Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
Вихревые преобразователи скорости Вихревой преобразователь скорости фирмы «ЕМСО» показан на рис. 6.3.Он состоит из цилиндрического корпуса 4, внутри ко- торого расположены тело обтекания 1 и крыло чувствительного элемента 2, механически связанное с тензорезистивным сенсором 3, воспринимающим колебания крыла. Сенсор размещен в ниж- ней части корпуса и соединяется с электронным блоком с помо- щью проводов, пропущенных в отверстие тела обтекания. Пуль- сации давления, возникающие при движении среды, восприни- маются крылом и преобразуются сенсором в частотный сигнал, пропорциональный местной скорости измеряемой среды. Преоб- разователь монтируется на установочной штанге расходомера 5, оснащенной устройством для подъема, юстировки и соответст- вующей арматурой (резьбовой или фланцевой) для присоедине- ния к трубопроводу. 143 Рис. 6.4. Принципиальная схема электромагнитного преобразователя скорости: 1 – корпус (обтекатель); 2 – электромагнит; 3 – электроды; 4 – штанга Рис. 6.3 Вихревой преобразователь скорости: 1 – тело обтекания; 2 – крыло; 3 – сенсор; 4 – корпус; 5 – штанга Электромагнитные преобразователи скорости На рис. 6.4 приведен пример конструкции электромагнитного преобразователя скорости. Преобразователь представляет собой обтекатель 1 из неэлектропроводного материала, в котором раз- мещены обмотки возбуждения магнитного поля 2 и электроды 3. Преобразователь закреплен на штанге 4. Электромагнитные преобразователи скорости применяются для измерения расхода жидкости в каналах большого диаметра от 300 до 4000 мм. В стенке трубы вырезается отверстие. К краям отверстия приваривается фланец, на котором крепится преобра- зователь скорости. Измерение проводится на радиусе трубы, для которого известно соотношение местной и средней по сечению скорости жидкости. Погрешность измерения скорости потока ±1,5 %, объемного расхода и объема жидкости ±2,5 %. Для обеспечения такой точно- сти измерения расхода при использовании одного преобразователя скорости необходимо предусматривать достаточно длинные пря- мые участки в соответствии с требованиями ГОСТ 8.361–76. Ус- 144 Рис. 6.5. Размещение электромагнитных преобразователей скорости: 1 – трубопровод; 2 – преобразователь скорости тановка трех преобразователей скорости, как показано на рис. 6.5, позволяет проводить измерения при меньших длинах прямых участков. Термоанемометры Для измерений скорости газовых потоков широко применя- ются термоанемометры. Принцип действия термоанемометра ос- нован на зависимости между потерей тепла непрерывно нагре- ваемого тела и скоростью среды, в которой это тело расположе- но. Чувствительным элементом служит нагреваемый измеритель- ным током проволочный или пленочный терморезистор, выпол- ненный из благородного металла. Преобразователь термоанемо- метра состоит из двух терморезисторов, один из которых служит для компенсации изменения температуры измеряемой среды. Мощность, передаваемая нагреваемым телом газу: ) ( α с Т Т F W , (6.12) где F – площадь теплообмена; α – коэффициент теплоотдачи; T – температура газа; с Т – температура стенки тела. Теплоотдача при обтекании тела в общем случае описывается уравнением l m n A с Pr Pr Pr Re Nu , (6.13) где Nu – критерий Нуссельта; A – коэффициент пропорциональности; Re – критерий Рейнольдса; 145 Pr – критерий Прандтля при температуре газа Т ; с Pr – критерий Прандтля при температуре стенки тела с Т ; n, m, l – показатели степени, зависящие от режима течения. λ α Nu d ; μ ) (ρ Re d v ; λ μ Pr c , где d – характерный размер обтекаемого тела; λ – коэффициент теплопроводности газа; (ρv) – массовая скорость газа; µ – коэффициент кинематической вязкости; c – теплоемкость газа. Отсюда n c n l m n v T T F d A W ρ λ Pr Pr Pr μ 1 1 c (6.14) Таким образом, мощность, передаваемая нагреваемым телом газу, зависит от массовой скорости ρv, разности температур ( с Т – T), геометрических параметров F, d и свойств измеряемой среды µ, λ, Pr, Pr/ с Pr Скорость можно определять по зависимости W = f(ρv) при обеспечении постоянной разности температур ( с Т – T) = const или по зависимости ( с Т – T) = f(ρv) при обеспечении постоянного значения мощности W = const. Градуирование термоанемометров, как правило, проводится в потоке воздуха или