Как работает ультразвуковой счетчик газа?

Как и в чем измеряется расход газа: методы измерения + обзор всех видов газовых расходомеров

Расходомер – устройство для измерения объемного или массового расхода вещества, включая природный газ, горючие, агрессивные газы, продукты разделения воздуха. Вычисление объемов потока на предприятиях промышленной отрасли или в быту можно выполнить и без привлечения специалистов.

Далее мы расскажем как и в чем измеряется газ, приведем описание приборов которые используются для этой цели, а также рассмотрим основные методы определения расхода газа.

Прямой метод измерения потребления газа

Объем газа вычисляют в кубических метрах, реже используются другие единицы массы, такие как тонны или килограммы, как правило, для технологических газов.

Прямой метод – это единственный метод, обеспечивающий прямое измерение объема проходящего газа.

К слабым сторонам приборов, вычисляющих объемный или массовый расход вещества, относятся:

  1. Ограниченная работоспособность расходомеров в условиях загрязненного газа.
  2. Существует высокая вероятность поломки в результате частичного перекрытия потока или пневматического удара.
  3. Высокая стоимость ротационных счетчиков по сравнению с другими приборами.
  4. Крупные габариты устройств.

Многочисленные достоинства этого метода перекрывают перечисленные недостатки, благодаря чему и он и получил наибольшее распространение по числу установленных счетчиков.

В их числе – прямое измерение объема газа, отсутствие зависимости от искажений графика скоростей потока, как на входе, так и на выходе, что позволяет сократить УУГ . Ширина диапазона составляет до 1:100. Для этой цели применяются приборы мембранного и ротационного типа. Они могут использоваться в помещениях, с установленными котлами импульсного типа.

Косвенные методы измерения

Эти методы предусматривают вычисление, к примеру, скорости потока вещества через заданную площадь сечения. Для получения максимально точных результатов необходимо выровнять скорость движения газа.

Измерение расхода газа по перепаду давлений

Один из самых распространенных и изученных методов расхода газа, основанный на использовании сужающего устройства, имеет несколько преимуществ, включая простоту механизма преобразователя расхода, действие которого направлено на измерение перепада давления вещества, протекающего через местное сужение в газовом трубопроводе. Для проведения расчетов не потребуются расходомерные стенды.

Несмотря на наличие полной научно-технической базы, этот метод измерения имеет несколько существенных недостатков – небольшой диапазон измерения, который даже с учетом многопредельных датчиков давления, не превышает значение 1:10.

Гидравлические сопротивления в газовых трубопроводах повышают чувствительность к графику изменения у средненных скоростей по глубине или ширине потока на входе в диафрагму. Длина прямых участков перед сужающими устройствами должна составлять не менее 10 диаметров Ду сооружения из труб.

Скоростной метод определения расходов

Для этого метода используются преобразователи турбинного типа. Эти приборы имеют несколько преимуществ, включая небольшие габариты и вес, доступную цену в своей категории.

У этих устройств отсутствует чувствительность к пневматическим ударам. Интервал значений измерения расхода составляет до 1:30, что существенно превышает аналогичный показатель для сужающих устройств.

К недостаткам можно отнести чувствительность, хоть и незначительную, к искажениям потока на входе и выходе прибора, отклонение результатов измерений пульсирующих потоков газа. На небольших расходах, в диапазоне от 8 до 10 м 3 /ч, расходомеры неработоспособны.

Ультразвуковой метод измерения

Популярность акустических расходомеров, с помощью которых измеряется количество газа, в особенности в коммерческом учете, возросла с развитием микроэлектроники. В акустических расходомерах отсутствуют подвижные части, а также детали, выступающие в поток, что существенно повышает их надежность.

Измерение производится в широком интервале значений благодаря способности устройства продолжительное время работать от встроенного источника питания. Отечественные приборы не отвечают всем необходимым требованиям, так как во избежание влияния искажений потока газа на результаты расчетов необходимо использовать исключительно многолучевые ультразвуковые расходомеры.

Классификация расходомеров по принципу действия

Расходомеры отличаются по нескольким параметрам, включая давление, тип используемого газа, температурный режим. Выбирать устройство следует в зависимости от условий применения, а также поставленных задач.

Измерительные приборы состоят из таких частей, как преобразователь, отвечающий за перепад давления, соединяющего элемента и манометра.

Тип #1 – струйные автогенераторные расходомеры

Расходомер этого типа, предназначенный также для измерения расхода природного газа, имеет несколько отличительных характеристик. Прибор охвачен отрицательными обратными связями, частота подключений струи зависит от расхода газа.

Счетчики, выпущенные на основе струйных расходомеров, применяются для коммерческого учета без предварительной экспертизы.

Расходомер струйного автогенераторного типа подвержен засорению, в числе его недостатков также нестабильность показателя преобразования.

Эти приборы имеют схожие недостатки с вихревыми устройствами:

  • зависимость от искажений графика скоростей, при условии использования в комплекте с сужающими приборами;
  • массовые потери напора невозвратимы;
  • основная часть расходомера имеет огромные габариты;
  • значительная нестабильность показателя преобразования.

Достоинства автогенераторного расходомера не отличаются от вихревого устройства, за исключением способности работать с загрязненными газами. Эти расходомеры не нашли широкого практического применения в коммерческом учете.

Тип #2 – вихревые расходомеры-счетчики

Выделяют несколько сильных сторон приборов, включая точность проведенных измерений, отсутствие чувствительности к загрязнениям и пневматическим ударам, легкость эксплуатации, в устройстве также отсутствуют подвижные части.

Известны и существенные недостатки использования этого типа расходомеров – повышенная чувствительность к механическим колебаниям, просадка давления. Диаметр труб должен находиться в диапазоне 15-30 см.

Тип #3 – ультразвуковые расходомеры

Устройство, также известное как акустическое, имеет несколько неоспоримых преимуществ:

  • отсутствие гидравлического сопротивления;
  • в приборе нет подвижных деталей, что усиливает его надежность;
  • повышенная прочность механизма;
  • быстрое действие.

Расходомер этого типа базируется на определении разницы во времени прохождения сигнала.

Ультразвуковые сенсоры, расположены по диагонали относительно друг друга, выполняют функцию приемника и излучателя. Задействование нескольких каналов компенсирует деформацию профиля потока.

Тип #4 – барабанные расходомеры

Эта категория устройств используется, как правило, для проведения лабораторных исследований. Давление, возникающее во время вращения барабана, приводит к заполнению секцию газом и их последующему опорожнению.

Количество оборотов барабана пропорционально кубическим единицам газа, показатель передается на циферблат счетной конструкции. Барабанные расходомеры обладают высокой точностью измерения.

Тип #5 – левитационные устройства

Подвижная деталь тахометрического устройства вращается в подшипниках, скорость равняется объемному расходу газа. Превращение быстроты кругового движения в электрический сигнал осуществляется с помощью вторичного преобразователя, результаты отражаются на индикаторе.

Левитационные приборы востребованы в коммерческом учете потребления природного газа, как в бытовых, так и в коммунальных целях.

Тип #6 – мембранные счетчики

Патент на изготовление одного из самых распространенных приборов учета для измерения газа был выдан во второй половине девятнадцатого века на территории Англии.

Принцип действия механического расходомера основан на изменении положения подвижных камерных мембран в момент поступления газа. Поочередное перемещение осуществляется во время впуска и выпуска вещества.

Счетное устройство приводит в действие система редуктора и рычагов. Механизмы обладают широким диапазоном значений для измерений – до 1:100.

Тип #7 – ротационные приборы

В устройстве механического типа в измерительной камере расположены два ротора, которые начинают двигаться под напором вещества. Вращающиеся детали расположены под прямым углом друг к другу, их начальное местонахождение фиксируется с помощью колес-синхронизаторов.

Количество газа пропорционально числу оборотов роторов. С помощью магнитной муфты и редуктора вращение ротора передается на счетное устройство, отвечающее за накопление объема прошедшего вещества.

К основным достоинствам ротационных расходомеров можно отнести высокую точность измерения, компактность прибора, широкий диапазон измерений расходов. Среди недостатков выделяют шумность механизма, его высокую стоимость, чувствительность к внешним факторам, в том числе загрязнению.

Тип #8 – турбинные расходомеры

Прибор механического типа имеет форму отрезка трубы, внутри расходомера размещена турбина с валом и движущимися опорами. Силовое устройство двигается за счет вещества, проходящего через измерительную камеру.

Скорость движения механизма равняется скорости потока и расходу газа. Накопленный объем отражается на счетном механизме, передача на него осуществляется механическим способом с помощью редуктора, системы шестеренок.

Помимо перечисленных, существуют и другие устройства, но они используются, как правило, в научных исследованиях. В коммерческой сфере они практически не задействованы.

Рекомендуем также прочесть другую нашу статью, где мы подробно рассказали о том, как выбрать газовый счетчик для дома. Подробнее – переходите по ссылке.

