Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
7.3. ГАЗОВЫЕ РАСХОДОМЕРНЫЕ УСТАНОВКИ Для градуировки и поверки счетчиков газа при небольших расходах могут использоваться барабанные счетчики газа (рис. 7.10). Основными элементами барабанного счетчика явля- ются корпус, барабан с измерительными камерами и счетный ме- ханизм. Барабан погружен в затворную жидкость (воду). Под действием разности давлений на входе и выходе счетчи- ка барабан вращается. При этом газ вытесняется жидкостью из камер барабана. Вращение барабана передается счетному меха- низму. Один оборот барабана соответствует суммарному объему четырех камер. Необходимым условием нормальной работы барабанного счетчика, является положение уровня воды. При этом уровень должен быть выше оси барабана. Расход, который может быть измерен барабанными счетчи- ками газа, – от 0,1 до 24 м 3 /ч. Пределы основной относительной погрешности ±(0,2…1,0) %. 164 Рис. 7.10. Барабанный счетчик газа: 1 – вход газа; 2 – выход газа; 3 – затворная жидкость Грузокольцевые установки для поверки газовых средств измерений расхода схематично изображены на рис. 7.11. Основ- ной частью установки является кольцевой мерник, выполненный в виде пустотелого кольца (рис. 7.11а) или спиральной трубы прямоугольного сечения (рис. 7.11б). Мерник может поворачи- ваться вокруг центральной оси и частично заполнен жидкостью, которая создает жидкостный затвор 2. Мерник устанавливается на подшипниках качения и приводится во вращение грузом 3, подвешенным на нити и перекинутым через блок. Пустотелое кольцо (рис. 7.11а) имеет перегородку, разде- ляющую его на две полости с разным давлением Р 1 и Р 2 . Перепад давления (Р 1 – Р 2 ) уравновешивается гидростатически за счет разности уровней в полостях II и I. Перепад давления воздейству- ет на перегородку и создает вращательный момент, который уравновешивает момент, создаваемый грузом. При открытом вентиле 5 воздух из полости I проходит через поверяемый прибор 4 и затем выходит наружу или возвращается в мерник, как пока- зано на рисунке 7.11а. 165 а б Рис. 7.11. Грузокольцевые установки: а − схема установки с кольцевым мерником; б − спиральный мерник; 1 − мерник; 2 − жидкость; 3 − груз; 4 − поверяемый прибор; 5 − регулирующий вентиль В установке со спиральным мерником (рис. 7.11б) при вра- щении мерника 1 под действием груза 3 жидкость 2 протекает по спиральному каналу, вытесняет воздух в трубопровод, далее в испытательный участок и поверяемый прибор. Текущий расход газа через установку 1 ω о V Q , (7.3) где ω − угловая скорость вращения барабана; V 1 − объем кольцевого канала, соответствующий повороту на 1°. Расход газа регулируется вентилем 5, установленным в тру- бопроводе. Диапазон измерений расхода может изменяться мас- сой груза. Погрешность воспроизведения текущего расхода определяет- ся погрешностями градуирования винтового канала, измерения угловой скорости вращения, непостоянством трения в подшип- никах и сальниковых уплотнениях. Предельная погрешность грузокольцевых установок ±(0,15…0,25) %. Расход газа – до 20 м 3 /ч. Для поверки газовых счетчиков и расходомеров при малых расходах могут использоваться также установки с цилиндриче- ским мерником (рис. 7.12). Мерник выполняется в виде стеклянного цилиндра 1, в кото- ром перемещается поршень 2 с ртутным уплотнением. Цилиндр 166 снабжен шкалой 4 и фотоэлектрическими контакторами 3, кото- рые фиксируют положение поршня. Параметры газа на входе в мерник определяются по манометру 6 и термометру 7. Для очи- стки газа, выходящего из установки, от паров ртути установлен фильтр 9. Рис. 7.12. Установка с цилиндрическим мерником: 1 − мерник; 2 − поршень; 3 − фотоэлектрические датчики; 4 − шкала; 5 − электромагнитный клапан; 6 − водяной манометр; 7 − термометр; 8 − электронный блок; 9 − фильтр Перед поверкой поршень занимает нижнее положение. Для подачи газа в мерник закрывается электромагнитный клапан 5. Газ, поступающий в мерник, поднимает поршень. Сигналы от фотоэлектрических датчиков о перемещении поршня поступают в электронный блок 8. При открытии электромагнитного клапана поршень возвращается в исходное положение. Установки такого типа охватывают диапазон расходов от 0,01 м 3 /ч до нескольких м 3 /ч. Погрешность определения объема большинства таких установок ±0,2 %. Выпускаются также поршневые калибраторы с графитовым поршнем, который перемещается в трубке из боросиликатного стекла. Различные типоразмеры калибраторов обеспечивают рас- ходы в пределах от 300 см 3 /ч до 2 м 3 /ч. Они предназначены для поверки и калибровки ротаметров, диафрагменных счетчиков га- за. В таких калибраторах фиксируется время прохождения порш- ня между двумя датчиками, ограничивающими известный объем. Измерение давления и температуры позволяет вычислять массо- вый расход. 