг по частоте. И наоборот, если скорость движения потока среды уменьшается, то уменьшается и сдвиг по частоте. Другими словами, каждому изменению скорости потока присущ соответствующий сдвиг по частоте. Для измерения скорости потока среды в ультразвуковых расходомерах используется эта взаимосвязь. Затем расходомер преобразует величину скорости потока в соответствующую величину расхода потока.

Сдвиг по частоте между переданными и принятыми звуковыми волнами — это один пример естественного феномена, известного по названием эффект Доплера. Он имеет место при условии наличия относительного движения между источником волны и приемником этой волны. В ультразвуковом расходомере движущиеся вместе с потоком среды пузырьки воздуха или твердые частицы становятся передатчиками волн, т.к. от них отражаются волны.

Обзор методов и средств измерения расхода газа

Одной из важнейших задач в газовой промышленности является измерение расхода газа. Система учета количества веществ невозможна без средств
измерения расхода, которые основаны на различных методах измерения расхода.

Расходомер выполняет следующие функции:

1. Вывод результатов измерений объема, расхода, температуры, давления на показывающее устройство;
2. Ввод значений условно-постоянных величин: состав газа, параметры датчиков давления и температуры,
   поправочные коэффициенты, калибровочные коэффициенты;
3. Защиту от несанкционированного доступа к параметрам;
4. Дистанционную передачу измеренных данных;
5. Обеспечение требований искробезопасности.

В настоящее время применяются следующие типы расходомеров:

1. Ультразвуковой расходомер газа. Принцип работы ультразвукового электронного расходомера-счетчика
   газа основан на том, что преобразователи посылают и принимают импульсы, проходящие через среду.
   Ультразвуковой расходомер-счетчик газа измеряет разность времени прохождения сигналов по потоку
   и против него, используя различные способы цифровой обработки сигналов, определяет скорость и
   объемный расход.
2. Струйный расходомер. Принцип работы промышленных цифровых расходомеров газа (воздуха) основан
   на зависимости частоты колебаний струи измеряемой среды в чувствительном элементе расходомера от
   объемного расхода газа, протекающего через него.
3. Кориолисовый расходомер. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний
   U-образных трубок, по которым движется среда.
4. Термоанемометрические расходомеры. Текущее значение расхода газа вычисляется по значению
   рассеиваемой тепловой мощности термоанемометра, составу и теплофизическим свойствам газа, параметрам
   давления, а также размерам чувствительного элемента первичного преобразователя и площади поперечного
   сечения трубопровода.

Ультразвуковой промышленный счетчик газа использует наиболее перспективную на сегодняшний момент технологию
ультразвуковой расходометрии.

Механические счётчики расхода

Бытовые объёмные счётчики газа

Скоростной счётчик — турбинка

Скоростные счётчики

Скоростные счётчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока, а следовательно, и расходу.

Объёмные счётчики

Поступающая в прибор жидкость или газ измеряется отдельными, равными по объёму дозами, которые затем суммируются. Счётчики газа на этом принципе часто встречаются в быту.

Классификация объёмных счетчиков

• В зависимости от конструктивных особенностей рабочего органа: поршневые, шестеренные.
• В зависимости от вида движения рабочего органа: поступательного движения, вращательно-ротационного движения, прецессионного, планетарного движения.

В зависимости и от конструкции и от вида движения рабочего органа классифицируются на:

• поршневые (кольцевые) с планетарным движением кольцевого поршня;
• шестеренные (круглые) с ротационным вращением круглых шестерен;
• шестеренные (овальные) с ротационным вращением овальных шестерен;
• лопастные (камерные) с ротационным вращением лопастей, выполненных в виде камер;
• лопастные (пластинчатые) с ротационным вращением пластинчатых лопастей.

Ёмкость и секундомер

Возможно, самый простой способ измерить расход — это использовать некоторую ёмкость и секундомер. Поток жидкости направляется в некоторую ёмкость, и по секундомеру засекается время заполнения этой ёмкости. Зная объём ёмкости и поделив его на время заполнения, можно узнать расход жидкости. Этот способ подразумевает прерывание нормального течения потока, однако может давать непревзойдённую точность измерения. Широко используется в тестовых и поверочных лабораториях.

Ролико-лопастные расходомеры

Область применения ролико-лопастных расходомеров очень широка: измерение расходов на испытательных стендах, в гидроприводах станков и технологического оборудования, на стационарных и передвижных бензо- и маслозаправочных станциях, в топливных системах карбюраторных и дизельных двигателей автомобилей, тракторов, строительно-дорожных, сельскохозяйственных, лесозаготовительных машин, тепловозов и судов, как дозаторы при заливке танкеров, ж/д цистерн, резервуаров.

Расходомер оснащен встроенным электронным датчиком и программируемым микропроцессорным прибором с жидкокристаллическим дисплеем. Электроника расходомера имеет автономное питание на 3 — 5 лет и герметизированный выход на вторичный электронный прибор или компьютер, управляющий механизмами дозирования. Для метрологического применения или при необходимости проведения высокоточных измерений в технологических процессах, расходомер оснащен датчиком с высокой разрешающей способностью (до долей см3).

Шестерёнчатые расходомеры

Шестерёнчатый расходомер

Впервые расходомер с овальными шестернями был изобретен компанией Bopp & Reuther (Германия) в 1932 году.

Измеряющий элемент состоит из двух шестерёнок овальной формы. Протекающая жидкость вращает данные шестерёнки. При каждом обороте пары овальных колес через прибор проходит строго определённое количество жидкости. Считывая количество оборотов, можно точно определить, какой объём жидкости протекает через прибор.

Данные расходомеры отличаются высокой точностью, надёжностью и простотой, что позволяет их использовать для жидкостей с высокой температурой и под большим давлением. Отличительной особенностью расходомеров с овальными шестернями является возможность использования для жидкостей с высокой вязкостью (мазут, битум).

Расходомеры на базе объёмных гидромашин

В системах объёмного гидропривода для измерения объёмного расхода рабочей жидкости применяют объёмные гидромашины (как правило — шестерённые или аксиально-плунжерные гидромашины).

Объёмная гидромашина в этом случае работает как гидродвигатель, но без нагрузки на валу. Тогда объёмный расход через гидромашину можно определить по формуле:

Q=q⋅n,{\displaystyle Q=q_{0}\cdot n,}

где

• Q{\displaystyle Q} — объёмный расход,
• q{\displaystyle q_{0}} — рабочий объём гидромашины (определяется по паспорту гидромашины),
• n{\displaystyle n} — частота вращения выходного вала гидромашины, которую можно измерить тахометром.

Заметим, что объёмная гидромашина пропускает через себя весь расход жидкости, что для объёмного гидропривода не представляет сложности ввиду малых расходов.