Принцип работы, виды и недостатки ультразвуковых счетчиков воды

СертификатРоссиипродлен до 2027 г.

Цель и задачи исследования

Целью работы является обоснование структуры ультразвукового расходомера способного работать
в широком диапазоне измеряемых скоростей и давлений газа в условиях воздействия акустической помехи.

Основные задачи исследования:

• Осуществить выбор преобразователя время-код, обеспечивающего требуемые точность и разрешение измерений времени пролета УЗ-импульсов.
• Разработать структурную схему расходомера и алгоритм его функционирования.
• Разработать систему автоматической регулировки усиления (АРУ).
• Разработать электрический фильтр для подавления акустической помехи.

Ультразвуковой расходомер – это прибор основанный на измерении акустических эффектов обусловленных движением измеряемой среды.

Ультразвуковые расходомеры используют для измерения объема и объемного расхода жидкости в напорных и безнапорных трубопроводах.

Область применения расходомеров – коммерческий и технологический учет расхода холодной и горячей воды, сточных вод, нефти, нефтепродуктов, масел, сжиженных газов, химрастворов, пищевых, др. жидкостей и газа на предприятиях всех отраслей промышленности. У нас Вы можете купить ультразвуковые расходомеры различных модификаций.

Производится четыре модификации ультразвуковых расходомеров счетчиков, которые обозначаются комбинацией литер А В Т К, включающие в себя 11 типоразмеров:

РИТМ-ВТ – расходомер счетчик жидкости для технологического учета;

РИТМ-ВК – расходомер счетчик жидкости повышенной точности;

РИТМ-АТ – расходомер счетчик газа для технологического учета;

РИТМ-АК – расходомер счетчик газа повышенной точности.

Введение

За последние 15 лет ультразвуковые счетчики газа прошли путь от инженерно-технической лаборатории
до серийного использования в качестве основного прибора измерения объема газа для коммерческого учета.
Наряду с высокой воспроизводимостью и высокой точностью ультразвуковая технология имеет и другие
характерные особенности: незначительное падение давления; широкие пределы измерений; способность
работать с реверсивными потоками; устойчивость к загрязнению и широкие возможности самодиагностики.

Обозначение ультразвукового расходомера РИТМ при заказе

где: РИТМ – название прибора;М – модификация (ВТ, ВК, АТ, АК);X – количество лучей (2, 3, 4, 5, 8);Ду – условный диаметр ИУ, мм; Рмакс – макс. давление жидкости, МПа (из ряда: 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 20; 32; 40; 63);Ех – взрывозащищенное исполнение.Пример обозначения при заказе четырехлучевого ультразвукового  расходомера повышенной точности, Ду 150мм, Рмакс = 16МПа, для измерения газа во взрывоопасной зоне:РИТМ-АК4-150-16-Ех.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Одной из важнейших задач в газовой промышленности является измерение расхода газа. Система учета количества веществ невозможна без средств
измерения расхода, которые основаны на различных методах измерения расхода.

Расходомер выполняет следующие функции:

• Вывод результатов измерений объема, расхода, температуры, давления на показывающее устройство;
• Ввод значений условно-постоянных величин: состав газа, параметры датчиков давления и температуры,
  поправочные коэффициенты, калибровочные коэффициенты;
• Защиту от несанкционированного доступа к параметрам;
• Дистанционную передачу измеренных данных;
• Обеспечение требований искробезопасности.

В настоящее время применяются следующие типы расходомеров:

• Ультразвуковой расходомер газа. Принцип работы ультразвукового электронного расходомера-счетчика
  газа основан на том, что преобразователи посылают и принимают импульсы, проходящие через среду.
  Ультразвуковой расходомер-счетчик газа измеряет разность времени прохождения сигналов по потоку
  и против него, используя различные способы цифровой обработки сигналов, определяет скорость и
  объемный расход.
• Струйный расходомер. Принцип работы промышленных цифровых расходомеров газа (воздуха) основан
  на зависимости частоты колебаний струи измеряемой среды в чувствительном элементе расходомера от
  объемного расхода газа, протекающего через него.
• Кориолисовый расходомер. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний
  U-образных трубок, по которым движется среда.

Ультразвуковой промышленный счетчик газа использует наиболее перспективную на сегодняшний момент технологию
ультразвуковой расходометрии.

Разработка фильтра для подавления акустических помех

В различных областях деятельности современного общества, при использовании акустических систем в замкнутом пространстве,
остается актуальной проблема подавления акустических помех. Такие помехи возникают в самых различных сферах деятельности человека – при озвучивании помещений, в тактических и летных шлемофонах,
в слуховых аппаратах, в исследовательских системах с излучателями и приемниками сигналов звуковой частоты и т.д.

Для подавления сигнала акустической помехи предлагается ввести в измерительный усилитель каскад активного
фильтра верхних частот с частотой среза порядка 120 кГц. Фильтр практически не будет ослаблять полезный
измерительный сигнал с частотой 125 кГц, и будет эффективно подавлять сигнал помехи частотой порядка 30 кГц.

