Измерения расхода и объема воды

Вид материала

Содержание

Подводные камни
Поверка при выпуске и точность приборов
Средства измерений для напорных трубопроводов

Подобный материал:

Измерения расхода
и объема воды

В.И.Мясников
кандидат технических наук.
Комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический
институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и
инженерной гидрогеологии Госстроя России (ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО)

    Вода - важнейший ресурс жизнеобеспечения По данным ООН, уже сейчас 31 государство находится на грани водного кризиса. По прогнозам, через четверть века в результате роста населения серьезные проблемы с водой будут испытывать уже около 50 стран. Путь у человечества один: использование водосберегающих технологий и жесткий контроль потребления воды.
      Россия является одним из наиболее обеспеченных водными ресурсами государств. Однако в результате антропогенного загрязнения качество воды в источниках довольно низкое. Данная ситуация сложилась в связи с практически бесконтрольным использованием воды и ее обесцениванием в течение нескольких десятилетий.
      Чисто декларативные подходы к рациональному использованию воды не способствовали производству современных отечественных приборов для измерения расхода и объема гидроресурсов.
В последнее десятилетие ситуация кардинально изменилась: введен налог на водопользование, наблюдается тенденция увеличения цен гидроресурсов, резко возрос интерес к средствам измерений расхода и объема воды.
      Развитию и совершенствованию производства расходомеров и водосчетчиков на российских предприятиях способствуют не только растущие потребности рынка, но и возникшая конкуренция, а также открывшийся доступ к различным материалам и электронным компонентам всемирно известных производителей.

     Рынок: не верь глазам своим
      Бурное развитие рынка средств измерений Расхода и объема обусловлено, прежде всего, потребностью измерений объема воды для осуществления финансовых расчетных операций.
      Объем воды контролируется при заборе из поверхностных и подземных источников, при реализации холодной и горячей воды, а также при сбросе воды после использования. Кроме того, если вода используется в качестве теплоносителя, измерение ее объема и расхода осуществляется для контроля потребления тепла.
      Помимо расчетных операций системы измерений расхода и объема воды находят широкое применение для контроля технологических процессов в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве. Технологический контроль расхода воды необходим для управления такими процессами, как транспортирование воды, водоподготовка, теплообмен, дозирование. Системы измерений расхода и объема воды применяются также для оценки эффективности функционирования различных сооружений, установок и аппаратов, а также для диагностики их неисправностей.
В Государственном реестре средств измерений количество типов приборов для измерений расхода и объема воды исчисляется уже сотнями, это приводит в замешательство потребителей. Однако высококачественных отечественных приборов не так много, а хорошие импортные стоят дорого.
      Появлению средств измерений низкого качества способствует несовершенство нормативной базы и отсутствие у большинства производителей желания выполнять исследовательские и испытательные работы, так как они требуют привлечения высококвалифицированных специалистов и существенных временных затрат, что ведет к увеличению себестоимости продукции.
      Эти пробелы возмещаются рекламными дифирамбами, из которых можно узнать, что производители сего прибора изобрели уникальное устройство, работающее на основе ранее неизвестного метода, чем превзошли все мировые достижения. Доверчивый российский потребитель, привыкший учиться на собственных ошибках, пытается разделить этот рекламный восторг производителя, но, имея некоторые сомнения, выполняет собственные "исследовательские" работы, результаты которых повергают его в уныние.
       Произвести оценку качественных характеристик водосчетчика потребителю весьма непросто. Ведь обновление время от времени показаний и нахождение их в разумных пределах еще не подтверждает точности измерений - одной из главных характеристик прибора.
       Те времена, когда потребителя волновала только работоспособность водосчетчика, проходят. Под влиянием требований рынка среди производителей разворачивается борьба за метрологические характеристики приборов. С огорчением следует констатировать, что у ряда изготовителей объявляемая точность приборов, мягко говоря, вышла за разумные пределы. В данной ситуации добросовестные производители аналогичных средств измерений вынуждены оспаривать метрологические характеристики продукции конкурентов или же пытаться необоснованно завысить характеристики собственных изделий. Надо отметить, что процессы идут по тому и другому направлению; остается надеяться, что постепенно возобладают цивилизованные рыночные отношения.

