Как измерять расход и плотность в частично заполненных трубопроводах: методы и ограничения
Как измерять расход и плотность в частично заполненных трубопроводах: методы и ограничения
На промышленных объектах встречаются точки, где расход или плотность нужно измерять в частично заполненном трубопроводе — в том числе на пульповых линиях и линиях сточных вод. Задачу могут усложнять абразивная среда, загрязнения, большой диаметр трубопровода, сложность врезки или невозможность перестройки действующей линии.
В статье разбираем несколько вариантов для таких условий: специализированные электромагнитные и доплеровские расходомеры, а также решение для измерения плотности пульпы. Показываем, где каждый метод применим и какие ограничения нужно учитывать при подборе.
Есть задача по измерению расхода или плотности в частично заполненной трубе?
В статье разбираем несколько вариантов для таких условий: специализированные электромагнитные и доплеровские расходомеры, а также решение для измерения плотности пульпы. Показываем, где каждый метод применим и какие ограничения нужно учитывать при подборе.
Есть задача по измерению расхода или плотности в частично заполненной трубе?
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ (КИП)
Содержание
Почему обычному расходомеру нужна заполненная труба
Частично заполненный трубопровод — одна из наиболее сложных задач для измерения расхода. Большинство стандартных расходомеров рассчитывает расход при известной площади сечения потока, то есть фактически предполагает, что измерительная труба заполнена полностью.
Если жидкость занимает только часть сечения, одного измерения скорости недостаточно, необходимо также знать уровень заполнения, по которому определяется фактическая площадь сечения потока. Поэтому расходомер для частично заполненной трубы должен решить две задачи — измерить скорость среды и определить уровень, а затем рассчитать объёмный расход.
Для сравнения разберём, почему обычному электромагнитному расходомеру полное заполнение трубы так важно.
Катушки расходомера создают магнитное поле B. При движении электропроводной жидкости в этом поле между измерительными электродами возникает напряжение E, пропорциональное средней скорости потока v. Зная геометрию измерительной трубы, электронный блок переводит измеренную скорость в объёмный расход.
Если жидкость занимает только часть сечения, одного измерения скорости недостаточно, необходимо также знать уровень заполнения, по которому определяется фактическая площадь сечения потока. Поэтому расходомер для частично заполненной трубы должен решить две задачи — измерить скорость среды и определить уровень, а затем рассчитать объёмный расход.
Для сравнения разберём, почему обычному электромагнитному расходомеру полное заполнение трубы так важно.
Катушки расходомера создают магнитное поле B. При движении электропроводной жидкости в этом поле между измерительными электродами возникает напряжение E, пропорциональное средней скорости потока v. Зная геометрию измерительной трубы, электронный блок переводит измеренную скорость в объёмный расход.
При полностью заполненной трубе основная задача подбора — выбрать принцип измерения, который подходит к среде, условиям монтажа и требуемой точности и при этом экономически оправдан.
Для этого оценивают электропроводность, температуру и химический состав среды, наличие взвешенных частиц, диаметр и материал трубопровода, давление, требуемые прямые участки и профиль потока. Также рассматривают условия места установки, например, возможность затопления, взрывоопасная ли зона, наличие агрессивных паров и пыли, и другие факторы.
Для предварительного подбора зачастую достаточно короткой технической консультации, в ходе которой по нескольким ключевым параметрам можно определить принцип измерения и сформировать предварительное решение. Но часто также для подбора запрашивается подробно заполненный опросный лист. Считаем, что полезнее использовать его на следующем этапе, а иногда можно обойтись вообще без него.
Для первичной оценки достаточно основных параметров точки измерения.
Для этого оценивают электропроводность, температуру и химический состав среды, наличие взвешенных частиц, диаметр и материал трубопровода, давление, требуемые прямые участки и профиль потока. Также рассматривают условия места установки, например, возможность затопления, взрывоопасная ли зона, наличие агрессивных паров и пыли, и другие факторы.