Рисунок 11 – Осциллограмма без акустической помехи

Рисунок 12 – Осциллограмма с акустической помехой

Принцип действия ультразвукового расходомера

Принцип действия ультразвукового расходомера обеспечивается программноаппаратной частью прибора, основанной на использовании мощного цифрового сигнального процессора, работающего на тактовой частоте 100МГц и нескольких вспомогательных процессоров выполняющих функции управления энергопотреблением, обработкой сигналов датчиков давления и температуры, приведения значений расхода к нормальным условиям, обслуживания внешних интерфейсов, запись архивов, некоторые вспомогательные операции и вычисления.

Особенности разработанного прибора

Важной особенностью разработанного прибора является возможность длительной работы под автономным питанием от встроенной литиевой батареи. Время непрерывной работы прибора в автономном режиме более одного года. Монтаж прибора может быть осуществлен на газопроводы диаметром от 100 до 1600 мм следующими способами:

• монтаж расходомера на действующий участок газопровода при стравленном давлении. Для обеспечения данного вида монтажа разработан комплект специальной технологической оснастки, обеспечивающий выполнение геометрических размеров при установке патрубков для датчиков прибора.
• монтаж расходомера на газопровод, находящийся под действующим давлением включая огневые работы. Для этого разработано и отдельно сертифицировано устройство врезки под давлением обеспечивающее, как вскрытие трубопровода при давлениях до 100 кг/см, так и замену пьезоэлектрических датчиков в процессе эксплуатации под действующим давлением. Устройство врезки позволяет обеспечивать вскрытие стенки трубопровода до 26 мм с помощью корончатых или полых фрез диаметром 19 мм.
• расходомер может быть поставлен в комплекте с фланцевой измерительной катушкой.

Разработанный расходомер для коммерческого учета полностью сертифицирован и прошел все виды испытаний. Базовая модель расходомера состоит из блока электроники, датчиков давления (избыточного или абсолютного) и температуры (накладного или погружного) четырех пьезоэлектрических датчиков, организующих два независимых канала измерения скорости потока. Скважинный расходомер сертифицирован на взрывобезопасность-вид взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь уровня ib». По дополнительному заказу могут быть поставлены: барьер искрозащиты, источник сетевого питания, GSM-модем, конвертер связи с системами телемеханики.

Вычисление расхода и объема газов производится в соответствии с методикой выполнения измерений ультразвуковыми преобразователями разработанной предприятием «Газметрология» и имеющей статус стандарта ОАО «Газпром». Физические свойства природного газа вычисляются в соответствии с требованиями ГОСТ 30319.1 и ГОСТ 30319.2 методами NX19mod, GERG91mod и AGA892DC.

Расходомер обеспечивает регистрацию во встроенной энергонезависимой памяти и вывод на встроенный индикатор и внешний порт среднечасовых и среднесуточных значений избыточного (абсолютного) давления, расхода в рабочих условиях, температуры, объема измеряемой среды и теплоты сгорания, а также регистрацию данных о вмешательствах оператора или информационной системы в любые параметры настройки расходомера. Длина часовых архивов данных — 50 суток, длина суточных архивов данных — 600 суток, длина архива вмешательств — до 1200 сообщений.

Расходомер также обеспечивает автоматическую фиксацию во времени нештатных ситуаций, связанных с отказами датчиков, измерительных каналов, снижением напряжения встроенного источника электропитания и.т.д.

Конфигурирование прибора может осуществляться с помощью переносного терминала по инфракрасному порту или с помощью терминальной программы, установленной на технологическом компьютере. Терминальная программа позволяет считывать архивы данных и архивы вмешательств по интерфейсу EIA RS-232 от 16 приборов «ГиперФлоу-УС».

Предел допускаемой относительной погрешности измерений расхода и объема газа в рабочих условиях по индикатору и цифровому выходу расходомера не хуже ±0,75 % (для исполнения с фланцевой катушкой). При этом диапазон измеряемых скоростей составляет от 0,3 до 40 м/сек.

Исследование метрологических характеристик

Исследование метрологических характеристик прибора проводилась в Уральском метрологическом центре Газпрома. В качестве эталонного средства использовался турбинный счетчик SMRI-X-L кампании «Instromet». Как видно из приведенного сертификата относительная сходимость измерений в диапазоне расходов не превышает 0.28%.

Поверка ультразвукового расходомера производится на имитационном поверочном стенде с помощью программы «Poverka.exe». Поверочный стенд представляет собой отрезок трубопровода Ду=150 заглушенный с двух сторон с установленными патрубками для размещения датчиков прибора.

Рис. 6. Ультразвуковой расходомер на измерительной нитке Ду200 метрологического центра

Суть поверки ультразвукового расходомера заключается в том, что производятся измерения скорости звука на неподвижной среде по разным акустическим путям, как при атмосферном давлении, так и при давлениях до 50 кг/см2.