Приборы для измерения количества газа

Устройства для измерения расхода газа по способу вычисления делятся на несколько категорий. Скоростные используются для определения объемного числа исследуемой среды. В этих приборах отсутствуют измерительные камеры. Чувствительной деталью выступает турбинка (тангенциальная или аксиальная), которую приводит во вращение поток вещества.

Объемные счетчики отличаются меньшей зависимостью от типа продукта. К их недостаткам можно отнести сложность конструкции, высокую цену и внушительные габариты. Устройство состоит из нескольких измерительных камер, отличается более сложной конструкцией. Делится этот тип приборов на несколько видов – поршневые, лопастные, шестеренчатые.

Известна и другая классификация счетчиков количества газа, которая включает три типа устройств: роторные, барабанные и клапанные.

Роторные счетчики обладают большой пропускной способностью. Их действие основано на вычислении количества оборотов лопастей внутри устройства, показатель соответствует объему газа. К основным их преимуществам можно отнести долговечность, независимость от электроэнергии, повышенную устойчивость к кратковременным перегрузкам.

Барабанные счетчики состоят из корпуса, счетного механизма и барабана с измерительными камерами. Принцип действия устройства для измерения потребления газа состоит в определении количества оборотов барабана, который вращается за счет разности давления. Несмотря на точность вычислений, этот тип приборов не нашел широкого применения по причине своих громоздких размеров.

Принцип действия последнего типа счетчиков, известного как клапанный, базируется на перемещении подвижной перегородки, на которую действует разность давления вещества. Устройство состоит из нескольких частей – счетного и газораспределительного механизма, а также корпуса. Имеет большие габариты, поэтому в основном используются в быту.

Выводы и полезное видео по теме

О том как работают вихревые газовые расходомеры пойдет речь в следующем видеоролике:

Измерение расхода газа – одна из ключевых задач на производстве. На рынке расходомеров представлено огромное количество устройств с различными конструкциями и принципами действия, которые подойдут и для бытовых нужд. С их помощью можно определить практически любое количество жидкости или газа, при этом не потребуется специальная поверочная образцовая установка.

Вы можете дополнить наш материал интересными сведениями по теме статьи, задать интересующие вопросы или поучаствовать в обсуждении. Оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Как работает ультразвуковой счетчик газа?

Газовые ультразвуковые счётчики-расходомеры ЭЛМЕТРО-СГУ и ЭЛМЕТРО-ДРУ

  • Измеряемая среда – попутный нефтяной газ, природный газ, различные технологические газы
  • Рабочее давление – от 0 до 4МПа
  • Диаметр условного прохода − от 50 до 300 мм
  • Пределы основной погрешности измерения расхода в рабочих условиях − 1 %, 1,5%
  • Расход от 2 до 7600 м3/ч
  • Динамический диапазон по расходу до 1:100
  • Скорости потока от 5 мм/с до 40 м/с
  • Выходные сигналы − частотный, импульсный, статусный, токовый 4-20 мА, цифровой RS-485 (Modbus RTU)
  • ДРУ работает в диапазоне по питанию DC 20..42 В, вычислитель СГУ работает в диапазоне по питанию АС220±22В
  • DSP-технология обработки сигналов
  • Локальный операторский интерфейс с графическим ЖКИ и емкостной клавиатурой (не требует снятия крышки!)
  • Встроенная функция сумматора с дискретными входами сброса / запуска
  • Взрывозащищенное исполнение
  • Внесен в Госреестр СИ

Датчики расхода газа ДРУ, входящие в комплект счётчика, могут эксплуатироваться отдельно от комплекта как средство измерения объема и объемного расхода газа в рабочих.

Счетчики газа ультразвуковые СГУ (далее счётчики) предназначены для измерения расхода и объема потребляемого природного газа, попутного нефтяного газа и других газов (воздух, азот, кислород, и т.п.) на промышленных объектах а также объекты коммунально-бытового значения. Счётчики предназначены как для технологического контроля, так и для использования в системах коммерческого учёта. Счётчики СГУ отвечают всем требованиям “Правил учёта газа” и ГОСТ 8.733-2011 (учёт попутного нефтяного газа) условиях в составе любых систем, измерительных комплексов и других изделий, обеспечивающих прием и обработку импульсных сигналов с максимальной частотой 1000 Гц, токовых сигналов 4-20 мА, или цифровых сигналов Modbus RTU.

  1. широкий динамический диапазон, растянутый в область малых скоростей
  2. широкий диапазон рабочих давлений, в том числе разрежение
  3. устойчивость к загрязнениям и наличию капельной фракции

Принцип действия ультразвукового расходомера

Принцип работы счётчика состоит в измерении параметров газа в рабочих условиях с помощью соответствующих преобразователей (расхода, температуры, давления) и последующего вычисления расхода.

Расход и объем газа измеряются с помощью ультразвуковых датчиков расхода газа ДРУ, обеспечивающих линейное преобразование объемного расхода газа в рабочих условиях в импульсный электрический сигнал с нормированной ценой, токовый сигнал 4-20 мА и в цифровой сигнал RS-485 (Modbus RTU). Чувствительные элементы (ультразвуковые преобразователи) расположены на противоположных сторонах корпуса под определенным углом к направлению потока. Пьезоэлектрические датчики работают попеременно как приемник и как передатчик. Ультразвуковые импульсы излучаются под углом к направлению потока газа. Измерение скорости газа датчиком ДРУ основано на методе измерения разности времен прохождения ультразвуковых импульсов в прямом и обратном направлениях.

Температура измеряется с помощью датчиков температуры с токовым выходным сигналом 4-20 мА, с пределами основной приведенной погрешности не более ±0.25%, ±0.5% или с помощью термопреобразователей сопротивления типа ТСМ с номинальной статической характеристикой 100М по ГОСТ 6651.

Давление измеряется с помощью датчиков избыточного или абсолютного давления с оковым выходным сигналом 4-20 мА с пределами основной погрешности не более ±0.1%, ±0.15%, ±0.2%, ±0.25%.

Вычисление. Сигналы с измерительных преобразователей о параметрах газа поступают на входы микропроцессорного блока вычисления расхода БВР.М или контроллера универсального МИКОНТ-186 (далее контроллер МИКОНТ), осуществляющих вычисление расхода и объема газа, приведенных к стандартным условиям в соответствие с установленным алгоритмом.

Метрологические и технические характеристики

Счётчики СГУ имеют две модификации по исполнению – СГУ.1 (с однолучевым датчиком расхода ДРУ.1) и СГУ.2 (с двухлучевым датчиком расхода ДРУ.2) и типоразмеры в соответствии с типоразмерами датчиков расхода, входящими в состав счётчика.

Таблица 1. Типоразмеры и модификации счётчика СГУ базовой комплектации и диапазоны эксплуатационных расходов газа при рабочих условиях.
Типоразмер и модификация счётчика СГУТипоразмер и модификация датчика расходаДиаметр условного прохода трубопровода Ду, ммИзбыточное давление среды в диапазоне, МПаДиапазон эксплуатационных скоростей (расходов), м/с (м 3 /ч)
Vmin (Qmin)Vmax (Qmax)
СГУ.1-50ДРУ.1-5050от 0 до 2,5 от 0 до 4,00,35 (2)34,9 (200)
СГУ.1-80ДРУ.1-80800,31 (5)34,6 (550)
СГУ.1-100ДРУ.1-1001000,31 (7)34,9 (800)
СГУ.1-150ДРУ.1-1501500,31 (17)34,3 (1900)
СГУ.1-200ДРУ.1-2002000,32 (35)33,1 (3600)
СГУ.1-300ДРУ.1-3003000,31 (80)29,9 (7600)
СГУ.2-100ДРУ.2-1001000,31 (7)34,9 (800)
СГУ.2-150ДРУ.2-1501500,31 (17)34,3 (1900)
СГУ.2-200ДРУ.2-2002000,32 (35)33,1 (3600)
СГУ.2-300ДРУ.2-3003000,31 (80)29,9 (7600)
Таблица 2. Типоразмеры и модификации счётчика СГУ базовой комплектации и диапазоны эксплуатационных расходов газа при рабочих условиях.
ХарактеристикаЕд. изм.Модификация
СГУ.1СГУ.2
Количество контролируемых газопроводовшт.1-4
Пределы основной относительной погрешности счётчика СГУ при измерении объема газа, приведенного к стандартным условиям, в диапазоне эксплуатационных расходов%±2,0
±2,5
±1,5
±2,0
±2,5
Пределы основной относительной погрешности датчика расхода ДРУ.1 при рабочих условиях по частотному (цифровому) выходу:
в диапазоне от Qmin до 0,03*Qmax%±2,0—-
в диапазоне от 0,03*Qmax до Qmax%±1,5—-
Пределы основной относительной погрешности датчика расхода ДРУ.2 при рабочих условиях по частотному (цифровому) выходу:
в диапазоне от Qmin до 0,03*Qmax%—-±2,0
в диапазоне от 0,03*Qmax до Qmax%—-±1,0

Рекомендуемая длина прямолинейного участка перед датчиком расхода ДРУ – не менее 20 Ду без струевыпрямителя или 10 Ду со струевыпрямителем, после датчика расхода – не менеее 3 Ду.

