ШКОЛА ТЕПЛОПУНКТАКласс для специалистов


ТЕПЛОСЧЕТЧИК В РАЗРЕЗЕ
Лекция 5: о расходомерах (окончание)

Д. Л. Анисимов

В двух предыдущих лекциях нашего цикла мы достаточно подробно рассмотрели вопросы, связанные с назначением и ролью расходомеров (преобразователей расхода) в составе теплосчетчиков, поговорили об их метрологических характеристиках. Осталось изучить типы расходомеров в зависимости от принципа их действия. Т.е. узнать, КАК ИМЕННО расходомер измеряет расход.


Что такое «расход»

Но прежде, чем говорить о том, «как измеряем», нужно определиться с тем, «что измеряем». Невероятно, но факт: до сих пор, рассуждая о расходомерах, мы ни разу не затронули вопроса о том, что есть «расход»! Впрочем, в статье о термопреобразователях мы также не давали определения температуры, в статье о датчиках давления — определения давления. Почему? — да потому, наверное, что суть этих величин мы знаем и даже, можно сказать, ощущаем на себе всю свою жизнь. С расходом тоже все вроде бы понятно: открыл кран «на полную» — и вот он, «большой расход», прикрыл — «расход уменьшился». В первом случае за единицу времени через наш трубопровод (кран) проходит один объем воды, во втором — другой. Если привести время к часу, сможем выразить расход в л/ч (литрах в час) или в м3/ч (метрах кубических в час). Если, зная температуру и давление воды (см. статью о датчиках давления), вычислим по объему массу воды — выразим расход в кг/ч (килограммах в час) или т/ч (тоннах в час). Похоже на скорость, не правда ли?

Т.е. расход — это «количество (масса или объем) вещества, протекающего через данное сечение трубопровода (канала) в единицу времени»? Именно такое определение дает в своей книге «Расходомеры и счетчики количества веществ» крупнейший специалист по расходометрии Пантелеймон Петрович Кремлевский. В то же время в ГОСТ 15528-86 «Средства измерений расхода, объема или массы протекающих жидкости и газа. Термины и определения», одним из авторов которого Кремлевский же и является, дано совсем другое определение! Вот оно: «расход — физическая величина, равная пределу отношения приращения массы или объема теплоносителя, протекающих в трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, к интервалу времени, за который это приращение произошло, при неограниченном уменьшении интервала времени». Так какое же из этих определений считать верным? Кстати, в действующих «Правилах учета тепловой энергии и теплоносителя» видим примерно то же, что и в книге Кремлевского: «расход теплоносителя — масса (объем) теплоносителя, прошедшего через поперечное сечение трубопровода за единицу времени».

Мы думаем, что разница этих определений состоит в том же, в чем разница определений скорости, которые похожи на определения расхода как капли воды. Вспомните: в начальной школе нам говорили, что скорость — это путь, пройденный за единицу времени. Т.е. метры в секунду, километры в час и т.д. Доступно, понятно — и вполне достаточно для решения задач о прямолинейном равномерном движении. А в старших классах на математике мы узнали, что такое производная функции (а это есть предел отношения приращения функции к приращению ее аргумента при стремлении приращения аргумента к нулю), и тут же на физике получили пример практического применения этого знания. Оказалось, что скорость — это производная координаты по времени. И первое определение не противоречит второму, оно лишь является его частным случаем.

Так и с расходом. Признаемся себе: не все из нас помнят, что такое производная, поэтому не всем понятно процитированное выше определение из ГОСТ 15528-86. А определения из книги Кремлевского и «Правил учета» — понятны и, если можно так выразиться, «осязаемы». Но все же мы должны понимать, что справедливы они лишь в случаях, когда расход постоянен. В общем же расход — это первая производная объема (или массы) по времени. И если в архиве теплосчетчика мы видим, что за час через трубопровод прошло, например, 5 тонн теплоносителя, это не означает, что расход на протяжении всего этого часа был равен 5 т/ч. 5 т/ч — это средний расход за час, при этом в какие-то минуты (секунды) часа он мог быть выше, ниже, мог падать до нуля. Полная аналогия со скоростью. Стрелка автомобильного спидометра постоянно находится в движении, т.е. в каждый момент скорость автомобиля — разная. А, разделив пройденный путь на время этого пути, мы можем вычислить среднюю скорость за поездку. В «километрах в час».

