Диапазон 1000. 
Так все-таки он достижим

Диапазон 1000… Так все-таки он достижим?

С.Б. Кавригин В статье рассматривается давно обсуждаемый и наболевший вопрос о возможности измерения расхода в динамическом диапазоне 1000 и более, применительно к электромагнитному методу. Может ли быть разработан расходомер, который «честно», то есть и на узле учета, будет обеспечивать измерения сверхмалых расходов с нормированной погрешностью.

Вначале 1990;х годов известные события в стране привели к быстрому росту тарифов на энергоресурсы, в том числе на тепловую энергию. Очевидной стала необходимость оплаты теплопотребления по приборам учета. Потребность в них многократно превысила предложение, что стимулировало стремительный прогресс соответствующей отрасли в России.

До конца 90-х годов не было никаких проблем с диапазоном измерения расхода. Понятно, что разработчики стремились его увеличить, т.к. эта характеристика является конкурентным преимуществом для одних типов расходомеров (электромагнитные, ультразвуковые) и недостатком других (диафрагмы, вихревые и тахометрические расходомеры). Были достигнуты примерно следующие диапазоны: электромагнитные расходомеры 100…120, ультразвуковые- 80…100, вихревые — 50…70.

Ситуация резко изменилась осенью 1999 г., когда одна из фирм позиционировала свое новое изделие (надо сказать, очень совершенное для того времени), как «единственный в мире прибор с диапазоном измерения расхода 1000». Конкуренты были вынуждены ответить адекватно, и пошел лавинообразный процесс. На сегодняшний день практически любой отечественный производитель расходомеров предлагает или предлагал приборы с расширенным диапазоном измерений — 400, 500 и даже 1000. Однако, очень скоро стал очевиден факт разительного несоответствия заявленных диапазонов реальным.

Попробуем разобраться, есть ли физические ограничения на диапазон измерения расхода: можно ли измерить расход в диапазоне 1000 и более.

Попутно рассмотрим еще два существенных вопроса: насколько правомочно утверждение, что расходомер обязательно повторит на узле учета характеристики, полученные на проливном стенде, в лаборатории? Почему расходомеры не воспроизводят свои характеристики на разных проливных стендах?

Известны десятки различных методов измерения расхода жидкости, однако, широко применяются всего семь: диафрагмы, механические счетчики, ротаметры, кориолисные, вихревые, ультразвуковые и электромагнитные расходомеры. Принципиально, только два последних метода способны измерять исчезающе малые расходы. Причина в энергетике процесса измерения: в остальных методах используется часть энергии набегающего потока.

Для определенности рассмотрим электромагнитные расходомеры (ЭМР), тем более, что именно у них и декларируются «рекордные» диапазоны. электромагнитный расходомер погрешность Как известно, принцип действия ЭМР основан на законе Фарадея: мерой расхода является напряжение на электродах, возникающее при движении электропроводной жидкости в поперечном магнитном поле. Надо отметить, что закон Фарадея является одним из самых точных в природе и, как следствие, на показания ЭМР не влияют температура, давление, вязкость и другие параметры жидкости.

Подставим в формулу сигнала типичные параметры современных приборов: индукция 1 мТл, скорость потока 1 м/с, расстояние между электродами 0,1 м (Ду 100). Получим удельную чувствительность, т. е. величину полезного сигнала на скорости 1 м/с 100−150 мкВ/м.с. Следовательно, в диапазоне 1000 сигнал будет 1−5 мкВ, что вполне достаточно для точного измерения с помощью современных средств электроники и программной обработки сигналов. Этот факт очевиден и многократно подтвержден натурными испытаниями на проливных стендах многих моделей ЭМР Таким образом, можно утвердительно ответить на первый вопрос — измерение расхода в диапазоне 1000 принципиально возможно, и более того, давно реализовано.

Однако, в этой радужной картине есть один неприятный нюанс — это совершенно неприемлемая воспроизводимость результата при повторных испытаниях.

