однолучевой ультразвуковой расходомер

Когда слышишь ?однолучевой ультразвуковой расходомер?, первая мысль — ну, самый простой вариант, одна пара преобразователей, принцип времени пролёта. Но именно в этой кажущейся простоте и кроются все подводные камни, на которые набиваешь шишки на практике. Многие думают, раз один луч, значит, дешевле и надёжнее, и лепят его куда попало, а потом удивляются, почему показания пляшут или систематическая погрешность зашкаливает. Сам через это проходил.

Где и почему он работает, а где — нет

Основная ниша для однолучевого ультразвукового расходомера — это, конечно, относительно чистые среды с предсказуемым профилем скорости. Газ, в первую очередь. Вода, если без взвесей. Но вот с тем же природным газом не всё однозначно. Да, если поток хорошо выровнен, длинный прямой участок до и после, давление стабильное — прибор покажет себя молодцом. Но попробуй поставь его после двух колен подряд или на участке, где возможны пульсации от компрессора... Здесь уже начинаются проблемы.

Помню один проект на небольшой котельной. Ставили как раз такой однолучевой прибор на обратку, DN80. Всё по паспорту: прямые участки соблюдены, температура в норме. А погрешность на поверке вылезала за допустимые рамки. Стали разбираться. Оказалось, из-за специфики работы насосов возникали низкочастотные вибрации самой трубы, которые влияли на скорость звука в материале и, как следствие, на работу электроники, вычисляющей время пролёта. Пришлось дорабатывать крепления и вносить поправки в программный алгоритм. Мелочь, а глаз выела.

Поэтому сейчас для себя чётко уяснил: выбор между однолучевой и многолучевой схемой — это всегда компромисс между стоимостью и устойчивостью к неидеальным условиям. Если условия близки к лабораторным, можно смело брать однолучевую схему. Если есть сомнения в стабильности потока — лучше переплатить за многолучевую, она усредняет профиль по сечению и меньше ?нервничает?.

Про давление, диаметры и реальные цифры

В технических данных часто пишут широкий диапазон давлений, скажем, от низкого до 10 МПа. Это здорово, но на практике при сверхнизких давлениях, ближе к 60 кПа, чувствительность прибора к помехам резко возрастает. Любой шум в трубе, любая турбулентность начинает вносить ощутимый вклад в погрешность. Мы как-то тестировали один образец на воздушном стенде при 80 кПа — стабильность сигнала была так себе, хоть паспортные характеристики и декларировались.

С диаметрами та же история. Заявленный ряд от DN32 до DN600 — это охват, но не гарантия одинаковой точности. На малых диаметрах, типа DN32 или DN50, критически важна точность изготовления канала и юстировка преобразователей. Миллиметровый сдвиг — и прощай, точность. На больших диаметрах, от DN300 и выше, сам луч проходит долго, и требования к электронике для обработки слабого сигнала становятся выше. Видел, как ультразвуковые расходомеры от ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология? (сайт — https://www.zjlbs.ru) позиционируются именно для газовых сред с таким широким диапазоном давлений и типоразмеров. В их линейке, кстати, есть и мембранные счётчики с NB-IoT, и ультразвуковые газовые счётчики на типоразмеры от G1.6 до G40 — это как раз про бытовой и коммерческий учёт. А для промышленных трубопроводов уже идут ультразвуковые расходомеры на те самые DN32-DN600. Интересно, как у них решён вопрос калибровки для таких разных условий в рамках одной технологической линейки. Наверняка есть свои ноу-хау в обработке сигнала.

Кстати, про NB-IoT. Это отдельная большая тема, но если коротко — для удалённого сбора данных с однолучевых расходомеров, расставленных по территории, технология идеальна. Энергопотребление низкое, данные передаются периодически. Но здесь важно, чтобы сам расходомер имел устойчивую метку времени и корректно работал в моменты между сеансами связи, накапливая данные. Не все бюджетные модели с этим справляются.

Ошибки монтажа, которые всё портят

Самая частая ошибка — игнорирование требований к прямым участкам. В паспорте пишут ?10D до и 5D после?. Монтажники в поле часто считают, что это рекомендация, а не требование. Ставят где удобно, втиснув между задвижкой и тройником. Результат — нелинейная характеристика, которую не исправить никакой программной коррекцией. Убедился на собственном горьком опыте, пришлось переделывать узлы учета на трёх объектах из-за такой ?экономии места?.