      Подводные камни
       Основным критерием для оценки систем измерений объема и расхода воды является достоверность получаемой информации, которая, в свою очередь, определяется надежностью работы систем и метрологическими характеристиками используемых средств измерений.
       Важно отметить, что оценивать эти характеристики следует применительно к реальным условиям эксплуатации, ибо высокая точность прибора, указанная в паспорте или рекламном проспекте, часто задается для условий, обеспе чить которые на реальных объектах невозможно. Именно это и является причиной скрытого от потребителя несовершенства некоторых средств измерений.
   Использование для расчетных операций недостоверной информации, получаемой в процессе эксплуатации таких приборов, приводит к нарушениям при осуществлении платежей в бюджет, а также влечет за собой искажение финансовой отчетности предприятия и связанные с этим убытки. Повышенная погрешность измерении расхода воды при технологическом контроле также нежелательна, она может приводить к дополнительным энергетическим и материальным затратам или к снижению качества продукции.
   При выборе системы измерений объема воды следует учитывать следующие факторы: назначение системы, точность измерений, стоимость, требования к монтажу, условия эксплуатации, требования к обслуживанию, надежность, межповерочный интервал, ремонтопригодность, срок службы.
   Потребитель анализирует зачастую лишь начальные затраты по организации системы учета объема воды, не вникая в техническую сторону проблемы. Однако в дальнейшем эксплуатация наиболее дешевых систем может привести к существенным убыткам, в несколько раз превышающим первоначальные затраты на внедрение этих систем.
Принципы действия средств измерений расхода и объема основаны на различных физических методах, каждый из которых имеет свои особенности; однако существуют факторы, оказывающие в той или иной мере негативное влияние на точность практически всех приборов.
      Обычно система измерений расхода и объема контролирует скорость потока воды в трубопроводе. Эта скорость пересчитывается в объем или расход путем умножения на градуировочный коэффициент, зависящий от площади внутреннего сечения участка, в котором выполняется измерение (измерительного участка). Однако если измерительный участок не имеет антикоррозионного покрытия, то в процессе эксплуатации погрешность измерений резко возрастает. Дело в том, что большинство трубопроводов водоснабжения и водоотведения подвержены коррозии и образованию отложений. Контролировать величину отложений для корректировки результатов измерений с необходимой точностью нереально. В то же время известны случаи зарастания трубопроводов на треть сечения и более.
   Для получения достоверной информации об объеме и расходе воды следует применять приборы, первичные преобразователи и измерительные участки которых изготовлены из коррозионно-стойких материалов или имеют высокопрочное защитное покрытие. Установка датчиков на действующий трубопровод не гарантирует точности измерений. Кроме того, если система измерений используется для расчетных операций, желательно проверять целостность защитного покрытия, а также отсутствие солевых или биологических отложений. Периодичность проверки целесообразно устанавливать исходя из качества воды и опыта эксплуатации средств измерений.
       Измерения расхода воды, загрязненной в процессе использования или взятой из поверхностных источников с большим содержанием взвешенных веществ, нельзя производить при низких скоростях потока. В противном случае происходит заиление нижней части измерительного участка, что приводит к существенным дополнительным погрешностям измерений как за счет изменения площади живого сечения, так и за счет искажения структуры потока. Избежать заиления можно, установив первичный преобразователь системы измерений на участке трубопровода или канала меньшего сечения, при этом необходимо выдержать указанные в инструкции по эксплуатации длины прямолинейных участков до и после преобразователя.
       Не допускается устанавливать первичные преобразователи систем измерений объема и расхода воды на участках трубопроводов, подверженных завоздушиванию. Такие участки трубопроводов работают неполным сечением, из-за чего измерения будут выполняться с большими дополнительными погрешностями.
       Большое значение для обеспечения точности измерений имеет качество монтажа системы. Первичные преобразователи должны быть установлены с жестким соблюдением всех требований производителя. Особенно важно выполнение требовании по соблюдению нормированных длин прямолинейных участков трубопровода перед измерительным участком и после него. Кроме того, измерительный участок должен быть смонтирован соосно с трубопроводом, перед ним не должно быть уступов и выступающих внутрь прокладок.
       Нежелательно располагать перед первичным преобразователем задвижки, затворы, клапаны, если они работают в режиме регулирования. В зтом случае следует размещать их за преобразователем системы измерений.
       При монтаже сигнальных линий необходимо учитывать возможное влияние внешних электромагнитвых полей, что особенно актуально для промышленных объектов, например, насосных станций и тепловых пунктов. Сигнальные линии большой протяженности должны быть проложены в металлорукавах или металлических трубах Не следует располагать сигнальные линии рядом с силовыми кабелями.