Читайте также:  Виды холодильного оборудования для ресторанов

Устройство и конструкция датчика расхода ДРУ

Общее устройство

Датчик расхода состоит из:

  1. проточной части,
  2. электронного преобразователя (ЭП),
  3. одной или двух пар ультразвуковых преобразователей (одно- или двухлучевая схема).

Проточная часть изготовлена из нержавеющей стали или оцинкованной стали. ЭП с помощью пьезоэлектрических датчиков обеспечивает возбуждение сигналов в акустическом тракте и их прием. Принятые сигналы усиливаются и преобразуются в цифровой код посредством быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а затем подвергаются обработке специализированным цифровым сигнальным процессором (DSP). Адаптивная фильтрация и корреляционный анализ сигнала позволяют получить измерительную информацию даже в условиях сильных электромагнитных помех, загрязнения проточной части и наличия капельной фракции в потоке.

Эп вычисляет мгновенный и накопленный расход и преобразует измеренные параметры в следующие выходные сигналы:

  • частотно-импульсные
  • токовые
  • цифровой RS-485 (Modbus RTU)

Локальный операторский интерфейс электронного преобразователя включает графический дисплей (ЖКИ либо OLED) и емкостную клавиатуру, работающую через стеклянное окно ЭП. Это позволяет настраивать прибор или просматривать его настройки без открывания крышки во взрывоопасной зоне. Для предотвращения несанкционированного изменения настроек предусмотрена блокировка ряда функций клавиатуры посредством микропереключателей под крышкой ЭП.

Ультразвуковые преобразователи (УЗП) – цельнометаллического типа. Контактирующие с измеряемой средой материалы: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и уплотнительная, стойкая к углеродам, резина. Кабели, соединяющие УЗП с ЭП, проведены металлических герметичных каналов.

Функциональные возможности

Счётчик газа СГУ позволяет измерять и/или вычислять следующие параметры измеряемой среды:

  • Объем и мгновенный объемный расход в рабочих условиях
  • Объем и мгновенный объемный расход приведенный к нормальным условиям
  • Давление
  • Температура
  • Развитая система управления прибором и представляения данных на графическом дисплее
  • Цифровая передача измеряемых параметров по протоколу Modbus (RS-485)
Выходные сигналы
  • импульсный/частотный/дискретный (оптопара, 30 В, 50 мА, 10 кГц) – 1 канал;
  • частотный/ дискретный (оптопара, 30 В, 50 мА, 10 кГц) –1 канал;
  • дискретный (оптопара, 30 В, 50 мА, статус, сигнализация) – 1 канал;
  • токовый 4-20 мА (пассивный) – 1 канал;
  • цифровой RS-485 (Modbus RTU) – 1 канал;
Входные сигналы

Дискретные (универсальные, запуск/останов/сброс сумматора) – 2 канала.

Питание

Датчик расхода ДРУ работает в диапазоне питающих напряжений постоянного тока 20..42В. Потребляемая мощность – не более 6 В*А.

Питание вычислителя – от сети переменного тока частотой 50±1 Гц и напряжением 220±22 В. Вычислитель формирует выходное напряжение 24В для питания датчиков расхода, температуры и давления. Общая потребляемая мощность – не более 25 В*А.

Максимальная длина линии связи между датчиками и вычислителем – 500 м.

Условия эксплуатации
  • Диапазон температур измеряемой среды: -40…+50 °С
  • Диапазон рабочих температур датчика расхода ДРУ с ЖКИ: -20 °С. +55°С
  • Диапазон рабочих температур датчика расхода ДРУ с OLED дисплеем: -40 °С. +55°С
  • Диапазон рабочих температур вычислителя: +5 °С. +50°С
  • Степень защиты от пыли и влаги по ГОСТ 14254:
    • Датчиков расхода, температуры и давления: IP65
    • Вычислителя: IP40
Взрывозащита

Датчики расхода, температуры и давления имеет взрывозащиту вида 1ЕхdllCT6X.

Ультразвуковые расходомеры. Устройство, принцип действия, типы и виды ультразвуковых расходомеров.

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении зависящего от расхода того или иного акустического эффекта, возникающего при прохождении ультразвуковых колебаний через контролируемый поток жидкости или газа.

В последнее время используются две разновидности ультразвуковых расходомеров : расходомеры, основанные на перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой и доплеровский. Наибольшее распространение получила первая группа приборов. В таких расходомерах ультразвуковые колебания, создаваемые пьезоэлементами, направляются по потоку жидкости и против него. Разность времен прохождения ультразвуковыми импульсами расстояния между излучателем и приемником по потоку и против потока пропорциональна скорости потока, т.е. скорость ультразвука относительно стенок трубы зависит от скорости потока.

Основные трудности использования ультразвукового метода связаны с тем, что скорость ультразвука в среде зависит от физико-химических свойств последней: температуры, давления, и она значительно больше скорости среды, так что действительная скорость ультразвука в движущейся среде мало отличается от скорости в неподвижной среде. Разность времен прохождения равна 10 -6 . 10 -7 с даже при скоростях потока 10. 15 м/с, причем измерять нужно с погрешностью 10 -8 . 10 -9 с. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения сложных электронных схем в сочетании с микропроцессорной техникой, обеспечивающих компенсацию влияния перечисленных факторов.

Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим положительным чертам:

• значительному динамическому диапазону, достигающему 25—30;

• высокой точности измерения, составляющей ±(1;2) %;

• возможности измерения расхода неэлектропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;

• широкому диапазону диаметров трубопроводов от 10 мм и выше без ограничений;

• отсутствию потери давления;

• широкому диапазону температур (от -220 до 600 °С) и давлений.

К недостаткам этого метода измерения расхода следует отнести:

• необходимость значительных длин линейных участков до и после преобразователя;

• влияние на показания пузырьков воздуха в потоке;

• необходимость контроля отложений в трубопроводе на его рабочем участке;

• сложность и высокая стоимость приборов, которая при прочих равных условиях в 3—4 раза превышает стоимость тахометрических и электромагнитных расходомеров;

• ограничения по минимальной скорости потока.

Все ультразвуковые расходомеры являются микропроцессорными, на выходе они имеют токовый и импульсный выходные сигналы, цифровой дисплей, интерфейсы RS-232, RS-485, цепь сигнализации, значение суммарного расхода архивируется вместе с указанием нештатных ситуаций. Многие приборы могут измерять расход реверсивного потока.

Рис. 1. Схемы ультразвуковых преобразователей расходомеров:

а — одноканального; б — с отражателями; в — двухканального

Расходомеры по конструктивному исполнению подразделяются на одно- и двухканальные. В одноканальной схеме (рис. 1, а) каждый пьезоэлемент работает попеременно в режиме излучателя и приемника, что обеспечивается системой переключателей. Для увеличения чувствительности ход луча в среде может быть увеличен применением рефлекторов (рис. 1, б). Чувствительность ультразвуковых преобразователей также растет с уменьшением угла между векторами скорости потока и ультразвука. В двухканальной схеме (рис. 1, в) каждый пьезоэлемент работает только в одном режиме — излучателя или приемника. Двухканальные схемы проще одноканальных (нет сложных схем переключения), но точность их меньше, вследствие возможной акустической асимметрии обоих каналов.

Показания ультразвуковых расходомеров зависят от скорости потока, усредненной по ходу луча, а не по диаметру трубы, что является характерной особенностью расходомеров с излучением по потоку. В то же время для определения объемного расхода требуется измерение скорости усредненной по диаметру трубы. Для трубопроводов круглого сечения даже для осесимметричных потоков скорость потока усредненная по ходу луча не равна усредненной по диаметру трубы и соотношение между ними зависит от эпюры скоростей потока. Это обстоятельство является недостатком ультразвуковых расходомеров, определяющим наиболее существенную составляющую методической погрешности.

В ультразвуковых расходомерах SITRANS F фирмы Siemens, благодаря наличию отражателей, ход луча состоит из пяти отрезков, три из которых направлены по хордам, что обеспечивает сканирование профиля потока и измерение средней скорости потока в широком диапазоне измерения его скоростей. При максимальной скорости потока 10 м/с обеспечивается погрешность измерения расхода ±0,5 % в динамическом диапазоне 25 и ±1 % в диапазоне 100. В зависимости от типа местного сопротивления длина линейного участка трубопровода составляет (10. 40)D до преобразователя и 5D после него.

