Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений

• Название: Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
• Анкор: Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа
• Дата: 23.10.2022
• Размер: 2.47 Mb.
• Имя файла: Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа.pdf
• Тип: Книга; #749692
• страница: 9 из 21

3.3.2. Ультразвуковые
расходомеры и расходомеры-
счетчики
Ультразвуковые расходомеры были разработаны и началось их промышленное применение в 1963 г. Принцип их действия основан на измерении того или иного эффекта, возникающего при прохождении акустических колебаний через поток измеряе- мой среды. Ультразвуковые расходомеры включают в себя рас-

93 ходомеры, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и преобразователи, основанные на эффекте
Допплера. Единственным ограничением для применения ультра- звуковых преобразователей расхода является акустическая про- зрачность измеряемой среды.
В качестве излучателей и приемников акустических колеба- ний используются пьезоэлементы. Под воздействием акустиче- ских колебаний происходит сжатие–расширение кристалла, на его поверхностях образуются электрические заряды. Работа при- емника акустических колебаний основана на прямом пьезоэф- фекте, работа излучателей – на обратном пьезоэффекте: при при- ложении к поверхностям кристалла переменного напряжения пье- зоэлемент будет растягиваться и сжиматься, возбуждая в изме- ряемой среде акустические колебания. Частота ультразвуковых колебаний при измерении расхода чистых жидкостей обычно со- ставляет несколько мегагерц.
Наибольшее распространение нашли расходомеры, основан- ные на измерении разности скорости прохождения акустических колебаний, направленных по потоку и против потока. При на- правлении ультразвуковых колебаний по потоку скорость звука складывается со скоростью потока, при направлении против по- тока скорость потока вычитается из скорости звука.
Такие расходомеры применяются при измерениях расхода как жидкостей, так и газов.
Излучатели и приемники акустических колебаний распола- гаются под некоторым углом к оси трубы. Первые ультразвуко- выепреобразователи расхода выполнялись с двумя излучателями и двумя приемниками акустических колебаний. Между одной па- рой излучатель–приемник акустические колебания направлялись по направлению движения потока, между другой – против на- правления движения потока.
В современных ультразвуковых преобразователях пьезоэле- менты попеременно выполняют функции излучателя и приемни- ка (рис. 3.22). Сначала акустические колебания от излучателя на- правляются по потоку и воспринимаются приемником. Затем приемник становится излучателем, акустические колебания на- правляются против потока и воспринимаются приемником.
По принципу действия измерительной схемы ультразвуковые преобразователи подразделяются следующим образом:

94 времяимпульсные; частотно-импульсные; дифференциально-фазовые.
Рис. 3.22. Ультразвуковой преобразователь расхода:
1, 2 – пьезоэлементы: излучатель и приемник акустических колебаний
Во времяимпульсных преобразователях происходит непо- средственное измерение времени прохождения коротких импуль- сов от излучателя до приемника, направленных по потоку и против потока.
Время прохождения импульса от излучателя до приемника при направлении по потоку
α
cos
η
1
L
v
c
L


,
(3.38) против потока
α
cos
η
2
L
v
c
L


,
(3.39) где L – длина акустического канала;
c – скорость звука в измеряемой среде;
v
L
– средняя скорость среды по длине акустического канала;
α – угол наклона акустического канала.
1, 2 1, 2 2, 1 2, 1

95 2
1 1
2
η
η
η
η
α
cos
2



L
v
L
(3.40)
В частотно-импульсных преобразователях попеременно по- даются серии коротких импульсов, направленных по и против потока. При поступлении акустического сигнала на приемник по- сылается следующий импульс. Возникает последовательность импульсов, частота которых обратно пропорциональна времени прохождения импульса от излучателя до приемника.
Разность частот импульсов, направленных по потоку и про- тив потока, определяется скоростью измеряемой среды.
Скорость акустических колебаний, направленных по потоку,
,
η
α
cos
1
L
v
с
L


(3.41) частота импульсов
α
cos
η
1 1
1
L
v
c
f
L



(3.42)
Скорость акустических колебаний, направленных против по- тока,
,
η
α
cos
2
L
v
c
L


(3.43) частота импульсов
α
cos
η
1 2
2
L
v
c
f
L



(3.44)
Разность частот
α
cos
2 2
1
L
v
L
f
f
f




(3.45)
Скорость потока
α
cos
2
f
L
v
L


(3.46)
В дифференциально-фазовых преобразователях измеряется разность фазовых сдвигов ультразвуковых колебаний, возни-