       Поверка при выпуске и точность приборов
       При выпуске приборов измерений расхода и объема воды применяются два метода поверки. Метод прямой поверки (проливной) основан на сравнении показаний поверяемого средства и образцового средства поверочной установки, в качестве которого могут быть использованы устройства, реализующие весовой способ, объемный способ или способ сличения.
       Второй метод - косвенной поверки (беспроливной) основан на использовании результатов косвенных измерений различных параметров системы измерения, как правило, с использованием имитатора.
       Рассматривая оба метода поверки, следует признать, что прямая поверка позволяет обеспечить более высокую точность и снизить риск ошибок. Метод косвенной поверки целесообразно использовать только для систем измерений, предназначенных для больших трубопроводов и каналов. Относительная погрешность косвенных измерений в данном случае, как правило, достаточно мала, что позволяет гарантировать для поверяемых средств точность 1-2%. При использовании средств измерений объема воды для учетных и расчетных операций следует отказываться от проведения первичной косвенной поверки в полевых условиях.

       Средства измерений для напорных трубопроводов
       В настоящее время наиболее распространены следующие типы средств измерений объема и расхода воды в напорных трубопроводах: тахометрические, вихревые, электромагнитные. ультразвуковые, а также средства измерений, реализующие метод переменного перепада и местной скорости.

       • Приборы переменного перепада.
       К широко используемым приборам переменного перепада следует отнести диафрагмы, трубы Вентури, сопла, меньшее распространение получили осредняющие трубки.
       Недостатки этих приборов: узкий рабочий диапазон, потери давления, относительно невысокая точность измерений. Кроме того, предъявляются жесткие требования к качеству обработки кромки отверстий диафрагм.
       Общим недостатком для всех приборов этого типа является сложность эксплуатации импульсных трубок, подверженных засорению и завоздушиванию.
       При использовании систем переменного перепада для расчетных операций необходимо оснащать их счетчиками объема воды с таймерами для контроля времени нормальной работы; все вентили на импульсных трубках должны быть опечатаны, так как с их помощью можно изменять показания системы измерений. В то же время необходимость управления вентилями для периодических продувок импульсных трубок ставит под сомнение возможность применения таких систем для расчетных операций.

   • Тахометрические приборы
       Тахометрические приборы представлены крыльчатыми и турбинными счетчиками, имеющими достаточно большой рабочий диапазон при измерении холодной воды и низкую стоимость.
       К недостаткам этих конструкций следует отнести необходимость установки перед счетчиками специальных фильтров для удаления взвешенных частиц, а также низкую надежность на максимальных расходах, так как при этих расходах ресурс счетчиков резко ограничен.
       Недостатком является и то, что при движении по трубопроводу воздуха или водо-воздушной смеси счетчик работает так, как если бы по трубопроводу двигалась вода, что приводит к неправильным показаниям. Этот недостаток особенно актуален для трубопроводов, которые подвергаются периодическому опорожнению.

