Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
средства измерений с подвижными элементами в потоке измеряемой среды; средства измерений без подвижных элементов в потоке измеряемой среды. К устройствам с подвижными элементами относятся: камерные устройства (лопастные, кольцевые, с овальными шестернями, дисковые, винтовые, диафрагменные, роторные); расходомеры обтекания (постоянного перепада давления – ротаметры и поплавковые расходомеры); скоростные устройства (турбинные и шариковые); вибрационные устройства (кориолисовые). Средства измерений без подвижных элементов в потоке из- меряемой среды подразделяются: на средства измерений с деформацией потока (расходомеры переменного перепада давления, вихревые и струйные); на средства измерений без деформации потока (ультразву- ковые, электромагнитные, корреляционные, тепловые, оптиче- ские). Для таких средств измерений ранее применялся не совсем корректный термин «бесконтактные расходомеры». Поток измеряемой среды в разных устройствах оказывает различное воздействие на первичный преобразователь расхода. У полнопроходных устройств чувствительные элементы преоб- разователя расхода воспринимают воздействие всего потока из- меряемой среды. Полнопроходными являются расходомеры пе- ременного перепада давления с сужающими устройствами, рота- метры, электромагнитные, камерные, турбинные, кориолисовые устройства. В других устройствах измеряется скорость потока в точке или нескольких точках сечения трубопровода или средняя ско- рость по линии. Расход фактически определяется методом «пло- щадь – скорость». Скорость может измеряться методом перемен- ного перепада давления с помощью напорных трубок, а также турбинными, электромагнитными, вихревыми и термоанемомет- рическими преобразователями скорости. Устройства, в которых преобразователь скорости размещается на штанге и вводится в трубопровод, получили название погружных. 21 Находят некоторое применение так называемые парциаль- ные средства измерений расхода. В таких устройствах отводится часть потока измеряемой среды, и только эта часть воздействует на чувствительный элемент средства измерений. В зависимости от быстродействия средства измерения рас- хода подразделяются: на малоинерционные приборы с временем установления показаний менее 0,1 с; на инерционные приборы с временем установления показа- ний более 0,1 с. Самыми быстродействующими являются электромагнитные преобразователи расхода. К быстродействующим относятся так- же турбинные преобразователи. Наиболее инерционными явля- ются полнопроходные тепловые расходомеры. По точности можно выделить следующие группы средств измерений расхода: средства измерений высокой точности с погрешностью менее ±0,5 %; средства измерений нормальной точности с погрешностью в пределах от ±0,5 до ±1,5 %; средства измерений низкой точности с погрешностью от ±1,5 до ±2,5 %; грубые средства измерений с погрешностью более ±2,5 до 5,0 %. Такое разделение несколько условно, тем не менее оно ха- рактеризует определенные требования как к конструкции, так и метрологическому обеспечению. Средства измерений высокой точности градуируются и в большинстве случаев поверяются только проливным метолом с использованием высокоточных расходомерных установок, часто непосредственно на месте экс- плуатации. Рабочими приборами высокой точности являются турбинные счетчики нефти и нефтепродуктов, камерные счетчики промыш- ленных жидкостей, электромагнитные расходомеры, массовые кориолисовые расходомеры, а также современные многолучевые жидкостные и газовые ультразвуковые расходомеры. Наиболее широко используются приборы нормальной и низ- кой точности. 22 Государственные поверочные схемы для средств измерений расхода жидкости и газа предусматривают рабочие средства из- мерений с относительной погрешностью не более 5,0 %. В зависимости от метода контроля метрологических ха- рактеристик средства измерений расхода можно разделить на две группы: средства измерений, градуирование, поверка и калибровка которых возможны только проливным методом с использовани- ем эталонных расходомерных установок; средства измерений, поверка и калибровка которых могут проводиться беспроливным (поэлементным имитационным)ме- тодом. Возможность проведения беспроливной поверки и калибров- ки определяется следующими условиями: физический процесс, происходящий в первичном преобразо- вателе расхода, хорошо изучен, определены источники возникно- вения погрешности и их вклад в суммарную погрешность изме- рения; отсутствуют факторы, влияние которых трудно непосредст- венно проконтролировать; разработаны соответствующие методики поверки и калиб- ровки; имеются или специально разработаны технические средства поверки и калибровки. На результаты измерений приборами, имеющими в первич- ном преобразователе расхода подвижные элементы, оказывают влияние неопределенность трения и протечки через зазоры. Про- контролировать влияние этих факторов при беспроливной повер- ке практически невозможно. Поэтому поверка и калибровка та- ких приборов и в тех случаях, когда физический процесс деталь- но изучен, может проводиться только проливным методом. В приборах с первичными преобразователями расхода без подвижных элементов источниками погрешности являются от- клонение геометрических параметров преобразователя от номи- нальных значений, погрешность измерительных устройств, вос- принимающих сигнал от преобразователя расхода, а также по- грешность, вызванная недостаточным знанием самого физиче- ского процесса в преобразователе расхода. При хорошо изучен- ном процессе в преобразователе расхода контроль