Погрешности измерений расхода жидкости

Показания расходомеров зависят от характеристик измеряемой среды, а также от реальных условий монтажа и эксплуатации приборов. Внешними факторами, воздействующими на счётчики и расходомеры воды, в основном являются низкая скорость, несформированность и пульсации потока, шероховатость трубопровода, температура и многофазность среды (наличие воздуха в воде, наличие воды в паре), содержание механических примесей, физические параметры обратного потока, вибрации трубопроводов.

Испытания и поверка расходомеров и счётчиков осуществляются на эталонных установках, воспроизводящих расход среды, приближенный к идеальным условиям. Но в реальных условиях на расходомер воздействуют многие факторы, и они оказывают заметное влияние и на измеряемую величину, и на используемые средства измерения, поэтому результаты измерения в значительной степени искажаются.

Несформированность потока оказывает влияние на все типы расходомеров, основанных на принципе измерения “площадь –скорость”. Распространённая рекомендация по установке расходомеров на расстоянии, равном 5…10 диаметрам трубопровода установки (D_y) на входе и 2…5 D_y на выходе, предполагает, что расходомер должен работать так, как это задано производителем, т.е. в условиях идеального турбулентного потока. На практике поток может быть смещён, сдвинут по фазе аксиальных профилей скоростей, может быть завихрённым или закрученным. Влияние местных сопротивлений, установленных перед расходомером, достаточно изучено только для расходомеров переменного перепада давления. Для всех остальных расходомеров таких исследований не проводится. Различные конфигурации трубопроводов создают различные виды возмущений потока, которые меняются по направлению и величине в зависимости от типа и силы вихревого движения, числа Рейнольдса и конкретного вида и конструкции расходомера. Требуемая длина прямых участков зависит от типа местных сопротивлений, влияние которых на расходомер должно быть оценено экспериментально, а для повышения точности измерения должно быть исключено.

Большинство расходомеров плохо работают на низких скоростях потока. Например, электромагнитные расходомеры сохраняют свои точностныехарактеристики при скоростях потока не ниже 0,2 м/с. Чтобы увеличить скорость, для электромагнитных расходомеров используют сужение потока, если нет ограничений по потерям давления. Есть ограничения по скорости потока и для вихревых расходомеров. При малых числах Рейнольдса (Re< 5000) нет устойчивого сигнала, т.к. сам процесс вихреобразования в нижней части диапазона является неустойчивым. Стабильные измерения выполняются только при условии Re = =20000. Но при увеличении скорости потока значение полезного сигнала ограничивается явлением кавитации. Кроме того, вихревые расходомеры чувствительны к вибропомехам, которые могут возникать при вибрациях трубопровода, в результате чего доля полезного сигнала уменьшается.

В процессе эксплуатации внутренняя поверхность трубопровода покрывается отложениями, которые зависят от скорости потока и химического состава воды. Неравномерная шероховатость трубопровода и коррозия влияют на точность измерения всех скоростных расходомеров, особенно работающих на малых диаметрах трубопроводов. Например, для трубопроводов диаметром 50 мм отложения на внутренней стенке толщиной 2 мм вызовут сужение площади сечения на 16%, что приведёт к соответствующему увеличению скорости потока при неизменном расходе. Отложения на теле обтекания вихревых расходомеров изменяют его геометрические размеры, а значит, появляется дополнительная погрешность измерения. Если отложения обладают магнитными свойствами, они существенным образом увеличивают погрешность измерения электромагнитных расходомеров. Кроме того, твёрдые включения в потоке воды могут нарушить изоляционное покрытие (микротрещины) внутренней поверхности электромагнитных расходомеров, в этом случае шунтируется полезный сигнал. Отложения на стенках трубопровода влияют на скорость прохождения луча в ультразвуковых расходомерах для разных ультразвуковых методов измерения расхода и могут вызывать завышение показаний. В настоящее время нет доступных средств диагностики, которые могли бы надёжно оценить состояние внутренней поверхности трубопровода. В лучшем случае можно измерить толщину стенки трубопровода с помощью ультразвукового толщиномера. Для введения коррекции необходимо определять толщину отложений и вводить поправку при измерении расхода. Но размер отложений на стенках трубопровода может быть неоднородным. Имеет смысл в процессе эксплуатации проводить чистку стенок трубопровода, а для этого предусмотреть возможность демонтажа измерительного участка или примыкающей к нему части трубопровода. Поэтому для малых и средних диаметров целесообразно применять измерительные участки трубопроводов из нержавеющей стали или участки со специальным внутренним покрытием, исключающим появление отложений. При использовании новых измерительных участков влияние отложений может проявиться только через несколько лет.

При измерении пульсирующего потока возникают динамические погрешности, которые определяются частотными характеристиками, как прибора, так и самого потока. Для оценки динамических свойств расходомеров необходима специальная расходомерная установка, которая позволит воспроизвести пульсирующие потоки и оценить частотные характеристики расходомеров. Для устранения пульсаций необходимо устанавливать демпфирующие устройства.

Дополнительная погрешность измерения расхода появляется и от двухфазности среды – наличия воздуха в воде в виде микропузырьков. В водяных сетях всегда содержится некоторое количество воздуха, который попадает туда из источников вместе с водой или засасывается из-за негерметичности во входной линии и в насосе. Принято считать, что в водопроводной воде содержится около 2,5% нерастворённого воздуха при атмосферном давлении и температуре 10…15^оС. Фактический объём воздуха в воде неизвестен, иногда вода бывает молочного цвета. Это обусловлено наличием микропузырьков нерастворённого воздуха, которые трудно удалить даже в специально предназначенных для этого деаэраторах. Известно, что все типы расходомеров при работе на газожидкостных смесях дают большую погрешность. К завоздушенной среде особенно чувствительны турбинные расходомеры, которые завышают расход при наличии воздуха в воде до 20%. Существенно аэрация воды сказывается и на показаниях ультразвуковых расходомеров. Столкновения ультразвукового луча с пузырьком воздуха ведут к рассеиванию луча и ухудшению метрологических характеристик. Скорость звука в смеси “воздух –вода” находится в пределах 340…1530 м/с. После исследования расходомера на проливных установках с искусственным подмесом воздуха в измерительный трубопровод можно будет определить эту поправку и ввести в алгоритм вычислений. Например, установить два ультразвуковых датчика, врезанных перпендикулярно оси трубопровода, для измерения скорости звука в смеси. Казалось бы, можно решить проблему, используя расходомеры, измеряющие массу. Но, оказывается, наличие пузырьков воздуха в среде влияет и на показания кориолисовых расходомеров, т.к. амплитуда колебания труб уменьшается с увеличением процента аэрации. При возрастании расходов аэрированной жидкости погрешность измерения увеличивается и может достигать 200% при основной погрешности 0,2%.