       • Электромагнитные приборы
       Электромагнитные системы измерении объема и расхода воды, принцип работы которых основан на взаимодействии движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем, обладают высокой точностью измерений в широком рабочем диапазоне, они не требуют больших прямолинейных участков трубопровода (этими преимуществами не обладают электромагнитные расходомеры с датчиками- зондами местной скорости).
       К недостаткам этого типа систем следует отнести чувствительность к образованию электропроводящих отложений на внутренней поверхности первичного преобразователя и высокую стоимость для трубопроводов большого диаметра.

       • Вихревые приборы
       Принцип действия вихревых приборов основан на зависимости частоты срыва вихрей за телом обтекания от скорости потока. В системах измерений, реализующих вихревой метод, нет подвижных механических частей, они имеют низкую стоимость. Недостатками этих приборов являются повышенные требования к длинам прямолинейных участков трубопровода и низкая точность при измерениях на малых скоростях потока.

       • Ультразвуковые приборы
       Ультразвуковые расходомеры имеют несколько принципиально различных конструкций. Распространены приборы, реализующие метод, основанный на разности времени прохождения ультразвуковых сигналов по потоку и против потока жидкости, а также приборы, реализующие доплеровский и корреляционный методы.
       Доплеровский и корреляционный приборы не обладают высокой точностью измерений, они требуют достаточно больших прямолинейных участков трубопровода. Достоинством этих систем является малая чувствительность к загрязнению воды.
       Наиболее перспективны системы измерений объема и расхода воды, реализующие временной метод. Среди них распространены однолучевые и двухлучевые системы. Точность однолучевых приборов зависит от шероховатости стенок трубопровода и длины прямолинейного участка перед первичным преобразователем. Однолучевые системы следует применять для стационарных узлов технологического контроля, если точность измерения 2-5%. достаточна. На трубопроводах больших диаметров в этом случае допускается устанавливать ультразвуковые датчики без измерительного участка с антикоррозионным покрытием. Однолучевые ультразвуковые расходомеры с накладными ультразвуковыми датчиками уступают в точности аналогичным системам, датчики которых вмонтированы в трубопровод. Ультразвуковые расходомеры с накладными датчиками не следует применять для расчетных операций или поверки других средств измерений расхода и объема воды, как это предлагают в рекламе некоторые фирмы. В то же время эти приборы идеально подходят для оперативного обследования объектов.
       Высокую точность измерении - 0,5-1,5% - могут гарантировать только двухлучевые или многолучевые ультразвуковые системы измерений с датчиками, расположенными по хордам, а также однолучевые приборы со встроенными формирователями потока. Эти системы измерений должны иметь коррозионно-стойкий измерительный участок, изготовленный в заводских условиях. При этом для косвенных методов поверки гарантированная точность измерения не может быть лучше 1-1,5%.

   • Приборы местной скорости
       Системы измерений объема и расхода воды, реализующие метод местной скорости, не имеют широкого распространения, за исключением систем с доплеровскими ультразвуковыми и электромагнитными датчиками. Их принцип действия основан на определении расхода воды по результатам измерений локальной скорости в одной или нескольких точках сечения трубы.
   Системы измерений местной скорости имеют невысокую точность, для их применения требуются большие прямолинейные участки трубопровода. Исходя из низкой стоимости этих систем их целесообразно использовать на трубопроводах больших диаметров для технологических целей.

       • Средства измерений для открытых каналов
       Кроме систем измерений расхода и объема воды в напорных трубопроводах используют системы для измерении в каналах и трубопроводах, работающих неполным сечением (далее - открытых каналах). Стационарные системы измерений расхода и объема воды в открытых каналах реализуют, как правило, один из трех методов: переменного уровня, уровень-скорость и "фиксированного русла".

