Типы существующих расходомеров: преимущества и недостатки

Расходомеры – это приборы, измеряющие объем или массу вещества: жидкости, газа или пара, которые проходят через сечение трубопровода в единицу времени. В быту расходомеры называют «счетчиками», но это неверно, потому что счетчик – только одна из составляющих конструкции расходомера. Особенности конструкции зависят от типа прибора. Сейчас используют 6 типов расходомеров, у каждого из которых – свои сильные и слабые стороны.

Электромагнитные расходомеры

В основе устройства электромагнитных расходомеров – закон электромагнитной индукции, известный как закон Фарадея. Когда проводящая жидкость, например вода, проходит через силовые линии магнитного поля, индуцируется электродвижущая сила. Она пропорциональна скорости движения проводника, а направление тока – перпендикулярно направлению движения проводника.

В электромагнитных расходомерах жидкость течет между полюсами магнита, создавая электродвижущую силу. Прибор измеряет напряжение между двумя электродами, рассчитывая тем самым объем проходящей через трубопровод жидкости. Это надежный и точный метод, потому что сам прибор не влияет на скорость течения жидкости, а за счет отсутствия движущихся частей оборудование долговечное.

Преимущества электромагнитных расходомеров:

• Умеренная стоимость.
• Нет движущихся и неподвижных частей в поперечном сечении.
• Большой динамический диапазон измерений.

• На работу прибора влияют магнитные и проводящие осадки.

Принцип работы электромагнитного расходомера

Ультразвуковые расходомеры

В конструкции расходомеров есть передатчик ультразвуковых сигналов (УЗС). Когда жидкость движется по трубопроводу, происходит снос ультразвуковой волны. Из-за этого меняется время, за которое сигнал от передатчика достигает приемника. Время прохождения увеличивается против потока жидкости и уменьшается, если ультразвуковой сигнал идет по направлению потока. Ультразвуковые расходомеры рассчитывают объемный расход жидкости на основе разности времени прохождения УЗС по течению потока и против него – эта разность пропорциональна скорости движения и объему воды.

Достоинства ультразвуковых расходомеров:

• Невысокая стоимость.
• Нет движущихся и неподвижных частей в поперечном сечении.
• Средний динамический диапазон измерений.
• Возможность монтажа на трубопроводы большого диаметра.

• Чувствительность измерений к отражающим и поглощающим ультразвук осадкам.
• Чувствительность к вибрациям.
• Чувствительность к перекосам потока для однолучевых расходомеров.

Расходомеры перепада давления

Принцип действия этого типа расходомеров основан на измерении перепадов давления, которые возникают, когда поток жидкости, газа или пара проходит через шайбу, сопло или другое сужающее устройство. Скорость потока в этом месте меняется, давление возрастает: чем выше скорость потока, тем больший расход.

• Отсутствие движущихся частей.

• Механические препятствия в сечении: шайба или сопло.
• Малый динамический диапазон измерений.
• Чувствительность к любым осадкам на сужающем устройстве.

Вихревые расходомеры

Вихревые расходомеры измеряют частоту колебаний, которые возникают в потоке жидкости или газа, когда они обтекают препятствия. При обтекании препятствий образуется вихрь, от которого приборы и получили свое название.

• Отсутствие движущихся частей.

• Механические препятствия в сечении расходомера.
• Малый динамический диапазон.
• Температурная чувствительность.
• Неустойчивость характеристик при осадках на теле обтекания.
• Влияние вибраций на результаты измерений.

Принцип работы вихревого расходомера

Тахометрические расходомеры

Тахометрические расходомеры измеряют скорость вращения, количество оборотов крыльчатки или турбины в потоке воды, газа или пара. Принцип действия не меняется в зависимости от того, установлена ли в приборе крыльчатка или турбина; разница только в том, что ось вращения крыльчатки находится перпендикулярно движению потока, а турбины – параллельно потоку жидкости или газа.

• Невысокая стоимость.
• Работают без источника питания.

• Механические препятствия в сечении расходомера.
• Малый динамический диапазон.
• Неустойчивость измерений.
• Невысокая надежность.
• Примеси и посторонние предметы в воде влияют на результаты измерений.
• Небольшой срок эксплуатации.