Классификация расходомеров по принципу действия (методу измерений)

Итак, расход — это первая производная объема (или массы) проходящей через трубопровод воды по времени. Другими словами — скорость потока. Пожалуй, самый «очевидный» способ измерения скорости — при помощи вращающейся в потоке крыльчатки или турбины. Именно так работают так называемые тахометрические водосчетчики, в народе называемые «вертушками» и «турбинками». Измеряя скорость вращения погруженного в поток элемента, узнаем расход; измеряя число оборотов этого элемента — объем прошедшей через трубопровод воды. Очевидным недостатком тахометрических расходомеров является постепенный механический износ их подвижных частей, неминуемо ведущий к ухудшению точности и далее — к отказу прибора. Поэтому придуманы и созданы расходомеры других типов, из которых в составе теплосчетчиков наиболее широко применяются вихревые, электромагнитные и ультразвуковые. Забегая вперед, заметим, что и теплосчетчики в «сборе» в зависимости от типа входящих в их состав расходомеров могут называться вихревыми, ультразвуковыми и т.д. Впрочем, иногда в составе одного (многоканального) теплосчетчика могут использоваться расходомеры разных типов.

Тахометрические водосчетчики — крыльчатые и турбинные

Итак, выше мы уже написали о том, что принцип действия тахометрического водосчетчика (расходомера) основан на измерении скорости вращения или подсчете оборотов помещенной в поток крыльчатки или турбины. Разница между тем и другим подвижными элементами состоит в том, что ось вращения крыльчатки расположена перпендикулярно, а турбины — параллельно направлению движения потока. Как правило, крыльчатка применяется в расходомерах Ду15-40, турбина — в расходомерах Ду50 и выше. На фото 1 показан турбинный прибор Ду200. В счетчиках очень больших Ду может использоваться турбина, лопасти которой «занимают» не все проходное сечение — см. фото 2, на котором показан расходомер Ду800.

WPD

Фото 1

WPD

Фото 2

О тахометрических водосчетчиках можно рассказывать очень долго, однако делать этого в рамках данной статьи мы не будем. Ведь в основном они применяются для учета холодной воды. О причинах догадаться нетрудно: чтобы что-то долго и исправно вращалось в «кипятке», должны использоваться не самые дешевые материалы и не самые простые технологии. Поэтому в сфере теплоучета видим в основном крыльчатки Ду15-20, которые благодаря низкой стоимости и способности работать без электропитания хорошо вписываются в идеологию квартирного теплосчетчика. Реже — приборы Ду25, 32, 40, еще реже — 50 и более, которые (если говорить об известных брендах) по цене уже подбираются к отечественным вихревым расходомерам аналогичных диаметров.

Но вот о чем нужно сказать обязательно, так это о том, как тахометрический водосчетчик подключается к тепловычислителю. Цифры с отсчетного устройства стандартной «вертушки» вычислитель, понятное дело, считывать не может. Поэтому водосчетчик, предназначенный для работы в составе счетчика тепла, обязательно должен выдавать какой-либо электрический сигнал. Например, импульс (см. нашу первую статью о расходомерах), который означает, что через счетчик прошла очередная «порция» теплоносителя во столько-то литров.

Формировать импульс можно разными способами. Самый дешевый и потому часто применяемый — при помощи геркона. «Геркон» — это «герметичный контакт», управляемый внешним магнитом. Поднесли магнит к геркону — контакт замкнулся, убрали — разомкнулся. Если закрепить маленький магнит на одном из колес счетного механизма водосчетчика, а над этим колесом закрепить геркон, то при каждом обороте колеса контакты будут срабатывать, давая таким образом сигнал вычислителю. «Вес импульса», т.е. объем «порции» теплоносителя, о которой сигнализирует водосчетчик, определяется тем, на каком именно из колес редуктора закрепили магнит, т.е. какому количеству литров соответствует один оборот этого колеса.