По методу определения времени прохождения импульса между излучателем и приемником ультразвуковые расходомеры подразделяются на времяимпульсные, частотные и фазовые.

Во времяимпульсных расходомерах периодически производится измерение коротких импульсов длительностью 0,1. 0,2 мкс, по которым затем определяется объемный расход G 0 . Микропроцессорные расходомеры UFM 005 (ЗАО «Центроприбор», ПО «Промприбор») предназначены для измерения расхода воды и устанавливаются в трубопроводах диаметром 15. 1600 мм. В их состав входит для диаметров до 200 мм первичный преобразователь УПР, свыше 200 мм — пьезопреобразователи для врезки в трубопровод и вычислитель ультразвуковой УВ. Первичный преобразователь УПВ представляет отрезок трубы с двумя врезанными пьезоэлектрическими преобразователями и приваренными по торцам фланцами. При проливном методе поверки расходомеры в области расходов от переходного до верхнего предела при динамическом диапазоне 25 имеют погрешность ±1,5 %, а от переходного до минимального — ±4 %, причем G max /G min составляет 70—75. Расходомер помимо цифрового индикатора имеет токовый выходной сигнал 0. 5 мА, интерфейсы RS-232 и RS-485, в ПЗУ хранится архив среднечасовых и среднесуточных значений количества воды глубиной 5000 ч.

В частотных расходомерах каждый последующий импульс посылается излучателем только после достижения предыдущим импульсом приемного пьезоэлемента.

Разность частот следования импульсов, определяемая дифференциальной схемой, связана со скоростью и объемным расходом.

Показания частотных расходомеров не зависят от скорости распространения ультразвука в неподвижной среде, а следовательно, и от физико-химических свойств и параметров среды. Это является достоинством частотных расходомеров.

В фазовых расходомерах измеряется разность фаз ультразвуковых колебаний частотой, распространяющихся по потоку и против него. Недостаток этих расходомеров — зависимость показаний от изменения скорости звука.

В доплеровских ультразвуковых расходомерах используется отражение ультразвуковых колебаний движущимися частицами потока. Доплеровские расходомеры измеряют местную скорость звука. В трубах малого и среднего диаметров эти расходомеры могут измерять среднюю скорость по диаметру или части площади трубы. В трубах больших диаметров при наличии прямых участков достаточной длины отражатель должен находиться на расстоянии 0,12 D от стенки трубы, где скорость соответствует средней скорости потока. В противном случае необходима индивидуальная градуировка расходомера.

Рис. 2. Схема доплеровского преобразователя

В корреляционных датчиках расхода ДРК доплеровский эффект используется для определения времени прохождения случайными (турбулентными) флуктуациями между двумя смещенными по длине трубы парами ультразвуковых преобразователей. Микропроцессор производит статистическую обработку сигналов, поступивших в приемники ультразвуковых колебаний каждого из сечений. Скорость потока определяется по времени, соответствующем максимуму корреляционной функции, связывающей сигналы, поступившие на оба приемника. На рис. 3 представлена структурная схема датчика расхода корреляционного ДРК ф. «Метран».

Рис. 3. Структурная схема корреляционного доплеровского расходомера

Сигналы ультразвуковой частоты поступают от генераторов ГУЧ1, ГУЧ2 на акустические преобразователи АП1— АП4, сигналы которых вызывают, благодаря доплеровскому эффекту, вторичные колебания, которые накладываются на основные. Фазовые детекторы ФД1, ФД2 и корреляционный дискриминатор КД, управляемый микропроцессором, обеспечивают получение импульсного сигнала, пропорционального расходу. Эти сигналы могут суммироваться и выводиться на цифровой индикатор, подаваться на оконечный преобразователь ДРК-30П или тепловычислитель. Такие расходомеры могут устанавливаться в трубопроводах диаметром от 50 до 4000 мм при скорости среды от 0,1 до 10 м/с, предел относительной погрешности составляет ±1,5; 2%.

Типы расходомеров-счетчиков газа

Турбинные расходомеры и счетчики газа:

Отечественные: СГ-16М, СГ-75М , ТРСГ, ДРОТ;

Импортные: ЛГ-К-Ех, TZ / FLUXI , TRZ , SM – RI – X .

Ротационные счетчики газа:

Выпускаемые в России по лицензии: RVG , ROOTS ,

Импортные: РГ-40, РГ-100, РГ-250, РГ-400, РГ-650, РГ-1000, РЛ-2,5, РЛ-4,0, РЛ-6,0, РЛ-20, G -2,5 РЛ, G -4 РЛ, G -6 РЛ, G -10 РЛ, DELTA , GMS , IMB (все три последние в ряду: G -10, G -16, G -25, G -40, G -65, G -100, G -160, G 250), некоторые типы имеют G -400; G -650 и G -1000

Вихревые расходомеры-счетчики:

Отечественные: ВРСГ-1. СВГ.М, ВИР-100;

Импортные: VORFLO , PhD TM , V – Bar TM

Ультразвуковые расходомеры-счетчики газа:

Отечественные: Гобой-1, ГАЗ-001, Днепр-7, УБСГ-001, УБСГ-002.

Импортные: Q – sonik , DANIEL , (“Курс-01” G -16-1000)

Мембранные счетчики газа:

Отечественные: СГБ G -2,5…4…6, G 4 L , СГК-1,6; 2,5; 4,0;

Выпускаемые в России по лицензии: NPM G -1,6; 2,5; 4,0; ВК- G -1,6; 2,5; 4,0;

Импортные: СГД-1,6 СГД-2,5 (взамен СГМ-1.6; 2,5);СГМН-1 G -6; NP -1,6…2,5…4, МКМ G -6; Г-2,5,Г-4, КГ-4, ВК- G -1,6, 2,5, 4,0, 6,0, 10,0, 16,0, 25,0, 40,0, SN G -1,6, 2,5, 4,0, 6,0 , «Магнол»; SN G -10..100; “Метрикс” G -10, “ Gallus -2000” G -1,6, G -2,5, G -4,

Струйные расходомеры-счетчики газа

Отечественные: СГ-1, СГ-2;

Левитационные импульсные счетчики газа

Барабанные счетчики газа:

Отечественные: ГСБ-400, РГ-7000

Импортные: Ritter TG -01, TG -05, TG -1, TG -3, TG -5, TG -10, TG -20, TG -25, TG -50

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры):

Отечественые: РМА-01, РМ-02, 04, 06, РМФ-02, 04, 06, ДПС

Импортные: VA -20, VA -30, SA -20, FA -20, DK -46, 47, 48, K -20, VA -10/1, VA -10/ S , H -250/ PTFE , H -250/ M 9, H -54, DK -32, DK -34, DK -370;

10А1197/98, 10А6100, 10А5400, 10А3220/50.

Расходомеры переменного перепада давления (сужающие устройства):

Отечественные: Суперфлоу, Гиперфлоу, 3095 MV

Принципы действия расходомеров следующие:

Турбинные счетчики газа.

Выполнены в виде трубы, в которой расположена винтовая турбинка, как правило с небольшим перекрытием лопаток одной другую. В проточной части корпуса расположены обтекатели перекрывающие большую часть сечения трубопровода, чем обеспечивается дополнительное выравнивание эпюры скоростей потока и увеличение скорости течения газа. Кроме того происходит формирование турбулентного режима течения газа, за счет чего обеспечивает линейность характеристики счетчика газа в большом диапазоне. Высота турбинки как правило не превышает 25-30% радиуса. На входе в счетчик в ряде конструкций предусмотрен дополнительный струевыпрямитель потока выполненный или в виде прямых лопаток или в виде «толстого» диска с отверстиями разного диаметра. Установка сетки на входе турбинного счетчика, как, правило, не применяется, так как ее засорение уменьшает площадь проходного сечения трубопровода, соответственно увеличивает скорость течения потока, что приводит к увеличению показаний счетчика.

Преобразование скорости вращения в турбинки в объемные значения количества прошедшего газа осуществляется путем передачи вращения турбинки через магнитную муфту на счетный механизм, в котором путем подбора пар шестеренок (во время градуировки) обеспечивается линейная связь между скоростью вращением турбинки и количеством пройденного газа.

Другим методом получения результата количества пройденного газа в зависимости от скорости вращения турбинки является использование для индикации скорости магнитоиндукционного преобразователя. Лопатки турбинки при прохождении вблизи преобразователя возбуждают в нем электрический сигнал, поэтому скорость вращения турбинки и частота сигнала с преобразователя пропорциональны. При таком методе преобразование сигнала осуществляется в электронном блоке, так же как и вычисление объема прошедшего газа. Для обеспечения взрывозащищенности счетчика блок питания должен быть выполнен с взрывозащитой. Однако применение электронного блока упрощает вопрос расширения диапазона измерения счетчика (для счетчика с механическим счетным механизмом 1:20 или 1:30), так как нелинейность характеристики счетчика, проявляющаяся на малых расходах, легко устраняется применением кусочно-линейной апроксимацией характеристики (до 1:50), чего в счетчике с механической счетной головкой сделать нельзя.