Принцип работы тахометрического расходомера

Кориолисовы расходомеры

Принцип действия этих расходомеров опирается на эффект Кориолиса: изменение фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется жидкость, газ или пар. Сдвиг фаз зависит от массового расхода. Сила Кориолиса, которая воздействует на стенки колеблющейся трубки, меняется под напором воды или пара.

• Прямое измерение массового расхода.
• Осадки не влияют на измерения.
• Нет препятствий во внутреннем сечении.
• Измерение расхода жидкостей не зависит от их электрической проводимости.

• Высокая стоимость.
• Строгие требования к технологии изготовления.
• Влияние вибраций на метрологические характеристики.

Сравнив достоинства и недостатки разных видов оборудования, несложно понять, почему самыми востребованными остаются электромагнитные расходомеры: они недорогие, точные и практичные. Через каталог компании «Интелприбор» вы можете заказать измерительные модули высокого качества. Мы не только поможем выбрать оборудование, но также установим его и обеспечим техобслуживание.

Подпишитесь на нашу рассылку,
и станьте одним из первых,
кто будет в курсе всех
наших новостей!

Принцип работы расходомера, из чего состоят счетчики воды

Выбор способа учета расхода жидкости в крупных организациях-потребителях воды, на предприятиях, использующих воду на технологические нужды и сбрасывающих стоки, на ТЭЦ и других промышленных объектах зависит от многих факторов. Это степень загрязнения потока, тип системы (напорная или безнапорная), место планируемой установки и др.

Основные типы расходомеров

Рассматривая основные конструкции счетчиков по принципу их устройства и работы можно выделить такие виды расходомеров:

1. Тахометрические. Они состоят корпуса с установленной в нем лопастной крыльчаткой, которая вращается за счет перемещения воды и передает количество сделанных оборотов на считывающее устройство. Учитывая их простоту и дешевизну, именно такие счетчики используются в качестве бытовых водомеров на малых диаметрах напорных трубопроводов. В промышленном учете, где оперируют большими расходами, они не применяются из-за громоздкости и металлоемкости, а также создания гидравлического сопротивления для движения потока и возможных механических поломок.
2. Электромагнитные полнопроходные. Это высокоточные приборы объемного учета расхода жидкости, используемые в трубопроводных системах с избыточным давлением жидкости.
3. Штанговые электромагнитные. С их помощью выполняется замер скорости в середине потока в закрытых полностью заполненных трубах (под давлением). Используются для различных диаметров.
4. Ультразвуковые. Различают водомеры, работающие по время-импульсному методу измерения, методу Доплера и кросс-корреляционные. Сигнал на считывающее устройство передается с ультразвуковых датчиков. Это одни из наиболее широко применяемых промышленных счетчиков. В зависимости от применяемых датчиков используются в напорных и самотечных системах.
5. Радарные и лазерные системы измерения расходов. Бесконтактные устройства, применяемые в промышленности. Применяются для самотечных потоков.
6. Счетчики на основе уровнемера. Их используют в безнапорных системах на лотках Вентури или Паршаля, на каналах с малым водопотреблением либо для технологического учета. При помощи беспроводных уровнемеров можно получить данные об удаленных и труднодоступных объектах.

Рассмотрим более подробно устройство и принцип действия основных расходомеров, применяемых для промышленного учета.

Время-импульсные ультразвуковые счетчики

Время-импульсный метод (или, по-другому, фазового сдвига) основан на измерении времени прохода сигнала против движения потока и по направлению перемещения жидкости. Для преобразования ультразвукового сигнала на трубопроводе устанавливают два или четыре смещенных вдоль движения воды пьезоэлемента. Как правило, применяются дисковые элементы, реже – кольцевые (на малых диаметрах).