96 кающих на приемниках при прохождении колебаний по потоку и против потока,
,
α
cos
ω
2
η
π
2 2
L
v
c
L
f





(3.47) где Δφ – разность фазовых сдвигов;
Δτ – разность времени прохождения акустических колебаний, направленных против и по потоку;
f и

– частота и круговая частота акустических колебаний.
В дифференциально-фазовых преобразователях выходной сигнал зависит от скорости звука в среде. Для устранения по- грешности, вызванной изменением скорости звука, необходимо вводить специальные схемы коррекции. Во времяимпульсных и частотно-импульсных преобразователях выходной сигнал прак- тически не зависит от скорости звука. Наличие этой зависимости определяется только временем задержки сигнала в электронно- акустическом тракте, не связанной с прохождением сигнала в из- меряемой жидкости.
Основные схемы расположения пьезоэлементов и распро- странения акустических колебаний в ультразвуковых преобразо- вателях расхода приведены на рис. 3.23.
Рис. 3.23. Схемы ультразвуковых преобразователей расхода: а – схема со свободными карманами для размещения пьезоэлементов; б – схема с заполнением карманов; в – схема с наружным расположением пьезоэлементов; г – схема с многократным

97 отражением акустических колебаний от стенки трубы; д – схема с отражателями акустических колебаний; е – схема с излучением, направленным вдоль оси трубы, и боковым подводом жидкости
Преобразователи со свободными карманами (рис. 3.23а) во избежание их засорения применяют для чистых и неагрессивных сред. Другой их недостаток – возможность появления вихреобра- зования и влияние на профиль скоростей. Для исключения этого применяют преобразователи с карманами, заполненными звуко- проводящим материалом из металла или органического стекла
(рис. 3.23б), и преобразователи с наружным расположением пье- зоэлементов (рис. 3.23в).
Преимущество наружного расположения пьезоэлементов – это отсутствие контакта с измеряемым веществом и сохранение целостности трубопровода при монтаже. Однако при этом воз- растает уровень помех, вызванных прохождением акустических колебаний по стенке трубы, и снижается точность измерений.
При монтаже накладных ультразвуковых преобразователей необходимо зачищать наружную поверхность трубопровода от краски и ржавчины. Поверхность в месте контакта должна быть покрыта специальными желеобразными смазками, чтобы удалить воздушную прослойку, не пропускающую ультразвуковые коле- бания.
В трубах малого диаметра при направлении акустических ко- лебаний под углом к оси трубы трудно получить большую длину акустического канала. Для этого используются многократное от- ражение акустических колебаний от стенки трубы (рис. 3.23г), специальные установленные внутри трубы отражатели
(рис. 3.23д) и боковой подвод жидкости в трубу (рис. 3.23е).
В ультразвуковых преобразователях расхода выходной сиг- нал пропорционален средней скорости потока v
L
по длине аку- стического канала (линии между излучателем и приемником аку- стических колебаний). Таким образом, происходит осреднение скорости не по всему сечению трубопровода с внутренним диа- метром D, а только по линии акустического канала. Отличие средних скоростей по сечению и по линии учитывается гидроди- намическим коэффициентом Br.
Объемный расход
4
π
2
o
D
Brv
Q
L

(3.48)

98
Значение этого гидродинамического коэффициента зависит от распределения скорости по сечению преобразователя расхода.
Для сформировавшегося течения распределение скорости определяется числом Рейнольдса и шероховатостью трубопрово- да. Для формирования распределения скорости необходимо пре- дусматривать длинные прямые участки трубопроводов до и после преобразователя. В зависимости от типа местных сопротивлений в трубопроводе и требуемой точности измерений эти длины со- ставляют 20…50 диаметров трубопровода до преобразователя расхода и 5…10 диаметров после.
Например, в соответствии с рекомендациями фирмы
«Krohne» при установке ультразвукового преобразователя расхо- да жидкости с пределами допускаемой погрешности ±1,0 % после одиночного колена необходимо предусмотреть прямолинейный участок трубопровода не менее 20 D
у
, после двух колен в одной плоскости – не менее 25 D
у
, после двух колен в разных плоско- стях – не менее 40 D
у
, после полностью открытого регулирующе- го клапана и после насоса – не менее 50 D
у
Для снижения влияния распределения скорости на результат измерения используются следующие способы.
При изменении расхода в пределах диапазона измерений из- меняется число Рейнольдса и соответственно распределение ско- рости в сечении трубопровода, но это распределение остается осесимметричным. Для исключения зависимости гидродинами- ческого коэффициента от числа Рейнольдса В излучатель и при- емник располагают не по диаметру трубопровода, а по хорде.
Расположение выбирается таким образом, чтобы отношение средней скорости по сечению и средней скорости по хорде было равно единице и не зависело от числа Рейнольдса. Расстояние от хорды до оси трубопровода составляет 0,5…0,54 радиуса трубы.
При этом требования по длинам прямолинейных участков, необ- ходимых для формирования распределения скорости потока в преобразователе расхода, остаются неизменными.
Снижение влияния распределения скорости потока обеспечи- вается в преобразователях расхода с несколькими акустическими каналами. В этом случае происходит осреднение скорости по не- скольким линиям.
Различные варианты расположения акустических каналов в многоканальных ультразвуковых преобразователях расхода жид- кости в сечении трубопровода схематично показаны на рис. 3.24.

