Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
Примечание. К сожалению, ГОСТ Р 8.741–2011 нормирует погрешность измерений, в то время как во всех стандартных методиках измерений расхода газа (ГОСТ 8.586.5–2005, ГОСТ 8.611–2013, ГОСТ Р8.740–2011) оценивается неопределен- ность. Относительная расширенная неопределенность измерения объема природного газа, приведенного к стандартным условиям, равная 1,0 %, уже в некоторых случаях считается недопустимо большой. В соответствии со стандартом СТО Газпром 5.37–2011 «Еди- ные технические требования на оборудование узлов измерений расхода и количества природного газа», применяемые в ОАО «Газпром» в настоящее время относительная расширенная неоп- ределенность измерений объема газа, приведенного к стандарт- ным условиям, на наиболее ответственных узлах учета не должна превышать 0,8 %. Применение современных ультразвуковых расходомеров- счетчиков газа с пределами допускаемой относительной погреш- ности ± 0,3% позволяет обеспечить относительную расширенную неопределенность измерений объема газа, приведенного к стан- дартным условиям, менее 0,5 %. Повышение точности обеспечивается за счет применения со- временных интеллектуальных средств измерений и совершенст- вования эталонной базы расходометрии. Как правило, это приво- дит к удорожанию как самих средств измерений расхода, так и прежде всего их метрологического обеспечения. 12 Требования обеспечения необходимой точности измерений отражены и в международных документах. Такие требования присутствуют, например, в международных рекомендациях OIML R 117–1, Edition 2007. International recommendation. Dynam- ic measuring systems for liquids other than water. Part 1. Metrological and technical requirements. В этом документе указываются классы точности измери- тельных систем, требования к пределам допускаемой погрешно- сти измерительных систем и входящих в их состав преобразова- телей расхода (табл. 1.1), а также рекомендуемые области ис- пользования (табл. 1.2). Таблица 1.1 Классы точности 0,3 0,5 1,0 1,5 Измерительные системы 0,3 % 0,5 % 1,0 % 1,5 % Преобразователи расхода 0,2 % 0,3 % 0,6 % 1,0 % Таблица 1.2 Класс точности Типы измерительных систем 0,3 Измерительные системы на трубопроводах 0,5 Топливораздаточные колонки (кроме сжиженных газов). Измерительные системы на автоцистернах для жидкостей с низкой вязкостью (< 20 мПа∙с). Измерительные системы для нагружаемых и разгружаемых танкеров, железнодорожных и автодорожных цистерн. Измерительные системы для молока, пива и других пенящихся жидкостей. Измерительные системы для заправки самолетов 1,0 Измерительные системы для сжиженных газов при температуре, равной или выше минус 10 ºС. Топливораздаточные колонки сжиженным газом. Измерительные системы для: – жидкостей вязкостью более 1000 мПа∙с; – с максимальным расходом не выше 20 дм 3 /ч или 20 кг/ч 1,5 Измерительные системы для сжиженного СО 2 Измерительные системы для сжиженных газов при температуре ниже минус 10 ºС Для конкретных измерительных систем может быть назна- чена более высокая точность. 13 Аналогичные таблицы для средств измерений расхода жид- кости приведены в Приложении М1-005 к Директиве 2004/22/ЕС Европейского парламента и Совета «Об измерительных прибо- рах». Надежность. Надежность часто является определяющим фактором при выборе того или иного типа средства измерений. Основной показатель метрологической надежности – время, в те- чение которого с заданной вероятностью сохраняются работо- способность и соответствие нормируемых метрологических ха- рактеристик допускаемым значениям. Надежность зависит от конструкции, условий эксплуатации и определяет значение меж- поверочного интервала. Большое влияние на надежность средств измерения расхода оказывает качество измеряемой среды. В первичных преобразова- телях расхода с подвижными элементами наличие примесей приводит к повышенному износу пар трения, в преобразователях без подвижных элементов – к изменению геометрических пара- метров за счет износа, коррозии и загрязнения. Возникающая за счет этого погрешность может в несколько раз превышать до- пускаемые значения. Для исключения этого и обеспечения надеж- ной работы необходимо обеспечить соответствующую очистку измеряемой среды, поступающей в первичный преобразователь расхода. Электромагнитная совместимость. Производственные ус- ловия применения средств измерений характеризуются наличием внешних электрических и магнитных полей. Поэтому важным