Пьезоэлементы могут устанавливаться внутри потока (на внутренних стенках трубы или канала) или снаружи трубопровода (в этом случае сигнал проходит через наружную стенку). В зависимости от применяемых датчиков счётчики могут устанавливаться в самотечных системах (как открытых, так и закрытых), а также в полностью закрытых трубопроводах с избыточным давлением среды. Различают такие виды датчиков скорости:

• трубные – врезаются в водопровод с внешней стороны. Могут применяться в напорной и безнапорной среде;
• клиновидные – устанавливаются на дне или внутренней стенке трубы. Как правило, используются в безнапорных каналах либо в трубопроводах больших диаметров, если установка и обслуживание датчика снаружи неудобна;
• сферические или полусферические – монтируются на наклонных стенках открытых трапециевидных каналов;
• штанговые – имеют вид трубок, устанавливаются на вертикальных стенках каналов;
• накладные – бесконтактные датчики, ставятся на внешнюю поверхность трубопровода.

В зависимости от способа установки датчиков различают контактные и бесконтактные устройства. Преимущество бесконтактных переносных расходомеров в возможности устанавливать их на трубопроводы без нарушения целостности. Они достаточно редко устанавливаются стационарно, чаще используются для поверочных замеров в разных точках.

Время-импульсные расходомеры пригодны для нахождения расхода чистой воды или немного загрязненной (с незначительным включением взвешенных частиц). Их применяют в водоснабжении и водоотведении, в охлаждающих контурах, в ирригационных схемах орошения, на насосных напорных станциях, в открытых природных и искусственных каналах и реках. Применяются как для коммерческого, так и для технологического учета.

Метод Доплера

Счетчики, работающие по данному методу, измеряют разность длины волны, отраженной от движущегося потока, относительно длины волны излучаемого сигнала. Измерение принимаемого и передаваемого сигнала для определения разницы между ними производится при помощи клиновидных или трубных датчиков скорости, устанавливаемых на дне канала или трубы.

Работающие по эффекту Доплера водомеры используют в напорных и самотечных системах, полностью и частично заполненных трубах, открытых каналах. Они работают в потоках разной степени загрязнения (кроме чистой воды). Доплеровские расходомеры используют для коммерческого учета в трубопроводах и самотечных каналах, для измерения расходов в реках и каналах ирригационных систем, в ливневых канализациях, на насосных станциях, трубопроводах водозабора и сброса стоков в водоемы.

Кросс-корреляционные ультразвуковые счетчики

Такие расходомеры работают по методу кросс-корреляции ультразвукового сигнала. Эта методика основана на принципе построения скоростей по различным уровням потока, счетчик дает возможность строить реальную диаграмму распределения скоростей в потоке. Также выполняется замер уровня потока.

С водомерами используются ультразвуковые трубные и клиновидные датчики скорости, устанавливаемые в потоке, уровень жидкости определяется при помощи надводных и подводных датчиков. Возможно исполнение комбинированных датчиков скорости и уровня.

Счетчики используются в напорных и самотечных, открытых и закрытых системах. Это точный метод измерения, дающий достоверные результаты для потоков различной степени загрязненности, в том числе он эффективен в неоднородных средах. Расходомеры используют в технологических трубопроводах, на очистных сооружениях, в реках и водоемах и др. В крупных каналах можно устанавливать несколько датчиков по всей ширине для получения более точных результатов.

Электромагнитные расходомеры

Их принцип работы основан на законе электромагнитной индукции, согласно которой в электропроводной жидкости, проходящей через электромагнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости потока (проводника).

Такие расходомеры нашли применение в системах объемного учета теплоносителя и воды на промышленных и энергетических предприятиях. Недостаток – высокая стоимость и вес для диаметров более 300-400 мм, сложность снятия на поверку.

Штанговые электромагнитные водосчетчики работают по принципу погружения датчика в жидкость, где происходит измерение скорости потока. Такие счетчики определяют расход холодной воды в полностью заполненных трубопроводах.

Радарные и лазерные расходомеры

Бесконтактные узлы учета замеряют поверхностную скорость движения потока в открытых и закрытых самотечных потоках. Вычисление объемного расхода производится путем вычисления его через скорость на поверхности.

Такие устройства используют в труднодоступных местах и сильно загрязненных потоках, где нет возможности установить погружные датчики. Их применяют для учета канализационных и технических стоков.

Руководство по выбору расходомера. Часть 1

Определение метода измерения расхода в зависимости от характеристик измеряемой среды

В промышленности на узлах технического и коммерческого учета энергоресурсов, в системах регулирования и дозирования в настоящее время чаще всего применяют ультразвуковые, электромагнитные, вихревые и кориолисовые расходомеры. Учитывая многообразие измеряемых сред и возникающих измерительных задач, выбор подходящего по своим характеристикам измерителя расхода является достаточно сложной задачей. Даже если выбирать только среди указанных четырех типов расходомеров.

