"Эффективный" расходомер. Об ультразвуковых расходомерах с накладными датчиками

Цитата с просторов Интернета: "На рынке стали появляться современные накладные ультразвуковые расходомеры, которые не уступали в ценовой доступности врезным, а по характеристикам и надежности даже превосходили их." "Качество работы прибора 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%. "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." "Таким образом, сравнительный анализ показывает, что эпоха врезных расходомеров постепенно подходит к концу. Установка накладных датчиков на трубу занимает считанные минуты и не требует остановки технологического процесса."

«Барометр в земледельческом хозяйстве может быть с большою выгодой заменен усердною слугою, страдающего нарочитыми ревматизмами» Козьма Прутков

В настоящее время приборы учета, в большей степени расходомеры-счетчики , превратились в весьма доходный бизнес, где основной из многих уловок является выпуск или поставка приборов по низкой цене с «великолепными» метрологическими характеристиками, зафиксированными в утвержденной нормативной документации. Яркими представителями таких приборов являются ультразвуковые расходомеры с накладными датчиками. Несомненно, они являются привлекательными с точки зрения монтажа и отсутствием дорогого метрологически аттестованного измерительного участка. Причем, метрологические характеристики этих приборов, вдруг удивительным образом оказываются такими же , а порой и превосходят расходомеры с выполненными на заводе изготовителе измерительными участками - ультразвуковыми преобразователями расхода (далее -УПР).

УПР - акустический преобразователь расхода, работающий в ультразвуковом диапазоне частот, в котором создается сигнал измерительной информации, основанный на измерении времени распространения ультразвукового импульса в текущей среде.

Соблюдение заданных абсолютных отклонений геометрических параметров УПР позволяет прогнозировать в конечном итоге относительную погрешность измерения расхода.

И вот от этой и важной составной части ультразвукового расходомера, которая если не на 90%, то на все 80% обеспечивает достоверность и повторяемость измерений предлагается отказаться с целью «экономии» денег. Если подходить к учету таким образом, то деньги можно просто выкинуть или вообще не зацикливаться на учете. Если нужен достоверный учет, то таким образом сэкономить не получиться. «Экономия» от силы 150-400 тысяч рублей один раз, впоследствии потенциальные долгосрочные потери - миллионы рублей.
И если установка на коммерческий учет расходомеров с врезными датчиками считается в среде профессионального учета дурным тоном, пусть и обеспечивающих хоть какую то прогнозируемую погрешность в 2-3% в самом благоприятном случае (тщательный монтаж, использование специальной дорогостоящей оснастки и измерительных инструментов), то про установку расходомеров с накладными датчиками грамотный специалист в лучшем случае промолчит.

Действительно, как можно устанавливать расходомер на коммерческий учет или ответственный технологический процесс с неконтролируемыми погрешностями, даже больше - непредсказуемыми? Поэтому опять, как и при «первом нашествии» накладных расходомеров в конце нулевых и начале десятых, повторяется ситуация - компетентные поставщики тепло- и водоресурсов требуют МВИ на узлы учета с накладными расходомерами, а ни один уважающий себя метрологический центр не берется за разработку такой МВИ.

Тут же вполне уместным может прозвучать вопрос: «Как же так, ведь они имеют утвержденный тип средств измерений и внесены в государственный реестр?». Да, это так, и этот факт еще больше напускает туман, потому что это воспринимается людьми мало знакомыми с метрологией как зеленый свет, что все пути открыты. А ведь достаточно заглянуть всего лишь в один, достаточно короткий , но очень важный документ - методику поверки, которая поведает, что в результате «наизмеряет» прибор. В нем присутствует такая операция поверки : «Определение относительной погрешности при измерении объемного расхода (объема) жидкости». И тут происходит главный трюк из всего, можно даже сказать, не стесняясь этого слова «циркового» представления, «эффективных», «современных» накладных расходомеров:

• «.. устанавливают поверяемый расходомер в рабочем участке эталонной!!! установки.. »
  наш комментарий: мы имеем дело не с реальным трубопроводом на месте эксплуатации, а с трубопроводом установки на который накладываются датчики;
• - « .. В соответствии с Руководством по эксплуатации эталонной установки задают 5 значений расхода...».;
• « Результаты поверки поверки считают положительными, если полученные значения относительной погрешности при измерении объемного расхода (объема) жидкости в каждой поверочной точке не превышают значений....»

