Методы измерения расхода воды в напорных и безнапорных потоках

Основные термины и определения
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 (датчик) — устройство обеспечивающая непосредственное измерение параметров протекающей жидкости и передающее их на вторичный преобразователь.
Вторичный преобразователь расхода (регистратор) —устройство преобразующее данные полученные с первичного преобразователя (датчика) и вычисляющее по определенному алгоритму расход протекающей жидкости. Как правило, вторичный преобразователь снабжен дисплейным модулем и устройством хранения данных.


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   Недостатки  Погрешность
первичный преобразователь расхода
не нуждается в питании,
работает автономно
движущиеся элементы конструкции
требовательны к качеству протекающей
жидкости: только чистая вода
±0,5% ... ±5%
прост в обслуживании и ремонте    
невысокие требования
к длинам прямолинейных участков
   
относительно большой
межповерочный интервал — до 6 лет
   

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 Недостатки Погрешность
высокая стабильность измерения потери давления в водоводе
в силу конструктивных особенностей
первичного преобразователя
±1% ... ±3%
высокая надежность работы относительно короткий
межповерочный интервал
 
невысокие требования к длинам
прямолинейных участков
небольшой диапазон измерения  

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 от 30 до 60°, 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 Недостатки  Погрешность
относительная универсальность:
устанавливаются в водоводы
диаметром от 15мм до 5000мм
высокие требования
к обслуживанию врезных датчиков:
необходима периодическая очистка
±0,5% ... ±2%
возможно измерение
агрессивных сред
при использовании накладных датчиков
высокие требования
к обслуживанию накладных датчиков:
необходима периодическая замена
акустического геля и очистка внутреннего сечения
водовода от отложений
в районе измерительного участка
 
возможна высокая точность
при измерении однородной среды
без взвесей и пузырьков
низкая стабильность измерений при насыщении
измеряемой среды взвесями и пузырьками
вплоть до полной недостоверности
 

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 Недостатки Погрешность
универсальность: измерению подлежат
любые токопроводящие жидкости
стоимость зависит от диаметра водовода;
исполнение первичного преобразователя
всегда полнопроходное
±0,25% ... ±2%
высокая точность и стабильность измерений
(в случае наличия системы самоочистки электродов)
возможна нестабильность измерений
при наведении сильных электромагнитных помех
 
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
   

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

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 Недостатки Погрешность 
бесконтактный метод позволяет учитывать
потоки с агрессивной средой
высокие требования к длинам прямолинейных участков:
20 максимальных уровней заполнения водовода
до первичного преобразователя и 10 после
от ±3% вплоть до полной
недостоверности показаний
возможно измерение даже очень малых объемов 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)
 

Ультразвуковой 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, вычисляется 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 Недостатки
Погрешность
измерение потока как в прямом,
так и обратном направлении
необходимость периодической
очистки датчиков при учете
особенно загрязненных сточных вод
±1% ... ±5%
простота монтажа:
для установки не требуется
организация дополнительных колодцев
и измерительных камер
   
универсальность: монтаж в водоводах
практически любой геометрии
сечением от 100мм до 9000мм
   


Электромагнитный (магнитоиндукционный) метод – в последнее время все чаще используют данный метод для измерения безнапорных потоков. Суть метода заключается в переводе безнапорного потока в напорный, т.е. в качестве расходомера применяют обычный электромагнитный расходомер для напорных систем. Особая конструкция подводящего и отводящего патрубков расходомера позволяют поднять уровень потока воды в измерительном сечении.

Преимущества Недостатки Погрешность
универсальность:
измерению подлежат
любые токопроводящие жидкости
стоимость зависит от диаметра водовода;
исполнение первичного преобразователя
всегда полнопроходное
±0,25% ... ±2%
высокая точность и стабильность измерений
(в случае наличия системы самоочистки электродов)
возможна нестабильность измерений
при наведении
сильных электромагнитных помех
 
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