1 Современные методы измерения расхода в трубопроводах большого диаметра
    1.1 Приборы с переменным перепадом давления в сужающем устройстве
    1.2 Турбинные расходомеры
    1.3 Ультразвуковые расходомеры
    1.4 Электромагнитные расходомеры
2 Измерения расхода зондовым электромагнитным преобразователем

1 Современные методы измерения расхода в трубопроводах большого диаметра

    В последние годы на Украине наметилась тенденция к повышению количества объектов промышленного и сельскохозяйственного производства, что ведет к повышению потребления воды. Запасы пресной воды на Украине на самом деле не такие уж большие. Например, в Германии, Австрии, Франции, Испании запасы пресной воды в несколько раз больше, если брать средний показатель на человека. При этом норма потребления питьевой воды на одного жителя Украины в полтора- два раза выше, чем в выше указанных странах. А если учесть, что в нашей стране есть еще населенные пункты, где вода подается по часам, то можно понять, как важны проблемы организации учета и распределения воды. Решение задачи сбережения водных ресурсов, в настоящее время, немыслимо без создания и развития крупных водных систем, что в свою очередь ставит задачу повышения гарантированности обеспечения потребителей водой, возможностью внедрения в системы водоучета и водораспределения современных расходомерных информационно-измерительных систем (ИИС) и систем автоматического регулирования (САР). Создание таких систем требует большого количества надежных, дешевых, простых и удобных в эксплуатации средств измерительной техники (СИТ) с высокими метрологическими характеристиками, в частности, расходомеров воды для труб среднего и большого диаметра.
    Создание таких СИТ расхода (расходомеров) чрезвычайно актуально, ибо позволит решить проблему водопользования в целом, включая такие вопросы как, общая оценка водных ресурсов, добыча, транспортирование, учет и их распределение, а также водоохранные, экологические проблемы.
    В настоящее время наиболее часто используются следующие преобразователи расхода: электромагнитные (ЭМР), ультразвуковые, турбинные и приборы с переменным перепадом давления в сужающем устройстве.

1.1 Приборы с переменным перепадом давления в сужающем устройстве

    Измерение расхода методом переменного перепада давления в сужающем устройстве основано на зависимости перепада давления, установленным в трубопроводе неподвижным сужающим устройством, от расхода жидкости. Принцип измерения по методу переменного перепада давления основан на принципе неразрывности установившегося движения жидкости и уравнения Бернулли для жидкости Еп+Ек= const (Еп- потенциальная энергия (давление) жидкости, Ек- кинетическая (скоростная) энергия). Согласно принципу неразрывности потока, протекающей в трубопроводе жидкости, он во всех сечениях одинаков, следовательно, в один и тот же момент времени протекают одинаковые количества. Если на какомто участке сечение сужается, то в этом месте скорость потока должна возрасти.
    Следовательно, увеличение скорости вызывает уменьшение статического давления. Сужающее устройство выполняет функции первичного преобразователя (ПП), и создает в трубопроводе местное сопротивление, вследствие чего при протекании через него жидкости скорость в суженном сечении повышается по сравнению со скоростью потока до сужения. Соответственно статическое давление в суженом сечении будет меньше, чем в сечении до сужающего устройства.
    В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные трубки между преобразователем и дифманометром.
    Наиболее распространенной разновидностью сужающего устройства является диафрагма- тонкий диск с круглым отверстием диаметром d, ось диска должна как можно точнее совпадать с осью трубопровода. На рисунке 1.1 через А-А обозначено сечение, от которого начинается сужение струи и, следовательно, постепенное возрастание средней скорости v_a потока. Максимальное значение v_b эта скорость достигает в месте наибольшего сжатия струи в сечении В-В, которое расположено после диафрагмы на расстоянии, зависящем от отношения d/D и примерно равным 0,5, где D-диаметр трубы. Возрастание средней скорости от v_a до v_b , а следовательно, и соответствующей кинетической энергии происходит за счет уменьшения начального давления p_a до давления p_b. После сечения В-В струя постепенно расширяется и сечении С-С вновь достигает стенок трубы. При этом скорость поток а будет уменьшаться, а давление возрастать. Если измеряемое вещество жидкость, плотность которой практически не зависит от давления, то в сечении С-С скорость v_c станет равной начальной скорости v_a, но давление p_c будет меньше начального p_a вследствие потери энергии при прохождении жидкости через сужающее устройство. Основная часть этой потери давления происходит в мертвых зонах за диафрагмой. Струя текущая с большой скоростью, увлекает с собой прилегающие частицы из этих зон и создает некоторое падение давления в них, что вызывает частичное движение жидкости вдоль стенок от сечения С-С к сечению В-В. В результате в мертвых зонах возникает сильное вихреобразование и происходит потеря потенциальной энергии. Остаточная потеря давления (p_a- p_c) у диафрагм составляет от 40 до 90% от перепада давления (p_a- p_b), возрастая с уменьшением относительного диаметра диафрагмы. Потеря же давления от трения и ударов в самой диафрагме составляет не более 2% от (p_a- p_b) [ 1].
                                          