фактором, определяющим надежность, является электромагнит- ная совместимость. Это особенно актуально для современных микропроцессорных средств измерений, которые характеризуют- ся также низким уровнем энергии используемых внутренних электрических сигналов. У средств измерений, используемых при коммерческом уче- те, для обеспечения надежности необходимо также обеспечить защиту от несанкционированного вмешательства. Независимость результатов измерения от изменения свойств и параметров измеряемой среды: плотности, вязкости, температуры, давления. Как правило, в большинстве случаев тре- буется измерять массу и массовый расход или объем и объемный 14 расход, приведенный к стандартным условиям. В то же время в настоящее время наиболее широко применяются средства изме- рений, у которых выходной сигнал первичного преобразователя расхода определяется объемным расходом. Поэтому необходимо предусматривать устройства, автоматически вводящие поправку на изменение плотности. Температура и давление измеряемой среды оказывают непо- средственное влияние на работу первичного преобразователя расхода. Изменяются геометрические размеры и характеристики электронных устройств преобразователей расхода. Свойства из- меряемой среды оказывают влияние на результат измерения из-за изменения режима течения в трубопроводе. Однако часто эти факторы не учитываются при практических измерениях. Поверка средств измерений расхода в большинстве случаев проводится: жидкостных – с использованием воды в ка- честве поверочной среды, газовых – с использованием воздуха низкого давления, плотность и вязкость которых отличается от плотности и вязкости рабочих сред. При этом температура пове- рочной среды, как правило, 20 °С. В условиях эксплуатации ха- рактеристики измеряемой среды могут значительно отличаться от условий поверки. Реальные значения погрешностей при эксплуа- тации отличаются от значений, полученных при калибровке или поверке. Например, при измерении расхода горячей воды и в системах учета тепловой энергии температура воды всегда значительно выше 20 °С. Поэтому для обеспечения требуемой точности изме- рений необходимо проводить градуирование и поверку таких средств на горячеводных проливных установках. С этой целью в Германии счетчики воды, предназначенные для систем тепло- снабжения, поверяются при температурах, близких к температу- рам воды при эксплуатации: счетчик, устанавливаемый в прямом трубопроводе, – при температуре воды (80 ± 10) °С; в обратном трубопроводе, – при (40 ± 10) °С. Для обеспечения требуемой точности измерений при экс- плуатации приборы высокой точности градуируют и поверяют либо с использованием реальной рабочей среды в реальных рабо- чих условиях, либо с использованием среды-заменителя со свой- ствами, максимально близкими к рабочей среде. 15 В тех случаях, когда параметры и свойства измеряемой среды при эксплуатации могут изменяться, необходимо определять со- ответствующие функции влияния и учитывать поправки к пока- заниям. Независимость результатов измерения от структуры по- тока в трубопроводе. Большинство преобразователей расхода обеспечивают точность лишь в том случае, если течение в трубо- проводе стабилизировано и распределение скорости в сечении трубопровода соответствует режиму течения невозмущенного потока в прямом трубопроводе большой длины. Наличие в тру- бопроводе различных местных сопротивлений и, следовательно, деформации потока приводит к увеличению погрешности. Чтобы сформировалось распределение скорости в сечении трубопровода, необходимо предусматривать прямые участки. Длины требуемых прямых участков трубопровода до и после преобразователя расхода зависят от типа местных сопротивле- ний, установленных в трубопроводе, типа средства измерения и требуемой точности измерения. Необходимые длины прямых участков трубопровода определяются на основе соответствую- щих испытаний. Например, европейский стандарт EN12261:2002 «Gas meters – Turbine gas meters» и рекомендации МОЗМ OIML R 137–1&2. Edition 2012. «Gas meter» предусматривают возможность такого сокращения длины прямолинейного участка трубопровода до средств измерений расхода газа, при котором наблюдается изме- нение показаний не более 1/3 предела допускаемой основной по- грешности. Чаще всего для средств измерений высокой и нормальной точности требуемая длина прямолинейного участка до преобра- зователя расхода находится в пределах 10…20 диаметров трубо- провода, после преобразователя 