Для предварительного подбора зачастую достаточно короткой технической консультации, в ходе которой по нескольким ключевым параметрам можно определить принцип измерения и сформировать предварительное решение. Но часто также для подбора запрашивается подробно заполненный опросный лист. Считаем, что полезнее использовать его на следующем этапе, а иногда можно обойтись вообще без него.
Для первичной оценки достаточно основных параметров точки измерения.
В частично заполненных трубопроводах схема измерения усложняется, потому что прибору нужно одновременно измерить скорость и уровень, а затем по геометрии трубопровода рассчитать фактическую площадь потока. Разные технологии отличаются прежде всего тем, как именно выполняются эти два измерения.
Рассмотрим несколько вариантов от специализированного электромагнитного расходомера до погружных и накладных доплеровских расходомеров.
Рассмотрим несколько вариантов от специализированного электромагнитного расходомера до погружных и накладных доплеровских расходомеров.
E = k · B · D · v
Q = v · S
Q = v · S
Q — мгновенный объёмный расход, м³/с;
v — средняя скорость потока, м/с;
S — площадь фактического поперечного сечения потока, м²;
E — индуцированное напряжение на измерительных электродах, В;
k — постоянная прибора;
B — магнитная индукция, Тл;
D — внутренний диаметр измерительной трубы, м.
При постоянных B и D измеряемое напряжение пропорционально скорости. Для полностью заполненной трубы площадь S известна заранее. При частичном заполнении она меняется вместе с уровнем жидкости.
v — средняя скорость потока, м/с;
S — площадь фактического поперечного сечения потока, м²;
E — индуцированное напряжение на измерительных электродах, В;
k — постоянная прибора;
B — магнитная индукция, Тл;
D — внутренний диаметр измерительной трубы, м.
При постоянных B и D измеряемое напряжение пропорционально скорости. Для полностью заполненной трубы площадь S известна заранее. При частичном заполнении она меняется вместе с уровнем жидкости.
TIDALFLUX 2300 - это специализированный электромагнитный расходомер KROHNE для частично заполненных труб. Помимо измерения скорости электромагнитным методом, в нём предусмотрено встроенное ёмкостное измерение уровня. Чтобы понять принцип, достаточно вспомнить работу обычного электрического конденсатора.
Конденсатор в самом простом случае представляет собой две проводящие пластины, разделённые диэлектриком. При подаче напряжения между пластинами возникает электрическое поле, а способность конденсатора накапливать («сконденсировать» – поэтому и «конденсатор») электрический заряд называется ёмкостью.
Конденсатор в самом простом случае представляет собой две проводящие пластины, разделённые диэлектриком. При подаче напряжения между пластинами возникает электрическое поле, а способность конденсатора накапливать («сконденсировать» – поэтому и «конденсатор») электрический заряд называется ёмкостью.
У воздуха и воды диэлектрическая проницаемость существенно различается, поэтому при неизменной геометрии пластин изменение количества жидкости между ними приводит к изменению ёмкости. Именно этот эффект используется для определения уровня.
В TIDALFLUX ёмкостные датчики уровня интегрированы в футеровку измерительной трубы и не контактируют с жидкостью.
В TIDALFLUX ёмкостные датчики уровня интегрированы в футеровку измерительной трубы и не контактируют с жидкостью.
Измерение емкости по принципу как у конденсатора, позволяет определить уровень воды между пластинами, т.е. внутри проточной части расходомера. Примечательно также, что измерительные электроды, в отличие от обычного электромагнитного расходомера, у TIDALFLUX расположены не в середине сенсора, а значительно ниже, почти у дна, чтобы проводить измерения скорости даже при малом заполнении по сечению, а точнее - в диапазоне от 10% до 100% поперечного сечения трубы по заявлениям изготовителя.
А дальше только математика: по измеренному уровню и известной геометрии трубы прибор рассчитывает фактическую площадь потока S и определяет объёмный расход по зависимости Q = v · S.
А дальше только математика: по измеренному уровню и известной геометрии трубы прибор рассчитывает фактическую площадь потока S и определяет объёмный расход по зависимости Q = v · S.
