Проблемы метрологического обеспечения расходомеров для безнапорных трубопроводов и открытых каналов (канализации, водозаборов и водосбросов)

Статья посвящена вопросам корректности испытаний расходомеров для открытых (безнапорных) водных потоков для утверждения типа и при поверках. Такие приборы испытываются в чистой воде на стендах с идеально ровными стенками, а затем работают в каналах с водой разной степени загрязнения, с наростами на стенках и донными отложениями. В результате реальная погрешность таких расходомеров в полевых условиях может быть в несколько раз (иногда и в десятки раз) выше заявленной в описании типа (даже при точном учете в программе прибора существующей геометрии канала).

Единственным прямым методом измерения расхода воды в трубопроводе является сбор прошедшей за определенный промежуток времени воды в резервуар, с последующим измерением объема, либо взвешиванием этой воды на точных весах. Понятно, что такой метод невозможно применить в реальных условиях постоянного измерения расхода проходящей по трубопроводу воды. Поэтому используется ряд косвенных методов измерения, которые несут в себе не только погрешности приборов, но и погрешности самих методов.

Наиболее распространенным методом измерения расхода воды и стоков в открытых каналах был и остается метод измерения уровня потока в лотках Вентури, лотках Паршаля, либо просто в колодцах самотечных трубопровода при известном уклоне и сечении канала и заданном коэффициенте шероховатости поверхности. При этом подразумевается, что расход пропорционален уровню с определенным постоянным коэффициентом, определяемым для каждого места измерений. Это, действительно, было справедливо в ряде случаев, поэтому многие уровнемеры были сертифицированы как расходомеры. Однако, такие явления как подпор (возникающий в самотечном трубопроводе по разным причинам, иногда с течением времени и не всегда предсказуемый и контролируемый) не редко приводили к ситуациям, когда при близкой к нулю скорости потока, уровень был достаточно высоким, и ошибка такого расходомера-уровнемера могла составлять сотни процентов.

В конце прошлого столетия появились ультразвуковые расходомеры для открытых потоков с погружными датчиками, работающими на основе эффекта Доплера, а также аналогичные расходомеры с электромагнитным датчиком, измеряющим скорость потока в одной точке потока, на основе закона Фарадея. Такие расходомеры измеряли скорость частиц в потоке и уровень потока. Несмотря на некоторые условности (такие, как необходимость ввода в программу прибора коэффициента шероховатости стенок трубопровода, определяемого теоретически) казалось, что задача точного измерения расхода в открытых каналах решена. Указанные расходомеры для открытых потоков успешно проходили сертификационные испытания в России с погрешностью измерения расхода около 2%.

Однако вскоре выяснилось, что теоретические допущения при определении средней скорости потока (которая необходима для расчета расхода) на основе полученных от Доплеровского (или точечного электромагнитного) датчика данных о скорости частиц, справедливы далеко не во всех случаях. В 2003 году Международная Водная Ассоциация провела испытания указанных расходомеров для открытых потоков на полевом стенде на базе очистных сооружений в Нидерландах (выдержки из отчета на русском языке можно посмотреть здесь). На данном стенде сточные воды шли по замкнутому циклу из резервуара насосной станции по напорному трубопроводу в открытый колодец, затем по самотечному трубопроводу обратно в резервуар насосной станции. Испытания проводились как при свободном течении, так и в условиях подпора, кроме того, в ходе испытаний использовались несколько слоев искусственного осадка. Показания тестируемых расходомеров контролировались полнопроходным электромагнитным расходомером, установленным на напорном трубопроводе. В результате была зафиксирована погрешность погружного тестируемого расходомера около 20% (погрешность бесконтактного радарного расходомера доходила до 50%). При проведении данных испытаний контролировалась также скорость потока в различных точках сечения трубы. Было выявлено существенное отличие реального профиля распределения скоростей по сечению потока от теоретического, который положен в основу математики тестируемых расходомеров. Было также выявлено, что профиль скоростей в потоке сильно зависит от гидравлических условий и уровня осадка.