метрологиче- 23 ских характеристик прибора в целом может проводиться поэле- ментно и заключаться в контроле геометрических параметров первичного преобразователя расхода и метрологических характе- ристик вторичных средств измерений. Для ряда средств измерений расхода разработаны методики поверки и калибровки беспроливным методом. Такими средства- ми являются расходомеры переменного перепада давления со стандартными и специальными сужающими устройствами, ус- редняющими напорными трубками, а также ультразвуковые, электромагнитные, корреляционные расходомеры, вихревые счетчики. При этом средства измерений расхода высокой точности, во всяком случае, градуируются проливным методом на эталонных расходомерных установках. Для обеспечения возможности гра- дуирования, калибровки и поверки средств высокой точности строятся соответствующие эталонные установки, в том числе и для очень больших расходов. Самая большая в мире жидкостная эталонная установка фир- мы «Krohne» обеспечивает возможность калибровки средств из- мерений с расходом до 40.000 м 3 /ч. Самая большая установка, предназначенная для природного газа, «TransCanada Calibrations» позволяет калибровать средства измерений с расходом до 55.000 м 3 /ч при давлении до 70 бар, что соответствует расходу, приведенному к стандартным условиям 3.900.000 м 3 /ч, с расширенной неопределенностью измерений 0,2 %. 1.4. НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА Нормирование метрологических характеристик средств изме- рений, в том числе и средств измерений расхода, осуществляется в соответствии с принципами, изложенными в ГОСТ 8.009–84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Метрологические характеристики конкретных типов средств измерений устанавливаются в соответствующих норма- тивных документах: государственных стандартах и технических условиях (ТУ). 24 Комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерений согласно ГОСТ 8.009–84 включает в себя сле- дующие группы характеристик: характеристики, предназначенные для определения результа- тов измерения (без введения поправок); неинформативные параметры выходного сигнала; характеристики погрешности; характеристики чувствительности к влияющим величинам; динамические характеристики; характеристики, отражающие взаимодействие с объектом из- мерения. К характеристикам, предназначенным для определения ре- зультатов измерения, относятся: номинальная статическая характеристика преобразования (НСХ); диапазон измерений; информативный параметр выходного сигнала. Номинальная статическая характеристика преобразова- ния средств измерений расхода может быть представлена двумя способами: в виде аппроксимирующего уравнения, связывающего расход Q и информативный параметр выходного сигнала X, Q = f (X); (1.6) в виде зависимости коэффициента преобразования пр K от расхода ) ( пр Q f K (1.7) Аппроксимирующее уравнение Q = f (X) может быть пред- ставлено в виде линейной зависимости или полинома второй сте- пени Q = bX; (1.8) Q = a + bX; (1.9) Q = a + bX + cX 2 , (1.10) где a, b, c – постоянные коэффициенты. Используются и более сложные формулы. Например, зави- симость коэффициента истечения расходомера переменного пе- репада давления со стандартными сужающими устройствами от 25 числа Рейнольдса может рассматриваться как номинальная ста- тическая характеристика преобразования. Коэффициент преобразования определяется как отношение: Q X К пр для средств измерения текущего расхода (расходо- меров) или G X К пр для средств измерения суммарного расхода (счетчи- ков), где X – информативный параметр выходного сигнала; G – количество вещества, прошедшего через счетчик. В переводной технической документации для коэффициента преобразования используется такой термин, как «К-фактор». Коэффициент преобразования счетчика – это величина, об- ратная коэффициенту счетчика сч K , пр сч 1 К X G К (1.11) Коэффициент преобразования пр K может приниматься по- стоянным, представляться в виде полинома первой или второй степени, а также в виде таблицы. Аппроксимирующие уравнения определяются при градуи- ровке. В протоколах испытаний, паспортах приводится аппрок- симирующее уравнение в общем виде с указанием числовых ко- эффициентов. Номинальная статическая характеристика может представляться отдельно для различных поддиапазонов измере- ния. Диапазон измерений нормируется путем указания нижнего Q min (наименьшего расхода) и верхнего Q max (наибольшего расхо- да) пределов измерения. При разбивке всего диапазона на под- диапазоны указывают также их границы. Для характеристики ширины диапазона измерения часто ис- пользуется такое понятие, как динамический диапазон. Динами- ческий диапазон – это отношение верхнего предела измерения к нижнему (наибольшего расхода к наименьшему) Q max : Q min , на- пример 10:1 или 30:1. Иногда указывается отношение наименьшего расхода к наи- большему Q min : Q max , например 1:10 или 1:30. 26 Информативный параметр выходного сигнала нормируют путем указания физической величины и границ ее изменения. При измерении текущего расхода информативным парамет- ром выходного сигнала могут быть: частота или период следова- ния электрических импульсов, сила тока, напряжение, цифровой код, перепад давления, перемещение указателя шкалы и т.