Методы измерения расхода воды в напорных и безнапорных потоках. Выбор измерительного оборудования.

Для специалистов с многолетним опытом использования измерительного оборудования вопрос не является сложным или нерешаемым, однако по опыту работы ООО «РЕСЭНЕРГО» в части организации узлов учета большое количество и водопользователей и абонентов ресурсоснабжающих организаций сталкиваются (по разным причинам) с метрологическими задачами впервые.
Рассмотрим алгоритм выбора метода измерения и непосредственно оборудования для организации узлов учета.

Для начала надо определиться — напорный или безнапорный поток необходимо учитывать.

  1. Напорный поток — со всех сторон ограничен стенками водовода (форма сечения значения не имеет), давление в любой точке потока отличается от атмосферного — другими словами, водовод полностью заполнен. Как правило, напорными являются системы водоснабжения и теплоснабжения.
  2. Безнапорный поток — имеет свободную поверхность, на которую воздействует атмосферное давление — водовод либо открыт, либо попросту не заполнен до конца. Движение жидкости в этом случае происходит под действием силы тяжести самого потока. В природе примером безнапорного потока являются ручьи и реки. Безнапорными, зачастую, являются системы водоотведения — ливневые, дренажные и хозяйственно-бытовые сточные воды.
Определившись с типом потока, переходим к основным принципам и методам измерения. Немного остановимся на основных терминах и понятиях.

Узел учета — это совокупность приборов и устройств, которые обеспечивают учет количества протекающей жидкости.

Средство измерения (прибор учета, расходомер) — техническое средство, предназначенное для измерений. Имеет нормированные метрологические характеристики, умеет хранить и/или воспроизводить некую измеренную физическую величину в пределах установленной погрешности. В данном случае основным значением измерения является объем протекающей жидкости.

Первичный преобразователь расхода — составная часть средства измерения, обеспечивающая первичное измерение параметров протекающей жидкости и передающая их на вторичный преобразователь.

Вторичный преобразователь расхода — составная часть средства измерения, принимающая информацию о параметрах протекающей жидкости от первичных преобразователей и вычисляющая непосредственно расход. Именно вторичный преобразователь хранит и/или воспроизводит информацию об объеме протекающей жидкости.

Рассмотрим наиболее распространенные методы измерения напорных потоков.

Для определения расхода в напорных потоках достаточно измерять один параметр протекающей жидкости — скорость. Площадь сечения всегда известна и ограничена стенками водовода. Расход определяется путем перемножения скорости потока жидкости на площадь проходного сечения.

Тахометрический метод — так называемые, механические расходомеры, среди них можно выделить крыльчатые, турбинные и винтовые. Принцип действия основан на измерении скорости подвижного элемента, который вращается под воздействием протекающей жидкости. Наиболее доступное по стоимости оборудование, но имеет целый ряд ограничений к применению.

Преимущества:

  • первичный преобразователь расхода не нуждается в питании, работает автономно;
  • прост в обслуживании и ремонте;
  • невысокие требования к длинам прямолинейных участков;
  • относительно большой межповерочный интервал — до 6 лет.
Недостатки:

  • движущиеся элементы конструкции требовательны к качеству протекающей жидкости — только чистая вода.

Погрешность:

  • ±0,5% — ±5%.
Метод переменного перепада давления — в зависимости от конструкции и принципа действия первичного преобразователя выделяют несколько видов средств измерений, но в основе каждого из них лежит зависимость перепада давления, которое создается первичным преобразователем от расхода протекающей жидкости. Наибольшее распространение получили средства измерения, получившие название «диафрагмы».

Преимущества:

  • высокая стабильность измерения;
  • высокая надежность работы;
  • невысокие требования к длинам прямолинейных участков.

Недостатки:

  • потери давления в водоводе в силу конструктивных особенностей первичного преобразователя;
  • относительно короткий межповерочный интервал;
  • небольшой диапазон измерения.

