Приборы измерения расходов и скорости воды

ФГОУ ВПО  Астраханский Государственный Технический  Университет

 

 

Кафедра ИЭП

 

 

 

Реферат

По теме: «Приборы измерения расходов и скорости воды»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. ДБО-31

Бяхова Л. С.

Проверил: проф. Руденко М.Ф.

 

 

 

 

Астрахань, 2011 год

1. Табличные расходомеры.

К расходомерам этого типа относятся расходомеры  типа Взлет и Эхо-Р. Данные приборы трудно назвать расходомерами в чистом виде, по сути это обычные ультразвуковые уровнемеры, т.к. они не производят измерение скорости потока, измеряют только уровень потока, а значение расхода определяют по теоретической расходной характеристике канала. Характерный пример: в результате образовавшегося подпора (затора) вода в канале стоит, уровень жидкости высокий, реальное  значение скорости потока равно нулю, при этом показания расхода расходомеров Эхо-Р и Взлет будут соответствовать значениям характерным измеренной величине уровня жидкости в канале. За месяц такого рода измерений набегают нешуточные «добавки» расхода и предприятия несут значительные убытки.

Помимо прочего с течением времени расходные характеристики канала меняются в следствии заиливания, естественного разрушения и т.п. Так же этим расходомерам присущи все недостатки ультразвуковых уровнемеров -  увеличение погрешности измерения при волне, интенсивных испарениях и туманах, вплоть до невозможности измерений.

Такие приборы не рекомендуется  устанавливать на каналах, работающих с подпорами и возможностью заиливания, что характерно для каналов не имеющих свободного излива, со средней скоростью потока менее 0,5 м/с.

Достоинством таких расходомеров является низкая цена.

Рис. 1 «Расходомер сточной  воды ЭХО-Р»

2. Ультразвуковые расходомеры.

К расходомерам этого типа относятся расходомеры Днепр-7, ISCO-4250, ADFM, ADS 3600, NIVUS, SIGMA, Piton. Расходомер Днепр-7 измеряет скорость потока время-импульсным методом. Корректность измерения такими  расходомерами весьма существенно зависит от присутствия в потоке газовой составляющей, степени загрязненности потока и как следствие, изменение угла преломления излученных сигналов, влияния переотражений сигнала на границе раздела сред жидкость-паровоздушная среда и элементов конструкции. Реальная погрешность измерения в диапазоне рабочих значений уровней и скорости жидкости в канале весьма значительна.

Измерение скорости другими  ультразвуковыми расходомерами  основано на эффекте Допплеровской  локации. Измерение уровня потока осуществляется разными методами - пузырьковая камера, гидростатический метод, ультразвуковой уровнемер и др. Вычисление расхода  жидкости осуществляется по формуле  «площадь поперечного сечения потока  х  среднюю скорость потока». Однако этот, казалось бы, высокотехнологичный метод измерения расхода имеет  ряд недостатков. Датчик измерения скорости устанавливается на дне канала, в результате чего происходит его обвалакивание, что приводит к значительным погрешностям, а порою делает измерение и вовсе невозможным. Часто подобные расходомеры ставятся для измерения расхода сточных вод в безнапорных каналах, засоренность сточных вод крайне высока, в результате излученный сигнал многократно переотражается от элементов потока и канала, что делает селекцию сигнала крайне сложной. Как результат это приводит к дополнительной погрешности измерений скорости потока. Помимо вышесказанного ультразвуковые расходомеры меряют скорость в центре канала, на основании этих данных вычисляется значение средней скорости потока исходя из теоретической эпюры распределения скоростей. Такой метод плохо подходит для реальных каналов с турбулентным течением, в которых составляющие скорости потока зависят от массы факторов и постоянно меняются. Подводя итог можно однозначно утверждать, что такие расходомеры по своим характеристикам существенно превосходят «табличные расходомеры», однако имеют ряд эксплуатационных и инструментальных недостатков. Реальная погрешность достигает 20%. Стоимость таких расходомеров весьма высока. 

Рис. 2 «Ультразвуковой расходомер Днепр-7»

3. Электромагнитные расходомеры.