       • Метод переменного уровня
       Метод переменного уровня широко известен, его применение регламентировано документом МИ 2406-97. Метод основан на использования стандартных сужающих устройств, встраиваемых в канал для обеспечения однозначной зависимости между расходом и уровнем. Уровень измеряется, как правило, пневмометрическим или акустическим методом. Первый из методов - наиболее точный, однако для его реализации требуется сжатый воздух. Обязательным требованием для применения метода переменного уровня является отсутствие подтопления сужающего устройства. Выполнение данного требования обеспечивается с помощью специальных конструктивных решений. Метод переменного уровня целесообразно применять для коммерческих расчетных операций.

       • Метод "фиксированного русла"
       Метод "фиксированного русла" заключается в измерении уровня на неподтопленном достаточно прямолинейном участке канала. Зависимость между расходом и уровнем устанавливается с помощью градуировки по месту, как правило, методом "площадь-скорость". Метод "фиксированного русла" менее точен, чем измерение с помощью сужающих устройств, и не обеспечивает надежной защиты от возможного подтопления. Кроме того, для применения данного метода необходимо соблюдение равномерного течения жидкости на выбранном участке канала во всем диапазоне измеряемых расходов. На основе метода "фиксированного русла" разработан документ МИ 2220-96, регламентирующий измерение расхода в коллекторах круглого сечения. В соответствии с данной методикой расход определяется по результатам измерений уровня с предварительным определением градуировочного коэффициента на основании измерений скорости потока в одной точке поперечного сечения трубы. Такой упрощенный подход обеспечивает точность измерений не лучше 4%. Согласно методике также допускается определение градуировочного коэффициента по теоретической зависимости с использованием проектного строительного уклона и табличной величины коэффициента шероховатости. Специалистам известно что такие расчеты могут давать погрешность 15-20%, поэтому использовать расчетный метод с проектными и табличными исходными данными нецелесообразно.

   • Метод скорость-уровень
       Метод скорость-уровень основан на измерении как средней скорости потока, так и уровня. Это наиболее совершенный метод, однако средства измерений, реализующие данный метод, не получили пока распространения из-за высокой стоимости.

       Выводы
       1. При использовании средств измерении объема воды для финансовых учетно-расчетных операций следует выбирать приборы, комплектуемые измерительными участками заводского изготовления из коррозионно-стойких материалов или с надежным внутренним антикоррозионным покрытием.
       2. Переносные приборы, а также приборы с накладными датчиками при измерении объема и расхода воды в реальных условиях гарантируют точность измерений 4-5%. Их нецелесообразно применять для расчетных операций и тем более для проверки других приборов.
       3. Нежелательно останавливаться на применении расходомеров и водосчетчиков малых диаметров (до 100 мм), если первичная поверка их выполнена косвенным методом. Погрешность приборов больших диаметров, первичная поверка которых произведена косвенным методом, со- ставляет 1% и более.
       4. Для точных измерений следует использовать многолучевые ультразвуковые системы с располо- женными по хордам датчиками и электромагнитные приборы. Однолучевые ультразвуковые расходомеры, за исключением приборов с формирователями потока, и электромагнитные расходомеры зондового типа в условиях эксплуатации обеспеспечивают точность измерений порядка 2-3%.
       5. При измерении объема воды в каналах, работающих неполным сечением, следует ориенти- роваться на приборы с сужающими устройствами или приборы, обеспечивающие измерение скорости и уровня.
       6. Стабильность метрологических характеристик большинства средств измерений зависит от качества воды; данный факт следует принимать во внимание при определении периодичности поверки.
       7. Точность измерений расхода воды определяется в равной степени как паспортными характеристиками выбранного прибора, так и выполнением всех требований к монтажу и соблюдением правил эксплуатации.

Blog

Измерения расхода и объема воды

Содержание