Коптев В.С.

Сравнительный анализ эксплуатационных характеристик ультразвуковых и электромагнитных расходомеров

По принципу измерения ультразвуковые расходомеры подразделяются на доплеровские, частотно-импульсные и время-импульсные, среди которых наибольшее распространение получили время-импульсные. Ультразвуковой импульс, излучаемый по косой хорде в плоскости, параллельной к оси трубопровода, при распространении согласованно с потоком проходит расстояние между передатчиком и приемником быстрее, чем когда распространение происходит против потока. Разность времен распространения импульса и позволяет вычислить среднюю скорость потока (Рис.1).

где   – скорость распространения звука в жидкости (для воды около 1 000 м/с).
               – средняя скорость потока при определении по косой хорде.

После преобразований:
 

.

Так как  практически эквивалентна диаметру условного прохода трубопровода, поделенному на  (см. Рис.1), а средняя скорость потока  равна среднему расходу через трубопровод, поделенному на его площадь сечения (если оно постоянно на участке трубопровода между приемником и передатчиком).

т.е.                    
           где  – измеряемый расход, 
                      – площадь сечения трубопровода
тогда для калиброванного расхода  через это сечение трубопровода, соответствующего средней скорости потока в 1м/с, измеряемый расход получим из:
 

Обратим внимание, что знаменатель в формуле для  равен 0,1мкс или 100 наносекундам, что сразу накладывает ограничения на диапазон «точно» измеряемых расходов. Поэтому даже для лучших образцов ультразвуковых расходомеров этот диапазон не превышает 1:150 - 1:200 от максимального расхода, соответствующего средней скорости потока в 10 м/с. Кроме этого, надо иметь ввиду, что во многих трубопроводах зачастую возникает спирализация потока, которая для однохордовых ультразвуковых расходомеров  приводит к недопустимых ошибкам при измерении расхода. Принцип измерения расхода электромагнитных расходомеров восходит к Майклу Фарадею и основывается на одном из фундаментальных законов природы, в соответствии с которым между электродами расходомера возникает напряжение:
 ,

где  – коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией преобразователя расхода;
         – индукция магнитного поля в измерительном сечении   трубопровода;
           – расстояние между электродами в преобразователе расхода;
           – средняя скорость потока жидкости в измерительном сечении.

 – для большинства конструктивных исполнений эта величина эквивалентна диаметру условного прохода трубопровода преобразователя расхода, что позволяет преобразовать формулу:
      

  
или             

        где  – новый коэффициент преобразования, учитывающий площадь   измерительного сечения трубопровода преобразователя расхода.Основным ограничением применимости электромагнитного принципа измерения расхода для существующих конструкций является необходимость электропроводности измеряемой жидкости. Однако, совершенствуя схемотехнику и конструкцию электромагнитных преобразователей расхода, удалось создать электромагнитные расходомеры, способные надежно измерять практически неэлектропроводные жидкости - спирты, в том числе жирные спирты, гликоли, деионизованную воду, а успехи в работах по повышению частоты коммутации магнитного поля позволяют надеяться на скорую реализацию электромагнитного расходомера для полностью неэлектропроводящей среды.

Реальная потребность различных типов расходомеров для всех нужд мирового производства и потребления постоянно растет, так если в 2000 году общий объём закупок расходомеров по данным экспертов ARS Research, Flov Research u Frost & Sullivan, составлял 3,1 млрд. долларов США, то через шесть лет он вырос до 4,2 млрд. долларов США. При этом, наибольшую динамику роста потребления в денежном выражении показывают ультразвуковые со 150 млн. до 400 млн., массовые (кориолисовые и вибрационные) с 400 млн. до 800 млн. и электромагнитные с 600 млн. до 800 млн. Следует отметить, что в силу сложившегося соотношения цен, которые приблизительно соответствуют пропорции 1:20:4, соответственно ультразвуковых, массовых и электромагнитных,  в 2006-2007 г. ультразвуковых расходомеров закупалось в два раза больше, чем электромагнитных, и в десять раз больше, чем массовых. Вместе с тем, объём продаж самых простых расходомеров диафрагменного типа продолжает расти и превышает объёмы продаж каждого из выше перечисленных типов, в том числе и по количеству. Все эти данные говорят как о значительной инерции потребностей рынка, так и о значительном совершенствовании ультразвуковых технологий. Учитывая независимость от электрических свойств измеряемых сред, ультразвуковой принцип позволяет использовать практически аналогичные в производстве расходомеры как в нефтяной промышленности, так и в водяном теплоснабжении, более того, и для учёта газа, пара, масел, жидких жиров и т.п. Это существенно повышает серийность производства этого типа приборов, снижает издержки их производства и, соответственно, открывает возможности снижения цен на этот вид расходомеров. Одновременно возможность эксплуатации однотипных приборов в различных областях производства и потребления повышает их привлекательность у потребителя, что также способствует росту их доли в эксплуатации, в том числе в теплофикационных системах европейских стран. 
Однако длительный опыт эксплуатации расходомеров и теплосчётчиков различных типов в России показал:

