Решения, технологии, стандарты - статьи Ua.Automation.com

 

 

 

Определимся с вещами, т.е. с терминами. А с терминами и определениями всегда непросто. Существуют и такие явления как «жаргонизм», «вульгаризм», «разговорная речь», «просторечие», не говоря о модном «сленге», который знающие люди охарактеризовали как «язык-бродяга, который слоняется в окрестностях литературной речи и постоянно старается пробить себе дорогу в самое изысканное общество». А если взять еще во внимание и то, что приобретаемые нами товары производятся в иных странах, где свое «просторечие», то терминологическая ситуация от этого не упрощается.

 

В своих окрестностях «слоняются», безусловно, также и термины расход и расходоме́р. Чтобы внести определенную ясность в части данных окрестностей в обиходе мы за помощью чаще обращаемся к Википедии. При строгом подходе необходимо следовать ГОСТам, ДСТУ, как высшему свету обитания истины.

 

 

По Википедии:

Объёмный расход — объём вещества, проходящего через поперечное сечение потока за единицу времени.

Массовый расход — масса вещества, проходящего через поперечное сечение потока за единицу времени.

 

По ГОСТ 15528-86:

Расход жидкости (газа), расход –физическая величина, равная пределу отношения приращения массы или объема, или количества жидкости (газа), протекающих в трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, к интервалу времени, за который это приращение произошло, при неограниченном уменьшении интервала времени.

Объемный расход жидкости (газа), объемный расход – расход жидкости (газа), выражаемый через ее объем и время.

Массовый расход жидкости (газа), массовый расход – расход жидкости (газа), выражаемый через ее массу и время.

 

Для изучавших и еще помнящих теорию пределов, вполне очевидно, что приведенные параметры будут совпадать по значению (для каждого случая их определения – по Википедии и по ГОСТ) при одном условии – если приращение массы или объема не происходит. Другими словами – это совпадение относится только к случаю постоянной скорости потока. 
    
Для полноты картины в части использования терминов приведем определение расхода из учебника для подготовки операторов нефтепереработки [4]: 

Расходом называется количество вещества, которое проходит через счетчик за 1 ч при установившемся потоке и потере напора 0,1 МПа.

 

Потери напора представляют собой разность давлений на входе в счетчик и выходе из него. Чаще всего в литературе, на сайтах, в обиходе под расходом понимают количество вещества, протекающее через данное сечение трубопровода или канала в единицу времени. Такое определение вполне приемлемо, если абстрагироваться от строгости нормативных документов. Этот подход вполне допустим и для понимания общих вопросов, касающихся нашей темы. 

 

Вне всякого сомнения, если существует расход, то существуют и технические средства для измерения расхода вещества.

По Википедии, куда мы обращаемся за добыванием различных сведений, расходоме́р — это прибор, измеряющий объёмный расход или массовый расход вещества, то есть, количество вещества (объём, масса), проходящее через данное сечение потока, например, сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство (счётчик) и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют счётчиком-расходомером. 

Интегратор (счетчик) непрерывно суммирует показания прибора, а количество вещества определяют по разности его показаний за требуемый промежуток времени.

 

Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления.

Если условия эксплуатации расходомера отличаются от условий, при которых производилась его градуировка, то ошибка в показаниях прибора может значительно превысить допустимое значение. Поэтому для серийно выпускаемых приборов установлены ограничения области их применения: по свойствам измеряемого потока, максимальной температуре и давлению, содержанию твердых частиц или газов в жидкости и т. п.

 

 

 

Выше мы уже говорили, что с терминологией и определениями среди источников, к которым мы чаще всего обращаемся, не все так просто. Поэтому вынуждены приводить определения из разных источников, если имеются определенные расхождения. В такой же мере это касается и ультразвуковых расходомеров.

 

Ультразвуковыми расходомерами называют расходомеры, принцип работы которых основан в прохождении ультразвуковой волны через поток жидкости или газа. Ультразвуковые расходомеры работают в диапазоне частот от 20 кГц до 1000 МГц.

По ГОСТ 15528-86:

Ультразвуковой расходомер - акустический расходомер, в котором используются звуковые колебания частотой свыше 20 000 Гц. 

Акустический расходомер - расходомер жидкости (газа), принцип действия которого основан на зависимости акустического эффекта в потоке жидкости (газа) от ее расхода.

В технической литературе, в учебниках чаще используется определение, близкое к Википедии. На такое определение и мы будем ориентироваться. 