5…10 диаметров. Иногда тре- буемая длина прямолинейного участка трубопровода до преобра- зователя расхода достигает 50 диаметров. Необходимость длинных прямых участков трубопровода мо- жет существенно затруднить возможность применения средства измерений, особенно при больших расходах в трубопроводах большого диаметра. При этом преимущество имеют средства, на погрешность которых малое влияние оказывает структура потока в трубопроводе. Существенное уменьшение требуемых длин 16 прямых участков трубопровода может быть обеспечено путем ус- тановки в трубопровод соответствующих струевыпрямителей и устройств подготовки потока. Самый надежный путь снижения погрешности, вызванной деформацией потока, – градуирование и поверка устройства не- посредственно на месте эксплуатации и в реальной рабочей сре- де. При этом эталонные средства встраиваются в технологиче- ские линии или применяются передвижные эталонные расходо- мерные установки. Широкий диапазон измерений необходим в тех случаях, когдапри эксплуатациирасход может изменяться в больших пределах. При использовании средств измерений с очень широким диа- пазоном измерений необходимо проявлять известную осторож- ность. Градуирование и поверка средств измерений расхода жид- кости в большинстве случаев проводятся с использованием воды. При этом в эталонной установке обеспечивается турбулент- ный режим течения воды. Если реальная рабочая среда имеет большую, чем вода, вязкость, в реальных условиях эксплуатации при малых расходах в трубопроводе может существовать пере- ходный (перемежаемый) режим течения. При таких режимах течения геометрические характеристики трубопровода оказывают сильное влияние на структуру потока, что приводит к резкому увеличению погрешности. Минимальное гидравлическое сопротивление. Гидравли- ческое сопротивление первичного преобразователя расхода опре- деляет затраты энергии на измерения. При этом следует учиты- вать не только гидравлическое сопротивление преобразователя расхода, но и сопротивление дополнительных устройств и пря- мых участков трубопровода, которые необходимо предусматри- вать при монтаже первичного преобразователя расхода. Быстродействие. Высокое быстродействие необходимо прежде всего при измерении переменных расходов и в системах автоматического регулирования. Во многих практических случа- ях измерений расхода такой необходимости нет. Динамические характеристики должны также учитываться при выборе прибора для измерений расхода пульсирующих пото- ков. В тех случаях, когда период пульсаций расхода близок к по- 17 стоянной времени первичного преобразователя расхода, возникает дополнительная погрешность, вызванная наличием пульсаций. Значение этой дополнительной погрешности в некоторых случаях может быть значительным и превышать основную погрешность. Снижение пульсаций расхода может быть обеспечено путем установки в трубопроводах успокоителей, представляющих со- бой комбинацию емкостей и гидравлических сопротивлений. Для измерений пульсирующих потоков необходим прежде всего ра- циональный выбор типа прибора. В некоторых случаях снижение погрешности может быть достигнуто путем демпфирования вы- ходного сигнала первичного преобразователя расхода. При возможности необходимо градуировать и поверять при- бор непосредственно на месте эксплуатации. Простота контроля метрологических характеристик. Наиболее существенно это требование для средств измерений больших расходов. Эталонные расходомерные установки для больших расходов являются весьма громоздкими, сложными и дорогими устройствами, что приводит к большим затратам на проведение поверки и калибровки. Необходимо учитывать также затраты на транспортировку поверяемого средства измерений от места эксплуатации к эталонной установке. Ряд средств измерений расхода может поверяться и калибро- ваться беспроливным методом (без использования эталонных расходомерных установок). Возможность проведения поверки беспроливным методом часто является определяющим фактором при выборе того или иного типа прибора. 1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ Создать универсальный тип прибора, основанный на одном физическом явлении, который мог бы охватить все области при- менения и удовлетворить всем требованиям, невозможно. В на- стоящее время применяются средства, основанные на самых раз- ных физических принципах, каждый из которых обладает опре- деленными преимуществами и недостатками. Все устройства можно разделить на группы исходя из общ- ности одной или нескольких характеристик. В зависимости от целей классификации в ее основу закладывается какой-либо оп- ределяющий для этой цели признак. 