Для измерения расхода турбинные счетчика газа СГ-16М и СГ-75М имеют взрывозащищенный импульсный выход (геркон) «сухие контакты реле» с частотой 1 имп./1куб.м. и не взрывозащищенный импульсный выход (оптопара) с частотой импульсов 560 имп/куб.м.

Ротационный счетчик газа.

Принцип действия счетчика заключается в обкатывании двух роторов специально спрофилированной формы (напоминающую цифру «восемь»), друг по другу под действием потока газа. Синхронность обкатывания роторов обеспечивается специальными шестеренками соединенными с соответствующим ротором и между собой. Для обеспечения точности измерения профиль роторов и внутренняя поверхность корпуса счетчика должны быть выполнены с высокой точностью, что достигается применением специальных технологических приемов обработки этих поверхностей. Необходимо выделить несколько преимуществ этих типов счетчиков перед турбинными. Большой диапазон измеряемых расходов (до 1:160) и малая погрешность при измерении переменных потоков. Второе свойство – делает их незаменимыми для измерения расхода газа потребляющих «крышными» котельными, работающих в импульсном режиме. Любое направление газа через счетчик, Отсутствие требований к наличию прямых участков перед и за счетчиком.

Ротационные счетчики RVG (также как и “ DELTA ” и “ ROOTS ” ) могут доукомплектовываться, кроме штатного низкочастотного датчика (геркон) с частотой срабатывания 10 имп/куб.м., среднечастотным Е-300 с частотой срабатывания до 200 имп/куб.м., и высокочастотным до 14025 имп./куб.м.

Вихревые расходомеры-счетчики.

Принцип действия основан на эффекте возникновения периодических вихрей при обтекании потоком газа тела обтекания. Частота срыва вихрей пропорциональна скорости потока и, соответственно, объемному расходу. Индикацию вихрей может осуществляться термоанемометром (ВРСГ-1) или ультразвуком (ВИР-100, СВГ.М). По диапазону измерения счетчики занимают промежуточное значение между турбинными и ротационными до 1:50. В связи с тем, что в данном типе счетчиков отсутствуют подвижные элементы, нет необходимости в системе смазки, необходимой для турбинных и ротационных счетчиков. Появляется возможность использовать данный тип счетчиков для измерения количества кислорода, который измерять турбинными и ротационными счетчиками категорически нельзя из-за сгорания масла в среде кислорода. Также верхний предел измерения расхода для данного типа прибора выше, чем у турбинных, например для Ду=200 мм. турбинные счетчики применяются до 2500 м 3/час, а ВРСГ-1 до 5000 м 3/час.

Ультразвуковые расходомеры-счетчики газа.

Принцип действия заключается в направлении ультразвукового луча в направлении по потоку и против потока и определении разницы времени прохождения этих двух лучей. Разница во времени пропорциональна скорости течения газа. До 2002 года в России ультразвуковые расходомеры на газ не выпускались. В настоящее время выпускаются ультразвуковые расходомеры «Гобой-1» на расходы 10, 16, 25, 40, 65, 100 м 3/ч , на трубопроводы от 25 до 80 мм., для абсолютных давлений до 2 кгс/см 2 , УБСГ-001на расходы от 0,1 до 16 м 3/ч., УБСГ-002 на расходы от 0,16 до 25 м 3/ч Ду=1.1/4 2 , (32 мм) и «ГАЗ-001» для трубопроводов большего диаметра (более 100 мм.) и для давлений до 60 кгс/см 2 , но полного типоразмерного ряда Производитель не опубликовал. Ультразвуковой расходомер-счетчик «Днепр-7» с накладными датчиками излучателями-приемниками. Принцип действия расходомера-счетчика основан на преобразовании доплеровской разности частот отражений ультразвука от движущихся неоднородностей потока, линейно зависящей от скорости движения потока.

Мембранные счетчики газа.

Принцип работы счетчика основан на перемещении подвижных перегородок (мембран) камер при поступлении газа в счетчик. Впуск и выпуск газа, расход которого необходимо измерить, вызывает переменное перемещение мембран и через систему рычагов и редуктор приводит в действие счетный механизм. Мембранные счетчики отличаются большим диапазоном измерения до 1:100, но рассчитаны для работы при низком давлении газа, как правило не более 0,5 кгс/см 2. Мембранные счетчики в основном предназначены для измерения расхода газа в домах, котеджах. Если турбинные и ротационные счетчики газа сопровождаются шумом, связанным с вращением подвижных элементов, то мембранные счетчики работают бесшумно. Они не требуют смазки во время эксплуатации, в то время как турбинные счетчики необходимо смазывать раз в квартал. Однако при больших расходах более 25 м 3/ч размеры счетчиков становятся довольно большими.

Струйные счетчики газа.

Принцип работы основан на колебании струи газа в специальном струйном генераторе. Струя газа по переменно перебрасывается из одного устойчивого положения в другое и создает при этом пульсации давления и звука с частотой пропорциональной скорости течения газа и соответственно объемного расхода. В электронном преобразователе происходит вычисление количества пропущенного газа. В настоящее время серийно выпускаются толь две модификации струйных бытовых счетчиков газа СГ-1 для измерения расхода 0,03 – 1,2 м 3/ч и СГ-2 для 0,03 – 6,0 м 3/ч.

Левитационный счетчик газа.

Является тахометрическим прибором, в котором подвижный элемент вращается в газовых подшипниках. Скорость вращения подвижного элемента пропорциональна объемному расходу. Вторичный преобразователь преобразует скорость вращения в электрический сигнал, которых в электронном блоке преобразуется в измеренные количество пройденного газа. Результаты индицируются на индикаторе. Диапазон измеряемых расходов от 0,03 до 7 м 3/ч. Температура измеряемого газа от –50 до +50 0С. Температура окружающей среды –30 до +50 0С. Основная погрешность ± 1,5%.

Барабанные счетчики газа.

Принцип действия состоит в том, под действием перепада давления газа происходит вращение барабана, разделенного на несколько камер, измерительный объем которых ограничен уровнем затворной жидкости. При вращении барабана периодически разные камеры заполняются и опорожняются газом. Ранее выпускаемые барабанные газовые счетчики ГСБ-160 на пределы измерения 0,08-0,24 м 3/ч. ГСБ-400 на пределы 0,2-6 м 3/ч. – в настоящее время не выпускаются. Основная погрешность измерения 1,0%.

Импортные барабанные счетчики Ritter в России сертифицированы не все выпускаемые фирмой типоразмеры, как правило, используются в качестве образцовых средств. Основная погрешность измерения 0,2%. Диапазоны измерения всех семи типоразмеров от 1 л/ч до 18000 л/ч.

Расходомеры постоянного перепада давления (ротаметры)

Принцип действия расходомеров данного типа основан на том, что поплавок плавающий (подвешенный) в потоке изменяет свое положение по вертикали в зависимости от величины расхода газа. Для обеспечения линейности такого перемещения, площадь проходного сечения датчика расхода изменяется таким образом, чтобы перепад давления оставался постоянным. Это достигается тем, что трубка в которой перемещается поплавок выполнена конической с расширением конуса вверх (ротаметры типа РМ) или трубка выполнена с прорезью и поршень (плавок), поднимаясь вверх открывает для потока большее проходное сечение (ДПС-7,5, ДПС-10).

Ротаметры выпускаются в основном для технологических целей, имеют, как правило, большую величину основной погрешности 2,5-4%, небольшой диапазон измерения от 1:5 до 1:10.

Выпускаются ротаметры с коническими стеклами (РМ, РМФ, РСБ), пневматические (РП, РПФ, РПО) и электрические (РЭ, РЭВ) с индуктивным выходом.



Расходомеры переменного перепада давления (на основе сужающих устройств).

Использование сужающих устройств для измерения расхода и количества газа являлось до недавнего времени самым используемым. Однако малый диапазон измерения расхода (1:3) с приемлемой для коммерческого учета газа погрешностью ±1,5% ,а также разработка турбинных и ротационных счетчиков газа несколько ослабило позиции расходомеров на основе сужающих устройств.

В последнее десятилетие за счет разработки новых датчиков давления с большими диапазонами измерения и Развития микропроцессорной техники появились и успешно внедряются несколько комплексов на базе сужающих устройств, такие как Гиперфлоу-3МП, Суперфлоу-2, массовый расходомер модели 3095 MV . Для трубопроводов большого диаметра, более 300-400 мм. данный метод измерения является вполне конкурентным.