К расходомерам этого типа относится расходомер ISCO UniMag^TM 4402. В электромагнитных расходомерах измерение средней скорости потока в электропроводных жидкостях осуществляется путем измерения наведенной ЭДС в электромагнитной катушке прибора, а уровень потока измеряется гидоростатическим методом. Вычисление расхода жидкости осуществляется по формуле «площадь поперечного сечения потока  х  среднюю скорость потока». На корректность измерений влияют отложения и загрязнения на дне и стенках трубопровода и коррозия электродов прибора. Эти приборы должны встраиваться в сеть как элемент коллектора, что требует серьезных дорогостоящих строительных работ. Сечение канала ограничено диаметром 2 м.  Эти расходомеры самые дорогие из всего перечня безнапорных расходомеров.

Принцип действия электромагнитных (магнитно-индукционных) водосчетчиков основан на измерении ЭДС индукции, наводящейся, согласно закону Фарадея, в электропроводящей жидкости (в т. ч. в воде), которая движется в магнитном поле, создаваемом электромагнитом прибора. Эта ЭДС пропорциональна скорости потока и преобразуется электронным блоком расходомера в электрический аналоговый или цифровой сигнал, отображаемый на дисплее самого прибора или транслируемый в контроллер или компьютер. Очевидно, что расходомеры данного типа значительно дороже описанных выше тахометрических и поэтому практически не применяются для поквартирного учета бытовой питьевой воды, а в коммунальном хозяйстве могут использоваться как домовые водосчетчики. Чаще такие приборы предназначаются для измерения потоков воды в пищевой, пивоваренной, фармацевтической промышленности, порой довольно медленных, а также для потоков сточных вод.

Рис. 3 «Расходомер электромагнитный ИПРЭ-7(T)»

 

4. Рычажно-маятниковый расходомер СТРИМ.

Принцип действия прибора  состоит в непрерывном измерении  уровня и средней скорости потока. Уровень измеряется поплавковым методом, а скорость с помощью погружной лопасти. Вычисление расхода жидкости осуществляется по формуле «площадь поперечного сечения потока  х  среднюю скорость потока».

Конструктивное исполнение расходомера СТРИМ обеспечивает  самоочистку погруженных элементов потоком, а также высокую точность измерений вне зависимости от подпоров и других факторов. В прибор введено поворотное устройство в горизонтальной плоскости, что обеспечивает корректное измерение параметров не только ламинарного, но и турбулентного потока. Лопасть измерения скорости за счет двух степеней свободы в подвеске автоматически устанавливается в уравновешенное состояние в потоке, т.е. в положение равнодействия  всех сил, действующих на нее.

Прибор осуществляет измерение  как абсолютно чистых, не содержащих примесей, так и сильно загрязненных жидкостей.

В каналах, склонных к заиливанию крайне важно учитывать площадь  ила. В расходомере СТРИМ такая  возможность есть. Программное обеспечение  позволяет задавать текущий уровень  ила, площадь которого должна вычитаться из площади сечения  потока. Таким образом, конструктивные и программные решения, реализованные в расходомере СТРИМ позволяют говорить о том, что на сегодняшний день расходомер СТРИМ является наиболее корректным прибором среди расходомеров безнапорных потоков по эксплуатационным и метрологическим характеристикам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Тахометрические водосчетчики.

Все тахометрические водосчетчики включают в свое устройство механизм (тахометр), в котором поток воды напрямую, путем механического давления воздействует на лопасти крыльчатого колеса или турбины, вызывая вращение. Это вращение посредством зубчатой передачи сообщается счетному устройству, регистрирующему количество расходуемой воды. По дополнительным конструктивным особенностям все тахометрические водосчетчики разделяют на одноструйные, многоструйные и турбинные.  
 
В одноструйных и многоструйных тахометрических водосчетчиках плоскость лопасти колеса крыльчатки в своем нижнем положении располагается перпендикулярно направлению водяного потока. В турбинных водосчетчиках (счетчики Вольтмана) лопасти размещены по отношению к направлению потока воды под углом менее 90°, так же как в классической турбине.  
 