167 Предел допускаемой погрешности по объему 0,15…0,2 %, по массе 0,2…0,4 %. На рис. 7.13 приведена схема установки с колокольным га- зовым мерником, применяемой при поверке счетчиков газа. Рис. 7.13. Схема установки с колокольным газовым мерником: 1 − колокол; 2 − цилиндрический резервуар; 3 − шкала; 4 − противовес; 5 − ролики; 6 − поверяемый прибор; 7 − регулирующий вентиль; 8 − вентилятор; 9, 10 − запорные вентили Цилиндрический колокол 1 подвешен на цепи, снабженной противовесом 4. Нижняя часть колокола погружена в жидкост- ный затвор. Жидкость залита в цилиндрический резервуар 2, имеющий кольцевое поперечное сечение. Пространство под ко- локолом может соединяться с вентилятором 8 и поверяемым счетчиком 6. К днищу колокола прикреплена шкала 3, переме- щающаяся вдоль неподвижного указателя. Измеряемый объем заключен между колоколом и водяным затвором. Погрешность градуировки шкалы – не более ±0,1 % от измеряемого объема. Для заполнения мерника воздухом закрывается вентиль 10, открывается вентиль 9, включается вентилятор. После заполне- ния вентиль 9 закрывается, открывается вентиль 10. Колокол опускается и вытесняет воздух из подколокольного пространства в трубопровод и поверяемый счетчик. Регулирование расхода осуществляется регулирующим вентилем 7. 168 Чтобы расход воздуха был постоянным, необходимо поддер- живать постоянным давление под колоколом. При движении ко- локола вниз его стенки погружаются в жидкостный затвор, уве- личивается выталкивающая сила. Увеличение выталкивающей силы компенсируется за счет перехода части цепи со стороны противовеса на сторону колокола. Применяют также рычажные и объемные компенсирующие устройства. Колокольные мерники применяются для поверки счетчиков газа при расходах до 1000 м 3 /ч, давление воздуха до 100 Па. По- грешность измерения объема в пределах ±(0,1…0,2) %, текущего расхода ±(0,15…0,4) %. Схема газовой трубопоршневой установки приведена на рис. 7.14. Рис. 7.14. Газовая трубопоршневая установка: 1 − калиброванный участок трубы; 2 − поршень; 3 − детектор-переключатель; 4 − клапан; 5 − поверяемый прибор Основными элементами установки являются калиброванная труба 1 с перемещающимся в ней поршнем 2, детекторы переме- щения 3, клапаны 4, при переключении которых происходит из- менение направления движения газа и поршня, электронно- счетное устройство. Газ проходит через поверяемый прибор 5, поступает в калиброванную трубу и перемещает поршень. При прохождении поршнем первого детектора начинается отсчет им- пульсов, поступающих с поверяемого прибора, и отсчет времени. При прохождении поршнем второго детектора отсчет прекраща- 169 ется. После того как поршень займет в трубе крайнее правое по- ложение, происходит переключение клапанов и изменяется на- правление движения газа и поршня на противоположное. Калиброванный участок трубы между детекторами распола- гается таким образом, чтобы движение поршня на этом участке было равномерным без разгона и торможения. За счет этого обеспечивается постоянство расхода. Предельная погрешность наиболее совершенных газовых трубопоршневых установок не превосходит ±(0,1…0,2) %. Газовая трубопоршневая установка является основным эле- ментом национального первичного эталона Германии объема (суммарного расхода) газа высокого давления до 50 бар. Для поверки счетчиков газа, как при низких, так и при высо- ких давлениях применяются установки с эталонными ротаци- онными счетчиками. Недостатком ротационных счетчиков газа традиционной конструкции, описание которых приведено в разделе 3.1.3, явля- ется неравномерность перемещения газа в пределах одного оборо- та, приводящая к возникновению пульсаций расхода и давления в газовых трубопроводах. Это является препятствием для использо- вания их в качестве эталонных средств измерения при поверке и калибровке. В настоящее время выпускаются установки для поверки газо- вых счетчиков с использованием в качестве