Источник: "Энергосбережение" №6, 2003, с. 52-53

Влияние температуры рабочей среды на показания ультразвукового расходомера

 

Рябинков А. И., заместитель главного инженера, ЗАО «взлет»

В. М. Кузовков, главный метролог.

 

 

Ультразвуковые расходомеры давно и успешно применяют в качестве преобразователей расхода в составе теплосчетчиков. Несмотря на это, бытует мнение, что использование ультразвуковых расходомеров для измерения расхода теплофикационной воды нежелательно Для обоснования такой точки зрения приводят, как правило, следующие доводы. В формулах расчета расхода ультразвуковых методов измере­ний присутствует скорость звука, значение которой изменяется при изменении температуры воды Из этого факта делается вывод, что и погрешность ультразвуковых ме­тодов измерений расхода воды бу­дет зависеть от ее температуры В качестве других доводов, под­тверждающих существование подобной зависимости, ссылаются на изменения геометрических па­раметров трубопровода в месте установки первичных преобразо­вателей и вязкости воды при изме­нении ее температуры Факты, ко­нечно, упрямая вещь Но что в дан­ных доводах есть факт. Изменение значений скорости звука и вязко­сти воды при изменении ее темпе­ратуры - это факт Существование коэффициента линейного расши­рения для материала стенок трубо­провода - это факт А вот влияние данных факторов на точность из­мерений ультразвуковых расходо­меров - это вопрос, ответ на кото­рый мы попытаемся дать в этой статье, рассмотрев ультразвуко­вой времяимпульсный метод изме­нения расхода

Данный метод основан на из­мерении двух времен:

 

где Т₁, и Т₂ - время прохождения звукового импульса в воде по и против потока,

L - путь звукового импульса,

С - скорость звука в воде,

V- скорость потока,

cosα - угол между направлени­ем распространения звука и осью потока

Если вычесть первое уравне­ние из второго и сделать соответ­ствующие преобразования, то мы получим следующую формулу

которая, казалось бы, наглядно де­монстрирует справедливость одно­го из вышеперечисленных доводов противников ультразвуковых рас­ходомеров Если бы не одно но Хотя данную формулу часто приво­дят в технических изданиях по рас-ходометрии для иллюстрации и объяснения принципа действия времяимпульсного метода, в алго­ритмах работы ультразвуковых рас­ходомеров в приведенном выше виде эта формула не используется Для того чтобы получить искомый ее вид, необходимо вернуться к ис­ходной системе уравнений (1) Сло­жим первое уравнение со вторым и полученный результат подставим в уравнение (2) В результате мы по­лучим следующую формулу

Если теперь обе части уравне­ния умножить на поперечное се­чение трубопровода, то мы получим формулу для объемного расхода

Это именно та формула, по ко­торой ультразвуковые расходоме­ры по измеренным значениям вре­мен прохождения звукового им­пульса в воде Г, и Т₂ вычисляют зна­чение объемного расхода Легко убедиться, что данная формула не содержит скорость звука. А значит, и полученные с ее помощью результаты, не зависят от значения скорости звука Что же получается? Главный довод против ультразвуковых расходомеров превращается I основной довод за их использова­ние Как бы ни изменялось значение скорости звука, это никак н« скажется, согласно формуле (4) на результатах вычисления объемного расхода.

Теперь  рассмотрим  влияние вязкости воды на результаты изме­рений ультразвуковых расходоме­ров. Если звуковой импульс пере­секает трубопровод по диаметру, то измеренное значение скорости потока будет отличаться от значения скорости усредненной по сечению трубопровода  Данное отли­чие учитывается благодаря умно­жению правой части уравнений (4) на гидродинамический коэффици­ент, при вычислении которого И используется значение вязкости, Так как при вычислении расхода расходомерах используется фик­сированное значение вязкости  при его изменении расхода будет производиться дополнительной погрешностью. Проведем  оценку ее величины. При изменении температуры воды от 40 до 150 °С значение вязкости воды будет изменяться от 0,6591  10" до 0,1992-10^вм7с Если в расходоме­ре зафиксировать значение вязко­сти, соответствующее середине указанного диапазона температур, то при изменении температуры во­ды в данном диапазоне температур дополнительная погрешность из­мерения расхода при скоростях потока от 0 5 до 13 м/с не превысит значения ±0 015 %   На реальных трубопроводах рабочий диапазон изменения температуры воды зна­чительно уже а значит, и значение дополнительной погрешности бу­дет   в   несколько   раз   меньше На трубопроводах больших диаме­тров и при коммерческом учете те­плофикационной воды рекоменду­ется использовать расходомеры несколькими звуковыми канала-л расположенными по хордам jtom случае результаты измерения не будут зависеть от значения вязкости воды.