Гиперфлоу-3МП

Суперфлоу -2

Во всех вышеперечисленных расходомерах-счетчиках измеряется давление и температура газа, перепад давления на сужающем устройстве (как правило, стандартизованном: диафрогмы, сопла, трубы Вентури, но применяются и не стандартные средства измерения ) и вычисляется объемный и массовый расходы газа и количество пройденного газа приведенного к нормальным условиям. При наличии сетевого питания расходомер может иметь токовый сигнал, при автономном питании передача сигнала осуществляется через интерфейс RS -232 или RS -485.

Как правило, выпускаются счетчики газа, т.е. приборы измеряющие количества прошедшего газа нарастающим итогом. Мгновенные значения расходов не индицируются. Исключением являются ЛГ-к-Ех, ТРСГ, ДРОТ, ВСРГ-1, СВГ.М, ГАЗ-001, в которых измеряется расход, а количество прошедшего газа определяется интегрированием по времени.

По давлению:

мембранные счетчики газа выпускаются на малые избыточные давления до 0,5 кгс/кв.см.

Ротационные и турбинные (СГ-16М) до 16 кгс/кв.см. и СГ-75М до 75 кгс/кв.см. Турбинные ЛГ-к-Ех до 25 кгс/кв.см. ГАЗ-001 до 60 кгс/кв.см., «Гобой-1» до 2 кгс/кв.см. РГ до 1 кгс/кв.см.

По применимости для различных газов

Газы с плотностью более 0,67 кг/куб.м., в том числе воздух, азот и другие неагрессивные газы.

Турбинные и роторные счетчики для кислорода не применимы.

Ультразвуковые, мембранные и вихревые принципиальных ограничений для работы по типу газа не имеют, но необходимо учитывать, что, как правило, применение для кислорода и водорода требует отдельной сертификации, которую счетчики, как правило, не имеют.

Все счетчики градуируются на воздухе.

Стенды газовые метрологические на другие газы могут быть созданы только в специализированных (закрытых) предприятиях. В РФ таких стендов нет.

По диаметрам трубопровода:

Мембранные: 1/2 2 , 3/4 2 , 1 2 , 1.1/4 2 , 1.1/2 2 , 2 2 , 3 2 , 4 2 , 5 2 .

Ротационные: RVG Ду=50, 80, 100 мм.

Ротационные ROOTS и DELTA : Ду=40, 50, 80, 100, 150 мм.

Турбинные: СГ-16М Ду=50, 80, 100, 150, 200 мм.

Турбинные: ЛГ-К-Ех Ду=80, 100, 150, 200 мм.

Турбинные: TZ / FLUXI , Ду=50, 80, 100, 150, 200, 250, 300 мм.

Турбинные: TRZ Ду=50, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600 мм.

Вихревые: ВРСГ-1 Ду=50, 80, 100, 125, 150, 200 мм.

Вихревые: СВГ.М Ду=50, 80, 100, 150, 200 мм.

Струйные: СГ-1, СГ-2 Ду= 1/2 2 , 3/4 2 ,

Левитационный: ЛИС-1 Ду = 1/2 2

Ротаметры РМ – Ду=3, 6, 15, 40 мм.; РП – Ду=15, 20, 40, 70, 100 мм.;

РЭ – Ду=6, 10, 15, 25, 40, 70, 100 мм.

Расходомеры переменного перепада давления Стандартные сужающие устройства от 50 мм, нестандартные от 12,5 мм., верхние пределы неограниченные.

Ультразвуковые расходомеры-счетчики газа: Гобой – Ду=25, 40, 65, 80 мм., УБСГ – Ду=1.1/4 2 . ГАЗ-001 – Ду=100, 125, 150 до 600 мм.

Ультразвуковые расходомеры газов фирмы GE Panametrics с накладными преобразователями

До настоящего времени измерение расхода с использованием накладных ультразвуковых преобразователей, как правило, было ограничено только жидкими средами.

Содержание статьи

Расходомеры газов

До настоящего времени измерение расхода с использованием накладных ультразвуковых преобразователей, как правило, было ограничено только жидкими средами. Существующие технологии не позволяли применять накладные ультразвуковые преобразователи на металлических трубах с газом, и до сих пор считалось практически невозможным создание промышленного ультразвукового расходомера газов с накладными преобразователями.

Большой объем исследований, проведенный фирмой GE Panametrics, позволил решить эту задачу и создать промышленный расходомер газов GC868 с накладными ультразвуковыми преобразователями для измерения расхода газов при высоком и низком давлении в трубах из металлов или других материалов. Эта новейшая технология позволила расширить применение накладных ультразвуковых преобразователей в область измерения расхода газов.

Расходомер газа GC868 к содержанию

GC868 – полностью укомплектованная система с накладными ультразвуковыми преобразователями, предназначенная для измерения расхода большинства газов, включая следующие:

  • Природный газ
  • Сжатый воздух
  • Горючие газы
  • Агрессивные газы
  • Токсичные газы
  • Высокочистые газы
  • Газы разделения воздуха
  • Специальные газы
  • Пар

GC868 может быть использован для измерения расхода практически любого газа. Особенно эффективно его применение при измерении расхода газов, вызывающих эрозию и коррозию; токсических, высокочистых или стерильных газов, а также в практических задачах, где врезка датчиков в трубу нежелательна. Отсутствие необходимости врезки в трубопровод позволяет существенно снизить затраты на монтаж. Прибор не имеет деталей, контактирующих с измеряемой средой, или движущихся узлов, что исключает необходимость его частого технического обслуживания. Монтаж накладных ультразвуковых преобразователями не вызывает потерь давления в трубопроводе. Расходомер GC868 имеет широкий динамический диапазон 100:1. Использование запатентованной времяимпульсной корреляционной технологии детектирования позволило получить достаточно высокую точность измерения – относительная погрешность менее 2%, а при увеличении времени усреднения может быть достигнута погрешность 1%.

Система GC868 включает в себя электронный блок, два новых ультразвуковых накладных преобразователя для газов, предусилитель и монтажные приспособления для установки преобразователей на трубопроводе. Прибор GC868 прошел большой объем испытаний, как в нашей стране, так и за рубежом, при измерении расхода в металлических трубах, содержащих воздух, водород, кислород и природный газ в широком диапазоне диаметров труб от 76 до 914 мм. В России эти испытания проводились на предприятиях Газпром, были проведены испытания расходомера GC868 на линии природного газа компании Уралтрансгаз (г. Челябинск), результаты которых приведены ниже. Испытания расходомера GC868 проводились на компрессорной станции, которая имела калибровочную установку с двумя ультразвуковыми 5-ти ходовыми расходомерами фирмы Instromet и одним турбинным расходомером этой же фирмы. Турбинный расходомер использовался как прибор коммерческого учета газа.

Анализ результатов испытаний осуществлялся путем сравнения показаний турбинного и ультразвукового расходомеров фирмы Instromet с показаниями расходомера GC868. При этом, сравнение выполнялось как для действительных значений расхода газа, так и для величин расхода, приведенного к нормальным условиям. Были проведены предварительные испытания прибора GC868 на различных объектах Молдоватрансгаза (г. Кишинев). В процессе испытаний осуществлялось измерение расхода природного газа в трубах диаметром от 150 до 400 мм при давлении примерно 40 атм. и температуре 20-25°С. Результаты этих испытаний были удовлетворительными, однако требуемая точность измерений не была достигнута из-за невысокого качества используемых на предприятиях труб (большая овальность, высокая степень коррозии и т.п.), а также отсутствия прямолинейных участков необходимой длины без существенных местных сопротивлений.

Испытания расходомеров к содержанию

Проводились испытания расходомера GC868 на предприятиях различных фирм во Франции Roquette (г. Лиль). Первые испытания были проведены на объекте фирмы Roquette (г. Лиль). Измеряемая среда – природный газ при давлении 26,6 бара и температуре 5°С. Трубопровод был выполнен из углеродистой стали наружным диаметром 114, 3 мм (4 дюйма) и толщиной стенки 6 мм. В качестве образцового прибора использовался установленный на объекте расходомер переменного перепада давления с сужающим устройством типа диафрагма.

При этом показания образцового прибора составляли 11960 нормальных м3/час, а расходомера GC868 – 11832 нормальных м3/час. Погрешность измерения составила примерно –1% при введенной поправке на число Рейнольдса К=0,92. Следующие испытания проводились на предприятиях фирмы ASCOMETAL. В этом случае прибор GC868 использовался для измерения расхода воздуха КИП и А при давлении 7,8 бара и температуре 30°С в трубопроводе из углеродистой стали диаметром 193,5 мм и тол-щиной стенки 5,5 мм. Погрешность измерения расходомера GC868 по сравнению с вихревым расходомером, установленным на трубопроводе выше по течению, не превышала +1% при поправке на число Рейнольдса К=0,94.