Скорость звука, измеренная прибором по разным акустическим путям должна принимать одинаковые значения. В дальнейшем предполагается использовать заполнение поверочного стенда азотом, скорость звука в котором табулировано с высокой точностью. Поверочный стенд может быть использован в региональных центрах стандартизации для периодической поверки ультразвуковых расходомеров, находящихся в эксплуатации. Межповерочный интервал расходомера «Гиперфлоу-УС» составляет 2 года.

Рис. 7. Поверочный акустический стенд

На Рис.8 приведены примеры реализации замерных узлов на основе ультразвукового расходомера «Гиперфлоу-УС» на трубопроводах различного диаметра.

Рис. 8. Примеры реализации замерных узлов

Рис. 9. График трасс расходов, измеренных ультразвуковым расходомером и расходомером на основе перепада давлений

В настоящее время на основе использования базовой модели ультразвукового расходомера «Гиперфлоу-УС» ведется разработка комплексного замерного узла учета с возможностью автокалибровки средств измерений на месте эксплуатации.

Опционно замерный узел может содержать средства контроля качества газа на основе использования гигрометра и газового хроматографа. Преимуществом такого замерного узла на наш взгляд будет существенное снижение затрат как при строительстве, так и текущей эксплуатации.

• Пат. RU 2264602 С1.Ультразвуковой способ измерения расхода жидких и/или газообразных сред и устройство для его осуществления / А.М. Деревягин, А.С.Фомин, В.И.Свистун. Приоритет 12.04.2004.
• Громов Г.В. некоторые особенности структуры многолучевого ультразвукового расходомера // Теорет. и эксперим. исслед. в области создания измерительных преобразователей расхода. — М.: НИИтеплоприбор, 1984. — С. 45-51.
• Костылев В.В. Принципы построения многоканального ультразвукового расходомера // Совершенствование измерений расхода жидкостей, газов и пара: Материалы 12-й международной конференции. — СПб., 2002. — С. 119-123.
• Деревягин А.М. Новый способ измерения расхода газа, реализованный в ультразвуковом расходомере «Гиперфлоу-УС» / А.М.Деревягин // Научно-технический отчет: ООО «НПФ «Вымпел». — Саратов, 2006. — 16 с.

Расходомеры StreamLux предназначены для измерения объёмного расхода и количества различных жидкостей в напорных и безнапорных трубопроводах, а также открытых каналах. Расходомеры работают по время-проходному (transit-time), допплеровскому методам измерения, а также измерения ультразвуком расстояния до поверхности потока в лотках и каналах.

Среда: Относительно чистые жидкости с наличием посторонних включений не более 10% по объему, в т.ч. напорные канализационные стоки.

Условия измерения: полностью заполненная труба. Давление не имеет значения.

Принцип действия – технология измерения времени прохождения ультразвуковой волны. Датчики накладные ультразвуковые. Они не блокируют поток воды, легко устанавливаются и демонтируются с помощью магнитов или хомутов.

Расходомер использует два накладных ультразвуковых датчика, которые работают одновременно как ультразвуковой передатчик и ультразвуковой приемник. Накладные ультразвуковые датчики крепятся к трубопроводу снаружи на определенном расстоянии друг от друга. Ультразвуковые датчики могут быть установлены V-образным способом, при котором ультразвук пересекает трубу дважды, W-образным способом, когда ультразвук пересекает трубу четыре раза или Z-образным способом, когда накладные ультразвуковые датчики монтируются на противоположных сторонах трубы и ультразвук пересекает трубопровод один раз. Выбор способа монтажа зависит от трубопровода и характеристик жидкости.

Расходомеры StreamLux работают по принципу поочередной передачи и приема частотно-модулированного всплеска звуковой энергии между двумя ультразвуковыми датчиками и измерения времени, за которое звуковой сигнал проходит между ними. Разница в измеренном времени прохождения сигнала прямо и точно определяет скорость жидкости в трубопроводе, как показано на рисунке:

Установка V-образным способом

Установка V-образным способом является наиболее распространенным способом при внутреннем диаметре трубы в пределах от 20 мм до 300 мм. Этот способ также называется отражающий способ.

Установка Z-образным способом

Z-образный способ используется, если диаметр трубы более 500мм. Этот способ можно применять, когда V-образное отражение в трубе большого диаметра “гасит” исходный сигнал настолько, что производить измерения не представляется возможным.

Установка W-образным способом

W-образный способ обычно используется на трубах малого диаметра (от 10 мм до 100 мм). Этот способ позволяет значительно повысить точность измерения, но стабильно работает только на трубах малого диаметра из-за больших потерь при прохождении сигнала по трубе.

Среда: Многофазные жидкости, пульпы, суспензии, любые другие среды с наличием посторонних включений в виде пузырьков или твердых фракций, в т.ч. канализационные стоки.

