Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 681.586'33
РАЗВИТИЕ ВИХРЕВОЙ РАСХОДОМЕТРИИ В РОССИИ
М. В. Богуш
Рассмотрены этапы развития в нашей стране вихревых расходомеров с пьезоэлектрическими датчиками от счетчиков воды до промышленных узлов технологического и коммерческого учета газа и пара. Анализируются конструктивные схемы и технические характеристики приборов различных производителей, тенденции развития этой отрасли измерительной техники.
ВВЕДЕНИЕ
Вихревыми называются расходомеры, основанные на измерении частоты колебаний, возникающих в потоке в процессе вихреобразования [1]. В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущегося потока жидкости (газа) устанавливается обтекаемое тело, обычно в виде трапеции. Образовавшаяся за телом обтекания система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота образования вихрей в первом приближении пропорциональна скорости потока, а их количество за некоторый промежуток времени — суммарному расходу энергоносителя. Как правило, расходомеры одновременно являются и счетчиками.
Достоинством вихревых расходомеров (счетчиков) является отсутствие каких-либо подвижных элементов внутри трубопровода, достаточно хорошая точность и линейность в широком диапазоне измерений, частотный выходной сигнал [1, 2].
Несмотря на довольно продолжительное время освоения этих приборов в измерительной технике, теория и практика вихревых расходомеров непрерывно развивается и совершенствуется. Идут поиски лучших схемных решений, более эффективных и технологичных конструкций первичных преобразователей расхода.
Одним из важнейших элементов вихревых расходомеров являются преобразователи энергии потока в электрический сигнал, во многом определяющие эксплуатационные возможности и технический уровень приборов. Известны индуктивные, анемометрические, емкостные, опто-электронные и пьезоэлектрические преобразователи энергии.
Основные требования, предъявляемые к преобразователям энергии потока вихревых расходомеров, следующие [3]:
— высокая чувствительность к энергии вихрей, что очень важно для измерений при малых скоростях потока;
— невосприимчивость к таким помехам, как вибрация и деформация трубопровода, так как расходомеры, установленные вблизи насосов, всегда испытывают действие этих влияющих факторов;
— устойчивость характеристик в широких диапазонах температуры и избыточного давления;
— малые габариты, обеспечивающие монтаж датчиков в трубах малого сечения;
— коррозионостойкость, необходимая для измерения расхода пищевых продуктов и агрессивных веществ;
— высокая надежность, так как общепромышленные приборы, как правило, эксплуатируются 8—12 лет и имеют ресурс до 100 000 ч;
— простота конструкции и низкая себестоимость, способствующие конкурентоспособности и массовому распространению приборов.
Всем этим условиям наиболее полно отвечают пьезоэлектрические датчики, поэтому вихревые расходомеры с пьезоэлектрическими датчиками в качестве преобразователей энергии получили наибольшее распространение в России, и основное внимание в настоящей работе уделяется приборам этого типа.
Отметим, что к датчикам для вихревых расходомеров не предъявляется жестких требований по стабильности чувствительности в зависимости от температуры и давления, так как датчики фактически являются преобразователями пульсации потока в частоту.
Отметим также, что физические процессы, происходящие в трубопроводе за телом обтекания, весьма сложны. В потоке возникают пульсации давления, температуры, скорости звука и других физических параметров. Несмотря на бурное развитие вычислительной техники и численных методов описания сложных объектов, до сих пор нет удовлетворительных математических моделей гидро- и газодинамических процессов, происходящих в вихревых расходомерах. Эпюры пространственно-временного распределения физических характеристик в движущейся среде в зависимости от скорости, агрегатного состояния, вязкости движущейся среды до конца не ясны. Тело обтекания при вихреобразовании испытывает сложное напряженно-деформированное состояние, где присутствуют и колебания кручения, и изгиба и др. Все это обеспечивает простор для творчества разработчиков и большой объем экспериментальных работ для поиска оптимальных решений.
Ниже анализируются этапы создания и тенденции развития вихревых расходомеров различных энергоносителей, созданных на основе пьезоэлектрических датчиков.
ВИХРЕВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ ЖИДКОСТИ
Первые вихревые расходомеры жидкости ВИР-1 были разработаны в ГНЦ "НИИ Тепло-прибор" и внедрены на заводе "Старорусприбор" в 1982 г. [1]. Принцип действия этих изделий основан на ультразвуковом детектировании вихрей, образующихся за телом обтекания. Часто такие приборы называют вихреакустическими или вихревыми ультразвуковыми расходомерами [2, 4].
