Главная  /  Статьи  /  Так ли хороши ультразвуковые расходомеры с накладными датчиками, как нам рекламируют?

Достоинства и недостатки ультразвуковых расходомеров с накладными датчиками. Правдива ли реклама ?

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, а в последствии потенциальные долгосрочные потери - миллионы рублей.

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 методики выполнения измерений (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 δКг : Определение КГ экспериментальной градуировкой на месте эксплуатации является довольно трудным и затратным мероприятием по сравнению с ценой уже готового и отградуированного УПР.

Поэтому КГ 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 КГ 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 δКг 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 δD : 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.

Также 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 δD вплоть до 5%.
Это связано даже не с дополнительной погрешностью δD определения диаметра (еще плюс 0,15%) [3] , а больше с составляющей δКг.
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%.

δС , δt - 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 Lа и фактически неопредленность α угла наклона активной части акустического луча.

Составляющая Lа- длина активной части акустического канала (расстояние которое проходит звук непосредственно в движущейся жидкости) также 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 δα - 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, что 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.

 

 

Используемая 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