Однако, такая конструкция, увы, крайне несовершенна. Главный ее недостаток — ложные срабатывания (или, наоборот, «несрабатывания» в нужный момент) геркона вследствие влияния внешних магнитных полей, разброса характеристик пар «геркон – магнит», дребезга контактов геркона и т.п. Если заняться исследованиями, то мы довольно часто будем наблюдать, что объем воды, измеренный водосчетчиком (цифры на его отсчетном устройстве) отличается от объема воды, зафиксированного за тот же период времени вычислителем, к которому данный водосчетчик подключен «через геркон». К сожалению, такими исследованиями никто не занимается, и редко какой наблюдательный монтажник или эксплуатант обнаруживает эту проблему. Но как с ней броться, не знает. А бороться и нельзя — нужно просто отказаться от герконов в коммерческом учете. И применять водосчетчики с более «метрологичными» устройствами съема сигнала, обеспечивающими отсутствие ложных срабатываний — например, оптическими или индукционными. Но их на российском рынке практически нет — не потому, что их нет «в природе», а потому, что такие устройства и такие счетчики значительно дороже «старого доброго» (но доброго ли?) геркона.

Наконец, краткая заметка о температуре. Тахометрические водосчетчики бывают «холодноводными» и «горячеводными». Корпуса первых окрашиваются, как правило, в синий цвет (или синяя маркировка наносится на отдельные внешние детали) и метрологически работоспособны на воде температурой до 30, 40 или 50 градусов Цельсия. Точные цифры нужно смотреть в документации на конкретный тип средства измерений (марку прибора). Но нас с т.з. применимости для учета тепла они не интересуют. Нам нужны только «горячеводные» («красные») водосчетчики. На Западе их делят на те, что «до 90 градусов», и те, что «до 130». Разница в цене между девяносто- и статридцатиградусным счетчиком одного и того же Ду одного и того же производителя бывает, как правило, весьма ощутимой. Однако не стоит экономить, применяя девяностоградусную «вертушку» на объекте, где температура теплоносителя по расчетам может оказаться выше. Такая экономия обернется недостоверными показаниями или полным отказом расходомера, и скупой, как обычно, заплатит повторно. А еще при подборе крыльчатых и турбинных расходомеров нужно внимательно читать не только рекламу, но и официальную документацию — руководство по эксплуатации, описание типа средства измерений. Не исключено, что у какого-либо девяностоградусного прибора вы найдете там обнадеживающую фразу «рабочая температура — 90, кратковременно до 110°С», а у какого-либо статридцатиградусного, наоборот: «110, кратковременно — до 130». Что касается редко встречающихся «стапятидесяти(!)градусных» тахометрических счетчиков, то к этой цифре нужно относиться осторожно. Известны случаи, когда импортный прибор «до 130» после сертификации в России становился вдруг «до 150»... но оставим это на совести тех, кто обеспечивает такой прогресс, а сами перейдем к расходомерам других типов.

Вихревые расходомеры

Вихревой расходомер тоже измеряет скорость потока, но делает это без помощи каких-либо подвижных (вращающихся) деталей. Принцип его действия основан на том явлении, что если в поток жидкости поместить некое тело (стержень) особой формы, то частота срывающихся с него «вихрей» будет пропорциональна скорости потока. Остается только измерить эту частоту, что можно делать разными способами. Поэтому вихревые расходомеры подразделяются на вихреакустические, вихревые электромагнитные (не путать с просто электромагнитными!), вихревые с емкостным съемом сигнала и т.д.