Метод Допплера для измерения скоростей жидлкостей в трубах, хорошо знаком всем по радарам, используемым сотрудниками ДПС для замера скоростей автотранспорта. Ультразвуковой сигнал, отражаясь от едущего автомобиля, изменяет свою частоту и форму в зависимости от того, удаляется или приближается автомобиль и как быстро это происходит. Для измерения скорости потока жидкости ультразвуку также нужно от чего-нибудь отражаться, поэтому этот метод применим только для жидкостей, имеющих в составе пузырьки, твердые либо неоднородные фракции и включения. Метод идеально подходит для измерения расхода пульп, суспензий, взвесей, пищевых продуктов, а также при транспортировке твердых веществ в водяном потоке.

Датчики располагаются по обеим сторонам трубы друг напротив друга:

Измеренная скорость потокаV, умноженная на площадь сечения трубопровода (π*Ду), дает нам объёмный расход:

Расходомеры серии SLD-850, работающие по методу Допплера, для открытых каналов и безнапорных трубопроводов

Среда: Любые водные потоки естественного или техногенного происхождения, в т.ч. хозяйственно-бытовые сточные воды.

Условия измерения: полностью либо частично заполненный трубопровод, открытый канал, измерительный лоток.

Метод Допплера также подходит для измерения расхода воды в открытых каналах и в частично заполненных трубах. Специализированный ультразвуковой датчик помещается на дне и производит измерение по двум каналам одновременно: высота водяного потока Hнад датчиком и его скорость.Данные по высоте используются для расчета площади заполненного сечения потокаS, которое также необходимо умножить на скорость V, чтобы получить объёмный расход.

При пусконаладке прибора требуется ввести данные об измеряемом объекте, вся остальная информация рассчитывается автоматически.

Расходомеры серии SLO-500, ультразвуковые, для открытых каналов и измерительных лотков

Ультразвуковой датчик устанавливается на определенной высоте над потоком и методом отражения измеряет расстояние до воды. Данный параметр при известных остальных (тип и размеры измерительного лотка или водослива) дает нам информацию о текущем объёмном расходе, так как для стандартных типов лотков Вентури, Паршаллаи водосливов эта величина является табличной либо рассчитывается по известным формулам.

Для измерения на самотечных трубопроводах потребуется оснастить узел учета небольшим измерительным лотком, установленным в разрыв трубопровода. Типоразмеры лотков приведены в руководстве по эксплуатации. Материал лотка – на усмотрение Заказчика (полиэтилен, обычная либо нержавеющая сталь, бетон и т.д.)

Уровнемеры серии SLL-440, ультразвуковые, для емкостей с жидким или сыпучим содержимым

Среда: Любые жидкости или твердые вещества с фракцией не крупнее 100 мм.

Условия измерения: емкости любой формы, высотой до 60 метров.

Датчик устанавливается в верхней части ёмкости. Ультразвуковой сигнал, отражаясь от верхней границы объёма сыпучего вещества или поверхности жидкости, возвращается обратно и прибор вычисляет уровень заполнения ёмкости. Чем быстрее сигнал вернется обратно – тем больше заполнена емкость. Имеется ряд ограничений на способы монтажа датчика:

И т.д. Подробно с этим можно ознакомиться в руководстве по эксплуатации.

ДОКУМЕНТАЦИЯ

• РЭ РИТМ
• РЭ КРУ
• Паспорт РИТМ
• Паспорт ДМИ
• РСТ и EX приложение
• Свидетельство об утверждении типа средств измерений и приложение
• Методика поверки
• Технические условия

Структурная схема ультразвукового расходомера.

2. ПЭП 1 и 2, работающие попеременно в режиме приемник-излучатель, связаны высокочастотным кабелем РК-50 с ЭБ,
обеспечивающим посылку возбуждающих импульсов (рисунок) на пьезопреобразователь, работающий в режиме излучателя,
и прием (усиление и детектирование) слабых сигналов от пьезопреобразователя, работающего в режиме приемника. (см.рисунок).

временная диаграмма ультразвуковых сигналов расходомера

При движении жидкости в трубопроводе происходит снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению времени
распространения ультразвукового сигнала (далее – УЗС): по потоку жидкости (от ПЭП 1 к ПЭП 2) время прохождения
уменьшается, а против потока (от ПЭП 2 к ПЭП 1) – возрастает. Разность времен прохождения УЗС через
жидкость по и против потока пропорциональна скорости потока V и, следовательно, объемному расходу F.
По полученным сигналам с пьезопреобразователей рассчитываются: времена прохождения сигнала от ПЭП 1 до ПЭП 2, расход, накопленный
объем жидкости, и значение частоты выходного сигнала, пропорционального расходу.
Вычисленные таким образом параметры, пропорциональные расходу, объему и времени подаются на текстовый дисплей для отображения.