Все красиво, имеем расходомер с великолепными характеристиками, только вот измерять расход с полученной погрешностью можно только в пределах этой установки с зафиксированными точками установки датчиков на трубопроводе этой установки.
Конечно, нет сомнений,что накладные расходомеры могут измерять расход с заданной точностью. Единственно, что условия разные для эталонной установки и реального трубопровода. У эталонной установки известно все, что нужно ввести во вторичный преобразователь накладного расходомера:

• внутренний диаметр трубопровода и толщина стенки;
• почти идеальная поверхность трубопровода, удобство монтажа датчиков, нормальные внешние условия;
• отсутствие отложений;
• отсутствие деформации трубы (овальность);
• отсутствие всевозможных наплывов, выступов во внутренней части трубопровода и других непредсказуемых дефектов;
• шероховатость внутренней стенки;
• и конечно есть возможность откалибровать показания расходомера, исключив систематические погрешности составляющих, если вдруг полная погрешность выйдет за рамки декларируемой.

А вот при установке на реальный трубопровод на месте эксплуатации операций определения основных влияющих факторов на точность измерения расхода в этих методиках поверки нет. Основные влияющие факторы на точность измерения расхода показывает формула определения полной относительной погрешности:

Самая существенная составляющая δ_Кг : Определение К_Г экспериментальной градуировкой на месте эксплуатации является довольно трудным и затратным мероприятием по сравнению с ценой уже готового и отградуированного УПР. Поэтому К_Г вычисляют по формулам, полученным из уравнений, описывающих закон распределения скоростей по сечению трубы в зависимости от коэффициента гидравлического трения - λ. В ходе многочисленных экспериментов и вычислений [1] и [2] было установлено, что расчетные значения К_Г для одного и того же значения λ отличаются на 1-2%, а с учетом того, что само значение λ нельзя точно установить и в процессе эксплуатации оно может меняться от числа Рейнольдса и шероховатости стенок трубопровода , то составляющая δ_Кг достигать ± 2,5%.

Только уже из-за этого факта, относительная погрешность измерения расхода однолучевыми расходомерами с врезными и накладными датчиками на месте эксплуатации в лучшем случае не может быть в пределе менее ± 2% !! Все заявления о какой то возможной компенсации или линеаризации в особо «продвинутых» приборах ничего общего с метрологией не имеют.

Погрешность измерения внутреннего диаметра δ_D : Определение внутреннего диаметра D так же ставит существенные вопросы, так как измерение внутреннего диаметра осуществляется не прямыми измерениями, а косвенно - по измерениям длины окружности наружного диаметра и толщины стенки. Если даже принять что измерение длины окружности измеряется с абсолютной погрешностью ±1мм в пределе (только из-за большого количества измерений, которые хоть как то нивелируют методическую и случайные погрешности), то ее влиянием на погрешность расхода можно будет пренебречь только с диаметров трубопровода от 400мм, для которого она составляет менее 0,15%, а для диаметра 100мм уже 0,7%. При этом надо будет очистить поверхность трубопровода до металла и не в одном месте. Если учесть, что творится внутри наших трубопроводов ГВС и теплоснабжения (всевозможные наплывы, отложения, порой и неравномерные), то погрешность измерения внутреннего диаметра может легко достичь 0,6% даже на больших диаметрах, вплоть до 1000мм. А начиная с 300мм она уже будет более 1% и продолжит свой рост с уменьшением диаметра. Так же ошибочно не учитывается деформация трубопровода в поперечном сечении-обычно сечение представлено эллипсом (отклонение от окружности составляет порядка 1-3,5%), что может привести конечное значение δ_D вплоть до 5%. Это связано даже не с дополнительной погрешностью δ_D определения диаметра (еще плюс 0,15%) [3] , а больше с составляющей δ_Кг . Ведь характер распределения скоростей при расчете гидродинамической поправки принят для трубы круглого сечения.

Таким образом составляющая δD , при учете всех факторов ее определения будет иметь значение минимум ±1%.

δ_С , δ_t - данные составляющие при современных достижениях электроники составляют доли процентов. Погрешность вносимая электроникой очень мала и с учетом погрешности алгоритмов вычисления расхода и измерения времени распространения звука в самом неблагоприятном варианте не превышает ±0,10-0,15% при кратности расхода 1:25. Однако, на эти составляющие сильно влияют погрешность определения длины активной части акустического канала L_а и фактически неопредленность α угла наклона активной части акустического луча Составляющая L_а- длина активной части акустического канала ( расстояние которое проходит звук непосредственно в движущейся жидкости ) так же не измеряется, а вычисляется по косвенным измерениям диаметра и значении угла ввода звукового колебания в стенку трубопровода ( известного для используемого типа датчика), а также расстояния между датчиками на поверхности трубопровода. С какой погрешностью эта длина «измерена», можно только гадать, так как значения скоростей звука в призме датчика, в стенке трубопровода и жидкости четко не детерминированы по температуре в процессе установки и вычисления расстояния между датчиками на поверхности трубопровода. Есть только указания при настройке прибора - «ввести скорость звука в материале трубопровода, жидкости (или ввести температуру жидкости). Таким образом, расстояние проходимое звуковым сигналом от пьзоэлемента одного датчика к другому не определено с нормируемым допуском и соответсвенно фактические скорости звука в материале и жидкости также определяются с неизвестным допуском. Это в свою очередь, с набором всех влияющих факторов (отложения на внутренних стенках, овальность трубопровода) не позволяет скомпенсировать влияние изменения скорости звука в материале трубопровода и жидкости от температуры в лучшем случае приводит к дополнительной погрешности ±0,9 %. В худшем варианте , если скорость звука будет измерена с погрешностью 1%, (что соответствует изменению температуры примерно на 6-7 С без компенсации), то дополнительная погрешность в измерении расхода может достичь 2%.