эталонного средства измерений объема двухкамерных ротационных счетчиков. Внеш- ний вид измерительного модуля двухкамерного счетчика показан на рис. 7.15. Рис. 7.15. Измерительный модуль двухкамерного ротационного счетчика газа 170 В этих счетчиках в одном корпусе, разделенном на две полос- ти, размещаются две пары роторов, которые вращаются в проти- вофазе. Практически двухкамерный счетчик представляет собой комбинацию двух ротационных счетчиком. Газ поступает одно- временно в обе камеры счетчика. При этом, в то время как в одном счетчике происходит всасывание, в другом – выхлоп. За счет этого снижаются пульсации давления и расхода. Схематично ротационно-поршневой прувер для высоких дав- лений газа, выполненный на основе измерительного модуля двух- камерного счетчика, представлен на рис. 7.16. Рис. 7.16. Схема ротационно-поршневого прувера; 1 – измерительный модуль; 2 – эластичная мембрана; 3 – корпус Измерительный модуль 1 полностью находится в газовой сре- де. Поэтому он не воспринимает никаких механических нагрузок и не деформируется при увеличении давления газа. Кроме того, не возникают также и температурные напряжения. В силу этого ре- зультат измерения объема газа практически не зависит от давле- ния. Для дополнительного снижения пульсаций при высоких дав- лениях газа счетчик размещается внутри эластичной мембраны 2, разделяющей газ на входе и выходе счетчика. Вся конструкция размещается в общем корпусе 3. 171 Основным достоинством ротационно-поршневых пруверов является малая зависимость от давления газа. Будучи отградуиро- ваны при низком давлении, они могут быть использованы для по- верки при высоких давлениях газа. Пруверы градуируются и пове- ряются сличением с эталонным колокольным мерником при атмо- сферном давлении газа. При этом обеспечивается погрешность прувера в пределах ±0,15 %. Погрешность при давлении газа 70 бар находится в пределах ±0,20 %. С использованием ротационно-газовых пруверов проводятся градуирование и поверка высокоточных счетчиков и расходоме- ров-счетчиков природного газа с пределами допускаемой относи- тельной погрешности ±0,30 % при реальных давлениях газа. По- верочной средой в таких установках служит непосредственно транспортируемый природный газ. Для исключения загрязнения пруверов они располагаются перед поверяемыми счетчиками. Обеспечение требуемой производительности достигается путем включения в газовый контур поверочной установки требуемого числа пруверов. Самая большая эксплуатируемая в настоящее время установ- ка «TransCanada Calibrations» обеспечивает возможность градуи- рования и поверки ультразвуковых расходомеров-счетчиков при- родного газа при давлениях от атмосферного до 70 бар при зна- чениях объемного расхода, приведенного к стандартным услови- ям c Q , в пределах до 3.900.000 м 3 /ч. Расширенная неопределен- ность, приписанная установке, – 0,2 %. Турбинные счетчики и ультразвуковые расходомеры с преде- лами допускаемой относительной погрешности ±0,30 % (инстру- ментальной неопределенностью 0,30 %), градуирование которых проведено на таких высокоточных расходомерных установках, используются в свою очередь для поверки методом сличения, в том числе и на реальном природном газе, при реальных давлени- ях счетчиков природного газа с пределом допускаемой погреш- ности ±1,0 %. На рис. 7.17 приведена схема одной из зарубежных газовых расходомерных установок, предназначенная для работы при ре- альных давлениях природного газа, выполненной с применением средств измерений расхода, калиброванных на установках высо- кой точности. 172 Рис. 7.17. Схема газовой эталонной расходомерной установки: 1 – эталонный турбинный преобразователь расхода; 2 – эталонный ультразвуковой преобразователь расхода; 3 – сужающие устройства; 4 – эталонный турбинный преобразователь расхода; 5 – калибруемый преобразователь расхода; 6 – регулятор потока; 7 – регулятор давления В данной установке в качестве эталонных средств измерений расхода используются турбинные и ультразвуковой преобразова- тели расхода, а также расходомеры переменного перепада давле- ния со стандартной диафрагмой. Основным эталонными средствами в такой установке являют- ся эталонные турбинный 1 и ультразвуковой 2 преобразователи расхода. С их помощью градуируется турбинный преобразователь 4. Расходомеры переменного перепада давлений с сужающими устройствами 3 в свою очередь градуируются с помощью турбин- ного преобразователя расхода 4. Таким образом обеспечивается широкий диапазон воспроизводимых расходов. Неопределенность, приписанная данной установке, в зависи- мости от режима работы находится в пределах 0,22…0,4 %. Для поверки бытовых счетчиков газа помимо стационарных поверочных установок применяются установки, обеспечивающие 173 поверку непосредственно на месте эксплуатации без демонтажа поверяемого счетчика.