3. Принцип действия ультразвукового расходомера поясняется рисунком:

Скорость распространения ультразвукового сигнала от излучателя до приемника в жидкости, заполняющей трубопровод,
представляет собой сумму скоростей ультразвука в неподвижной воде и скорости потока воды V в проекции на рассматриваемое
направление. Время распространения ультразвукового импульса от ПЭП 1 к 2, t1, и от ПЭП 2 к 1, t2, зависит от скорости движения
воды в соответствии с формулами:

формула времён ультразвукового расходомера:

где t1, t2 – время распространения ультразвукового импульса по потоку и против потока, с;
Lд – расстояние между мембранами пьезопреобразователей, мм;
Lа – длина активной части акустического канала, мм;
С0 – скорость ультразвука в неподвижной воде, м/с;
V – скорость движения жидкости в УПР, м/с;
а – угол между осями трубопровода и датчиков ПЭП, градусы.
В ультразвуковом расходомере используется метод прямого, высокоточного измерения времени распространения каждого УЗС от одного ПЭП к другому.
Из формул (1) и (2) получаем:

формула скорости ультразвукового расходомера:

где dt – разность времен распространения УЗС по потоку и против потока.
Из формулы (3), умножая среднюю скорость потока V на сечение трубопровода D, получаем значение расхода воды F, протекающего
в месте установки пьезопреобразователей:

формула расхода ультразвукового расходомера:

где D – диаметр трубопровода на месте установки пьезопреобразователей, мм;
К – коэффициент коррекции.
Коэффициент коррекции К рассчитывается по “Методике поверки”, является программируемым параметром.
Гидродинамический коэффициент представляет собой отношение средней скорости потока жидкости в трубопроводе к скорости потока жидкости v, усредненной вдоль ультразвукового луча. Он вычисляется на основе введенных значений шероховатости стенок трубопровода, вязкости контролируемой жидкости, внутреннего диаметра трубопровода, измеренного значения скорости потока.
Изменение скорости распространения УЗС в рабочей жидкости, связанное с изменением температуры, давления и/или состава жидкости,
ввиду неизменной длины акустического тракта, учитывается в приборе путем определения фактической скорости ультразвука, рассчитанной по формуле:

формула скорости ультразвука ультразвукового расходомера

Объем жидкости V за интервал времени Т определяется в соответствии с формулой:

формула накопленного объема ультразвукового расходомера:

4.Современный метод расчета расхода с использованием весовых коэффицентов:
В ультразвуковом расходомере двухлучевого исполнения, построенного на базе двухканального измерителя, на один
трубопровод (УПР) устанавливаются две пары ПЭП. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо,
а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода двухлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (каждого луча);
F1, F2 – расход, измеренный по лучу 1 и лучу 2 соответственно.
В ультразвуковом расходомере трехлучевого исполнения, построенного на базе трехканального измерителя, на один трубопровод
устанавливаются три пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо,
а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода трехлучевого ультразвукового расходомера:

где W1,W2,W3 – весовые коэффициенты для каждой пары ПЭП (при размещении двух пар ПЭП по хордам и одной пары по центру в
соответствии с инструкцией по монтажу).
В ультразвуковом расходомере четырехлучевого исполнения, построенного на базе четырехканального измерителя, на
один трубопровод устанавливаются четыре пары датчиков. При этом измерение расхода по каждому лучу ведется независимо,
а измеренное значение расхода в трубопроводе вычисляется по формуле:

формула расхода четырехлучевого ультразвукового расходомера:

Подробный вывод формул на ультразвуковой расходомер

Онлайн документация на ультразвуковой расходомер

Технические требования на разработку

Требования к ультразвуковому расходомеру газа:

• диапазон измеряемых скоростей потока от 0,2 до 40 м/с
• разрешение по скорости 0,001 м/с
• условный диаметр от 50 до 500 мм
• предел допускаемой относительной погрешности ±1%
• диапазон избыточного давления газа от 0 до 10 МПа
• диапазон температур газа от -50 до +70 ?С

Выбор микросхемы преобразователя время-код

TDC-GP22 – универсальный двухканальный время-цифровой
преобразователь с последовательным интерфейсом, адаптированный для ультразвуковых расходомеров.

Важной особенностью является свойство детектирования первой волны последовательности импульсов,
что повышает скорость работы расходомера.

• 1 канал с разрешением 90 пс
• Режим двойного разрешения 45 пс, Режим четырёхкратного разрешения 22 пс
• Диапазон измерения от 500 нс до 4 мс
• Возможностью фиксации и автоматической обработки всех 3-х событий

В результате анализа возможных схемных решений в качестве измерителя временных интервалов была выбрана
специализированная микросхема GP-22, обеспечивающая разрешение при измерении временных интервалов
порядка 90 пс (при требуемых 400 пс);

Рисунок 2 – Микросхема GP22

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Возможности ПО РИТМ

Разработка структурной схемы расходомера

Рисунок 3 – Структурная схема ультразвукового расходомера газа

Эффективный ультразвуковой расходомер

Как известно, под эффективностью в широком смысле этого понятия понимается возможность получения максимальной выгоды при минимальных затратах. В рамках области применения расходомера для напорных сетей мы в первую очередь будем заинтересованы в высоком качестве оборудования и в низкой стоимости владения прибором. Именно эти два фактора мы и будем рассматривать, анализируя те возможности, которые дадут приборы их владельцам.