какого-то другого чистого газа. Но как видно из уравнения 6.14, показания термоанемометра зависят от свойств измеряемой среды: вязкости и теплопроводности. При использовании термоанемометра для измерения скоро- сти других газов необходимо производить пересчет его градуи- ровочной характеристики. При этом необходимо учитывать по- грешность определения свойств измеряемой среды. Это ограни- чивает возможности применения термоанемометров для точного измерения скорости сред, свойства которых отличаются от свойств газа, с использованием которого проводилось градуиро- вание. Надежный пересчет градуировочной характеристики может проводиться только в том случае, если с достаточно высокой точностью известны характеристики (вязкость и теплопровод- 146 ность) как газа, с использованием которого проводилось градуи- рование, так и газа, скорость и расход которого необходимо из- мерять. 7. ЭТАЛОННЫЕ РАСХОДОМЕРНЫЕ УСТАНОВКИ Поверка средств измерений расхода проводится проливным методом с применением эталонных расходомерных установок и беспроливным методом. Проливной метод принципиально при- меним для любого типа таких средств. Для получения наиболее надежных результатов поверки в качестве поверочной среды необходимо использовать реальные рабочие жидкости и газы или среды, по своим свойствам близкие к реальным рабочим средам. Это необходимо при поверке высо- коточных средств измерений расхода. При поверке средств изме- рений расхода нормальной и низкой точности в качестве пове- рочной среды обычно используются вода или воздух. Ограничения применения проливного метода поверки и ка- либровки определяются техническими и экономическими труд- ностями создания расходомерных установок для больших расхо- дов и сред с особыми свойствами. Беспроливной метод применим только для определенных ти- пов средств измерения расхода. Некоторые средства измерения расхода при выпуске из производства градуируются на эталон- ных расходомерных установках, а в процессе эксплуатации пове- ряются беспроливным методом. 7.1. СОСТАВ РАСХОДОМЕРНЫХ УСТАНОВОК Установки для поверки проливным методом счетчиков и рас- ходомеров по своей гидравлической схеме близки. Различие за- ключается в том, что при поверке средств измерений текущего расхода более жесткие требования предъявляются к стабильности поддержания текущего расхода. Несмотря на достаточно большое число схемных решений, состав всех расходомерных установок практически одинаков. Ус- тановки включают в себя: средства хранения и подготовки поверочной среды; устройства создания и стабилизации напора; 147 испытательный участок для установки преобразователей рас- хода поверяемых приборов; средства регулирования расхода; эталонные средства для определения действительного значе- ния измеряемой величины (суммарного и/или текущего расхода); систему управления и регистрации; вспомогательные устройства: для заправки поверочной сре- ды, опорожнения трубопроводов, фильтры и т.д. Средства хранения и подготовки поверочной среды долж- ны обеспечивать требуемые параметры поверочной среды и их постоянство в процессе поверки. Поддержание требуемой темпе- ратуры может происходить за счет естественного теплообмена с окружающей средой или специальными устройствами термоста- тирования. В жидкостных установках необходимо обеспечивать также дегазацию поверочной среды. Устройства для создания и стабилизации напора в жидко- стных установках включают в себя насос для создания напора, напорный бак или ресивер, заполненный сжатым газом, для демпфирования пульсаций, создаваемых насосом, и стабилизации расхода. В тех случаях, когда допускаются определенные изменения текущего расхода в процессе поверки и на показания поверяемо- го прибора не оказывает влияние пульсации давления жидкости, жидкость может подаваться в испытательный участок непосред- ственно от насоса. В газовых установках для создания напора используются компрессоры, высоконапорные вентиляторы. Для стабилизации напора и расхода устанавливаются газовые ресиверы. В некото- рых установках, использующих в качестве поверочной среды ат- мосферный воздух, необходимый напор создается вакуум- компрессором. При этом стабилизируются параметры помеще- ния, из которого поступает воздух. Испытательный участок предназначен для установки одно- го или