Многоструйные водосчетчики отличаются от одноструйных тем, что поток воды перед попаданием на лопасть крыльчатки делится на несколько струй. Благодаря этому значительно снижается погрешность турбулентности потока. И, как следствие, многоструйные счетчики оказываются более точными при учете расхода воды, однако стоят они дороже одноструйных.  
 
И многоструйные и одноструйные водосчетчики бывают к тому же "сухими" и "мокрыми". Счетчики мокрого типа - это самые простые, но достаточно эффективные приборы учета воды, счетное устройство которых от протекающего потока никак не изолировано. Простота исполнения и сопутствующая дешевизна при достаточно высокой надежности - вот главные достоинства счетчиков мокрого типа. Однако, такие водосчетчики нельзя применять для учета расхода воды, обильно загрязненной взвешенными механическими частицами.  
 
Счетчики сухого типа лишены этого недостатка. В них счетный механизм герметично отделен от воды немагнитной перегородкой, благодаря чему на нем не образуется отложений взвешенных частиц. Передача же показаний с вращающейся крыльчатки или турбины на счетный механизм осуществляется с помощью закрепленного на них магнита. Подобное устройство делает счетчик пригодным для учета воды любой степени загрязнения, но в то же время значительно повышает его стоимость. Поэтому "сухим" механизмом чаще оснащаются и так более дорогие многоструйные счетчики, которые применяются в тех случаях, когда действительно необходим особенно точный учет расхода воды. "Сухой" механизм на одноструйных счетчиках устанавливается редко: это лишило бы данные приборы их главного преимущества, дешевизны. Кроме того, показания "сухих" водосчетчиков в связи с особенностями их устройства наиболее часто подвергаются фальсификации со стороны потребителя.  
 
Компромиссное решение представляет собой "полусухой" счетчик, разработанный фирмой ABB. В этом приборе счетный механизм не отделяется от струи воды перегородкой, вращение крыльчатки передается на него посредством зубчатой передачи, но вода внутрь счетного механизма не проникает. Этот эффект достигается заполнением камеры счетного механизма вязким гидрофобным наполнителем, не смешивающимся с водой, что препятствует движению шестерен, но изолирует их от воды.  
 
Еще одной конструктивной разновидностью счетчиков-тахометров являются комбинированные водосчетчики, в устройстве которых, как правило, сочетаются обычный крыльчатый счетчик и турбинный, размещенный на параллельной отводке. Когда напор воды в системе водоснабжения невысок, вода движется через крыльчатый счетчик, когда же напор возрастает, трубопровод с этим счетчиком перекрывается клапаном и вода поступает по отводке через турбинный. В наиболее современных моделях и турбинный и крыльчатый счетчики располагаются в одной плоскости. При том же принципе учета воды дополнительной боковой отводки в таких устройствах не требуется.

 

Рис.4 «Тахометрический водосчетчик»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Места применения разных типов  тахометрических водосчетчиков.  
 
Обычный диаметр трубопровода, на котором устанавливаются одноструйные водосчетчики, - 15-20 мм (квартиры), многоструйные -15-50 мм, турбинные -40-500 мм. Соответственно этому очевидны и возможные места их применения. В Европе одноструйные водосчетчики повсеместно используются для поквар-тирного учета воды. В России из-за плохого качества воды, возможно, для тех же целей будут часто применяться более надежные и долговечные многоструй-ные счетчики, однако фактор цены может неблагоприятно сказаться на широте их распространения. На данный момент многоструйные модели диаметром 25-50 мм устанавливаются в системах водоснабжения административных зданий, отдельных коттеджей, школ, яслей, бензозаправок и других объектов подобного типа.  
 
Турбинные водосчетчики большого диаметра (свыше 50 мм), как правило, устанавливаются на водозаборах, на входах систем водоснабжения промышленных предприятий, вводах многоэтажных домов и в системе водоканалов.  
 
Комбинированные водосчетчики находят применение, прежде всего, в системах водоснабжения гостиниц, отелей и на промышленных объектах, где в зависимости от сезона (увеличение или снижение числа потребителей) или условий технологического процесса расход воды может значительно меняться.  
 