Цель этого руководства — дать начальное представление о пригодности каждого из четырех методов измерения расхода для решения имеющейся измерительной задачи. А также существующих ограничениях и особенностях применения расходомеров каждого типа.

К основным (базовым) критериям выбора типа измерителя расхода относятся:

1. Характеристики измеряемой среды (физико-химические свойства);
2. Необходимость измерения реверсивных потоков или массового расхода;
3. Динамический диапазон измерения;
4. Точность измерения, межповерочный интервал и наличие возможности поверки расходомера без его демонтажа;
5. Надежность, эксплуатационные характеристики.

В данной части руководства рассмотрим применимость расходомеров с кориолисовым, ультразвуковым, электромагнитным и вихревым методом измерения в зависимости от характеристик измеряемой среды.

Физико-химические свойства измеряемой среды играют определяющее значение при выборе метода измерения расхода и конструктивного исполнения расходомера. К физико-химическим свойствам среды относятся такие параметры как агрегатное состояние среды, ее температура и давление (номинальные, минимальные и максимальные), вязкость и химическая активность, наличие в ней примесей, склонность к образованию отложений и т.п.

Так электромагнитные расходомеры предназначены только для измерения электропроводящих жидкостей, растворов и пульпы. Измерение расхода химически обессоленной воды, пара и газов невозможно с помощью расходомеров данного типа. При выборе конкретной модификации электромагнитного расходомера особое внимание нужно уделить материалу футеровки измерительной части, так как именно от нее зависит температурная и коррозионная стойкость измерительной части датчика. Неправильный выбор материала футеровки может привести к ее вспучиванию, отслоению и как результат, к недостоверным показаниям или выходу расходомера из строя.

Основные материалы, применяемые для футеровки измерительной части электромагнитных расходомеров, приведены в таблице 1.

Материал футеровки	Область применения	Диапазон температур измеряемой среды, °С
PFA (перфторалоксид)	Превосходная стойкость к воздействию высоких температур, коррозионно-активных веществ и механическим напряжениям. Низкая устойчивость к истиранию.	-29. +177
PTFE (Политетрафторэтилен)	Более экономичный в сравнении с PFA. Отличная стойкость к воздействию химикатов, но меньшая износостойкость по сравнению с PFA. Хорошая размерная стабильность.	-29. +177
ETFE (этилентетрафторэтилен)	Высокая прочность на разрыв и ударопрочность. Характеристики стойкости к воздействию химикатов и к износу аналогичные PTFE, но максимальная температура ниже.	-29. +149
Полиуретан, твердая резина	Обычно используется для чистой воды (без химикатов). Износостойкость к шламу, содержащему мелкие частицы.	-18. +60
Неопрен	Обычно используется для пресной и морской воды. Износостойкость к шламу, содержащему мелкие частицы.	-18. +85
Linatex	Обычно используется для горного шлама, высокая стойкость к износу от обломков породы.	-18. +70

В зависимости от производителя расходомеров и способа нанесения футеровки, температурные и механические характеристики могут незначительно отличаться.

Электромагнитные расходомеры, в зависимости от конструктивного исполнения, способны работать в диапазоне температур измеряемой среды от −30 до +180°С, давлении до 16 МПа и выше, вязкости измеряемой среды от 0,1 до 100 000 мПа*с. Следует учитывать, что некоторые электромагнитные расходомеры, в зависимости от материала футеровки, могут иметь ограничения на установку на всасывающем трубопроводе насосов, так как понижение давления может привести к отслаиванию футеровки.

Вихревые расходомеры являются самыми «всеядными» в плане измеряемых сред. Расход холодных и горячих жидкостей, независимо от их электропроводящих свойств, насыщенного и перегретого пара, природного и технических газов может быть измерен с помощью расходомеров данного типа. Но и у них есть свои ограничения связанные с используемым методом измерения: вихревые датчики расхода не предназначены для измерения вязких и загрязненных сред и сред склонных к образованию отложений. Кроме того расходомеры данного типа наиболее чувствительны к турбулентности и неоднородности потока и вибрации трубопровода.