Составляющая δ_α - угол наклона активной части акустического луча определяется в «недрах» прибора по соответствующим формулам на основе тех же исходных данных о внешнем диаметре и толщины стенки , и оказывает влияние на вычисление скорости через поперечное сечение трубопровода. Так как угол опять же измеряется косвенно , то погрешность его определения также состоит из накопленных значений погрешностей, вызываемых неточными определениями диаметра, овальностью трубопровода и внутренних отложений и скоростей звука - и в оптимистичном варианте добавит дополнительную погрешность в измерение расхода не менее ± 1%.

Таким образом по вышеобозначенной формуле, при установке ультразвуковых расходомеров с накладными датчиками в реальные трубопроводы более 300 мм можно хоть как то спрогнозировать минимальную относительную погрешность ±2,6% при кратности расхода 1:25.

И это самые видимые влияющие факторы, кроме этого надо еще учесть и следующее:

• траектория акустического сигнала зависит от точных данных о трубопроводе: толщина стенки, скорость распространения звука в материалах стенки трубопровода и измеряемой среды. Достоверно определить эти данные на трубопроводе, особенно находящемся в длительной эксплуатации практически невозможно и как следствие реальная погрешность может быть 6-7%;
• воздействие высокой температуры, окружающей среды, вызывает окисление, коррозию акустического контакта и при длительной эксплуатации требуется замена смазок и прокладок . Следствием является невозможность повторить начальные условия установки датчиков и непредсказуемые изменившиеся погрешности измерений;
• вибрация и температурные воздействия приводят к ослаблению крепежа накладных датчиков из-за деформации трубопровода, что изменяет их взаимное расположение и приводит к очередным дополнительным погрешностям;
• проблема с пломбированием накладных датчиков из-за требования регулярного обслуживания по причинам изложенным выше - замена контактной смазки, крепления, а также должна быть применена защита от постороннего вмешательства - во избежание случайных, намеренных сдвигов или сноса датчиков с поверхности трубопровода.

С учетом вышеизложенного, можно констатировать факт, что ультразвуковые накладные расходомеры не могут обеспечить заявленные производителями относительные погрешности измерения расхода в 1-2% на месте эксплуатации.В лучшем случае это составит 7-10%. Поэтому при выборе расходомеров с накладными датчиками необходимо учитывать следующее:

• Метрологическое обеспечение ультразвуковых расходомеров с накладными датчиками отсутствует (нет определения относительной погрешности при установке в трубопровод на месте эксплуатации, пломбирование), поэтому их применение в коммерческом учете энергоносителей не допустимо.
• Декларирование относительной погрешности измерения расхода в ±1% справедливо только при применении эталонной установки для калибровки непосредственно на месте эксплуатации в реальном трубопроводе;
• Относительная погрешность измерения расходомерами с накладными датчиками непредсказуема при долговременной эксплуатации и может варьироваться от 3 до 10% в зависимости от области применения. Однако погрешность может быть и выше при диаметрах трубопровода ниже 300мм и более высокой вязкости жидкости, чем вода.

Применение расходомеров с накладными датчиками может быть обосновано в случаях:
• где время от времени необходимо проверять расход ( насосные линии, предварительные обследования объектов и т.п.);
• где невозможна установка в существующий трубопровод готового измерительного участка.

Литература: 1.П.В. Лобачев, В.И.Мясников «Влияние шероховатости подводящих трубопроводов на показания ультразвуковых расходомеров»// Измерительная техника.-1980- №12 , стр 53-54. 2. П.В. Лобачев, В.И.Мясников «Снижение гидродинамической погрешности ультразвуковых расходомеров »// Измерительная техника.-1981- №11 , стр 38-39. 3. A. Voser, Ch. Bruttin, J.-E. Prenat, Dr. T. Staubli «Improving acoustic flow measurement» // Water Power & Dam Construction, April 1996. 4. Dipl.-Ing. Friedrich Hofmann «Fundamentals of Ultrasonicflow measurement for industrial applications»// KROHNE Messtechnik GmbH & Co. KG Duisburg, 2000,© KROHNE 04/2001