Также были проведены испытания прибора GC868 по измерению расхода газообразного азота на предприятии VOEST (Австрия). При этом измерения расхода проводились на трубе из углеродистой стали диаметром 115,0 мм (4 дюйма) с толщиной стенки 4,21 мм при давлении 13,88 мм и температуре 45°С. На этой же трубопроводной линии на расстоянии 20D от GC868 был установлен расходомер переменного перепада давления фирмы McCrometer с V-конусом. Показания расходомера GC868 были примерно на 2% выше показаний расходомера с V-конусом при поправке на число Рейнольдса К=0,94. На этом же предприятии было также проведена гидрофобизация и измерение расхода воздуха КИП и А в трубопроводе из углеродистой стали 20 диаметром 275 мм с толщиной стенки 7,0 мм при давлении 6,5 бара и температуре 27°С. Расход в этом трубопроводе также измерялся с помощью расходомера переменного перепада давления фирмы McCrometer с V-конусом.

В целом, анализ результатов испытаний показал, что для получения погрешности измерений расхода в пределах указанных в технических характеристиках прибор GC868, необходимо очень внимательно подходить к выбору места установки накладных ультразвуковых преобразователей на трубопроводе – соблюдать все требования, связанные с необходимой длиной прямых участков, отсутствием значимых местных гидравлических сопротивлений (колен, фланцевых соединений и т.п.). Последние, в частности, могут привести к отражению ультразвукового сигнала. Кроме того, необходима тщательная подготовка поверхности трубы в месте установки ультразвуковых преобразователей. Существенное значение также имеет коррозия как внутренней, так и наружной поверхности трубы.

Расположение преобразователей и точность измерений к содержанию

Точность измерения расходомера GC868 определяется, главным образом, расположением и корректной установкой ультразвуковых преобразователей на трубе. При планировании места установки преобразователей необходимо использовать следующие рекомендации:

  • Ультразвуковые преобразователей должны быть размещены таким образом, чтобы длины прямых участков трубопровода до точки измерения и после нее, соответственно, составляли 20 диаметров против направления движения потока и не менее 10 диаметров по потоку. Кроме того, на этих участках трубопроводов должны отсутствовать такие источники турбулентности, как клапаны, фланцы, отводы. Также должны быть исключены источники завихрения, уклоны или низкие участки трубопровода, где возможно накопление конденсата.
  • Размещать преобразователи необходимо в горизонтальной плоскости на боковых поверхностях горизонтальной трубы, где это возможно. Конденсат или другие вещества, которые накапливаются внизу трубы, могут привести к значительному ослаблению ультразвукового сигнала. Если доступ к трубе ограничен, и необходимо расположить ультразвуковой преобразователь вверху трубы, то сместите преобразователи, как минимум, на 10° от вертикальной оси так, чтобы исключить влияние отражения пучка ультразвуковых импульсов от вещества, скопившегося на дне трубы.

О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учёта газа

Учет и контроль использования энергоресурсов является мощнейшим стимулом к их сбережению, и важнейшая задача в данной области — обеспечение точности результатов измерений. Проанализируем существующие методы измерения объемов газа и сформулируем критерии, помогающие выбору оптимального прибора для конкретной ситуации. Рассмотрим возможности применения расходомеров, разработанных на основе этих методов, для коммерческого учета газа.

Традиционно коммерческий учет газа основан на объемном и скоростном методах измерения объема газа, реализованных на базе диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков газа и измерительных комплексов на их основе. В трубопроводах больших диаметров (как правило, от Ду =300 мм и более) применяют метод переменного перепада давлений с использованием стандартных сужающих устройств (прежде всего — диафрагм) в комплексе с современными интеллектуальными преобразователями давления и разности давлений.

Рис. 1 Расходомер на базе сужающего устройства «ИРГА»

Одновременно предпринимаются попытки реализации новых методов измерения: вихревой, ультразвуковой, струйно-генераторный, кориолисовый и других. Как правило, новые разработки опираются на результаты современных исследований в области аэро-, термодинамики и электроники и ставят своей целью повышение точности и расширение диапазона измерения расхода газа, обеспечение работоспособности в широком температурном диапазоне, на загрязненном газе, а также в условиях пневмоударов и пульсаций газа. Анализу различных вариантов построения узлов коммерческого учета газа посвящены, в частности, работы [4, 5]. Следует учитывать, что каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки и выбор должен основываться на результатах тщательной метрологической экспертизы как самих методов измерения и реализующих их устройств, так и условий их градуировки и последующей эксплуатации.

Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств (СУ)

К достоинствам расходомеров следует отнести простоту конструкции преобразователя расхода и возможность поверки беспроливным методом, т. е. при отсутствии расходомерных стендов. Данная возможность обусловлена наличием наиболее полной научно-технической, в том числе стандартизованной информации по данному методу измерения.

Недостатками являются, во-первых, малый диапазон измерения (ранее не превышающий значения 1:3, а в настоящее время, с появлением многопредельных интеллектуальных датчиков давления, увеличившийся до 1:10). Во-вторых, высокая чувствительность к неравномерности эпюры скоростей потока на входе в СУ, обусловленной наличием в подводящем и/или отводящем трубопроводах гидравлических сопротивлений (запорной арматуры, колен и т. д.). Данное обстоятельство определяет необходимость наличия перед указанными СУ прямых участков длиной не менее 10 диаметров условного прохода (Ду) трубопровода. В ряде случаев, например при установке СУ после гидравлических сопротивлений, таких как неполностью открытый вентиль, прямой участок перед СУ достигает длины 50 Ду и более).

Объемный метод измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода

Недостатками расходомеров являются ограниченная работоспособность на загрязненном газе, возможность поломки при резких пневмоударах и частичное перекрытие газопровода при поломке, связанной, например, с заклиниванием роторов ротационного счетчика газа, относительно большие габариты, а также стоимость (для ротационных счетчиков газа больших типоразмеров) по сравнению с приборами других типов.

Главным достоинством, многократно перекрывающим недостатки и сделавшим данный метод измерения самым распространенным по количеству установленных приборов, является то, что это единственный метод, обеспечивающий прямое, а не косвенное измерение объема проходящего газа. Кроме этого, нужно отметить полную нечувствительность к любым искажениям эпюр скоростей потока на входе и выходе, что позволяет отказаться от прямых участков и резко сократить габариты узла учета газа, а также дает возможность обеспечения самых широких диапазонов измерения — до 1:100 и более. Счетчики газа данного типа прекрасно подходят для случаев учета газа при его циклическом потреблении, например, котлами с импульсным режимом горения.

Рис. 2 Диафрагменный счетчик газа типа ВК (слева) и ротационный счетчик газа типа RVG (справа).

Скоростной метод измерения на базе турбинных преобразователей расхода

Достоинствами расходомеров являются малые габариты и вес, относительно низкие стоимость и чувствительность к пневмоударам, а также значительный диапазон измерения расхода (до 1:30), который существенно превосходит аналогичный показатель для СУ. К недостаткам следует отнести некоторую чувствительность к искажениям потока на входе и выходе расходомера (хотя в современных приборах требования к длинам прямых участков до и после прибора минимальные и составляют, соответственно, всего 2 и 1 Ду), неработоспособность на малых расходах – менее 8 – 10 м3/ч, а также повышенную погрешность при измерении пульсирующих потоков газа.

Рис. 3 Турбинный счетчик газа типа TRZ

Однако самым главным достоинством расходомеров объемного и скоростного типа является стабильность коэффициента преобразования в самом широком диапазоне числа Рейнольдса Re потока газа. Обусловлено это тем, что все выпускаемые как у нас в стране, так и в мире счетчики газа калибруются на воздухе при нулевом избыточном давлении, в то время как работают на газе при совершенно других значениях давления.

Обеспечить достоверную сходимость показаний для этих двух случаев возможно только, если расходомер изначально имеет стабильный коэффициент преобразования, т. е. постоянное отношение его естественного выходного сигнала к проходящему через прибор расходу воздуха или газа. Например, для турбинного или ротационного счетчика газа (после необходимых сокращений) данный коэффициент преобразования определяется как количество оборотов турбинки или роторов, соответствующее прохождению единицы объема газа.

Оппоненты могут возразить, что поскольку в узле учета газа кроме объемного расхода все равно необходимо измерять температуру и давление газа, то даже при отсутствии необходимой стабильности коэффициента преобразования у прибора всегда имеется возможность при проведении его калибровки линеаризовать его статическую характеристику. А при переходе к реальным условиям эксплуатации также внести соответствующие корректировки, рассчитав число Re для каждого случая измерения. Тем более что современная микроэлектроника позволяет решать и более сложные задачи при относительно небольших затратах.

Действительно, описанную выше задачу решить принципиально можно, но необходимо полностью сформулировать ее условия, а этого пока не удается. Дело в том, что при течении газа по трубопроводу, а особенно при его расширении или сжатии (что имеет место, например, при повороте трубопровода или обтекании потоком каких-либо препятствий), имеют место сложные аэро- и термодинамические процессы. Соответственно, зависят они не только от величины числа Re, но и от значений других аэро- и термодинамических критериев, в частности, чисел Струхаля St, Нусельта Nu, Фруда Fr. А для проведения коррекции с учетом этих значений, во-первых, отсутствует необходимый экспериментальный материал, а во-вторых, для их определения как минимум нужна непрерывная информация о составе газа, которая в случаях установки приборов учета газа у потребителей отсутствует.