18 Физический принцип, на котором основана работа средства измерения расхода, отражается в его названии, например: ультра- звуковой расходомер, электромагнитный расходомер, расходомер переменного перепада давления. Часть средств измерений расхода может быть отнесена к тра- диционным средствам, которые использовались в промышленно- сти еще в середине XIX века. К ним относятся камерные и тур- бинные счетчики, расходомеры постоянного и переменного пере- пада давления. Эти средства постоянно совершенствуются и на- ходят широкое применение и в настоящее время. Другие средства измерений расхода были разработаны и начали применяться только во второй половине ХХ века, что было обусловлено раз- витием электроники. К ним относятся электромагнитные, ультра- звуковые, вихревые и кориолисовые средства. В зависимости от фазового состояния измеряемой среды средства измерений расхода подразделяются на жидкостные и газовые. В свою очередь жидкостные средства делятся на уст- ройства, предназначенные для измерения высококипящих, крио- генных жидкостей и жидких металлов. В зависимости от того, какой расход измеряется – объемный или массовый, средства измерений разделяются соответственно на объемные и массовые. При этом средства измерений массового расхода могут иметь первичные преобразователи, выходной сигнал которых определя- ется непосредственно массовым расходом, и первичные преобра- зователи, выходной сигнал которых определяется объемным рас- ходом, а значения массового текущего и суммарного расхода рас- считываются косвенным методом по результатам измерений объ- емного расхода и плотности. Классификацию средств измерений по этому признаку приня- то осуществлять исходя из свойств первичного преобразователя расхода. К объемным преобразователям расхода относятся камер- ные, скоростные, вихревые, струйные, электромагнитные, ультра- звуковые, оптические, к массовым – кориолисовые и тепловые. Преобразователи расхода расходомеров переменного и посто- янного перепада давления нельзя отнести ни к объемным, ни к массовым. Выходной сигнал первичного преобразователя расхода расходомеров переменного перепада давления (перепад давления) пропорционален произведению объемного и массового расходов. 19 Выходной сигнал первичного преобразователя расхода расходоме- ров постоянного перепада давления (высота подъема поплавка) пропорционален квадратному корню из произведения объемного и массового расходов. Таким образом, для измерения как массового, так и объемного расхода необходимо определить плотность. Средства измерений расхода можно разделить на две группы в зависимости от того, с какой величиной (суммарным или теку- щим расходом) связан выходной сигнал преобразователя расхода. Это часто отражается в широко используемых их названиях. Счетчик – это средство измерений, имеющее первичный преобразователь расхода с импульсным выходным сигналом. При прохождении через первичный преобразователь опреде- ленного количества (в большем числе случаем объема) измеряе- мой среды формируется импульс или происходит один оборот элемента счетного механизма. Число импульсов определяется ко- личеством (суммарным расходом) измеряемой среды, прошедшей через счетчик. Первичный преобразователь расхода объемного счетчика более точно можно было бы назвать «преобразователем объема». Для счетчика может применяться термин «коэффициент счетчика». Коэффициент счетчика – это количество вещества (объем или масса), прошедшего через счетчик, соответствующее одному импульсу выходного сигнала или одному обороту счетного меха- низма. Для определения текущего расхода необходимо дополни- тельно проводить измерение времени, после чего вычислить средний текущий расход. Расходомер – это средство измерений, имеющее первичный преобразователь расхода, выходной сигнал которого определяет- ся текущим расходом. Суммарный расход определяется путем интегрирования текущего расхода по времени. С этой точки зрения счетчиками являются приборы, имею- щие роторный, турбинный, вихревой и струйный преобразовате- ли расхода, расходомерами – расходомеры переменного перепада давления, электромагнитные, ультразвуковые, тепловые, корио- лисовые. Счетчики измеряют суммарный расход точнее, чем текущий. Расходомеры измеряют текущий расход точнее, чем суммарный. |