Погрешность:

  • ±1% — ±3%.
Ультразвуковой времяимпульсный метод — зачастую называют просто «ультразвуковой», хотя это не совсем верно, поскольку ультразвуковых методов измерения расхода несколько. Как правило, в водовод монтируется минимум два пьезоэлектрических преобразователя друг напротив друга под углом 45°, которые попеременно работают как излучатель и приемник. Принцип действия данного метода основан на измерении скорости прохождения ультразвукового сигнала от излучателя до приемника, при этом скорость прохождения сигнала по потоку жидкости выше, чем против потока. Возможно исполнение как с врезными в стенки водовода датчиками, так и с накладными датчиками.

Преимущества:

  • относительная универсальность — устанавливаются в водоводы диаметром от 15мм до 5000мм;
  • возможно измерение агрессивных сред при использовании накладных датчиков;
  • возможна высокая точность при измерении однородной среды без взвесей и пузырьков.

Недостатки:

  • высокие требования к обслуживанию врезных датчиков — периодическая очистка;
  • высокие требования к обслуживанию накладных датчиков — периодическая замена акустического геля и очистка внутреннего сечения водовода измерительного участка;
  • низкая стабильность измерений при насыщении измеряемой среды взвесями и пузырьками, вплоть до полной недостоверности;

Погрешность:

  • ±0,5% — ±2%.
Электромагнитный (магнитоиндукционный) метод — наиболее универсальный на текущий момент метод измерения напорных потоков. Принцип действия основан на измерении электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в потоке жидкости, протекающей через искусственно созданное магнитное поле, при этом ЭДС прямо пропорциональна скорости потока жидкости. Этот метод был предложен Майклом Фарадеем еще в начале XIX века. Первичный преобразователь, как правило, представляет из себя полнопроходное измерительное сечение с электромагнитами (для создания магнитного поля) и парой электродов, расположенных диаметрально противоположно в измерительном сечении для съема ЭДС.

Преимущества:

  • универсальность — измерению подлежат любые токопроводящие жидкости;
  • высокая точность и стабильность измерений (в случае наличия системы самоочистки электродов);
  • низкие требования к качеству измеряемой среды — данный метод используется, в том числе, для измерения объема неочищенных сточных вод;
  • полнопроходное сечение обуславливает отсутствие потерь давления в водоводе.

Недостатки:

  • стоимость зависит от диаметра водовода — исполнение первичного преобразователя всегда полнопроходное;
  • возможна нестабильность измерений при наведении сильных электромагнитных помех.

Погрешность:

  • ±0,25% — ±2%.

Основываясь на опыте организации узлов учета напорных потоков можно утверждать, что наиболее универсальным и востребованным является именно электромагнитный метод измерения. В зависимости от поставленной метрологической задачи возможно применение различных методов измерения, однако необходимо всегда учитывать имеющиеся технические условия на объекте измерения и продумывать мероприятия по дальнейшему обслуживанию и эксплуатации средств измерения.

Методы измерения безнапорных потоков.

Что касается измерения безнапорных потоков, здесь не все так очевидно. До недавнего времени считалось, что измерить большую часть существующих безнапорных потоков не представляется возможным, однако с появлением на метрологическом рынке оборудования, способного измерять скорость и уровень одновременно, ситуация в корне изменилась. Подробно остановиться имеет смысл на двух методах измерения, которые на текущий момент используются более чем в 90% случаев.
Акустический (бесконтактный) метод — наиболее распространенный в силу относительно низкой стоимости, измерительное оборудование подобного плана давно производится в России и широко известно. Определение расхода при использовании данного метода производится путем измерения уровня воды и пересчета полученного значения по функции «уровень-расход» с использованием градуировочных таблиц. Уровень вычисляется путем измерения времени прохождения ультразвукового сигнала от первичного преобразователя, расположенного над потоком, до поверхности потока и отраженного эхо-сигнала до датчика. Необходимо отметить, что скорость при данном методе определения расхода не измеряется в явном виде, что приводит к недостоверным результатам в случае возникновения отложений на дне водовода и/или возникновении подпора. Данный метод имеет ряд преимуществ и недостатков.