В вихреакустических расходомерах «сквозь» дорожку вихрей излучается с одной стороны трубопровода и принимается с противоположной ультразвуковой сигнал. Взаимодействуя с вихрями, сигнал оказывается модулированным по фазе. Разность фаз переданного и принятого сигналов как раз и говорит о частоте следования вихрей, а значит — о скорости потока. Все необходимые преобразования и формирование выходного электрического сигнала, «понятного» вычислителю — дело электроники расходомера.

Несколько проще устроен вихревой электромагнитный преобразователь (фото 3). Здесь в проточной части создается постоянное магнитное поле; вихри, двигаясь в этом поле, наводят переменную э.д.с., частота которой пропорциональна частоте вихреобразования, а значит — скорости потока. Э.д.с. воспринимается погруженным в поток электродом, и соответствующий сигнал поступает на вход электронного блока. А на его выходе — «сигнал, понятный вычислителю»: частотный, импульсный либо токовый.

ВЭПС

Фото 3

Понятно, что раз сигнал формируется «электронно», то тех проблем, что существуют с герконами тахометрических расходомеров, в случае с вихревыми быть не может. Это же относится и к электромагнитным, и к ультразвуковым приборам, о которых мы поговорим далее.

Электромагнитные расходомеры

Электромагнитные расходомеры называют также индукционными, ведь их действие основано на законе электромагнитной индукции. В отличие от вихревого электромагнитного, здесь в поток не вносятся никакие возмущения. При движении проводника (воды) в магнитном поле возникает э.д.с., величина которой пропорциональна скорости изменения магнитного потока, а значит скорости движения жидкости. Магнитное поле создается при помощи пары катушек, расположенных снаружи проточной части друг напротив друга, э.д.с. детектируется введенными в проточную часть электродами. Сама проточная часть изготавливается из немагнитной стали и имеет изоляционное покрытие — например, из фторопласта (PTFE, PFA или др.), реже — керамическое, эмалевое или др. Сигнал с электродов поступает на вход усилителя; далее формируется и выдается «наружу» частотный, импульсный или токовый выходной сигнал.

Ультразвуковые расходомеры

Среди ультразвуковых расходомеров различий по конструкции, пожалуй, больше, чем среди вихревых и индукционных. Так, например, практически у всех вихревых и всех индукционных электронный блок расположен непосредственно «на трубе». Это связано с тем, что с детектирующих элементов и тех, и других снимается очень слабый сигнал, и «доставить» его куда-либо для дальнейшей обработки без усиления «на месте» невозможно. Ультразвуковые же расходомеры бывают и с «электроникой на трубе» (фото 4), и с «выносным» электронным блоком (фото 5). У всех вихревых расходомеров в проточной части находится тело обтекания, все электромагнитные являются полнопроходными, т.е. их проточная часть «пуста». Ультразвуковые же могут быть полнопроходными, а могут иметь выступающие в поток «зеркала» для формирования особой траектории прохождения ультразвукового сигнала. Есть и ультразвуковые расходомеры с накладными датчиками, монтирующимися на действующий трубопровод снаружи (фото 6). Наконец, одни ультразвуковые расходомеры могут питаться от встроенной батареи, другие — только от внешнего источника 220 В. Да и по охвату Ду «ультразвук» вне конкуренции: если для вихревых и электромагнитных расходомеров Ду300 — это уже редкость, то ультразвуковые выпускаются и на Ду20, и на Ду1000 (фото 7), и выше.

PolluFlow

Фото 4

СВТУ

Фото 5

АКРОН

Фото 6

СВТУ

Фото 7

Все это многообразие объединено в один тип, поскольку любой ультразвуковой расходомер измеряет скорость жидкости в трубопроводе путем анализа изменений того или иного параметра проходящего через поток ультразвукового сигнала. Самый простой для понимания пример — измерение разницы времени прохождения ультразвука по потоку и против потока (обычно — под углом к нему). Эта разность времени прямо пропорциональна скорости (расходу) жидкости. Измеряя ее, расходомер формирует частотный, импульсный или токовый выходной сигнал, который передается на вычислитель.