99
В восьмиканальном преобразователе в каждой плоскости, парал- лельной оси трубопровода, размещаются два акустических канала.
Рис. 3.24. Расположение акустических каналов в сечении трубопровода многоканальных ультразвуковых преобразователей расхода жидкости с параллельным расположением акустических лучей: а – двухканальный, б – трехканальный, в – четырех- и восьмиканальный, г – пятиканальный
При использовании многоканальных преобразователей сред- няя скорость измеряемой среды ср
v
вычисляется по формуле



m
i
i
i
f
v
v
1
ср
,
(3.49) где
i
v
– средняя скорость вдоль акустического канала;
i
f
– весовой коэффициент.
Применение многоканальных преобразователей позволяет не только сократить требуемые длины прямолинейных участков трубопровода, но и повысить точность измерений.

100
Двухканальные преобразователи обеспечивают возможность измерений расхода жидкости с относительной погрешностью
δ
о
= 0,5 % и 1,0 %, трехканальные – δ
о
= 0,3…0,35 % и 0,5 %, пя- тиканальные и восьмиканальные – δ
о
= 0,15 %.
С использованием ультразвуковых преобразователей проводят- ся измерения расхода жидкости в трубопроводах диаметром
(25…4000) мм. Наибольший расход в пределах Q
max
= (1…105) м
3
/с.
В последние годы многоканальные ультразвуковые расходо- меры–счетчики широко применяются для измерения расхода и ко- личества природного газа. Применяются четырех-, пяти- и шести- канальные преобразователи. На рис. 3.25 приведены примеры рас- положения акустических лучей в двух-, трех-, пятиканальных пре- образователях фирмы «Elster-Instromet» (рис. 3.25а, б и в) и шес- тиканальных преобразователях фирмы «Krohne» (рис. 3.25г).
Рис. 3.25. Схема расположения акустических лучей в многоканальных преобразователях расхода газа: а – двухканальный (четырехлучевой); б – трехканальный
(семилучевой); в – пятиканальный (двенадцатилучевой)

101 фирмы «Elster-Instromet»; б – шестиканальный (двенадцатилучевой) фирмы «Krohne»
В пятиканальном преобразователе фирмы «Elster-Instromet» три канала расположены по диаметру и акустические лучи один раз отражаются от внутренней поверхности трубопровода. Два других канала расположены по хорде и лучи дважды отражаются от поверхности трубопровода.
В преобразователе фирмы «Krohne» два луча расположены по диаметру и один раз отражаются от внутренней поверхности трубопровода. Четыре луча расположены по хордам и отражают- ся от специально установленных отражателей.
Фирма «Elster-Instromet» рекомендует при монтаже своих двухканальных (пятилучевых с учетом отражения от стенок тру- бопровода) преобразователей расхода предусматривать длины прямолинейных участков трубопровода до преобразователя 20 D
у
, после преобразователя 10 D
у
, трехканальных (семилучевых) и пя- тиканальных (пятнадцатилучевых) соответственно 10 D
у и 5 D
у
Фирмой «Krohne» опубликованы результаты испытаний две- надцатилучевого преобразователя расхода по влиянию конфигу- рации трубопровода на результаты измерений, проведенных в со- ответствии с требованиями рекомендации МОЗМ R 137. Допол- нительная погрешность, вызванная наличием любых местных со- противлений, при размещении их на расстоянии 10 D
у перед пре- образователем расхода не превышает ±0,1 %, на расстоянии 5 D
у
±0,2 %. В случае расположения устройства подготовки потока на расстоянии 5 D
у до преобразователя расхода дополнительная по- грешность в пределах ±0,1 %.
В ГОСТ 8.611–2013 для преобразователей с пределами до- пускаемой погрешности в пределах ±0,5 % и менее в тех случаях, когда в документации изготовителя не указываются требования к длинам прямолинейных участков трубопровода, приведены сле- дующие рекомендации.
Если в трубопроводе отсутствуют местные сопротивления, создающие закрутку потока и/или существенную ассиметрию распределения скорости в сечении, длина прямолинейного участ- ка до преобразователя должна быть не менее 20 D
у
Если такие местные сопротивления имеются в трубопроводе, длина прямолинейного участка до преобразователя должна быть не менее 50 D
у