нескольких поверяемых или калибруемых преобразовате- лей расхода. На входе в преобразователи расхода должно быть обеспечено распределение скорости по сечению трубопровода, соответствующее стабилизированному течению. Для этого пре- дусматриваются прямые участки трубопроводов до и после пре- 148 образователей поверяемых приборов. Кроме того, перед преобра- зователями расхода могут дополнительно устанавливаться уст- ройства подготовки потока. Устройство для регулирования текущего расхода монти- руется на выходе из испытательного участка для уменьшения де- формации потока перед поверяемыми приборами. В качестве та- ких устройств обычно используется один или несколько регули- рующих вентилей. Значение расхода контролируется по эталон- ному или поверяемому приборам либо по специально предусмот- ренному указателю расхода. В современных поверочных установках применяются насосы с регулированием производительности путем изменения частоты вращения. За счет этого обеспечивается плавный пуск регулиро- вания расхода. Дополнительно используются регулирующие вен- тили. Эталонные средства измерений. Действительное значение текущего расхода при поверке расходомеров определяется: эталонным расходомером; косвенным методом на основе измерения количества вещест- ва (объема или массы) и промежутка времени. Действительное значение суммарного расхода при поверке счетчиков определяется: эталонным счетчиком; эталонным средством измерений объема или массы; косвенным методом на основе измерения текущего расхода и промежутка времени. В зависимости от того, какой расход измеряется (воспроиз- водится) – объемный или массовый, установки разделяются на объемные и массовые. В объемных установках объем жидкости измеряется эталон- ными мерами вместимости (мерными баками, эталонными мер- никами и трубопоршневыми установками), объем газа – грузо- кольцевыми, колокольными газовыми мерниками, газовыми тру- бопоршневыми или ротационно-поршневыми установками. В массовых расходомерных установках для измерения коли- чества (суммарного расхода) мерные баки и емкости устанавли- вают на эталонные весы. При наличии в массовых установках средств измерений плотности такие установки могут использо- 149 ваться для поверки и калибровки объемных средств измерений расхода В соответствии с ранее действовавшими Государственными поверочными схемами установки, в которых реализуется косвен- ный метод измерений текущего расхода с эталонными средства- ми измерений количества вещества и промежутка времени, могли аттестоваться и поверяться косвенным методом без прослежи- ваемости к первичному государственному эталону. Все действующие в настоящее время Государственные пове- рочные схемы измерений для средств измерений расхода преду- сматривают обеспечение прослеживаемости к соответствующим государственным первичным эталонам. Применение эталонных счетчиков и расходомеров в пове- рочных установках позволяет выполнять их с относительно не- большими габаритными размерами и весом. В ряде случаев такие установки могут применяться для поверки непосредственно на месте эксплуатации (например, для поверки бытовых счетчиков воды и природного газа). В свою очередь эталонные счетчики и расходомеры должны поверяться на соответствующих эталон- ных расходомерных установках более высокого разряда. Во многих современных стационарных жидкостных эталон- ных расходомерных установках предусматривается как косвен- ный метод с измерением количества (суммарного расхода) и промежутка времени, так и метод сличения с эталонным сред- ством измерений текущего или суммарного расхода. 7.2. ЖИДКОСТНЫЕ РАСХОДОМЕРНЫЕ УСТАНОВКИ Принципиальная схема классической расходомерной уста- новки приведена на рис. 7.1. Конструкция сливной емкости 1 должна обеспечивать дега- зацию жидкости и исключать существенный нагрев в процессе работы. Поэтому объем сливной емкости выбирается в 2…3 раза больше, чем суммарный объем всех остальных частей установки. При необходимости в сливной емкости предусматривают устрой- ство для стабилизации температуры жидкости. Устройство для создания и стабилизации расхода включает в себя насос 2, напорный бак 3 и байпасный трубопровод 4. Произ- водительность насоса несколько, в 1,2…1,3 раза, больше, чем 150 максимальный расход средств измерений, поверяемых на