Учитывая, что измерительная часть вихревых расходомеров выполнена из металла, без применения полимерных футеровок, данный тип датчиков расхода может использоваться для измерения с температурой от −40 до +250°С. Давление среды обычно не должно превышать 10 МПа, максимальная вязкость ограничена величиной примерно 10 мПа*с.

При измерении высокотемпературных сред для защиты электроники электронного блока расходомера от перегрева и обеспечения удобной и безопасной их эксплуатации рекомендуется использовать разнесенное исполнение (независимо от типа расходомера и метода измерения). При разнесенном исполнении измерительная часть расходомера располагается на трубе, а блок электроники и индикации на некотором удалении от нее, в удобном для обслуживания месте с нормальным температурным режимом.

Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения расходов чистых (гомогенных) и загрязненный (гетерогенных) жидкостей и газов в зависимости от метода измерения. Для измерения чистых однородных сред следует выбирать ультразвуковой расходомер с время-импульсным методом измерения. Для измерения загрязненный многофазных сред следует выбирать расходомер с доплеровским методом измерения.

Ультразвуковые расходомеры имеют наиболее широкий диапазон применения по температуре и давлению измеряемой среды. Так для расходомеров с врезными датчиками температура измеряемой среды может быть в пределах от −200 до +200°С, давление до 4 МПа, вязкость среды от 0 до 350 мПа*с. Расходомеры с накладными датчиками рассчитаны на температуру измеряемой среды от −40 до +120°С и не имеют ограничений по максимальному давлению (величина максимального давления ограничивается только прочностными характеристиками самого трубопровода). Вязкость измеряемой среды может быть в пределах от 0,5 до 2500 мПа*с.

Кориолисовые расходомеры используются для высокоточного измерения расхода (массы) жидкостей, в том числе жидкостей с высокой вязкостью, а также жидкостей с включением твердых компонентов и растворенных газов (до нескольких процентов по объему). Наибольшее применение расходомеры данного типа получили для измерения расхода и дозирования коррозионно-активных веществ, топлива и сжиженных углеводородных газов.

Кориолисовые расходомеры обеспечивают высокоточное измерение массового расхода при изменении температуры и давления измеряемой среды в широких пределах, не чувствительны к турбулентности потока, поэтому не требуют прямолинейных участков до и после расходомера. Рассчитаны на измерение расхода среды с температурой от −50 до +180°С, давлением до 40 МПа и вязкостью от 0 до 100 000 мПа*с.

Для удобства выбора типа расходомера в зависимости от физико-химических свойств среды и измерительной задачи, все данные по четырем рассмотренным выше методам измерения, сведены в таблицы 2 и 3.

Метод измерения	Измеряемая среда	Диапазон температур, °С	Максимальное давление, МПа	Диапазон вязкости, мПа*с
Электромагнитный	Электропроводящие жидкости	-30. +180	16	0,1. 100000
Вихревой	Жидкости, пар, газы	-40. +250	10	0. 10
Ультразвуковой (врезные датчики)	Жидкости, газы	-200. +200	4	0. 300
Ультразвуковой (накладные датчики)	Жидкости, газы	-40. +120	Нет ограничений	0,5. 2500
Кориолисовый	Жидкости, газы	-50. +180	40	0. 100000

Метод измерения	Возможность применения в системах коммерческого учета	Возможность применения в системах дозирования	Измерение массового расхода	Измерение реверсивных потоков
Электромагнитный	+	+	—	+
Вихревой	+	—	+	—
Ультразвуковой	+	—	+	+
Кориолисовый	+	+	+	+

Необходимо помнить, что приведенных выше данных еще недостаточно для того, чтобы сделать однозначный обоснованный выбор в пользу того или иного метода измерений и уж тем более выбрать конкретный тип и модификацию расходомера. Данная информация позволяет лишь сразу отбросить те методы измерений, которые однозначно нельзя использовать для решения конкретной измерительной задачи. Чтобы снизить вероятность ошибки, в процессе выбора рекомендуется активно взаимодействовать со специалистами компании «РусАвтоматизация».

Источник: Компания «РусАвтоматизация»