Вскоре и в России метрологи выявили некоторые парадоксы в работе Доплеровских расходомеров. Было замечено, что при их установке на входе и выходе очистных сооружений прибор на выходе показывал значения на 20-25% больше, чем на входе, хотя теоретически расход на выходе должен был быть на несколько процентов ниже (за счет удаления из стоков сухого осадка), так как источника воды на очистных сооружениях нет. Были проведены тщательные исследования на нескольких очистных сооружениях, при которых ставились два однотипных поверенных расходомера одного производителя на входе и выходе, затем они менялись местами для исключения ошибки конкретного прибора, затем на это же место ставились два однотипных расходомера другого производителя и т.д. – эффект повторялся.

Можно предположить, что причина этого явления заключается в том, что Доплеровский расходомер измеряет скорость частиц, которые движутся в потоке вблизи датчика. В чистой воде частиц мало и ультразвуковой датчик чаще берет их с верхних слоев, где скорость больше.

В грязной воде расходомер меряет скорость частиц, движущихся в непосредственной близости от дна, скорость таких частиц меньше.

Так или иначе, но можно сделать вывод, что расходомер, предназначенный для работы в грязной воде с неровными стенками трубы и донными отложениями не может быть качественно испытан на стенде с чистой водой и идеально ровными дном и стенками, из-за большой погрешности, которую вносит реальное распределение скоростей в безнапорном потоке, по сравнению с теоретическим.

Для ведущих производителей приборов учета данная информация уже давно не являлась секретом, поэтому в начале нашего столетия появились расходомеры, определяющие среднюю скорость потока на основе не теоретической, а измеренной эпюры распределения скоростей в потоке.

На сегодня наиболее точными приборами по измерению расхода в открытых потоках являются ультразвуковые расходомеры, работающие на запатентованном в 2000 году методе «кросс-корреляции» и, появившиеся несколько позже, аналогичные приборы, основанные на методе «импульсный Доплер». Эти расходомеры способны определять скорость движения частиц по слоям потока, определять реальную эпюру скоростей потока и, соответственно, реальную среднюю скорость потока. Расходомеры на методе «кросс-корреляции» и «импульсный Доплер» не требуют ввода в программу прибора данных о шероховатости поверхности и не требуют калибровки. Однако, несмотря на большой положительный опыт эксплуатации таких расходомеров, сложная и непрозрачная математика этих приборов не дает основания утверждать с точки зрения метрологии, что их точность будет также высока при всех реальных режимах эксплуатации, как и при условиях испытаний для утверждения типа и при поверках (т.е. в чистой воде и при гладких стенках).

В результате можно предположить, что единственным способом корректного метрологического обеспечения расходомеров для открытых потоков является повышение уровня теоретической базы по каждому из существующих методов измерений и проведение испытаний для утверждения типа с учетом всех реальных условий эксплуатации приборов учета в канализации, на водозаборах и водосбросах. Для этого необходимы испытания всех расходомеров для безнапорных труб и каналов на стендах, моделирующих поток в достаточно широком и глубоком канале с возможностью изменения скорости и уровня потока, изменения шероховатости внутренней поверхности канала (например, за счет моделирования различных донных отложений), моделирования подпора и изменения количества частиц в потоке (т.е. его загрязненности).

Можно оговориться, что ни один поставщик расходомеров для безнапорных трубопроводов и каналов не указывает в официальном руководстве по эксплуатации (не говоря уже об описании типа), при каком минимальном и максимальном количестве частиц в единице объема воды их приборы будут обеспечивать заявленную погрешность измерения расхода. Этот факт заставляет отнестись к этой проблеме с еще большим вниманием.

До решения указанных выше вопросов мы часто будем сталкиваться с ситуацией, когда при установке на коммерческом узле учета в открытом потоке двух различных поверенных расходомеров, каждый из которых по описанию типа имеет погрешность, например, не более 2%, разность их показаний будет 15-20% и более.

Фильм с описанием работы гидравлического стенда фирмы Nivus GmbH (Германия) для тестирования работы расходомеров для открытых потоков при разных скоростях потока (разных уклонах), уровнях, донных отложениях и местных сопротивлениях.