Типовые применения
Бесконтактное измерение уровня и износостойкая футеровка делают такую схему интересной для проводящих суспензий и пульп, в основном для ряда задач горнодобывающей отрасли.
Ещё одна характерная область применения — закрытые линии сточных вод. Там, где нежелателен открытый контакт стоков с рабочей зоной, например, из-за запахов или возможного выделения H2S, закрытая врезная схема может быть предпочтительнее систем измерения в открытом канале.
Бесконтактное измерение уровня и износостойкая футеровка делают такую схему интересной для проводящих суспензий и пульп, в основном для ряда задач горнодобывающей отрасли.
Ещё одна характерная область применения — закрытые линии сточных вод. Там, где нежелателен открытый контакт стоков с рабочей зоной, например, из-за запахов или возможного выделения H2S, закрытая врезная схема может быть предпочтительнее систем измерения в открытом канале.
Ёмкость зависит от геометрии пластин и свойств среды между ними. В упрощённом виде на неё влияют:
- площадь пластин;
- расстояние между ними;
- диэлектрическая проницаемость среды между пластинами.
1. Электромагнитный расходомер KROHNE TIDALFLUX 2300
На рынке встречается и конструктивно более простой вариант, где к электромагнитному измерению скорости добавляют встроенный ультразвуковой канал измерения уровня.
В таком исполнении между корпусом измерительной части и фланцем предусматривают дополнительную секцию со стойкой для уровнемера. В результате прибор одновременно получает скорость и уровень заполнения. Ниже один из примеров реализации такой конструкции.
В таком исполнении между корпусом измерительной части и фланцем предусматривают дополнительную секцию со стойкой для уровнемера. В результате прибор одновременно получает скорость и уровень заполнения. Ниже один из примеров реализации такой конструкции.
Измерительные электроды в таком приборе, как и у TIDALFLUX 2300 располагают ближе к нижней части сенсора, чтобы сохранять контакт со средой при снижении уровня.
Ключевое ограничение такого подхода состоит в необходимости поддержания в чистоте измерительного канала уровнемера.
Для устойчивого измерения ультразвуковой канал не должен содержать помех на пути к измеряемой среде. При кратковременном полном заполнении или работе с загрязнённой средой на поверхности датчика и в монтажной зоне могут образовываться отложения. Если доступ для очистки затруднён, что наиболее вероятно в условиях безостановочного производства, погрешность измерения уровня может заметно вырасти.
Ключевое ограничение такого подхода состоит в необходимости поддержания в чистоте измерительного канала уровнемера.
Для устойчивого измерения ультразвуковой канал не должен содержать помех на пути к измеряемой среде. При кратковременном полном заполнении или работе с загрязнённой средой на поверхности датчика и в монтажной зоне могут образовываться отложения. Если доступ для очистки затруднён, что наиболее вероятно в условиях безостановочного производства, погрешность измерения уровня может заметно вырасти.
2. Электромагнитный расходомер для частично заполненных труб со встроенным ультразвуковым уровнемером
Внимание: электромагнитный расходомер следует поднимать только за предусмотренные изготовителем грузозахватные точки. Продевание труб, штырей и других предметов через проточную часть может повредить футеровку. На производстве подобные «трюки» выполняются профессионалами. Повторять их как штатный способ такелажа не стоит.
Поэтому такое исполнение логичнее рассматривать прежде всего для относительно чистых хозяйственно-бытовых и промышленных стоков. Для абразивной пульпы его применимость требует отдельной проверки по конкретной конструкции датчика и условиям загрязнения.
Если среда содержит достаточно взвешенных неабразивных частиц или пузырьков, альтернативой может стать погружная доплеровская система «скорость + уровень».
Если среда содержит достаточно взвешенных неабразивных частиц или пузырьков, альтернативой может стать погружная доплеровская система «скорость + уровень».
Доплеровский расходомер это один из вариантов ультразвукового расходомера. Его принцип особенно полезен на жидкостях, в которых присутствуют взвешенные частицы или пузырьки, способные отражать ультразвук.