Рисунок 1.1- Изменение давления р и средней скорости v потока при прохождении через диафрагму

                                          
    Эти СИТ нашли широкое применение в промышленной практике. Это объясняется простотой их конструкции, а главное – возможностью безпроливной градуировки (поверки, калибровки). Но, несмотря на большое разнообразие сужающих устройств и специально разработанных конструкций, высокой точности измерения расхода с помощью этих СИТ достичь не удается вследствие наличия погрешностей, связанных с определением
                                                  
входящих в уравнение измерения (1.8). Повышенный перепад давления, который создается на диафрагмах, приводит к увеличению энергетических потерь. Срок службы большинства диафрагм не превышает 3 года, поскольку в процессе эксплуатации входная кромка неизбежно притупляется, в результате чего уменьшаются как скорость на выходе, так и затрачиваемый на ее создание измеряемый перепад давления. Образуется отрицательная погрешность измерения расхода, которая растет по мере эксплуатации диафрагм. Применение этих приборов ограничивается областями, где требуется относительно невысокая точность измерения. Предельная приведенная погрешность этих расходомеров редко бывает меньше 1 – 2 % [1]. Эти расходомеры также обладают рядом принципиально неустранимых недостатков, среди которых: необходимость трудоемкого демонтажа для проведения периодической поверки, узкий динамический диапазон, требования к наличию прямых участков большой протяженности.

1.2 Турбинные расходомеры

    Турбинные расходомеры имеют обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Измеряя скорость движения подвижного элемента, получают расходомер, а измеряя общее число оборотов его – счетчик количества прошедшей жидкости. [2]

    Далее скорость вращения турбинки (1.9) преобразуется в электрические импульсы, которые регистрируются вторичной аппаратурой или выводятся на соответствующий регистрирующий прибор. В качестве преобразователя, вырабатывающего измерительный сигнал, можно использовать индукционный, фотоэлектрический или оптический датчики.
    К характерным недостаткам турбинных расходомеров следует отнести необходимость индивидуальной градуировки, а также то, что их показания в значительной степени изменяются с изменением вязкости, а значит и физико-химических свойств измеряемой среды. Турбинные расходомеры нельзя устанавливать рядом с местными сопротивлениями, наибольшее влияние оказывают местные сопротивления, создающие сильное одностороннее пережатие потока, а также сопротивления, вызывающие винтовое движение. Тем не менее, прямой участок трубы между местным сопротивлением и турбинным преобразователем, равный всего 10D, в большинстве случаев оказывается достаточным для снижения местного сопротивления до пренебрежимо малого значения. Применение мелкоячеистых сеток и других типов турбулизаторов на входе перед преобразователем оказывается также весьма эффективным для устранения деформаций потока, вызываемых местными сопротивлениями.
    Изменение пространственной ориентации (вертикальная или горизонтальная установка) изменяет условия работы подшипников и поэтому может оказать влияние на градуировочную зависимость, особенно при малых расходах.
    К числу основных недостатков этих СИТ следует отнести изнашиваемость опор турбинки, что оказывает влияние не только на стабильность статической характеристики и резко сокращает срок службы этих приборов (особенно при измерении расхода сред с абразивными включениями), снижает их точность в процессе эксплуатации и приводит к необходимости их частых переградуировок [3]. Условия работы опор весьма тяжелые – высокая частота вращения турбинок, доходящая до нескольких сотен оборотов в секунду, и отсутствие в большинстве случаев подачи смазки к подшипникам. Поэтому смазывающая способность измеряющего вещества весьма желательна. Изменение смазывающей способности измеряемой жидкости может оказывать влияние на характеристику расходомера. Если момент трения в подшипниках составляет небольшую часть от общего момента сопротивления, то замену износившихся подшипников можно делать даже без переградуировки расходомера. Но если момент трения существен, то постепенное изнашивание подшипников будет влиять на показания. В этих случаях необходимо проводить периодическую проверку градуировки расходомера.
    Так же изменение температуры и давления, сопровождающееся изменением плотности и вязкости измеряемого вещества, будет влиять на градуировочную характеристику. Изменение плотности вызывает изменение движущего момента и сказывается на показаниях расходомера, особенно при малых числах Re. С уменьшением плотности уменьшается частота вращения турбинки и возрастает порог чувствительности приблизительно обратно пропорционально квадратному корню из отношения плотностей. [1]
    Еще один недостаток - механический расходомер представляет собой местное сопротивление в системе водоснабжения. Принципиальным недостатком, ограничивающим применение турбинных расходомеров в трубопроводах больших диаметров, является громоздкость конструкции преобразователя.