В свете реформы ЖКХ большое внимание уделяется тахометрическим водосчетчикам с импульсным выходом. В таких приборах показания счетного механизма преобразуются в электрический сигнал и в импульсном (цифровом) виде могут передаваться и выводиться на конечное регистрирующее устройство, удаленное от места непосредственного учета расхода воды потребителем. Это создает предпосылки для создания единых компьютеризированных пунктов автоматического контроля, и, вероятно, именно такие водосчетчики станут в будущем самыми распространенными счетчиками для поквартирного учета воды.

 

 

 

 

 

6. Вихревые расходомеры.

Как известно из курса гидрогазодинамики, при обтекании препятствия потоком жидкости или газа возникают завихрения (вихревая дорожка Кармана), которые вызывают на поверхности обтекаемого тела перепады давления. Частота перепадов пропорциональна скорости потока и объемному расходу жидкости или газа. На регистрации количества перепадов давления и преобразовании их в аналоговый или цифровой электрический сигнал основан принцип работы вих-ревых расходомеров, применяемых для учета расхода не только воды и других маловязких жидкостей, но также пара и газов.  
 
Используются такие приборы чаще всего для регулирования технологических процессов и управления ими.

В вихревых расходомерах для создания вихревого движения на пути движущего  потока жидкости, газа или пара устанавливается  обтекаемое тело, обычно, в виде трапеции в сечение. Образовавшаяся за ним  система вихрей называется вихревой дорожкой Кармана. Частота вихрей f в первом приближении пропорциональна скорости потока v и зависит от безразмерного критерия Sh (число Струхаля) и ширины тела обтекания d

f = Sh ∙ v / d

Достоинством вихревых расходомеров является отсутствие каких-либо подвижных  элементов внутри трубопровода, достаточно низкая нелинейность (<1,0 %) в широком диапазоне измерений (>1:10…1:40), частотный выходной сигнал, а также инвариантность метода относительно электрических свойств и агрегатного состояния движущейся среды.

Рис. 5 «Вихревые расходомеры SITRANS FX 300».

 

Счетчики учета горячей  воды.  
 
Для учета горячей воды используются такие же типы расходомеров, что и для холодной. Коммунально-бытовые водосчетчики горячей воды - это все те же тахометрические крыльчатые счетчики, счетчики Вольтмана и комбинированные. Отличия их от тахометрических счетчиков холодной воды заключаются в применяемых материалах и более высокой степени допустимой погрешности. Если допустимая погрешность для счетчиков холодной воды при скорости потока между минимальной (Qmin) и переходной (Qt) составляет ±5%, а между Qt и максимальной (Qmax) ±2%, то для счетчиков горячей воды соответственно ±6% и ±3%.  
 
Номинальная скорость потока (Qn) для вариантов счетчиков горячей и холодной воды одинаковых типоразмеров от одного производителя, как правило, совпадает. По требованиям Госстандарта минимальный срок эксплуатации счетчиков горячей и холодной воды составляет 12 лет с двумя обязательными поверками (межповерочный срок 5-6 лет) для холодной воды и тремя (межповерочный срок 4 года) для горячей. Все тахометрические счетчики для горячей воды обязательно сухого типа.  
 
В промышленности для учета горячей воды, где это необходимо, применяются электромагнитные и ультразвуковые расходомеры.

Многообразие производителей водосчетчиков на российском рынке . 
 
На сегодняшний день на российском рынке присутствуют водосчетчики всех типов от множества зарубежных и российских компаний, Госреестром РФ зарегистрировано и сертифицировано более 500 видов счетчиков воды. Среди крупнейших производителей, чья продукция пользуется спросом на российском рынке, такие компании, как: ABB, "Ценнер-Водоприбор", Viterra, Wehrle, группа предприятий "Мытищинская теплосеть", "Взлет ЭР" и др. Среди них есть фирмы, собирающие свою продукцию на территории России из импортных комплектующих и по лицензиям западных компаний, фирмы, использующие отечественные наработки и собственные комплектующие, а также и такие, ко-торые используют продукцию, полностью изготовленную другим производителем, но по договоренности с ним ставящие на приборе свое клеймо. Разнообразие водосчетчиков отражает насущную потребность российского рынка в этих устройствах.