д., при измерении количества (суммарного расхода) – количество элек- трических импульсов, цифровой код, число оборотов измери- тельного механизма, показания роликового или стрелочного ука- зателя количества. Неинформативные параметры выходного сигнала необ- ходимы для выбора вторичных устройств. К неинформативным параметрам относятся: уровень шума в выходном сигнале напря- жения или тока; амплитуда колебаний указателя шкалы; в том случае, если выходным параметром являются электрические им- пульсы, − форма и амплитуда импульса и т. д. Характеристики основной погрешности. Нормирование основной погрешности у большинства средств измерений расхо- да проводится путем установления предела допускаемых зна- чений без разделения на систематическую и случайную состав- ляющие. У некоторых устройств, например ротаметров, норми- руется также и вариация показаний. У расходомеров (средств измерений текущего расхода Q) может нормироваться предел основной допускаемой относитель- ной δ о или приведенной γ о погрешности. При нормировании при- веденной погрешности за нормирующее значение принимают верхний предел измерения Q max : 100 δ o o Q ; (1.12) 100 γ max o o Q , (1.13) где Δ о − предел допускаемой основной абсолютной погрешности. У средств измерений суммарного расхода G (счетчиков) все- гда нормируют предел допускаемых значений основной относи- тельной погрешности δ о : 27 100 δ o o G (1.14) Диапазон измерений может быть разбит на поддиапазоны с разными значениями допускаемой погрешности. На рис. 1.1а приведен пример области допускаемых значений погрешности (поле или полоса допускаемых значений погрешности) при раз- делении диапазона измерений на три поддиапазона. Рис. 1.1. Области допускаемых погрешностей при различных способах нормирования: а – при разделении диапазона измерения на три поддиапазона; б – в соответствии с формулой 1.15 У некоторых средств измерений расхода значение предела допускаемой основной относительной погрешности δ о выражает- ся уравнением δ 100 δ Н o Q , (1.15) где Δ Н − нестабильность нуля; 28 δ − «погрешность», включающая в себя нелинейность (сис- тематическую погрешность), повторяемость (случайную погреш- ность) и гистерезис (вариацию). Нестабильность нуля представляется в абсолютных единицах или в процентах от наибольшего или номинального расхода. Пример области допускаемых погрешностей при таком нормиро- вании приведен на рис. 1.1б. Такое нормирование характерно для современных электронных средств измерений расхода. Средствам измерений расхода могут присваиваться классы точности. При этом класс точности численно равен пределу до- пускаемых значений основной относительной или приведенной погрешности в основном диапазоне измерений. Основная допускаемая погрешность может быть представле- на в виде суммы систематической и случайной составляющих. В этом случае нормируют предел систематической составляю- щей погрешности и предел среднеквадратического значения случайной составляющей погрешности. При этом они также характеризуются приведенными c и или относительными c и значениями. У некоторых средств измерений суммарного расхода норми- руется средневзвешенная (среднеинтегральная) погрешность, ко- торая определяется при поверке. В общем виде формула для вычисления средневзвешенной (среднеинтегральной) погрешности: i i P δ δ с.в , (1.16) где i δ – относительная погрешность при i-м расходе; i P – весовой коэффициент. Чувствительность к изменению влияющих величин нор- мируют раздельно для каждой влияющей величины. Влияющими величинами являются кроме параметров окружающего воздуха и параметров электропитания параметры измеряемой среды (дав- ление, температура, плотность, вязкость). Чувствительность к изменению влияющих величин может характеризоваться пределом дополнительной погрешности доп или функцией влияния на результат измерений. Функция влияния – это зависимость изменения выходного сигнала преоб- разователя расхода ∆X от влияющей величины μ: 29 ∆X = f(μ). (1.17) Чаще нормируется предел дополнительной погрешности. Функцию влияния нормируют, как правило, у высокоточных преобразователей расхода, так как в этих случаях изменение ре- зультата измерения при изменении влияющей величины может значительно превышать допускаемое значение основной погреш- ности. В современных средствах измерений функция влияния оп- ределяется экспериментально при градуировании и вводится в память вычислительного устройства. При этом нормируется до- полнительная погрешность, которая определяется погрешностью определения и учета функции влияния. Динамические характеристики, как правило, нормируют путем указания времени установления показаний или постоянной времени. Взаимодействие с объектом измерения. Нормируются воз- действие первичного преобразователя расхода на поток измеряе- мой среды и требования к подготовке потока. Воздействие первичного преобразователя расхода на поток измеряемой среды нормируется указанием гидравлического со- противления Δp преобразователя при каком-либо характерном расходе, чаще всего наибольшем, или приводятся зависимости гидравлического сопротивления от расхода Δp = f(Q) или от чис- ла Рейнольдса, характеризующего режим течения измеряемой среды, Δp = f(Re). Требования по подготовке потока включают в себя указания минимально допустимых длин прямолинейных участков трубо- провода до и после преобразователя расхода, которые необходимо предусматривать для обеспечения требуемой точности в зависи- мости от типа местных сопротивлений, присутствующих в трубо- проводе. Для сокращения длин прямых участков могут устанавли- ваться струевыпрямители или устройства подготовки потока. Возможность соответствующего сокращения длин прямых участков должна быть подтверждена соответствующими испыта- ниями. Характеристики метрологической надежности. Нормиру- ется межповерочный (межкалибровочный) интервал, который должен определяться в зависимости от условий и режима работы, а также требуемой точности. |