1.3 Ультразвуковые расходомеры

    Действие ультразвуковых измерителей скорости основано на том, что скорость распространения звуковой волны в движущейся среде равна геометрической сумме скорости звука в неподвижной среде и скорости среды . Если измерять суммарную скорость, то при известном значении скорости и известным угле между векторами c и v можно определить скорость потока V . Не смотря на то, что в неподвижной среде скорость звука определяется температурой и плотностью среды, существуют методы компенсации этого влияния и принципиальных ограничений на разработку и применение акустических анемометров нет. Более того, ряд преимуществ по сравнению с другими существующими методам инициирует разработку приборов, работающих на этом принципе [1]. Наиболее существенными преимуществами являются следующие:
– акустические приборы могут измерять абсолютную скорость потока и не требуют градуировки;
– измерение скорости акустическими методами не требует введения в поток каких-либо деталей, загромождающих его и искажающих картину течения.

Рисунок 1.2 – Одноканальный акустический измеритель скорости

    Часто применяют дифференциальные схемы с двумя каналами прохождения ультразвука – рис. 1.3. Движение среды увеличивает скорость ультразвука в одном канале и, соответственно, уменьшает в другом. Разность времен прохождения импульсов в двух каналах равна:

    При фазовом методе измерения излучаются непрерывные гармонические колебания и измеряется разность фаз сигналов. В одноканальной структуре (рис.1.2) выходной величиной прибора является разность фаз принятого и излученного сигналов:
    В двухканальной структуре (рис. 1.3) оба излучателя питаются от одного генератора, а выходной величиной является разность фаз сигналов на выходах приемников:

Рисунок 1.3 - Двухканальный акустический измеритель скорости

    Трудности практической реализации описанных методов заключаются в том, что скорость реальных потоков гораздо меньше скорости звука

    В связи с этим измеряемые интервалы времени и фазовые сдвиги оказываются малыми. Для повышения точности ультразвуковых измерителей в них используют достаточно высокие частоты сигналов (единицы МГц) и более сложные структуры преобразователей.
    Теперь, рассмотрев суть ультразвукового метода измерения скорости, можно указать на недостатки акустических методов: сложность измерения локальных скоростей (скоростей в малых объемах) или средних скоростей в некоторых небольших областях; зоны формирования сигналов во всех случаях довольно велики и обязательно включают значения малых скоростей вблизи стенки, если измерения выполняются в трубах [4]. Можно также отметить ряд принципиальных недостатков и, в первую очередь, зависимостью показаний от скорости звука, т.е. от плотности, температуры, степени загрязненности измеряемой среды, а также зависимостью показаний от профиля скорости, высокой сложностью и дороговизной измерительной аппаратуры, критичностью к вибрациям, что существенно ограничивает круг задач, решаемых посредством этих СИТ.