Причем, если с качеством более-менее все понятно (прибор должен соответствовать заявленным техническим и эксплуатационным характеристикам), то стоимость владения весьма комплексный параметр. Для многих он чаще всего связан только с ценой приобретения. Однако, на самом деле в стоимость владения входит:

• Затраты на приобретение (цена)
• Затраты на монтаж
• Затраты на замену (в случае выхода из строя или реконструкции сетей)

И не редко случается, что при меньшей цене общая стоимость владения у одного прибора может получится выше, чем у другого. Иногда даже ощутимо выше. В статье мы будем рассматривать только ультразвуковые расходомеры, так как накладные датчики бывают только приборов такого типа. Однако, многое из того, что будет сказано для ультразвуковых расходомеров с датчиками на фланцевом соединении будет характерно и для электромагнитных счетчиков.

Качество

Качество работы приборы в первую очередь связано с его точностью или, иначе, с его погрешностью. С точки зрения этого параметра оба типа ультразвуковых расходомеров находятся в паритете и обеспечивают получение показаний о расходе с погрешностью от 1 до 2%.

Идеальное расстояние

Иногда встречается мнение, что накладной расходомер должен в реальных условиях давать погрешность больше, чем фланцевый. Это связывают с тем, что измерительные участки фланцевых расходомеров имеют четкие геометрические формы и датчики на них расположены на идеально выверенном расстоянии друг от друга.

Однако, практика показывает, что установить накладные датчики строго на нужном расстоянии не составляет труда. После того, как в вычислитель вводятся данные о диаметре и толщине стенки трубы он сам показывает расстояние для установки датчиков. Даже на глаз с помощью рулетки или линейки можно легко установить датчики с точностью до 0,5 мм. А если воспользоваться прецизионной рейкой, которая идет в комплекте у некоторых производителей, то и до 0,1 мм.

Сертификационные и поверочные испытания накладных расходомеров подтверждают, что выставление датчиков на трубе вручную не ухудшает точность работы приборов.

Зарастание трубопровода

Вторым нюансом, о котором задумываются покупатели расходомеров – это состояние внутренних стенок их труб. Действительно, время не щадит никого, а стальные трубы в особенности. Ржавчина, накипь, налет, наслоения или обрастание ракушечником – вот судьба всех трубопроводов. Если труба сильно заросла, то использование накладных датчиков может привести к получению искаженных данных по расходу. Ведь, реальный размер сечения в трубе будет меньше расчетного. Фланцевый расходомер в этом случае гарантирует точные размеры расходомерного участка и, при исполнении из нержавейки, исключает появления новых наростов.

Однако, для накладного расходомера есть также простое решение этой ситуации. В месте, где планируется установить первичные преобразователи производится врезка прямого участка из пластика, а накладные датчики ставятся уже на него. Таким образом, также полностью решается проблема обрастания, но при этом решение получается дешевле и удобнее, чем при использовании фланцевого расходомера.

Впрочем, вопросы экономии мы более подробно затронем в следующем разделе.

Экономия

Как уже говорилось ранее, стоимость владения складывается из нескольких составляющих. Рассмотрим их по отдельности.

Затраты на приобретение (цена)

Цена на фланцевые расходомеры прямо пропорциональна диаметру трубопровода, на котором их будут применять. Причем после 300мм стоимость начинает расти экспоненциально, быстро достигая миллиона и более рублей.

Для накладных датчиков, напротив, характерна единая цена на большом промежутке диаметров. Обычно у каждой модели бывает несколько типов датчиков, действующих в перекрывающихся диапазонах. К примеру: 15-100мм, 50-700мм, 300-6000мм. Внутри каждого диапазона цена на расходомер будет одинакова, какой бы диаметр вы бы не выбрали. Более того, цена на расходомеры с разными диапазонами датчиков обычно отличается совсем не на много (в пределах 10%).

Таким образом, если для труб диаметром до 50мм фланцевый ультразвуковой счетчик может быть в некоторых случаях более выгоден по цене, то уже начиная от 100мм накладные расходомеры уверенно выигрывают по этому параметру.

Монтаж

Второй аспект, который часто забывают при сравнении стоимости владения расходомером – это стоимость монтажа.

Для установки фланцевого расходомера всегда необходимо сначала остановить циркуляцию воды в сети и слить ее остатки из трубы. Затем вырезать сегмент трубы, приварить обратные фланцы, установить фланцевый измерительный участок, восстановить давление и провести гидравлические испытания.

Все эти работы стоят денег и занимают время. В случае отсутствия у компании в штате своего сварщика процесс может обойтись в дополнительные 10 -15 тысяч рублей. А если компания заказывает у внешнего подрядчика монтаж под ключ, то и все 40 – 50 тысяч рублей. Причем все кроме резки и сварки необходимо будет повторять каждые 2 или 4 года при временном демонтаже прибора для отправки на периодической поверку!