        1. Несколько сотен теплосчётчиков, выполненных на базе ультразвуковых расходомеров одного из ведущих производителей фирмы ДАНФОС и установленных на ЦТП МОСГОРТЕПЛО в конце девяностых годов прошлого века, из-за низкой метрологической надёжности их после 2-3 лет эксплуатации были заменены электромагнитными приборами.
        2. Статистика отказов за период с 30.04 по 25.11.2013 г. теплосчётчиков различного типа, установленных на жилых домах по Постановлению Правительства Москвы №77-П от 10.02.2004 г. (т.е. более десяти лет назад) показывает, что наименьший уровень отказов имеют теплосчётчики электромагнитного типа:
         2.1. ВИС.Т – из 7301 эксплуатируемых отказало за этот период 1085 или 14,86%;
         2.2. SA-94 – из 164 эксплуатируемых отказало за этот период 40 или 24,39%;
         2.3.  КМ-5 – из 7283 эксплуатируемых отказало за этот период 3510 или 48,19%
         и в этот же период из 575 эксплуатируемых ультразвуковых теплосчётчиков Ирвикон отказало 359 или 62,43%;

      Более того, учитывая весьма жесткие условия эксплуатации теплосчётчиков на жилых домах за этот период с 30.04 по 25.11.2013 отказало повторно:
         теплосчётчиков ВИС.Т – 302 шт. или 4,14%;
         теплосчётчиков SA-94 – 18 шт. или 10,98%;
         теплосчётчиков КМ-5 – 1444 шт. или 19,83%;
         а ультразвуковых теплосчётчиков Ирвикон – 160 шт. или 27,83%.

Эти цифры говорят не столько о низком качестве производства ультразвуковых теплосчётчиков, сколько о низкой устойчивости приборов этого вида к типичным для отечественных систем теплопотребления условиям эксплуатации. Несмотря на относительно высокий уровень качества водоподготовки отечественных теплосетей, продолжительная эксплуатация в составе её трубопроводов приводит либо к значительной коррозионной деформации стальных поверхностей, либо, для коррозионностойких поверхностей, значительным отложениям на них. Именно поэтому недопустимо использование беспроливных методов поверки расходомеров не проведя анализа их внутренних поверхностей. Так как результатом измерения всех расходомеров, кроме массовых, является скорость потока (причём не всегда совпадающая со средней в измерительном сечении), объёмный расход определяется, как произведение площади измерительного сечения на среднюю скорость потока в нём.

Если в европейских странах, где потребитель в водяных системах теплоснабжения всегда отделён через теплообменник от поставщика, а все трубопроводы сетей выполнены из коррозионностойких материалов (медь, нержавеющая сталь, полимерные материалы и т.п.), установка ультразвуковых расходомеров целесообразна как экономически, так и технологически, у нас еще долго придется эксплуатировать устанавливаемое в сетях оборудование в условиях, слабо отличающихся от современных.

Кроме вышеприведенного, одним из важнейших условий, определяющих выбор используемого типа расходомеров и теплосчётчиков, является метрологически обеспеченный диапазон измеряемых расходов. Борьба за экономию энергоресурсов при их потреблении требует практически повсеместного внедрения автоматически регулируемых систем теплоснабжения, причем не только на жилых домах, но и даже у мелких потребителей. Опыт эксплуатации теплосистем у потребителей, внедривших полноценное автоматическое регулирование, показывает, что их нагрузка в течение отопительного сезона изменяется более, чем в 300÷500 раз, а на большинстве ЦТП и ИТП социальных, офисных, объектах здравоохранения и образования эти изменения достигают 1÷2000 и более.

Так как продолжительность периодов потребления на таких уровнях превышает несколько часов в сутки, а периоды максимальных расходов по длительности зачастую меньше часа, метрологически обеспеченный круглосуточный учет на таких объектах необходим.  Более того, зачастую значительное обужение трубопровода в месте установки теплосчётчиков на таких объектах недопустимо, поэтому верхние пределы устанавливаемых на этих объектах теплосчётчиков должны соответствовать средним скоростям потока, не превышающим 3÷5 м/с, т.е в два-три раза меньше обычно декларируемых большинством производителей верхних пределов, соответствующих средней скорости потока 9÷12 м/с. Все эти условия и определяют потребность в приборах с диапазоном измеряемых расходов, превышающим 1÷1000. Поэтому правильный выбор  применяемого типа  расходомеров и теплосчётчиков в настоящее время очевиден.