1.4 Электромагнитные расходомеры

    К наиболее перспективным СИТ расхода проводящих сред (вода и её смеси – среда с ионной проводимостью; проводник второго рода) относятся электромагнитные преобразователи или магнитогидродинамические преобразователи, принцип действия которых основан на фундаментальном законе электродинамики – явлении электромагнитной индукции, в соответствии с которым при движении проводника в магнитном поле в нем индуцируется электродвижущая сила (ЭДС) Е пропорциональная магнитной индукции В и скорости проводника V и действует в направлении перпендикулярном движению и магнитному полю:

Величина ЭДС Е, снимаемая с электродов измерительного преобразователя, определяется уравнением

Е = ВVD               (1.15)

т.е. индуцированная ЭДС прямо пропорциональна объемному расходу жидкости. Для электромагнитного преобразователя с постоянными магнитами здесь к – поправочный коэффициент, учитывающий краевые эффекты, вызываемые неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы, обычно весьма близкий к единице.
     Погрешность МГД преобразователей определяется в основном погрешностями их градуировки – определения постоянной величины k и измерением разности потенциалов Е. Однако учитывая все факторы, включая электрохимические процессы в жидкости, разные помехи и наводки, а также возникающую поляризацию измерительных электродов, при которой изменяется сопротивление преобразователя, а следовательно возникают существенные дополнительные погрешности, приходится организовывать ряд мер для снижения этих погрешностей, включая изготовление электродов из специальных материалов (угольные, каломелеевые) или применяя специальные покрытия для электродов (платиновые, танталовые).
     При измерении же расхода жидкостей с ионной проводимостью для избежания поляризации электродов применяют переменное магнитное поле [5].

    В расходомерах с переменным магнитным полем явление поляризации электродов отсутствует, однако появляются другие эффекты также искажающие полезный сигнал .
    Во-первых, это трансформаторный эффект, когда в витке, образуемом жидкостью, находящейся в трубопроводе, электродами, соединительными проводами и вторичными приборами наводится трансформаторная ЭДС, источником которой является первичная обмотка системы возбуждения магнитного поля.
    Трансформаторные помехи могут достигать 20-30% полезного сигнала. Для их компенсации в измерительную схему прибора вводят специальные дополнительные устройства.
    Во-вторых, имеет место емкостной эффект, возникающий из-за большой разности потенциалов между системой возбуждения магнитного поля и электродами и паразитной емкости между ними.
    В третьих, может появляться эффект изменения частоты колебания питающего систему возбуждения магнитного поля тока.
    Однако, на сегодняшний день все эти вопросы решены в той или иной мере и их влияние сведено к приемлемому минимуму. В этой связи электромагнитные преобразователи нашли очень широкое применение.
    По измеряемому эффекту электромагнитные расходомеры могут быть отнесены к трем типам [6]:
    1. кондукционные электромагнитные измерители – приборы, основанные на измерении индуцированного электрического поля;
    2. индукционные электромагнитные измерители – приборы, основанные на измерении индуцированного вторичного магнитного поля;
    3. пондемоторные электромагнитные измерители – приборы, основанные на измерении силы взаимодействия индуцированных в жидкости электрических токов с магнитным полем МГД преобразователя.
    Хотя во всех трех случаях измеряемые величины – линейные функции скорости, однако, в двух последних наблюдается зависимость показаний от электропроводности измеряемой среды. К тому же величины возникающих напряженности вторичного магнитного поля и силы взаимодействия циркуляционных токов и магнитного поля прибора в естественных условиях очень малы, и регистрация их вызывает определенные трудности. В связи с этим индукционные и пондермоторные измерители не нашли широкого распространения в гидрометрической практике, несмотря на возможность выполнения измерений без непосредственного контакта с жидкостью.
    Наибольшее распространение получили кондукционные электромагнитные измерители, в которых измеряемой величиной является не индуцированная при движении жидкости ЭДС, а разность потенциалов, снимаемая с электродов МГД преобразователя [5].
    Начиная с 40-50-х годов ХХ столетия кондукционный метод измерения привлекает внимание все большего и большего числа исследователей и разработчиков измерительной аппаратуры. Это обусловлено его универсальностью и широкими функциональными возможностями, позволяющими создать безинерционный измеритель с линейной градуировочной характеристикой, независящей от изменения физико-химических свойств измеряемой среды.
    Традиционно кондукционный электромагнитный расходомер состоит из измерительного участка трубопровода, выполненного из диамагнитного материала и имеющего внутреннее изоляционное покрытие; магнитной системы, расположенной снаружи трубопровода; двух электродов, расположенных на концах диаметра, перпендикулярно как направлению давления жидкости, так и направлению силовых линий магнитного поля, заподлицо с внутренней поверхностью канала и предназначенных для съема разности потенциалов, образующейся при пересечении жидкостью магнитного поля. Конструкция магнитной системы зависит от диаметра канала прибора. В приборах с диаметром до 25 мм применяют Ш-образную систему, но при увеличении калибра расходомера данная система становится очень громоздкой, тяжелой и требует значительного расхода трансформаторной стали [7]. В расходомерах с диаметром более 25 мм применяют магнитные системы с распределенными обмотками или секционные.
    Существенным достоинством ЭМР является отсутствие выступающих или движущихся частей, поэтому такие приборы не нарушают гидродинамической структуры потока и не создают дополнительного гидравлического сопротивления, не требуют постоянного ухода и могут с успехом применяться при измерения расхода жидкостей с примесями и взвесями, кислот, щелочей и многих других загрязненных и агрессивных сред. Помимо этого ЭМР обладают и рядом других, подтвержденных почти 50-ти летней мировой практикой эксплуатации этих приборов, достоинств, основными из которых являются: высокая надежность и стабильность работы, а также независимость показаний от изменения физико-химических свойств измеряемой среды; высокая точность измерения, достигающая в настоящее время 0,25% и выше, что дало возможность почти на порядок повысить точность измерения расхода; линейность градуировочной характеристики. Однако линейная зависимость выходного сигнала измерителя от расхода имеет место не всегда, а лишь в случае, когда профиль скорости потока осесимметричен, магнитное поле, создаваемое магнитной системой преобразователя расхода, абсолютно однородно и концевой эффект отсутствует. В противном случае их показания могут существенным образом зависеть от эпюры скоростей, т.е. от числа Рейнольдса [7].
    Также к достоинствам электромагнитных расходомеров можно отнести: отсутствие подвижных частей, широкий динамический диапазон и высокую точность измерения расхода, низкие требования к прямым участкам без гидравлических сопротивлений и профилю потока, независимость показаний от изменений вязкости, температуры и давления рабочей среды. Еще одно преимущество электромагнитных расходомеров это - при осесимметричном потоке показания расходомера при одном и том же расходе будут одинаковы как при турбулентном так и при ламинарном потоке, т.е. профиль скоростей не оказывает влияния на показания расходомера.