Вихревые расходомеры

Несомненными достоинствами вихревых расходомеров являются их нечувствительность к пневмоударам и возможность работы на загрязненных газах. К недостаткам относятся повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (примерно такая же, как и у стандартных сужающих устройств (СУ)) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тела (так называемого тела обтекания). Кроме того, если узел съема сигнала расходомера термоанемометрический, прибор становится энергозависимым, а если он выполнен с использованием пьезоэлементов, возникают весьма серьезные проблемы с обеспечением помехозащищенности при наличии внешних механических вибраций газопровода.

Однако самым серьезным недостатком вихревых расходомеров является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне изменения расхода газа, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним. Анализ данных проблем дан в [1]. Не случайно всемирно известная фирма Endress + Hauser, являясь производителем вихревых расходомеров серии Prowirl, не рекомендует их применение в случаях, когда требуется высокая точность измерения [2].

Ультразвуковые расходомеры

Достоинством ультразвуковых расходомеров является их наибольшая перспективность в коммерческом учете газа. Ранее их применение сдерживалось высокой стоимостью изготовления и недостаточной надежностью электронного блока. Однако в настоящее время с развитием микроэлектроники данный недостаток постоянно уменьшается. Приборы этого типа не имеют ни подвижных частей, ни частей, выступающих в поток. Соответственно, они практически не создают дополнительных потерь напора и могут потенциально иметь весьма высокую надежность. Также они могут обеспечивать измерения в широком диапазоне изменения расхода газа и быть энергонезависимыми, т. е. в течение длительного времени работать от встроенного автономного источника питания.

Недостатком является необходимость применения многолучевых ультразвуковых расходомеров (2-лучевых и более) с последующей обработкой информации по весьма сложной программе для того, чтобы практически исключить влияние искажений потока газа на точность измерения. К сожалению, выпускаемые в России ультразвуковые счетчики газа по совокупности своих характеристик пока не отвечают всем необходимым требованиям к приборам коммерческого учета газа и, соответственно, могут найти весьма ограниченное применение.

Струйные автогенераторные расходомеры

На указанном методе измерения остановимся подробнее, т. к. в настоящее время счетчики газа, созданные на базе расходомеров данного типа, без необходимой метрологической экспертизы начали активно применяться для коммерческого учета газа. Расходомер представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный отрицательными обратными связями, выполненными в виде пневматических каналов, соединяющих выходные каналы струйного элемента с одноименными каналами управления (левый — с левым, правый — с правым). При наличии расхода газа через сопло питания струйного элемента его струя попадает в один из выходных каналов и создает в нем повышенное давление, которое через соответствующий канал обратной связи подается в одноименный канал управления и переключает струю, выходящую из канала питания, в другое устойчивое положение. Затем процесс переключения струи повторяется. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания струйного элемента. Таким образом, в данном методе измерения имеет место создание аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа.

Струйному автогенераторному расходомеру присущи те же недостатки, которыми обладает вихревой расходомер, а именно: большие невозвратимые потери напора и повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (в варианте его применения в комплекте с СУ). Однако, к сожалению, есть и дополнительные минусы. Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может применяться только в качестве парциального расходомера, через который идет незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода газа (а это неминуемо снижает достоверность измерений), а с другой, существенно больше, чем вихревой расходомер, подвержен засорению (т. е. не обладает одним из основных преимуществ вихревого расходомера). Во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера. Так, например, при испытаниях одного из видов струйного расходомера [3] было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне 14,5-18,5 % при изменении расхода через прибор в диапазоне не более 1-5.

Достоинства у расходомера те же, что и у вихревого, за исключением работоспособности на загрязненных газах. Они могут применяться вместо датчиков перепада давлений на расходомерах переменного перепада. Принципиально это позволяет расширить диапазон измерения последнего. Однако отмеченные недостатки вряд ли позволяют рассчитывать на серьезное внедрение данного метода для коммерческого учета газа.

Кориолисовые расходомеры

Данные расходомеры являются одними из самых точных. Широко применяются для коммерческого учета жидкостей и сжатых газов. Наиболее типовое место применения в газовой промышленности – учет количества природного газа, отпускаемого на автомобильные газонакопительные компрессорные станции. В этом случае газ сжат до давления примерно в 20 МПа (200 бар) и имеет плотность, достаточную для применения данного метода. Недостатками являются большая масса, габариты и цена, а также влияние внешней механической вибрации на показания изделий. Расходомеры выпускаются многими ведущими производителями расходомерной техники. Случаев применения для учета газа в сетях низкого и среднего давления неизвестно.

Термоанемометрические (тепловые) расходомеры

Достоинством является отсутствие подвижных частей и, соответственно, потенциально высокая надежность работы в условиях пневмоударов, перегрузок и т. д.

Термоанемометрический расходомер

Основной недостаток термоанемометрических расходомеров, относящихся к классу тепловых, является следствием их принципа действия. Они фактически измеряют теплосъем с нагревательного элемента, который (при известной теплоемкости среды) однозначно связан с массовым расходом. Таким образом, приборы данного типа являются счетчиками массового расхода газа. Это могло стать достоинством, если бы расчет за газ производился с оплатой за единицу массы. Однако в нашей стране потребитель платит за объем газа, приведенный к нормальным условиям. Соответственно, для перехода от массового расхода к расходу природного газа при нормальных условиях требуется указанный массовый расход разделить на плотность газа при нормальных условиях. Однако плотность зависит от состава газа, а ее изменения в течение короткого времени могут достигать 10 % и более. В то же время состав газа самим прибором не измеряется и может вноситься вручную не чаще нескольких раз в сутки. Поэтому данные приборы вообще трудно отнести к приборам, пригодным для коммерческого учета газа, что обоснованно в [4, 5].

Проанализировав ситуацию на рынке приборов коммерческого учета газа, можно сформулировать следующие выводы:

1. Основным критерием применимости методов измерения для коммерческого учета газа является стабильность “естественного” (т. е. получаемого при градуировке без дополнительной коррекции по температуре и давлению газа) коэффициента преобразования в максимально широком диапазоне изменения режимов течения газа в трубопроводе. Только это позволяет с полным основанием производить градуировку и поверку приборов учета газа на воздушных расходомерных стендах с последующим распространением полученных результатов на случаи измерения природного и других газов, в том числе при давлении и температуре, отличающихся от условий градуировки или поверки.
2. Из появившихся в последние годы новых методов измерения расхода для коммерческого учета газа низкого и среднего давления потенциально применим только ультразвуковой метод измерения с преобразователями расхода в многолучевом исполнении.
3. Коммерческий учет газа в трубопроводах малого и среднего диаметров (до 300 мм) при расходах газа до 6 000 м3/ч наиболее целесообразно производить с использованием диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков соответственно увеличению диаметров трубопроводов и расхода газа.
4. Расходомеры переменного перепада наиболее целесообразно применять для коммерческого учета газа в газопроводах больших диаметров (свыше 400 мм), ограничивая по возможности диапазоны измерения расхода, например, создавая “гребенки” параллельно установленных расходомеров и подключая / отключая соответствующие каналы измерения при увеличении или уменьшении расхода газа через данный расходомерный узел.

Литература:

  1. Золотаревский С. А. О применимости вихревого метода измерения для коммерческого учета газа / С. А. Золотаревский // Энергоанализ и энергоэффективность. — 2006. – №1.
  2. Измерение расхода: руководство по выбору расходомера // Endress + Hauser. CP 001D/06/ru/04.04, 2004.
  3. Расходомер-счетчик РС-СПА. ТУ 4213-009-17858566-01. Протокол испытаний / ГАЗТУРБавтоматика. — М., 2002.
  4. Золотаревский С. А. Современные промышленные узлы коммерческого учета газа. Краткая история и ближайшие перспективы / С. А. Золотаревский, А. С. Осипов // Энергоанализ и энергоэффективность. — 2005. — № 4-5.
  5. Золотаревский С. А. К вопросу о выборе узлов коммерческого учета газа / С. А. Золотаревский, А. С. Осипов // Газ России. — 2006. — № 1.
  6. Иванушкин И. Ю. Приборы учета — всеми ли можно пользоваться? / И. Ю. Иванушкин // Реформа ЖКХ. — 2009. — № 11-12.
  7. Рациональное использование газа в сельском хозяйстве и коммунально-бытовом секторе: справочное пособие. — СПб.: Недра, 1997.

Читайте также:  Что делать, если не включается экран компьютера
Ссылка на основную публикацию