В чем разница доплеровского метода от более распространенного времяпролетного? Во время пролётных ультразвуковых расходомерах скорость определяют по разнице времени прохождения сигнала по потоку и против потока. Значительное количество твёрдых включений или пузырьков может рассеивать и ослаблять сигнал, поэтому такие приборы обычно лучше чувствуют себя на сравнительно чистых жидкостях.
В чем разница доплеровского метода от более распространенного времяпролетного? Во время пролётных ультразвуковых расходомерах скорость определяют по разнице времени прохождения сигнала по потоку и против потока. Значительное количество твёрдых включений или пузырьков может рассеивать и ослаблять сигнал, поэтому такие приборы обычно лучше чувствуют себя на сравнительно чистых жидкостях.
Сигнал, который предназначен для измерения скорости посылается по потоку или против потока. А еще один сигнал – для измерения уровня, посылается вверх. Уровень жидкости определяется по отражению излучаемого сигнала от границы раздела фаз жидкость – воздух. В других конструкциях уровень может также определяться, например, гидростатическим датчиком.
Стоит отметить, что для рассматриваемого датчика скорость течения жидкости составляет «всего лишь» 6 м/с, то есть 21,6 км/ч – так что это не совсем автомобильной радар.
Но все же, это довольно-таки большое значение для канализационных и промышленных стоков. Ниже приведены ориентировочные диапазоны скоростей потоков для понимания масштаба:
Схема работы времяпролётного ультразвукового расходомера с фланцевым измерительным участком и сам расходомер
Схема работы накладного времяпролётного ультразвукового расходомера и сам расходомер
В доплеровском методе, наоборот, отражающие неоднородности необходимы, потому что сигнал возвращается от частиц или пузырьков, движущихся вместе с потоком. На очень чистой воде отражённого сигнала может быть недостаточно.
Работает это очень похоже на дорожный радар. Прибор посылает сигнал к движущемуся объекту (частице) и затем оценивает изменившуюся частоту отраженной от объекта ультразвуковой волны. Тут проявляется эффект Доплера, который и дал название принципу измерения. Только в отличие от радара у нас не один объект (автомобиль), а множество частиц, и измерения проводятся часто. Именно такое большое количество измерений частиц внутри потока позволяет оценить скорость движения потока в целом.
Совмещенный датчик измерения скорости и уровня доплеровского расходомера в самом частом случае крепится ко дну трубы, с помощью монтажного кронштейна.
Работает это очень похоже на дорожный радар. Прибор посылает сигнал к движущемуся объекту (частице) и затем оценивает изменившуюся частоту отраженной от объекта ультразвуковой волны. Тут проявляется эффект Доплера, который и дал название принципу измерения. Только в отличие от радара у нас не один объект (автомобиль), а множество частиц, и измерения проводятся часто. Именно такое большое количество измерений частиц внутри потока позволяет оценить скорость движения потока в целом.
Совмещенный датчик измерения скорости и уровня доплеровского расходомера в самом частом случае крепится ко дну трубы, с помощью монтажного кронштейна.
3. Погружной доплеровский расходомер
Почему 6 м/с для большинства таких задач обычно достаточно? В типичных самотечных сетях рабочие скорости существенно ниже. При проектировании стремятся избегать как слишком медленного, так и чрезмерно быстрого потока.
Если скорость слишком мала (ориентировочно ниже 0,5–0,7 м/с):
Если скорость слишком велика (ориентировочно выше 3–4 м/с):
Поэтому во многих канализационных и сточных системах рабочие скорости лежат значительно ниже 6 м/с, хотя конкретные значения всегда определяются гидравлическим расчётом и условиями эксплуатации.
Если скорость слишком мала (ориентировочно ниже 0,5–0,7 м/с):
- выпадает осадок;
- трубы заиливаются.
Если скорость слишком велика (ориентировочно выше 3–4 м/с):
- начинается интенсивный износ труб;
- возрастает шум;
- увеличиваются гидравлические потери;
- при наличии песка возникает сильное абразивное воздействие.