Вторая беда — это качество внутренней поверхности трубы в зоне установки. Ржавчина, окалина, неровности сварного шва. Для ультразвукового луча, особенно однолучевого, это как ехать по разбитой дороге. Сигнал рассеивается, теряется. Перед установкой обязательно нужно заглянуть внутрь трубы, а в идеале — прошабрить участок. Мы как-то поставили прибор на старую, казалось бы, чистую трубу, а потом выяснилось, что там был микроскопический слой отложений, который и вёл к постоянному смещению нуля.

И третье — вибрации. Крепление преобразователей должно быть жёстким, но при этом не создавать механических напряжений, которые могут повлиять на пьезоэлемент. Использовать нужно только штатные крепления от производителя, а не то, что ?подошло по резьбе?. Видел случаи, когда ?умельцы? прикручивали датчики через самодельные переходники, из-за чего возникал акустический шум и прибор постоянно ловил ложные эхо-сигналы.

Калибровка и поверка: полевая реальность

В лаборатории, на стенде с эталонным расходомером, любой однолучевой ультразвуковой расходомер можно вывести на идеальные показания. Но ценность прибора определяется тем, как он держит калибровку в реальных условиях, через полгода или год работы. Тут многое зависит от стабильности электронных компонентов, особенно тактового генератора, и от качества акустической связки преобразователей.

На практике мы часто сталкиваемся с тем, что после монтажа необходимо делать полевую калибровку, или, как минимум, верификацию нуля. Для этого нужно останавливать поток, что не всегда возможно. Некоторые современные приборы имеют функцию ?нуль в потоке?, но её реализация — это высший пилотаж, и доверять можно не всем. У того же ?Сапфира?, судя по описанию на их сайте https://www.zjlbs.ru, ультразвуковые счётчики предназначены для работы в широком диапазоне давлений. Это намекает на то, что алгоритмы компенсации влияния давления на скорость звука в них должны быть очень хорошо проработаны. Ведь при изменении давления от 60 кПа до 10 МПа свойства газа меняются существенно. Если это учтено на уровне встроенных поправочных коэффициентов или, что лучше, физических моделей, то стабильность показаний будет высокой.

Поверка — отдельная головная боль. Снять промышленный прибор с трубы, отвезти в центр стандартизации — это недели простоя и большие деньги. Поэтому всё больше заказчиков сейчас смотрят в сторону приборов с возможностью поверки на месте, методом пролива или с помощью переносных эталонов. Для однолучевых схем это более реализуемо, чем для многолучевых, из-за относительной простоты измерительного канала.

Взгляд в будущее и итоговые соображения

Куда движется технология? Однолучевая схема, на мой взгляд, не умрёт, а станет более ?умной?. Уже сейчас появляются модели с встроенной диагностикой состояния акустического канала, с самотестированием и оценкой качества сигнала в реальном времени. Это резко повышает доверие к показаниям. Второй тренд — интеграция. Не просто ультразвуковой расходомер, а измерительный модуль, который сразу отдаёт данные в нужном формате в SCADA-систему или облако, как это заложено в продуктах с NB-IoT у упомянутой компании ?Сапфир?.

Итожа свой опыт, скажу так: однолучевой ультразвуковой расходомер — это отличный, часто оптимальный по цене инструмент для учёта. Но инструмент требовательный. Он не прощает невнимания к мелочам: ни на стадии выбора модели под конкретные условия (давление, диаметр, среда), ни на стадии монтажа, ни при эксплуатации. Его нельзя просто ?воткнуть и забыть?. Нужно понимать физику его работы, его ограничения и регулярно контролировать его ?самочувствие?.

Если всё сделано правильно — с пониманием, с качественным монтажом и с выбором аппаратуры от вменяемого производителя, который, как ООО ?Чжэцзян Сапфир Приборная Технология?, предлагает комплексные решения под разные задачи, — то он прослужит долго и честно. А если пытаться сэкономить на всём подряд, то получится лишь красивая и дорогая железка на трубе, которая не даст ни точности, ни надёжности. Разница между этими двумя исходами — как раз в тех деталях и нюансах, о которых я тут поразмышлял.