В самом деле, если мы возьмем самые лучшие (и самые дорогие!) в мире приборы даже прославленных фирм: КРОНЕ, ИОКОГАВА, ЭНДРЕС ХАУЗЕР, и лучшие отечественные: ТЕПЛОКОМ, ВЗЛЕТ, ТБН энергосервис, которые, кстати, по ряду параметров превосходят импорт, то обнаружим, что все перечисленные приборы хорошо «воспроизводятся» в диапазоне 100−150, а, начиная с диапазона 200−250, ведут себя все хуже и хуже. Наконец, в диапазоне 1000 на них начинают воздействовать «сверхъестественные» факторы — погода, настроение метролога, мобильная связь и т. д.

Продолжительные и довольно затратные исследования позволили установить основную причину плохой воспроизводимости. Это — гидравлика.

Почти все методы измерения расхода жидкости чувствительны к профилю потока, т. е. к распределению скоростей жидкости в поперечном сечении. ЭМР — не исключение.

Совершим небольшой экскурс в теорию.

В гидравлике есть основополагающий критерий — число Рейнольдса (Re), которое характеризует крупномасштабные свойства потока: характер потока (ламинарный, турбулентный) и распределение скоростей. Физический смысл Re — отношение сил инерции к силам вязкого трения. Чем больше Re, тем больше перемешивание слоев жидкости и, следовательно, больше выравнивание скоростей: скорость у стенки трубы почти равна скорости в центре. Это турбулентный режим.

Совершенно другая картина в зоне маленьких чисел Re, т. е. при малых расходах. Перемешивание слоев отсутствует, т.к. кинетической энергии потока не хватает на преодоление сил вязкого трения, слои скользят концентрическими кольцами. Скорость жидкости быстро уменьшается при удалении от оси трубы за счет того же трения. Это ламинарный режим потока.

Теоретически эти режимы разделяет критическое число Re кр, которое для круглых труб равно 2320 [2]. В реальных трубах Re кр не константа, а некоторый диапазон: 1000.

Например, в трубе с Ду=100 мм Re=500, т. е. имеется установившийся ламинарный режим. Допустим, что на части окружности трубы есть нагар от незачищенного сварного шва высотой h=5 мм. На высоте 10 мм от стенки трубы местная скорость составляет 0,36 от максимальной на оси трубы, локальное число Re в выделенной части сечения возрастает до 1500−3000, а при наличии вибрации трубопровода или пульсаций давления еще больше. Тем не менее, в целом, характер режима потока не изменился, т.к. кинетической энергии потока не хватает на преодоление сил вязкого трения и поток ламинарный. Зона турбулизации, постепенно затухая, распространится на 14−15 Ду вниз по потоку и достигнет расходомера. Оценка длины участка стабилизации с достаточной для практики точностью сделана по критерию Альтшуля для ламинарного потока [3].

В датчике расходомера каждая точка сечения дает существенно разный вклад в суммарный сигнал, причем наиболее чувствительная область расположена вблизи электродов [1]. Зона турбулизации, оказавшись в приэлектродной области, заметно исказит сигнал, что, естественно, вызовет увеличение погрешности измерения. С учетом того обстоятельства, что локальное число Re, т. е. степень местной турбулизации, — это практически случайная величина, которая зависит от температуры, величины расхода, давления, вибрации трубопровода, пульсаций давления и т. д., то погрешность измерения будет плавать совершенно непредсказуемо, а это не что иное, как плохая воспроизводимость результата измерения.

Теперь определим, расходомеры каких диаметров работают на узлах учета в «зоне риска». Для этого посчитаем числа Re для Ду 10, 50 и 150 мм в расширенных диапазонах расходов при разных температурах воды. Результаты — в таблице. Красным цветом выделены «зоны риска», т. е. зоны расходов, где вероятна нестабильная работа расходомеров. Мы видим, что наиболее массовые диаметры — Ду 25, 32 и 50 мм, не говоря уже о меньших, практически не обеспечивают метрологической надежности измерения в расширенных диапазонах.