В тоже время применение накладных датчиков не требует ни одной из упомянутых выше операций. Процесс установки датчиков очень прост и с ним сможет справиться любой, кто просто внимательно прочитает инструкцию.

Масштабирование

Последнее слагаемое в формуле стоимости владения, которое мы рассматриваем в этой статье – это затраты на замену. В каких случаях они возникают?

Например, при изменении конфигурации сети. Сначала у компании были трубы с диаметром 50 мм, а после реконструкции стали 80 или 100 мм. Что в этом случае делать, если ранее были установлены расходомеры с датчиками на фланцевом соединении? К сожалению, только приобретать новые приборы учета со всей процедурой монтажа, описанной в предыдущем разделе.

В тоже время при использовании накладных расходомеров, монтажникам будет достаточно просто перенести ультразвуковые датчики со старой трубы на новую и ввести ее параметры в настройки вычислителя. Стоимость допзатрат = 0 рублей!

Выводы

Классические ультразвуковые счетчики с измерительными участками на фланцевом соединении давно зарекомендовали себя, как качественное оборудование для учета воды. Однако, как показывает сравнение, они часто уступают в вопросах экономии бюджета своим накладным аналогам.

Если вы задумываетесь о действительно эффективных решениях, которые позволят снизить как текущие, так и отложенные затраты предприятия, то имеет смысл учесть все аспекты формулы стоимости владения оборудованием и сделать по настоящему взвешенный и осознанный выбор.

Способ измерения времени пролета импульса

Принцип действия ультразвуковых расходомеров может быть основан на измерении
интервалов времени, направленными попеременно по потоку и против него.

Для измерения времени прохождения УЗ колебаний выполняется дальнейшее усиление сигнала и
выделяется первый информационный импульс с амплитудой большей уровня компарирования (половины
напряжения питания) (см. рис. 5).

За время пролета импульса принимается интервал времени между выстрелом и моментом срабатывания компаратора.

Рисунок 4 – Осциллограмма на выходе предварительного усилителя

Рисунок 5 – Осциллограмма на выходе оконечного усилителя

Посмотреть принцип действия ультразвукового расходомера РИТМ

Ультразвуковые расходомеры счетчики жидкости и газа РИТМ используют времяимпульсный метод, основанный на непосредственном измерении разности времени прохождения коротких импульсов по потоку и против него (времяимпульсные расходомеры).

Плоскости излучающих и приемных пьезоэлементов расположены под некоторым углом к оси трубы. Прохождение ультразвука направленного по потоку и против него характеризуется значением скорости прохождения требуемого расстояния и время затраченное на его прохождение. Таким образом, разность времен прямо пропорциональна скорости.

По числу акустических каналов ультразвуковые расходомеры РИТМ выполняются, двулучевыми или двухканальными и многолучевыми или многоканальными.

У первых имеются четыре пьезоэлемента, каждый из которых по очереди выполняет функции излучения и приема.

Вторые применяются при необходимости измерения расхода деформированных потоков или же для достижения повышенной точности, в частности, в случае применения ультразвукового расходомера в качестве образцового.

Характеристика ультразвукового метода измерений

Наряду с высокой воспроизводимостью и высокой точностью ультразвуковая технология имеет и другие характерные особенности:

• незначительное падение давления;
• широкие пределы измерений;
• способность работать с реверсивными потоками;
• устойчивость к загрязнению и широкие возможности самодиагностики.

К недостаткам ультразвуковых расходомеров, сдерживающих их широкое распространение, следует отнести:

• сложность реализации жестких требований к точности измерения временных интервалов; точность измерений
  должна быть не хуже 0,4 нс для обеспечения разрешения по скорости в 0,001 м/с согласно ГОСТ (ГОСТ ISO17089
  Измерение расхода в закрытых каналах – ультразвуковые счетчики газа);
• влияние акустической помехи;
• зависимость уровня измерительного сигнала от давления газа.

2 Принцип работы ультразвукового расходомера газа

Принцип работы расходомера основан на методе измерения разности между временем прохождения ультразвукового
импульса по потоку и против потока газа. Измеренная разность времени, пропорциональная скорости потока, преобразуется
в значение объемного расхода газа.

Время распространения звука в направлении потока

где L – расстояние между датчиками (длина хода луча), м; с – скорость звука, м/с; v – скорость потока, м/с; φ – угол между акустическим лучом и направлением потока.(см. рис.1).

Рисунок 1 – Принцип работы ультразвукового расходомера газа (Анимация: 19 кадров; количество повторений: не ограничено;
321 килобайт)

Время распространения звука против потока

Объемный расход газа в рабочих условиях

где S – площадь поперечного сечения расходомера, м2.