2 Измерения расхода зондовым электромагнитным преобразователем

    Благодаря отмеченным достоинствам, ЭМР в настоящее время становятся одними из основных приборов для измерения расхода жидкостей в заполненных трубопроводах. Однако следует иметь ввиду, что традиционные электромагнитные преобразователи больших калибров весьма громоздки – вес измерительного преобразователя расхода диаметром 2,4 м достигает 2000 кг; они обладают высокой стоимостью и большой энергоемкостью. Точность описанных приборов больших калибров порядка 2-3%. Поэтому применение ЭМР с однородным поперечным магнитным полем для измерения расхода в трубопроводах больших диаметров не всегда является экономически целесообразным и удобным для использования. Практика показывает, что задача измерения расхода возникает и для трубопроводов с диаметрами, существенно превышающими 1000 мм, но при этом вес и габариты традиционных ЭМР возрастают настолько, что их практическое использование становится проблематичным. В целом ряде случаев это является непреодолимым препятствием для применения этих приборов.
     Вместе с тем, учитывая достоинства электромагнитного метода, весьма перспективным является создание компактных, малометаллоемких ЭМР с низким энергопотреблением, обеспечивающих измерение расхода с нормированными погрешностями в заполненных трубопроводах больших диаметров, базирующихся на измерении расхода методом “площадь-скорость”, основанном на определении объемного расхода жидкости по скорости потока в одной точке (точке средней скорости) поперечного сечения трубопровода и площади последнего, согласно ИСО 7145 и ГОСТ 8.361-79.
    В плане создания таких СИТ наиболее предпочтительным является использование зондовых электромагнитных преобразователей (ЗЭП) с локальным магнитным полем, т.е. полем, создаваемым магнитной системой преобразователя в некоторой области измеряемого потока . Эти СИТ, наряду со всеми достоинствами традиционных ЭМР, имеют ряд преимуществ: они технологичны, обладают малыми металлоемкостью, энергопотреблением и стоимостью, монтаж осуществляется без прерывания подачи воды, возможность работы в автономном режиме, не зависят от диаметра трубы. Преобразователь может также применяться при измерении скорости потоков воды в открытых водоемах, руслах рек, каналах и т.п.
    На данный момент основная относительная погрешность измерения скорости потоков жидкости ЗЭП в трубопроводах большого диаметра лежит в пределах от 2% до 1%. Для уменьшения погрешности измерения возможно применение ряда мер, среди которых надо выделить необходимость добиться максимально возможной стабильности магнитного поля, создаваемого катушкой возбуждения, снизить степень зависимости показаний ЭМР от градиента скорости и исключить влияние проводимости измеряемой среды на результаты измерений. Одними из наиболее влияющих факторов на результат измерения скорости (расхода) в трубопроводах является загрузка измерительного сечения трубопровода преобразователем и поперечный градиент скорости. Необходимость введения коррекции этих факторов можно оценить на основе расчета их влияния, что позволит внести в результат измерения необходимую поправку. На основе выражения (1) [8],