Как известно, с изменением температуры твердых тел изменяются их размеры.  Поэтому у всех расходомеров, которые реализуют метод «площадь - скорость», при изменении   температуры   воды, а следовательно, и температуры стенок трубопровода (или преобра­зователя расхода) будет возникать дополнительная погрешность измерения расхода  Ультразвуковые приборы в данном случае не явля­ются исключением.  Хотя если по­слушать противников ультразвуко­вых расходомеров,  геометриче­ские характеристики трубопровода «меняются только при ультразвуковом методе измерения расхода. Допустим правильность оценок, ко­торые приведены в работе [1], а именно изменение диаметра со­ставляет 0 00165 % на 1 °С измене­ния температуры воды Тогда, со­гласно формуле (4), дополнитель­ная погрешность ультразвуковых расходомеров в данном случае со­ставит 0 005 % при изменении тем­пературы на 1 °С (т к изменяется не только диаметр трубопровода, но и путь прохождения звукового им­пульса в воде) Однако в ультразву­ковых расходомерах существует процедура,  которая позволяет скорректировать   значение   пути прохождения звукового импульса в воде для реального диапазона ра­бочих температур воды. В этом слу­чае максимально возможное значе­ние дополнительной погрешности измерения  расхода составит О 002 % на 1 "С изменения темпера­туры воды

Перейдем теперь от теории к практике Вот уже третий отопи­тельный сезон продолжаются ис­пытания двухлучевых ультразвуко­вых расходомеров «Взлет МР» на трубопроводе теплофикационной воды блока № 1 Северной ТЭЦ АО «Ленэнерго»  Расходомеры установлены до и после подогревателя сетевой воды (ПСГ) Результаты испытаний в отопительном сезоне

2001 -2002 годов изложены в статье [2] Условия проведения испытаний в отопительном сезоне 2002-2003 годов остались практически теми же, что и в предыдущем сезоне Температура воды в трубопроводе до ПСГ изменялась от 40 до 70 °С, а в трубопроводе после ПСГ - от 40 до 110 °С При этом диапазон изме­нения значений массового рас­хода  воды  через  ПСГ составил 2 500-4 500 т/ч при изменении пе­репада температур на ПСГ от 0 до 40 °С Так как через оба расходоме­ра протекало одно и тоже количест­во воды  а изменялась только ее температура   измеренные значе­ния масс воды должны совпадать друг с другом с учетом погрешно­сти каждого расходомера Постро­ив зависимость относительных рас­хождений результатов измерений массового расхода на входе и выхо­де ПСГ(М, %) от изменения перепа­да температур воды на входе и вы­ходе ПСГ (Т, °С), можно по углу на­клона полученной характеристики к оси перепада температур опреде­лить степень влияния температуры воды на точность результатов изме­рений ультразвуковых расходоме­ров Расчет данной характеристики и является целью проводимых ис­пытаний Суммируя результаты ис­пытаний за два отопительных сезо­на   вид полученной зависимости можно представить в виде следую­щего уравнения регрессии 5М = (-0,001) • ДГ-0,35(%) Данный результат говорит о том что на практике среднее зна­чение дополнительной погрешно­сти измерения расхода ультразву­ковыми расходомерами составля­ет 0,001 % на 1 °С изменения тем­пературы воды   Это находится в хорошем соответствии с результа­тами теоретических оценок, которые были представлены выше.

В заключение хотелось бы обра­тить внимание на следующее об­стоятельство. Существует целый ряд факторов которые могут при­водить к появлению дополнитель­ной погрешности при измерениях расхода ультразвуковыми расходо­мерами Если ранжировать их по вкладу в основную погрешность, то влияние температуры воды ока­жется одним из последних в этом перечне Первое место в этом списке будут занимать гидродина­мика течения жидкости и ее изме­нения которые связаны с исполь­зованием различных систем регу­лирования скорости потока. В этой ситуации если погрешность изме­рения имеет две неучтенные систе­матические составляющие, причем значение одной на порядок больше значения другой, имеет ли смысл пытаться выявить и учесть только наименьшую составляющую. Учеб­ники по метрологии дают на этот вопрос однозначный ответ, приво­дя при этом простой пример опре­деления плотности тела. Если в на­шем распоряжении для измерения линейных размеров некоторого те­ла есть штангенциркуль, допускаю­щий погрешность 1 %, то бессмы­сленно проводить взвешивание те­ла на аналитических весах с по­грешностью определения массы тела порядка 0 01 %. Точность определения плотности тела в дан­ном случае все равно будет опре­деляться погрешностью линейных измерений Аналогичная ситуация складывается и вокруг ультразвуко­вых расходомеров с относительной погрешностью измерений 1 -2 %.

Столько было споров при об­суждении темы влияния температу­ры воды на точность измере­ний ультразвуковых расходомеров. А была ли в этом необходимость? Ведь даже если учесть влияние температуры, то относительная по­грешность измерений данных рас­ходомеров принимая во внимание содержание этой статьи, все равно останется равной 1 -2 % .

 

Литература

1 Лачков В И О необходимо­сти учета влияния температуры на результаты измерений водосчетчиков // Труды 16-й Международ­ной научно-практической конфе­ренции «Коммерческий учет энер­гоносителей» СПб Борей-Арт, 2002 С 202-207

2 Филиппов А Ю Будет ли пре­одолен «диафрагменный» барь­ер // Энергосбережение 2002 №4 С 28-29