102
Ультразвуковые расходомеры и счетчики для учета природ- ного газа выпускаются с D
у
= (150…1050) мм, максимальная ско- рость газа 35…21 м/с. У лучших образцов (с четырех-, пяти- и шестиканальными преобразователями расхода) при градуиро- вании на высокоточных газовых эталонных расходомерных уста- новках и реальных давлениях природного газа погрешность на- ходится в пределах ±0,3 % при динамическом диапазоне измере- ний 50:1. При этом расширенная неопределенность измерения расхода и объема, приведенного к стандартным условиям, не превышает 0,5 %.
Периодическая поверка таких преобразователей расхода газа может проводиться имитационным поэлементным методом.
Высокая точность многолучевых ультразвуковых преобразо- вателей и возможность беспроливной периодической поверки привела к все более широкому их применению для измерений расхода природного газа.
Допплеровские ультразвуковые преобразователи расхода
Принцип действия допплеровского ультразвукового преоб- разователя расходаоснован на изменении частоты акустических колебаний, отраженных от неоднородностей, присутствующих в потоке. Схема преобразователя приведена на рис. 3.26.
Рис. 3.26. Доплеровский преобразователь расхода:
1 – излучатель; 2 – приемник
Разность частот акустических колебаний Δf, посылаемых из- лучателем 1 и воспринимаемых приемником 2, в соответствии с эффектом Доплера пропорциональна скорости потока:
,
α
cos
2 1
2 1
v
c
f
f
f
f




(3.50)

103 где f
1
– частота акустических колебаний, посылаемых излучате- лем;
f
2
– частота акустических колебаний, воспринимаемых прием- ником;
c – скорость звука;
v – скорость потока.
Допплеровские ультразвуковые преобразователи применяют- ся в основном для измерения расхода загрязненных сред. Отно- сительная погрешность в пределах ±(2…3) %. Во многих конст- рукциях излучатель и приемник располагаются снаружи трубы.
3.3.3. Корреляционные расходомеры и расходомеры-
счетчики
Принцип действия корреляционного расходомера основан на измерении времени прохождения неоднородностей в потоке ме- жду двумя сечениями трубопровода. Такими неоднородностями могут быть пузырьки газа, твердые частицы, а также любые тур- булентные возмущения, которые всегда присутствуют в турбу- лентном потоке. Корреляционные расходомеры по принципу действия близки к меточным. В меточных расходомерах в поток вводится метка (оптическая, тепловая, ионизационная и т.д.) и фиксируется время прохождения метки между двумя контроль- ными сечениями. В корреляционном преобразователе фиксирует- ся время прохождения естественных неоднородностей, имею- щихся в потоке.
Схематично корреляционный расходомер изображен на рис.
3.27.
Рис. 3.27. Схема корреляционного расходомера:
1, 2 – датчики неоднородностей; 3 – блок задержки;

104 4 – вычислительное устройство (коррелятор);
5 – устройство индикации
Датчики неоднородностей вырабатывают непрерывные сиг- налы, соответствующие характеру изменения случайных процес- сов в контрольных сечениях: датчик 1 – сигнал x(t); датчик 2 –
сигнал y(t). Сигналы датчиков 1 и 2 (рис. 3.28а) имеют случай- ный характер, но за счет небольшого расстояния между сечения- ми они имеют тесную корреляционную связь. Коррелятор вычис- ляет взаимную корреляционную функцию
dt
t
у
t
x
T
R
)
(
η)
(
1
)
(




,
(3.51) где T – период интегрирования;
t – текущее время;
τ – время задержки сигнала датчика 1.
Эта функция имеет резко выраженный максимум при значе- нии п

, равном времени перемещения неоднородностей потока между сечениями (рис. 3.28б).
Рис. 3.28. Принцип действия корреляционного расходомера: а – сигналы датчиков 1 и 2; б – вид корреляционной функции
Скорость потока
.
L
v
п
η