    Результаты расчета показали, что за оптимальное соотношение конструктивных параметров l/r необходимо принять l/r = 0,5, поскольку при этом отношении получена наименьшая зависимость показаний ЭМР преобразователя от поперечного градиента скорости исследуемого потока. Такое соотношение позволяет получить сравнительно однородное магнитное поле в области формирования сигнала – рабочей области ЭМР преобразователя. Уменьшение этого соотношения до 0,25, приводит к большей однородности магнитного поля, однакопри этом возникают конструктивне сложности, а уменьшения зависимости показаний ЭМР преобразователей от поперечного градиента скорости не значительно.

Рисунок 2.1(анимированный) - Катушка возбуждения магнитного поля преобразователя

    Т.о. после обзора наиболее часто используемых в настоящее время расходомеров можно сделать вывод, о том что применение зондового электромагнитного преобразователя скорости потоков электропроводящей жидкости для учета расхода в трубопроводах большого диаметра является наиболее экономически выгодным и конструктивно целесообразным решением. На основе результатов расчета выражения, учитывающего относительную величину вклада в сигнал ЭМР добавки, связанной с градиентом скорости измеряемого потока, удалось установить оптимальное соотношение конструктивных параметров катушки возбуждения. Результаты расчета показали, что за оптимальное соотношение конструктивных параметров l/r необходимо принять l/r = 0.5, поскольку при этом отношении получена наименьшая зависимость показаний ЭМР преобразователя от поперечного градиента скорости исследуемого потока.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1   Кремлевский П.П.  Расходомеры и счетчики количества. -Л.:  Машиностроение, 1989.  -702 с.
2   Бобровников Г.Н., Камышев Л.А. Теория и расчет турбинных расходомеров. М.: Изд-во стандартов, 1978. -128с.
3  Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника. -М.: Изд-во стандартов, 1977. -240с.
4   Биргер Г.И., Бражников Н.И.  Ультразвуковые  расходомеры.  М.: Металлургия, 1964.  –382 с.
5   Дж. Шерклиф. Теория электромагнитного измерения расхода. М.: -Мир, -1965. – 268с.
6  Корсунский Л.М. Электромагнитные гидрометрические приборы. М.: -Стандартгиз. –1964. –180с.
7 Вельт И.Д., Ламочкина Т.И., Петрушайтис В.И. Вопросы проектирования электромагнитных расходомеров с неоднородным магнитным полем. //Приборы и системы управления.-1972, -№9. –С.33-35.
8  Марфенко И.В. Электромагнитный расходомер для трубопроводов больших диаметоров : Дисс. канд. техн. наук- Харьков – 2000.- 200с.

---

Биография

Диссертация

Электронная библиотека

Перечень ссылок

Индивидуальное задание

Отчет о поиске в Интернет

---