Объем газа в стандартных условиях

где Kc – коэффициент приведения к стандартным условиям; ρ – плотность газа, кг/м3; ρс – плотность газа при стандартных условиях; P – абсолютное давление газа, МПа; Рс – стандартное давление газа, 0,1013 МПа; Т – температура газа, 0С; Тс – стандартная температура газа, 20 0С; К – коэффициент сжимаемости газа (зависит от состава газа).

Теоретическая скорость звука может быть получена исходя из состава газа, его температуры и
давления. Эта теоретическая скорость звука должна быть идентична измеренной скорости. Таким образом,
скорость звука даёт хорошую возможность для диагностики работы системы.

Разработка схемы автоматической регулировки усиления (АРУ)

Система АРУ необходима для стабилизации требуемого уровня сигнала на выходе измерительного усилителя в широком
диапазоне давлений газа от 1 до 100 атмосфер в расходомерах диаметром от 50 до 500 мм. Известно, что
уровень сигнала пропорционален давлению газа и обратно пропорционален расстоянию между УЗ-датчиками.
Таким образом, система АРУ должна уметь регулировать коэффициент усиления измерительного усилителя не
менее чем в 1000 раз. Предлагается выполнить АРУ по принципу следящей системы со ступенчатым
изменением коэффициента усиления с шагом в 5 %.

Определим необходимое число ступеней регулировки усиления

На рисунке 6 представлено предложенное схемное решение усилителя системы АРУ. Стабилизация амплитуды измерительного
сигнала осуществляется посредством управления коэффициентом передачи усилительного каскада на операционном усилителе (ОУ)
DA1 с помощью двух 7-разрядных цифровых потенциометров R1 и R2.

Регулировка коэффициента передачи осуществляется по принципу следящей системы. Если измеренная амплитуда измерительного
сигнала меньше требуемой, то происходит увеличение коэффициента передачи на одну ступень (на 5 %), если же амплитуда
больше – уменьшение коэффициента передачи на одну ступень.

Диапазон возможных значений коэффициента передачи усилителя АРУ: от 0,05 до 50. Число ступеней коэффициента передачи: 142.

Рисунок 6 – Усилитель АРУ

Приведем основные расчетные соотношения для схемы усилителя системы АРУ.

Коэффициент передачи входного делителя на потенциометре R1

Сопротивление потенциометра R2

Коэффициент усиления усилителя на ОУ без входного делителя

Суммарный коэффициент передачи усилителя АРУ

Выполним математическое моделирование и определим относительное измерение коэффициента передачи усилителя
АРУ при изменении на единицу кодов потенциометров Kod1 и Kod2. Результаты моделирования приведены на рисунках 7 и 8
соответственно. Из результатов следует, что данные зависимости нелинейные и это существенно затрудняет определение
необходимых значений кодов цифровых потенциометров для реализации ступенчатой регулировки усиления с выбранным шагом в 5 %.

Для решения задачи определения необходимых значений кодов цифровых потенциометров R1 и R2 для каждой из 142 ступеней
регулировки усиления АРУ разработана программа в среде Delphi. Данная программа из 16384 возможных комбинаций кодов
цифровых потенциометров выбирает 142 кода, обеспечивающих требуемый шаг регулировки. Окно программы с результатами расчетов
приведено на рисунке 9.

Рисунок 7 – Зависимость относительного изменения коэффициента передачи усилителя АРУ при изменении на единицу кода цифрового потенциометра R1

Рисунок 8 – Зависимость относительного изменения коэффициента передачи усилителя АРУ при изменении на единицу кода цифрового потенциометра R2

Программа реализует следующий алгоритм. Вначале формируется массив всех возможных значений коэффициента передачи усилителя АРУ KS от 0.008 до 51 с выравниванием по возрастанию. Всего 16384 значения. Затем выполняет расчет необходимых 142 значений коэффициента передачи усилителя АРУ с выбранным шагом в 5 % от 0,05 до 51. На третьем финальном шаге программа формирует итоговый массив коэффициентов АРУ.

Уровень измерительного сигнала определяется и стабилизируется по амплитуде первого перегиба (см.рис.10).

Рисунок 9 – Программа на Delphi для расчета коэффициентов АРУ

Рисунок 10 – Определение уровня измерительного сигнала по амплитуде первого перегиба

• Обоснованы требования к структурным элементам промышленного УЗ расходомера газа,
  способного работать в широком диапазоне измеряемых скоростей и давлений газа в условиях
  воздействия акустической помехи.
• Предложенная система АРУ ультразвукового расходомера газа реализует принцип следящей
  системы со ступенчатой регулировкой коэффициента передачи измерительного усилителя с шагом в 5 % и
  обеспечивает диапазон регулировки коэффициента передачи не менее 1000.
• Разработанная в среде Delphi программа расчета массива коэффициентов цифровых потенциометров
  позволяет из 16384 возможных комбинаций кодов (положений) цифровых потенциометров R1 и R2 выбрать 142
  значения, обеспечивающих требуемый шаг перестройки коэффициента передачи усилителя АРУ равный 5 %.
• Построена структурная схема ультразвукового расходомера газа.