Здесь важен, наверное, тот принцип, который исповедуют многие наши соотечественники, когда речь заходит о том, на каком языке общаться между людьми: да какая разница, лишь бы взаимопонимание было, да человек хороший. Но мы еще придерживаемся и такого принципа: Покупатель всегда прав. Между нами – следовать принципам нелегко. 

 

 

Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения расхода почти всех продуктов, будь то жидкости или газы, агрессивные или коррозионные. Применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства: 
• Водоподготовка и очистка сточных вод;
• Химическая; 
• Нефтегазовая;
• Нефтехимическая и нефтеперерабатывающая;
• Пищевая промышленность и напитки;
• Фармацевтическая;
• Земледелие (полив растений);
• Энергетика 

 

В целом к достоинствам ультразвуковых расходомеров как таковых принято относить:
•    высокую точность измерения в широком интервале расходов; 
•    сверхвысокое быстродействие (десятки миллисекунд),
•    возможность измерения пульсирующих расходов; 
•    высокие показатели надежности (из-за отсутствия подвижных узлов); 
•    принципиальную возможность измерения массового расхода;
•    сохранение работоспособности при изменении направления потока;
•    возможность измерения большого класса сред от жидких металлов до криогенных жидкостей и газов;
•    отсутствие необходимости обучения персонала, использования специального инструмента и отсутствие неразрешимых проблем при монтаже, вводе в эксплуатацию, калибровке или техническом обслуживании; 
•    ввод в эксплуатацию в равной степени прост и безопасен.

 

Выделяют несколько ультразвуковых методов измерения расхода, которые по-разному реализуют достоинства ультразвуковых расходомеров. Поэтому современные ультразвуковые расходомеры совмещают в себе все преимущества каждого метода, и идеально подходят под высокие требования современного производства.

 

Указанные выше качества и ряд других особенностей ультразвуковых расходомеров определили их широкое распространение.

 

 

Попытавшись назвать вещи своими именами, переходим к теме измерения расхода жидкостей ультразвуковыми расходомерами.

Как указывалось выше, Герон Александрийский на рубеже 2 в. н. э установил, что расход воды Q равен площади сечения S, умноженной на скорость v, т.е. Q = S х v. Таким образом, все расчеты расхода сводятся к определению скорости потока и площади поперечного сечения этого потока. 

 

В настоящее время наибольшее распространение получили ультразвуковые расходомеры двух типов: 
● ультразвуковые времяимпульсные расходомеры, в которых используется тот факт, что скорость распространения ультразвуковой волны Vв в движущейся среде является векторной суммой Vв = Vж +V, где Vж — скорость распространения ультразвука в неподвижной жидкости, а V — скорость течения жидкости;
● доплеровские расходомеры, основанные на эффекте Доплера, имеющем место при отражении ультразвуковой волны от некоторого отражателя или группы отражателей, движущихся в потоке жидкости.

Остановимся на ультразвуковых времяимпульсных расходомерах, ориентируясь на упомянутый выше афоризм Козьмы Пруткова.

Измерение скорости ультразвуковыми расходомерами в закрытых трубопроводах

 

Почему же не сказать, если все очень просто.

 

Принцип действия ультразвуковых расходомеров основан на измерении разницы во времени прохождения акустического сигнала в жидкости (газе). При этом два ультразвуковых преобразователя (по другому – датчики, сенсоры), расположенные на трубопроводе по диагонали напротив друг друга, функционируют попеременно как излучатель и приёмник. 

 

Таким образом, скорость распространения акустического сигнала, поочерёдно генерируемого обоими преобразователями, увеличивается, когда сигнал направлен по потоку, и уменьшается, когда направлен против потока. 

Разница в измеренном времени передачи ΔT напрямую и в точности соотносится со скоростью протекания жидкости в трубопроводе, как это показано на рисунке:

где:
Ө – угол наклона к направлению потока жидкости;
М – время прохождения ультразвукового луча;
D – диаметр трубопровода;
Tup – время прохождения звукового сигнала от верхнего преобразователя (Downstream transducer) до преобразователя нижнего преобразователя (Upstream transducer);
Tdown – время прохождения звукового сигнала от нижнего преобразователя (Upstream transducer) до верхнего преобразователя; 
ΔT = Tup – Tdown;
flow – поток жидкости;
Install Spacing – установочный интервал.

 

На основании измеренной акустическим расходомером скорости v, можно затем рассчитать объёмный расход Q, зная поперечное сечение трубопровода. 

 

Надеемся, удалось убедить, что и впрямь довольно просто.