Поэтому во многих канализационных и сточных системах рабочие скорости лежат значительно ниже 6 м/с, хотя конкретные значения всегда определяются гидравлическим расчётом и условиями эксплуатации.
Для использования на абразивных пульпах и агрессивных средах погружной датчик будет подвергаться износу и химическому воздействию, поэтому такое решение становится нецелесообразным. В подобных случаях имеет смысл рассмотреть накладной доплеровский расходомер.
Нужно проверить, применим ли этот метод для вашей среды?
Нужно проверить, применим ли этот метод для вашей среды?
Отличительная особенность погружного доплеровского расходомера от электромагнитных расходомеров, рассмотренных ранее, состоит в возможности измерять расход не только в круглой трубе, но и в открытом канале или лотке произвольной формы.
В вычислитель прибора через программируемое меню задают геометрию места установки, выбирая между круглым, трапецеидальным либо сечением произвольной формы, заданным набором точек. По измеренному уровню прибор рассчитывает площадь «живого» сечения потока.
В вычислитель прибора через программируемое меню задают геометрию места установки, выбирая между круглым, трапецеидальным либо сечением произвольной формы, заданным набором точек. По измеренному уровню прибор рассчитывает площадь «живого» сечения потока.
Принцип измерения скорости у накладного доплеровского расходомера тот же, что и у его погружного собрата, но преобразователь крепится снаружи трубопровода. Такое решение интересно на крупных трубопроводах и пульповых линиях, где врезной монтаж сложен или нежелателен. Измерительный элемент не контактирует со средой, поэтому абразивный износ самого датчика исключён.
Обычно датчик крепится на хомут или приваренные к трубе шпильки в боковой части трубы – там, где скорость частиц пульпы более равномерна и нет оседания взвеси. Для прямого расчёта расхода такому прибору требуется известная площадь заполненного сечения, однако, с некоторыми оговорками, его возможно применять и при неполном заполнении трубопровода или в случае пенообразования, которое бывает в процессе флотации.
4. Доплеровский накладной расходомер
При частичном заполнении накладной датчик устанавливается ближе к нижней части трубы, и также позволяет контролировать скорость течения среды. По косвенным данным с другого оборудования, к примеру, по степени открытия задвижки, в системе управления могут быть заданы отсечки по уровню заполнения трубы. На основании этих данных возможно вычисление расхода.
Само положение задвижки без натурной привязки не является измерением уровня, поэтому такой расчёт следует воспринимать как оценочный инструмент оперативного контроля, а не как полноценное коммерческое измерение расхода.
Тем не менее, в условиях действующего производства это иногда единственный реалистичный компромисс, ведь перестройка производственной линии может быть слишком трудоёмкой или вообще невозможной. Похожая проблема, кстати, возникает и при измерении плотности пульпы в частично заполненной трубе.
Не уверены, какой способ измерения расхода применим в вашей точке?
Само положение задвижки без натурной привязки не является измерением уровня, поэтому такой расчёт следует воспринимать как оценочный инструмент оперативного контроля, а не как полноценное коммерческое измерение расхода.
Тем не менее, в условиях действующего производства это иногда единственный реалистичный компромисс, ведь перестройка производственной линии может быть слишком трудоёмкой или вообще невозможной. Похожая проблема, кстати, возникает и при измерении плотности пульпы в частично заполненной трубе.
Не уверены, какой способ измерения расхода применим в вашей точке?
Для сложных абразивных пульп широко применяется радиоизотопный метод: плотность определяют по ослаблению гамма-излучения, прошедшего через измеряемую среду. В стандартной схеме монтажа источник и детектор никак не контактируют с потоком.
При 100% заполнении трубы источник и детектор размещают с противоположных внешних сторон трубопровода, так чтобы гамма-излучение проходило через постоянную толщину измеряемой среды.
При частичном заполнении такая схема не подходит, т.к. ослабление проходящего излучения будет зависеть не только от плотности среды, но и от ее уровня в трубе.