На рис. 7.18 приведена схема первой рос- сийской такой установки под названием «Краб», разработанной НИИТеплоприбором. Рис. 7.18. Схема установки для поверки бытовых газовых счетчиков на месте эксплуатации: 1 − эталонный счетчик газа; 2 − регулирующие вентили; 3 − соединительные шланги; 4 − поверяемый счетчик; 5 − запорный вентиль; 6 − газовая плита Установка состоит из пневматического и электронного бло- ков. В состав пневматического блока входят эталонный струйный счетчик газа 1 и регулирующие вентили 2. Струйный счетчик имеет широкие пределы измерения, что позволяет проводить по- верку в диапазоне расхода газа от 0,03 до 6,0 м 3 /ч. Погрешность установки – в пределах ±0,5 %. При использовании в качестве эталонных – счетчиков другого типа, например, ролико-лопаст- ного, для обеспечения такого диапазона измерения в состав уста- новки входят два эталонных счетчика с разными пределами из- мерений. Установка подсоединяется к газопроводу гибкими шлангами 3 между поверяемым счетчиком 4 и газовой плитой 6. При повер- ке открывается вентиль на газопроводе 5. При определении по- грешности на максимальном расходе зажигаются все конфорки и духовка газовой плиты. Электронный блок регистрирует объем газа, прошедшего через эталонный счетчик, и число импульсов от поверяемого счетчика (если поверяемый счетчик имеет электри- ческий импульсный выход). Для поверки газовых расходомеров и счетчиков широко ис- пользуются установки с эталонными соплами. Такие установки могут быть двух типов: с соплами, работающими в докритиче- 174 ском и критическом режимах. Поверочной средой в таких уста- новках служит атмосферный воздух. Расход газа через сопло при докритическом режиме зависит от его проходного сечения, давления и температуры газа перед соплом и перепада давлений на нем. С ростом перепада давлений увеличиваются скорость и расход газа. В тех случаях, когда при течении газа через сужающее уст- ройство соплового типа скорость в наиболее узком сечении воз- растает и достигает скорости звука, расход уже не зависит от пе- репада давления. Скорость звука достигается при отношении давления после сопла р 2 к давлению перед соплом р 1 , равном или меньше критического r кр Значение кр r зависит от показателя адиабаты газа ад k и от- ношения диаметров сопла в узком сечении d и трубопровода D. Для воздуха ( ад k = 1,4) кр r лежит в пределах 0,528...0,592. При кр 1 2 r р р расход м Q зависит только от параметров газа перед соплом и рассчитывается по формуле M RT p F CC Q 0 0 0 0 м , (7.4) где C − коэффициент истечения; C 0 − критическая расходная функция; F 0 − площадь критического сечения сопла; R − универсальная газовая постоянная; M – молекулярная масса; p 0 − полное давление газа перед соплом, равное сумме стати- ческого и динамического давлений; T 0 − полная температура (температура торможения) газа пе- ред соплом. Для идеального газа 1 2 1 ад ад ад ад 2 1 0 1 2 k k k k C (7.5) 175 Для достижения критической скорости целесообразно при- менять сужающие устройства типа сопла Вентури. В таких со- плах критическая скорость давления в наиболее узком сечении достигается при существенно большем отношении р 2 /р 1 , чем в простых соплах. Рекомендуются к применению два типа сопел Вентури для работы в критическом режиме: сопло Вентури с тороидальной горловиной (рис. 7.19а) и сопло Вентури с цилиндрической гор- ловиной (рис. 7.19б). Рис. 7.19. Критические сопла Вентури: а − с тороидальной горловиной; б − с цилиндрической горловиной Применение критических сопел Вентури вместо критическо- го сопла позволяет повысить отношение давлений после и до со- пла до р 2 /р 1 = 0,83...0,87. Сопла градуируются индивидуально на эталонных установ- ках высокой точности. Погрешность градуировки в зависимости от точности эталонной установки, на которой производилась гра- дуировка, может быть в пределах ±0,1…0,2 %. Схемы установок с |