(3.52)
Объемный расход п
o
η
L
kF
Q

,
(3.53) где L – расстояние между сечениями;

105 п

– время прохождения неоднородностей между сечениями;
F – площадь поперечного сечения трубопровода;
k – коэффициент пропорциональности, учитывающий свой- ства вещества и влияние профиля скорости в сечении.
В зависимости от вида и способа контроля параметров пото- ка существуют различные корреляционные преобразователи рас- хода: ультразвуковые, диэлектрические (емкостные), кондукто- метрические, оптические и т.д.
Наибольшее применение нашли ультразвуковые корреляци- онные преобразователи с врезными и накладными пьезопреобра- зователями. В обоих контрольных сечениях располагаются излу- чатели акустических колебаний. Колебания направлены перпен- дикулярно потоку и воспринимаются приемниками, находящи- мися на противоположной стороне трубы. Наличие в потоке не- однородностей приводит к поглощению и рассеиванию акустиче- ских колебаний, что в свою очередь вызывает изменение сигна- лов, поступающих на приемники.
Корреляционные расходомеры используются для измерения маловязких жидкостей в трубопроводах диаметром 50…3600 мм.
Наибольший расход – в пределах 35…5,4·10 5
м
3
/ч. Погреш- ность измерений расхода и количества ±(1,5…2,5) %. При мон- таже корреляционного преобразователя расхода рекомендуется предусматривать прямые участки трубопровода: не менее 5 диа- метров до места расположения датчиков и не менее 1 диаметра после.
В последние годы корреляционные ультразвуковые расходо- меры применяются с врезными и накладными пьезопреобразова- телями также и для измерения расхода газа.
Принцип действия корреляционных расходомеров позволяет использовать их также для измерения расхода многофазных мно- гокомпонентных потоков, например, смеси нефти, воды и газа, поступающих из скважин или текущих по трубопроводам.
В состав такого расходомера входят радиоактивный гамма- плотномер, датчики емкостных и кондуктометрических характе- ристик потока, размещенные в двух сечениях трубопровода. Ем- костной датчик используется до уровня содержания воды при- мерно 60...70 %. В каждом измерительном сечении располагают- ся электроды, которые работают как емкостной детектор, фикси- рующий изменение электрической емкости протекающего между

106 ними потока.
Если содержание воды становится выше, поток становится преимущественно водяным. Образуются непрерывные водяные контуры между электродами. При этом использование емкостных свойств потока становится невозможным, и используются кон- дуктометрические датчики.
В их состав входят катушки индуктивности и измерительные электроды. Катушки создают электрическое поле, которое инду- цирует ток, проходящий через измеряемую среду. Значение тока зависит от ее электрической проводимости.
Нефтеводогазовый поток, поступающий из скважин, – это двухфазная трехкомпонентная смесь. Поток состоит из жидко- сти, содержащей большие и малые газовые пузыри (см. рис.
3.29а).
Малые газовые пузыри движутся со скоростью жидкости.
В то же время основная часть газовой фазы находится в больших пузырях и движется со скоростью, отличной от скорости жидко- сти. Сигналы, снимаемые с электродов, изменяются во времени в соответствии с изменением состава смеси. Жидкость, содержа- щая большое количество газа (свободный газ, газовые пробки), и жидкость, содержащая только малые пузырьки газа, генерируют различные сигналы: сигналы низкой частоты с большой ампли- тудой и сигналы с более высокой частотой и меньшей амплиту- дой (рис. 3.29б и в).
Рис. 3.29. Течение двухфазной среды в трубопроводе: а – структура потока; б – флуктуации параметров потока, генерируемые крупными пузырями газа; в – флуктуации параметров потока, генерируемые крупными пузырями газа; г – суммарные

107 флуктуации параметров потока, воспринимаемые датчиками
Вычислительное устройство рассчитывает взаимные корре- ляционные функции для сигналов разной частоты, определяет скорости течения крупных и малых пузырей, которые соответст- вуют скоростям движения свободного газа и жидкости.
Гамма-плотномер используется для измерения общей плот- ности текущей по трубопроводу смеси. В силу большой разницы плотности жидкости и газа в составе смеси измерения степени поглощения позволяют определить содержание жидкости и газа в смеси.
Датчик емкостных свойств используется для определения объемного содержания нефти и воды в потоке. Проводится изме- рение диэлектрической проницаемости смеси. Диэлектрические проницаемости каждого из трех компонентов нефтеводогазовой смеси различны, поэтому суммарная величина диэлектрической проницаемости смеси определяется ее составом.