Достоинства и недостатки расходомеров различных типов

Описывая различные типы расходомеров, мы сознательно не затронули такую традиционную тему, как «достоинства и недостатки тех и этих приборов». Во-первых, зная устройство и понимая принцип действия «тех и этих», все их особенности и возможности применения вы легко представите сами. Во-вторых, и это главное, «достоинства и недостатки» присущи, в общем-то, не «типам», а конкретным маркам приборов. Мы можем долго и упорно спорить о том, вихревой ли расходомер хуже или электромагнитный лучше, а на практике столкнемся с качественным прибором АБВ-31, который работает и работает, и некачественным ЭЮЯ-13, который измеряет неточно или вообще ломается не потому, что он вихревой или электромагнитный, а потому, что его «так» сконструировали и/или «так» собрали. Здесь как с автомобилями: вы можете считать, что передний привод лучше заднего, но вряд ли из пары ВАЗ-2109 / BMW 325 предпочтете первый вариант. Поэтому нужно изучать документацию и сравнивать характеристики не вихревых, электромагнитных и прочих, а конкретных АБВ, ЭЮЯ и ЁКЛМН. И вы с удивлением обнаружите, что существуют, например, тахометрические водосчетчики, диапазон измерений которых шире, чем у иных электромагнитных; или, например, что температурная погрешность некоторых электромагнитных заметно выше, чем у некоторых вихревых.

Но поскольку сказать хоть что-то если не о достоинствах и недостатках, то о различии «типов» все равно нужно, приведем цитату из одной нашей давней статьи:

«Многообразие типов водосчетчиков и расходомеров неизбежно порождает традиционные потребительские вопросы: «что выбрать?» и «какой прибор лучше?». Однозначно ответить на него нельзя... Можно лишь сказать несколько слов о сложившейся практике применения расходомеров того или иного типа. Так, например, для измерений в трубах «квартирных» диаметров (Ду15-20) практически нет альтернативы тахометрическим водосчетчикам — все их эксплуатационные недостатки с лихвой компенсируются сверхнизкой ценой. Но, начиная с Ду25, конструкция тахометрического водосчетчика усложняется, цена резко возрастает — она становится сопоставима с ценой, например, вихревого расходомера. Но в последнем нет ни одной движущейся (вращающейся, трущейся) части, и уже потому он потенциально надежней, долговечней, метрологически стабильней. Еще более дорогими являются ультразвуковые и электромагнитные расходомеры, но в их активе — более высокие метрологические характеристики и, что немаловажно, минимальные потери давления измеряемой жидкости в канале расходомера. Конструкция ультразвуковых расходомеров, к тому же, позволяет использовать их на трубопроводах таких больших диаметров (Ду от 300-500), на какие ни вихревые, ни электромагнитные приборы выполнены быть не могут. Интересно заметить, что если за рубежом в целом наибольшее распространение нашли тахометрические и ультразвуковые расходомеры, то у нас в России — тахометрические и электромагнитные.

В целом же очевидно, что каждый тип расходомера имеет свою сферу применения, а выбор прибора для каждого конкретного случая — это поиск оптимального именно для этого случая сочетания цены, стоимости монтажа, стоимости обслуживания и т.п. В реальной жизни весьма важную роль играет еще и известность марки, репутация производителя и позиции его сбытовой и сервисной сети в регионах.»

Заключение

Итак, мы закончили рассказ о расходомерах (преобразователях расхода) в рамках нашего цикла лекций «Теплосчетчик в разрезе». Мы рассмотрели их устройство, поговорили об их метрологических характеристиках, типоразмерах, изучили разницу между различными видами выходных сигналов. За рамками цикла остались вопросы монтажа и технического обслуживания расходомеров. Однако, в документации, которой производители обеспечивают свои приборы, эти вопросы освещены, как правило, достаточно подробно. Мы же старались говорить о том, о чем обычно не пишут в руководствах по эксплуатации и описаниях типов средств измерений.

А следующая наша лекция будет посвящена тепловычислителям...