Детектор не сможет интерпретировать результат измерения корректно, т.к. не будет ясно что уменьшилось - плотность среды или ее количество (уровень).
Один из способов решить эту задачу - разместить источник так, чтобы изменение сигнала не зависело от уровня среды. Это реализуют таким образом: источник размещают внутри трубопровода в защищённой погружной конструкции, а детектор - снаружи под трубой.
Детектор не сможет интерпретировать результат измерения корректно, т.к. не будет ясно что уменьшилось - плотность среды или ее количество (уровень).
Один из способов решить эту задачу - разместить источник так, чтобы изменение сигнала не зависело от уровня среды. Это реализуют таким образом: источник размещают внутри трубопровода в защищённой погружной конструкции, а детектор - снаружи под трубой.
В такой геометрии пространство между источником и детектором остаётся заполненным измеряемой средой даже при уменьшении общего уровня в трубе.
С целью минимизации износа и надежной защиты блока источника кассета с источником размещается в обтекаемом погружном корпусе, напоминающий по форме рыбий плавник. Он ориентирован вдоль потока и изготавливается из износостойкой стали типа Hardox. Для большей надежности кромки этого корпуса, подверженные большей ударной нагрузке пульпы, покрываются вольфрам-молибденовым покрытием.
С целью минимизации износа и надежной защиты блока источника кассета с источником размещается в обтекаемом погружном корпусе, напоминающий по форме рыбий плавник. Он ориентирован вдоль потока и изготавливается из износостойкой стали типа Hardox. Для большей надежности кромки этого корпуса, подверженные большей ударной нагрузке пульпы, покрываются вольфрам-молибденовым покрытием.
5. Радиоизотопное измерение плотности в частично заполненных трубопроводах
В проектах ОВЛ-Энерго для горно-обогатительных предприятий задачи контроля плотности возникают на пульповых потоках, в том числе на участках гидроциклонов, мельниц, сгущения и флотации. В одном из таких проектов оборудование подбиралось для работы при высокой запылённости, влажности, наличии паров, взвесей и налипаний.
Универсального прибора для всех частично заполненных трубопроводов нет. Для начала стоит прояснить два вопроса: допустимо ли контактировать со средой и есть ли возможность достоверного определения уровня заполнения.
Какое решение выбрать
Если же в одной точке с частичным заполнением нужно контролировать и расход, и плотность, то чаще всего задачу приходится разделять на два измерительных канала.
Расход требует достоверной пары датчиков «скорость + уровень», а плотность специального исполнения погружной части блока источника. В любом случае, учесть все нюансы возможно только глубоко понимая тонкости каждой из технологий, начиная от физических законов - основы, по которым строятся схемы измерений оборудования.
Подробный инженерный подбор измерительного оборудования под вашу задачу вы можете получить, обратившись в отдел контрольно-измерительных приборов ОВЛ-Энерго.
Расход требует достоверной пары датчиков «скорость + уровень», а плотность специального исполнения погружной части блока источника. В любом случае, учесть все нюансы возможно только глубоко понимая тонкости каждой из технологий, начиная от физических законов - основы, по которым строятся схемы измерений оборудования.
Подробный инженерный подбор измерительного оборудования под вашу задачу вы можете получить, обратившись в отдел контрольно-измерительных приборов ОВЛ-Энерго.
09.09.2026
Цаплин Максим
АВТОР СТАТЬИ
Руководитель проектов КИПиА «ОВЛ-Энерго» | Более 7 лет опыта в сфере КИПиА
Занимается техническим подбором и применением измерительного оборудования для газов, жидкостей и сыпучих сред.
Имеет практический опыт работы с расходомерами всех типоразмеров, включая крупные диаметры до DN1000, на промышленных объектах.
Имеет практический опыт работы с расходомерами всех типоразмеров, включая крупные диаметры до DN1000, на промышленных объектах.
Введите данные для связи
Мы свяжемся с вами в ближайшее время
Остались вопросы? Оставьте контакты, наш специалист свяжется с вами в ближайшее время
Смотрите также