Продолжаем публикацию авторского материала об оценке погрешностей при учете расхода жидкостей. Начало в № 3/2020 и 4/2020 журнала.

Часть III. Вихревые расходомеры. Выбор типа расходомера.

Очень интересным и занимательным с точки зрения оригинальности способом измерения расхода жидкости используется способ, применяемый в вихревых расходомерах. Принцип учета расхода жидкости в этих расходомерах основан на эффекте вихревой дорожки Кармана. Суть явления, происходящего в вихревом расходомере современной конструкции, проиллюстрирован на Рис.5. В поток жидкости помещается некое тело в форме призмы (трапециедальной либо треугольной в сечении), называемое завихрителем либо турбулизатором потока (1). На завихрителе установлены пьезодатчики (2), называемые преобразователями пульсаций давления и преобразователь избыточного давления (3).Температура среды контролируется термопреобразователем сопротивления (4). Все сигналы регистрируются и обрабатываются двумя блоками: блоком цифровой обработки (5) и вычислителем (6). Для дистанционной связи предусмотрен цифровой интерфейс RS-485 и другие интерфейсы, включая зажимы клеммных колодок и USB. Цифровой выходной сигнал формируется для вихревых интеллектуальных расходомеров ЭМИС-ВИХРЬ 200, например, на базе протокола ModbusRTU.

Суть процесса сводится к регистрации пульсаций давления. Перепад давления обеспечивается периодическим образованием вихрей, т.е. зон с пониженным давлением по сравнению с фронтальным избыточным давлением. Количество образующихся завихрений пропорционально скорости потока жидкости или газа. Таким образом, по частоте пульсаций давления, регистрируемого пьезоэлектрическими датчиками, фиксируется расход среды, обтекающей препятствие.

Рис.5  Иллюстрация принципа работы вихревого расходомера.

Одной из разновидностей вихревых расходомеров являются расходомеры с мишенью, в которых вместо треугольной призмы используется дискообразная либо шарообразная мишень, укрепленная на эластичном держателе, оснащенном тензодатчиком регистрирующим тип и степень деформации либо на силовом рычаге. Все объяснения по принципу работы последних сводятся к механике рычага и забывается, что в любом случае, какой бы формы не было бы тело, помещенное в поток жидкости или газа, оно создает сопротивление потоку из-за того, что за ним, в потоке, давление понижено и на рычаг давит сила пропорциональная разности фронтального давления и области пониженного давления, создаваемого вихревым турбулентным движением. Т.е.

подтягивание под объяснения принципа работы мишенных расходомеров с рычажным механизмом, имеющих пружинный механизм возврата, какого-то «принципа положительного накопления» (см. в интернете сайт KIPIAVP.RU) просто является некорректным с точки зрения законов гидродинамики.

Существуют еще вихревые расходомеры с прецессией воронкообразного вихря. Тут поток при переходе из узкой в широкую часть трубы закручивается и вызывает пульсации давления. Процесс пульсаций регистрируется пьезоэлементом с последующим определением расхода.

Аналогично устроены вихревые расходомеры с осциллирующей струей, где пульсации давления создаются специальной конструкцией самого датчика, в которой струя измеряемого потока вытекает с пульсациями из отверстия.

Для систем коммерческого и технологического учета жидкостей, газа, пара в трубопроводах с диаметром до 2000 мм применяются погружные вихревые расходомеры, в которых датчик крепится на штанге, перемещаемой в зависимости от диаметра трубы в различные геометрические точки на оси диаметра трубы для оптимизации процесса измерения. Для примера у расходомеров ЭМИС-ВИХРЬ 205, предназначенных для измерений расхода в трубопроводах диаметром D от 0,3 м до 2,0 м, для труб диаметром 0,3…0,8 м датчик помещается в центр трубы, для труб диаметра более 0,8 м до2,0 м датчик помещают на глубину (0,121 0,0065) D в точку средних скоростей и при D = 0,8 м ….1,2 м допускается датчик устанавливать на уровень 0,5D.

В целом вихревые расходомеры – это одни из самых популярных и востребованных приборов учета расхода вещества в отечественной промышленности. Рабочий диапазон преобразователей расхода составляет 0,1 … 10⁴ м³/ч. Они обладают рядом преимуществ перед остальными расходомерами. Они характеризуются

– высокой метрологической стабильностью измерений;

– сохранением точности измерений при изменении параметров процесса;

– отсутствие подвижных частей;

– стабильная работа при высоких температурах до 460^оС (стандартный диапазон составляет от -40 ^оС до 250^оС);

– охватывает очень широкий спектр сред измерения, в том числе эмульсии, загрязненные, минерализованные жидкости и т.д.;

-не требует периодического технического обслуживания, самоочищение проточной части;

– компенсация снижения чувствительности датчиков в течение всего срока эксплуатации;

– повышенная чувствительность к малым расходам благодаря исполнениям расходомеров со встроенными сужениями.