Устройство такого расходомера поясняет рис. 1. В проточной части расходомера 1 поперек потока располагается тело обтекания 2 в виде трапецеидальной призмы. Далее за телом обтекания диаметрально противоположно размещаются пьезоэлектрические излучатель и приемник 3. Расходомер соединен с патрубками 5 с помощью фланцев 4. На излучатель от генератора подается
Таблица 1
3
\ 1 \ / 1 г /.
j\m\\\\\\\\\\\\\i V.'чЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ УУУУУУУУУЛ^Ш. МУУУУУ, —Ь^Ь - - 1 1 \/////////Л\/Ул\ /////А
1 lul \ 1
Наименование счетчика жидкости
(производитель)
Параметр СВУ. М ("Электрон") СВЖ ("Сибна") Метран-300ПР ("Метран")
Диапазон типораз- 50...300 50...150 32...300
меров, Dy, мм
Диапазон измере- 0,6...330 0,8...500 0,18...2000
ния расхода Q по
всем типоразмерам,
м3/ч
Динамический диа- 1 - 33; 1 - 44 1 - 40 1 - 50;
пазон измерений, 1 - 100
Q min- Qmax
Максимальное 20 20 1,6
рабочее давление,
МПа
Диапазон темпера- 4...60 0...150 1...150
тур жидкости, °С
Диапазон темпера- -40...+50 -45...+50 —10...+60
тур окружающей
среды, °С
Межповерочный 2 2 4
интервал, лет
Предел допускае-
мой основной пог-
решности, %, не
более
(0,08...1) QH0M ±1,5 ±1,0 ±1,0
(0,04...0,08) Qhom ±1,5 ±1,5 ±1,5
0,04 QH0M...Qmin ±2,5 ±4,0 ±3,0
Рис. 1. Устройство вихреакустического расходомера
переменное напряжение, обычно 1...2 МГц, которое преобразуется в ультразвуковые колебания жидкости. Пройдя через поток, эти колебания в результате взаимодействия с вихрями модулируются по фазе. Приемник воспринимает модулированные колебания и преобразует их в электрический сигнал. На фазовом детекторе определяется разность фаз между сигналами, поступающими на излучатель и воспринимаемыми приемником. На выходе фазового детектора образуется напряжение, которое по амплитуде и частоте соответствует интенсивности и частоте следования вихрей, являющейся мерой скорости потока.
В 1988 г. аналогичные по принципу действия ультразвуковые счетчики воды СВУ были разработаны СКБ "Сибна" (ныне ОАО "Сибнефтеав-томатика") и освоены тюменским Опытным заводом "Электрон" [5]. Более 70 000 таких приборов было поставлено для учета воды в системах поддержания пластового давления на нефтяных месторождениях. Эти счетчики, претерпевшие за 20 лет незначительные изменения, актуальны и выпускаются до сих пор. Позднее вихреакустические счетчики жидкости "Метран 300ПР" были освоены и ЗАО ПГ "Метран" (г. Челябинск) [4].
Технические характеристики вихреакустичес-ких счетчиков жидкости различных производителей приведены в табл. 1 [2, 4, 6]. Достоинство
расходомеров этого типа — работоспособность при большом избыточном давлении жидкости (до 20 МПа). Однако они не пригодны для измерения расхода газа или пара из-за несогласования акустического импеданса пьезоэлектрических преобразователей с газовой средой. В результате большая часть акустической волны проходит через стенки трубы, а не контролируемую среду.
В 1992—1993 гг. тюменским предприятием ТОО "Тюменьнефтеавтоматика" (ныне ЗАО "Даймет") разработаны и сертифицированы вихревые счетчики воды '^утейс-900Г', а позднее — ^утейс-9002" с пьезоэлектрическими датчиками генераторного типа. Принцип действия этих приборов основан на регистрации деформации тела обтекания при вихреобразовании.
Конструкция такого расходомера показана на рис. 2. В элемент трубопровода 2установлено тело обтекания 4 таким образом, что один из его концов соединен с трубой жестко с помощью гайки 7 и шайбы 6, а второй конец соединен с трубой через пьезоэлектрический датчик 3, который закреплен на трубе с помощью втулки 1. Уплотни-тельные прокладки 5 обеспечивают герметичность конструкции. При движении потока жидкости по трубе на кромках тела обтекания поочередно возникают вихри, вызывающие знакопеременные крутильные и изгибные колебания тела обтекания, которые воспринимаются пьезоэлектрическим датчиком и преобразуются в электрический сигнал с частотой появления вихрей.
Вихревые счетчики воды ^утейс-9002" обеспечивали измерение расхода холодной и горячей воды на трубах с условным проходом от 40
до 150 мм в пределах от 5 до 500 м3/ч. Динамический диапазон счетчиков составлял 1 : 12,5; основная погрешность — в пределах ±1,5 %. Более 1500 таких приборов нашли применение в промышленности.
Позднее появились вихревые счетчики воды ПРВ-01, разработанные специалистами казанского ВНИИ Расходометрии по заданию ООО "Аква-Вита" (г. Туапсе) с пьезоэлектрическими датчиками изгибающего момента в виде крыла, установленного за телом обтекания [3]. Типораз-мерный ряд счетчиков ПРВ-1 включал в себя приборы с условным проходом от 25 до 200 мм, обеспечивающие измерения в диапазоне от 0,25 до 700 м3/ч с динамическим диапазоном от 1 : 25 до 1 : 60 и погрешностью не более ±1,5 % при температуре воды до 180 °С и давлении до 1,6 МПа.
Однако все эти приборы, ориентированные на учет воды и тепла в жилищно-коммунальном хозяйстве, широкого распространения не получили и вскоре были сняты с производства, не выдержав конкуренции по себестоимости с расходомерами, основанными на других физических принципах: электромагнитных, ультразвуковых, тахо-метрических.
ВИХРЕВЫЕ СЧЕТЧИКИ ГАЗА
Первый российский вихревой счетчик газа СВГ был разработан ОАО "Сибнефт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.