Таким образом, ответ на вопрос: возможно ли достоверное измерение расхода в диапазоне 1000 отрицательный, т.к. имеется физическое ограничение — гидравлика. В специально созданных условиях проливных стендов (в лаборатории) подобные измерения возможны.

Следующий вопрос: можно ли утверждать, что характеристики в расширенном диапазоне, полученные на проливном стенде, будут повторены на узле учета или на другом проливном стенде?

Оснований для подобного утверждения нет никаких.

Сложившаяся практика калибровки, испытаний и приемки расходомеров предполагает, что если на проливном стенде измеряется с высокой точностью расход, объем или масса жидкости, то во всех «грехах» (большой погрешности, нестабильности показаний, плохой воспроизводимости) виновато несовершенство конструкции расходомера. Это не так.

В гидравлике есть понятие автомодельной области расходов. Это расходы, при которых в разных условиях соблюдается гидравлическое подобие крупномасштабных параметров потока. Автомодельная область ограничена снизу значениями Re?(20−30)*10³. Расширять вниз автомодельную область и ожидать приемлемые повторяемость и воспроизводимость от расходомеров в области малых расходов (Re<5−10 тыс.) безосновательно теоретически.

Экспериментальная проверка приводимых здесь тезисов очень проста: достаточно испытать на стенде партию расходомеров Ду 10 вблизи или даже ниже на 30−50% нижнего предела измерения, а затем повторить, установив перед каждым расходомером проволочную сетку с шагом 1−2 мм. Мы увидим на порядок лучшую воспроизводимость во втором случае. Сетка является турбулизатором и увеличивает локальное число Re в 2−3 раза.

И все-таки, где же находится технически и физически обоснованная граница расширенного диапазона измерений. Результаты наших многолетних исследований показывают, что достоверно можно измерять расходы в диапазоне 200−250.

Однако, ситуация отнюдь не безнадежна. Существует конструкция, которая теоретически, а, главное, практически обеспечивает полную независимость показаний ЭМР от профиля потока — это ЭМР с прямоугольным проточным каналом.

Конструкция классического ЭМР с прямоугольным каналом (ЭМР ПК) достаточно проста: электродами являются боковые стенки проточного канала [1]. Магнитная система формирует равномерное магнитное поле. Принцип действия тот же, однако, имеется очень существенное отличие от обычного, «круглого» ЭМР: любая точка поперечного сечения вносит одинаковый вклад в полезный сигнал. Это главное (но не единственное!) преимущество ЭМР ПК. Оно обеспечивает полную независимость сигнала от профиля потока. Конечно, реальные конструкции не соответствуют «идеальной», поэтому определенная зависимость от профиля потока будет. Например, невозможно обеспечить строго равномерное магнитное поле: в области электродов поле искажается («выпучивается» наружу из датчика), т.к. магнитная система имеет конечные размеры. Тем не менее, нечувствительность к искажению профиля потока просто феноменальная!

Можно привести результаты испытаний макетных образцов перспективного ЭМР ПК ЗАО «Взлет». Испытывались датчики с прямоугольным каналом с Ду 32 и 100 мм, причем электронные блоки были взяты от простейшего расходомера «Взлет ЭР» и высокоточного «Взлет ТЭР».

В диапазоне 1000 при повторных проливках с перемонтажом вариация погрешности не превышала 1,5% для простейшей электроники и 0.5. для высокоточной. Контрольные расходомеры с обыкновенным проточным каналом в тех же условиях показали вариацию 7−8%.

Также исследовалось влияние профиля потока установкой непосредственно на входе в канал сегментной диафрагмы, при этом ориентация диафрагмы относительно канала менялась. Зафиксирована дополнительная погрешность до 0,4% на максимальных расходах. В нижней части диапазона дополнительная погрешность от профиля потока не превышала вариации от перемонтажа, другими словами, просто отсутствовала.

По имеющейся информации аналогичные работы проводятся и в других компаниях, где получены аналогичные результаты.

Представляется, что в ближайшее время (через год или два) можно ожидать появление нового поколения расходомеров: серийных ЭМР ПК с диапазоном 1000 и более, при вполне приемлемой стоимости.