К недостаткам вихревых расходомеров мало что можно отнести, но все же они имеют место быть. В частности:

– вихревой расходомер обладает большой чувствительностью к вибрациям, турбулентности и неоднородности потока;

– при измерениях требуется значительная скорость потока;

– отмечаются просадки по давлению. Оно не должно в целом превышать 10 МПа;

– вносят в поток заметное гидравлическое сопротивление Δ P = 30…50 кПа;

– расходомеры не предназначены для измерения вязких и загрязненных сред, склонных к образованию отложений. Вязкость ограничена, как правило  ~10 МПа с.

Что касается относительной погрешности измерений объемного расхода и объема среды, возьмем данные по вихревому расходомеру ЭМИС-ВИХРЬ 200. По частотному, импульсному и цифровому выходным сигналам, δ_o для различных сред и классов точности А, Б и В составляет различную величину для разных уровней расхода Q в различных диапазонах изменений. Если обозначить Q_max – максимальный расход, Q_n = 0,06Q_max – для жидкостей переходной расход и Q_min – минимальный расход. Для газов и пара Q_n = 0,1Q_max. Данные представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Пределы допускаемой относительной погрешности по токовому выходному сигналу не превышают δ_o = [| δ_o| + 0,2I_max/ (4+16Q/Q_max)], %

где δ_o– допускаемая погрешность, согласно Таблице 1;

I_max = 20 мА – максимальное значение силы тока в цепи выходного токового сигнала;

Q-значение расхода, [м³/ч];

Q_max – максимальный расход, соответствующий  I_max = 20 мА согласно паспорту преобразователя, [м³/ч].

При наличии газовой фазы в жидкости до 4% вихревой расходомер данного типа может  проводить измерения с погрешностью 1%. При увеличении содержания газовой фазы до 15% расходомер сохраняет работоспособность с погрешностью 6,5%.

Следует сказать несколько слов о современных вихревых расходомерах.

В одно время в этих расходомерах использовались большие тела обтекания, блокирующие до 43% площади поперечного сечения. Поэтому интересными являются вихревые расходомеры, в которых генерируется ультразвуковой луч, проходящий через поток вихрей ниже по течению после «тела обтекания». При прохождении вихрей несущая ультразвукового сигнала изменяется. Изменение несущей доступно для измерения и смещается пропорционально количеству образовавшихся вихрей. В результате цифровой обработки сигналов есть возможность определения числа вихрей, образующихся в результате смещения несущей. Программа цифрового расчета позволяет определить скорость потока и преобразует скорость в объемный расход. Есть возможность получить объемный расход в единицах измерения, выбранных оператором. При использовании такой методики в газовых расходомерах при использовании внешнего датчика давления и встроенного термометра сопротивления, программное обеспечение расходомера, компенсируя изменение давления и температуры, позволяет произвести точное измерение массового расхода.

Для усиления эффекта в некоторых вихревых расходомерах устанавливают несколько обтекаемых тел, которые могут иметь различную форму, например, треугольную или круглую, но заметно меньшего размера, чем в ранних приборах.

Таким образом, до настоящей строки повествования о принципах измерений расхода жидкости, мы рассказали о доплеровских измерителях расхода жидкости, магнитных приборах учета расхода, ультразвуковых TOF-приборах измерения расхода жидкости,кориолисовых и вихревых расходомерах. Каждый тип прибора нашел свою нишу использования в быту и промышленных технологиях.

Если подытожить все, что сказано мной о расходомерах, счетчиках-расходомерах различного типа, можно сказать следующее, что мы рассмотрели принципы работы тех приборов, которые являются либо в целом более универсальными по сравнению с другими, либо могут использоваться для измерения расхода, использованного объема и массы воды либо водных растворов в отчетное время.

Метрологические характеристики расходомеров и счетчиков различных жидких и газовых сред выходят на первый план в случае их применения в промышленных технологиях и ЖКХ в основном для коммерческого учета энергоресурсов. При этом необходимо помнить, что все приборы, которые планируется использовать для целей коммерческого учета, должны быть в обязательном порядке внесены в Государственный реестр средств измерений после прохождения необходимых испытаний, по результатам которых подтверждаются заявленные производителем метрологические характеристики. В этом случае именно действующим описанием типа средства измерения следует руководствоваться при оценке погрешностей. Однако в стремлении к наибольшей успешной реализации своих приборов производители иногда скрывают их недостатки. Так, например, в некоторых случаях заявленная производителем низкая погрешность измерения не может быть обеспечена во всем диапазоне, а в некоторой узкой полосе. Об этом производители предпочитают промолчать в своей технической документации к прибору и рекламных материалах.