уста- новке. Напорный бак 3 имеет переливные лотки для стабилиза- ции уровня, напора и расхода. Избыточное количество жидкости, поступающей в бак от насоса, переливается через лотки и воз- вращается в сливную емкость через байпасный трубопровод 4. Бак располагают на максимально большой высоте, так как расположение бака на большой высоте позволяет стабилизиро- вать текущий расход. При этом снижаются относительные значе- ния колебаний уровня в баке, напора и соответственно текущего расхода. Рис. 7.1. Схема классической расходомерной установки: 1 − сливная емкость; 2 − насос; 3 − напорный бак; 4 − байпасный трубопровод; 5 − испытательный участок; 6 − поверяемый прибор; 7 − регулирующий вентиль; 8 − перекидное устройство; 9 − мерный бак; 10 − пролетный бак Работа установки происходит следующим образом. Жидкость из сливной емкости 1 подается насосом 2 в напорный бак, затем проходит через испытательный участок 5 в поверяемый прибор 6, регулирующий вентиль 7. Перекидным устройством 8 (переклю- чателем потока) жидкость направляется в пролетный бак 10 и об- ратно в сливную емкость 1. Регулирующим вентилем устанавливается требуемый расход, после чего срабатывает перекидное устройство. Жидкость посту- пает в мерный бак 9, и начинается отсчет времени. После заполне- ния бака срабатывает перекидное устройство, жидкость направля- 151 ется в пролетный бак, отсчет времени прекращается. Фиксируются количество жидкости в мерном баке и интервал времени. В объемных установках количество жидкости, поступившей в бак, определяется по указателю уровня, в массовых установ- ках − по результатам взвешивания бака до и после заполнения. Рассчитывается текущий расход жидкости: – объемный η o V Q (7.1) – или массовый η м M Q , (7.2) где V или M − объем или масса жидкости, поступившей в мерный бак; Δτ − интервал времени между срабатываниями перекидного устройства. В установке реализуется косвенный метод измерения текуще- го расхода. При этом процесс воспроизведения расхода и его из- мерение происходят в разные промежутки времени. Такие уста- новки в технической литературе получили название статических. Погрешность (неопределенность) измерения (воспроизведе- ния) расхода складывается из следующих составляющих: погрешность (неопределенность) измерения количества (объ- ема или массы); погрешность (неопределенность) измерения интервала вре- мени; разновременность срабатывания перекидного устройства; нестабильность текущего расхода в процессе заполнения мерного бака; изменение свойств поверочной среды за время поверки. Объем бака выбирается таким образом, чтобы время запол- нения при максимальном расходе было не менее 30…60 с, время срабатывания перекидного устройства 0,01…0,02 с. Статические расходомерные установки являются наиболее точ- ными устройствами для воспроизведения расхода. Государственные первичные эталоны расхода жидкости ГЭТ 63–2013, расхода воды ГЭТ 119–2010 и расхода нефти и нефтепродуктов ГЭТ 120–2010 – это статические массовые расходомерные установки. 152 Объемные установки проще, чем массовые, но имеют боль- шую погрешность (неопределенность). Массовые установки обеспечивают более высокую точность, так как измерение веса производится с меньшей погрешностью (неопределенностью), чем измерение объема. Поэтому во многих современных эталон- ных расходомерных установках, в том числе и указанных выше государственных первичных эталонах расхода, используется мас- совый метод измерений. Объемный расход вычисляется по ре- зультатам измерений массового расхода и плотности жидкости. Регулирование и стабилизация текущего расхода в современ- ных установках обеспечивается регулированием числа оборотов насоса. При этом необходимо обеспечить стабильные параметры поверочной жидкости в месте забора ее насосом. Снижение пуль- саций текущего расхода, возникающих при работе насоса, обес- печивается путем включения в гидравлический контур гасителя пульсаций, который представляет собой емкость с жидкостью, наддуваемой сжатым газом. Метрологические характеристики установок по суммарному расходу выше, чем по текущему, так как при оценке погрешности (неопределенности) суммарного расхода фактически не учитыва- ется погрешность (неопределенность) измерения времени и не- стабильность текущего расхода. На рис. 7.2 приведена схема |