Преимущества:

  • бесконтактный метод позволяет учитывать потоки с агрессивной средой;
  • возможно измерение даже очень малых объемов.

Недостатки:

  • высокие требования к длинам прямолинейных участков — 20 максимальных уровней заполнения водовода до первичного преобразователя и 10 после;
  • высокие требования к газовой среде между первичным преобразователем и поверхностью измеряемой среды (парообразования сказываются на качестве прохождения сигнала) и к самой поверхности измеряемой среды (пенообразования вносят большой вклад в погрешность измерения);
  • необходимость соблюдения постоянного уклона всего измерительного участка;
  • в случае возникновения подпора (поток останавливается или идет в обратном направлении) оборудование всегда считает расход «в плюс»;
  • как правило, для установки оборудования требуется организация дополнительной измерительной камеры (колодца).

Погрешность:

  • ±3% — вплоть до полной недостоверности показаний.
Двухканальный доплеровский метод — название метода обусловлено одновременным измерением как уровня потока, так и его скорости. В сам поток, как правило на дно водовода, монтируются первичные преобразователи скорости и уровня. Скорость определяется по методу Доплера — в поток излучается ультразвуковой сигнал, который отражается от взвешенных частиц в потоке. Затем датчик скорости принимает отраженный сигнал и определяет скорость движения частиц по смещению частоты колебания относительно излученного сигнала. Уровень определяется либо гидростатическим методом (по давлению столба жидкости на чувствительную мембрану), либо ультразвуковым методом (возможно применение акустического уровнемера или погружного ультразвукового датчика уровня — ультразвуковой сигнал излучается вертикально вверх и измеряется скорость его прохождения до раздела сред и обратно). Зная геометрию водовода и измерив уровень потока, высчитывается площадь проходного сечения. Расход определяется путем перемножения скорости потока на площадь сечения.
Имеется также более прогрессивный метод, основанный на методе Доплера, — кросскорреляционный. Суть остается прежней, но измерение скорости производится в нескольких плоскостях и усредняется методом кросскорреляции, что повышает точность измерения относительно традиционного метода Доплера.

Преимущества:

  • измерение потока как в прямом, так и обратном направлении;
  • простота монтажа — для установки не требуется организация дополнительных колодцев и измерительных камер;
  • универсальность — монтаж в водоводах практически любой геометрии сечением от 100мм до 9000мм.

Недостатки:

  • необходимость периодической очистки датчиков при учете особенно загрязненных сточных вод.

Погрешность:

  • ±1% — ±5%.
Учитывая вышесказанное, приоритетный метод измерения безнапорных потоков становится очевидным — двухканальный доплеровский.
Зачастую ответственные специалисты предприятий отдают предпочтения недорогим средствам измерения, не просчитывая до конца стоимость обслуживания таких узлов в будущем. Суммируя опыт применения специалистами ООО «РЕСЭНЕРГО» различных средств измерения в безнапорных потоках, можно сделать однозначный вывод — недорогое средство измерения далеко не всегда недорогой и эффективный узел учета. Поэтому к каждой измерительной задаче необходимо подходить индивидуально.

В данной статье представлены наиболее известные и распространенные методы измерения, подтвердившие свою эффективность в имеющихся российских климатических и технических условиях. Знание этой информации в сфере водоснабжения и водоотведения позволит не ошибиться при выборе метрологического оборудования, обосновать применение того или иного метода измерения и, как результат, организовать качественный узел учета с максимальной достоверностью показаний расхода.

Специалисты ООО «РЕСЭНЕРГО» выносят компетентные заключения о применении конкретных методов измерения на объектах Заказчиков только после проведения обследований мест организации узлов учета. Проведение обследований является бесплатным. По результатам обследований выносятся письменные заключения с рекомендованным методом измерения и работающем на его принципе средством измерения.