Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
Турбинные счетчики воды Для учета количества воды широко применяются счетчики, турбинка которых через шестеренчатый редуктор связана со счетным механизмом. В таких счетчиках для приведения в дейст- вие счетного механизма турбинка при вращении должна преодо- левать значительный момент сопротивления. Это не позволяет обеспечить высокую точность измерения. 65 Счетчики воды выполняются с тангенциальной турбинкой (они называются крыльчатыми) в соответствии с ГОСТ 6019–83 с диаметрами условного прохода у D = 10…50 мм, номинальный расход Q ном = 1,0…15 м 3 /ч, и с аксиальной турбинкой в соответст- вии с ГОСТ 14167–83 с у D = 50…250 мм, Q ном = 35…500 м 3 /ч. Технические требования к счетчикам холодной питьевой воды изложены также в ГОСТ Р50193.1...3–92. Устройство счетчика воды с аксиальной турбинкой показано на рис. 3.8. Поток жидкости выравнивается в струевыпрямителе 1 и направляется на лопасти турбинки 3. Вращение турбинки через червячную пару 4 и передаточный механизм 5 передается счет- ному устройству 6. Счетное устройство имеет указатель с деле- ниями, оцифрованными в литрах и кубических метрах. Рис. 3.8. Счетчик воды с аксиальной турбинкой: 1 – струевыпрямитель; 2 – регулировочное устройство; 3 – турбинка; 4 – червячная пара; 5 – передаточный механизм; 6 – счетное устройство Возможность отсчета непосредственно в единицах объема обеспечивается регулировкой передаточного числа, подбором сменных шестерен и регулировкой скорости вращения турбинки. Для изменения скорости вращения одна из радиальных лопастей струевыпрямителя выполняется поворотной относительно на- 66 правления потока. С помощью регулировочного устройства 2 по- воротом лопасти изменяется угол поступления части жидкости на турбинку таким образом, чтобы погрешность измерений находи- лась в допустимых пределах. Устройство счетчиков с тангенциальной турбинкой изобра- жено на рис. 3.9 и 3.10. Они выполняются одноструйными и мно- гоструйными. Рис. 3.9. Счетчик воды с тангенциальной турбинкой: 1 – корпус; 2 – турбинка; 3 – передаточный механизм; 4 – счетное устройство Рис. 3.10. Камеры счетчиков с тангенциальной турбинкой: а – одноструйного; б – многоструйного Одноструйные счетчики более просты по конструкции и имеют меньшие потери давления. Но они менее надежны в рабо- те вследствие одностороннего износа опор. 67 В ГОСТ 6019–83 для счетчиков воды указаны следующие ха- рактерные расходы: наибольший расход Q max – наибольший расход, при котором счетчик может работать кратковременно, не более 1 часа в сутки; номинальный расход Q ном – расход, равный половине макси- мального, при котором счетчик может работать непрерывно (круглосуточно); переходный расход Q пер – расход, при котором допускаемая погрешность счетчика находится в пределах δ о = ±2,0 %, а при меньшем расходе δ о = ±5,0 %. наименьший расход Q min – расход, при котором допускаемая погрешность счетчика находится в пределах δ о = ±5,0 % и ниже которого погрешность не нормируется; порог чувствительности Q ч – минимальный расход, при кото- ром турбинка приходит в непрерывное движение. При расходах менее Q ч турбинка неподвижна. В пределах Q пер …Q max пределы основной допускаемой по- грешности счетчика δ о = ±2,0 %. В пределах Q min …Q пер пределы основной допускаемой по- грешности счетчика δ о = ±5,0 %. В ГОСТ 14167–83 отдельно выделен эксплутационный рас- ход Q экс – расход, при котором счетчик может работать непре- рывно. При этом Q экс ≤ Q ном В ГОСТ Р 50193.1–92 «Измерение расхода воды в закрытых каналах. Счетчики питьевой воды. Технические требования» да- ны несколько отличающиеся от вышеприведенных определения наибольшего и номинального расхода: Q max – расход, при котором счетчик может работать кратко- временно; Q ном – расход, равный половине максимального. При этом расходе счетчик может работать продолжительное время. Допускается оценивать погрешность измерения счетчика в виде среднеинтегральной относительной погрешности. Значение среднеинтегральной погрешности си δ вычисляется по формуле n i i P 1 си δ δ , (3.5) где i δ – значение относительной погрешности на i-м расходе; 68 i P – весовой коэффициент, приведенный в таблицах соответ- ствующего нормативного документа. В соответствии с ГОСТ 6019–83 при выпуске из производст- ва среднеинтегральная погрешность крыльчатых счетчиков хо- лодной воды не должна выходить за пределы ±2,1 %. В соответ- ствии с ГОСТ 14167–83 при выпуске из производства среднеин- тегральная погрешность турбинных счетчиков холодной воды ±2,25 %. В условиях эксплуатации пределы допускаемой относитель- ной погрешности э о δ и среднеинтегральной относительной по- грешности э си δ определяют по формулам ) 17 0 (δ δ о э о t , (3.6) или ) 17 0 (δ δ си э си t , , (3.7) где t – время со дня ввода в эксплуатацию после выпуска из про- изводства или ремонта, тыс. ч. При этом значения э о δ и э си δ не должны быть более 2 э о δ и 2 э си δ соответственно. За счет наличия механического отсчетного устройства и пе- редаточного механизма турбинные счетчики воды более инерци- онны, чем описанные выше турбинные преобразователи расхода. Но они также быстрее разгоняются при увеличении расхода и медленнее тормозятся при его уменьшении. При отключении по- тока воды турбинка некоторое время продолжает вращаться. Поэтому при циклическом потреблении воды, что характерно для квартирных счетчиков, возникает положительная дополни- тельная погрешность, которая зависит от объема, пропускаемого через счетчик за один цикл измерений. Чем меньше этот объем, тем больше дополнительная погрешность. Турбинные счетчики и счетчики-расходомеры газа Турбинные преобразователи расхода широко используются для измерения расхода и количества газа. Конструкция турбинно- го счетчика газа приведена на рис. 3.11. 69 Рис. 3.11. Турбинный счетчик-расходомер газа: 1 – струевыпрямитель; 2 – обтекатель; 3 – турбинка; 4 – датчик импульсов; 5 – магнитная муфта; 6 – счетный механизм; 7 – отбор давления; 8 – термопреобразователь Конструкции турбинных преобразователей расхода газа и жидкости близки. В состав счетчика-расходомера газа входят датчики импульсов двух типов: низкочастотный и высокочастот- ный. Низкочастотный датчик импульсов расположен в корпусе счетного механизма 6 и предназначен для измерения объема газа, прошедшего через счетчик (суммарного расхода в рабочих усло- виях). Высокочастотный датчик 4 находится в непосредственной близости от лопастей турбинки 3. Он предназначен для измере- ния текущего расхода. При прохождении лопасти около датчика в электрической цепи возникает импульс. Частота импульсов пропорциональна частоте вращения турбинки и текущему расхо- ду газа, проходящего через счетчик. Измерение текущего расхо- да, проходящего через счетчик, обеспечивает возможность ли- неаризации характеристики преобразования за счет введения со- ответствующих поправок. Для приведения результата измерения объема к стандартным условиям необходимо дополнительно измерять давление и тем- пературу газа. Измерение давления и температуры может проис- ходить как в трубопроводе, так и непосредственно в самом пре- образователе расхода, как показано на рис. 3.10. Для этого в кор- пусе счетчика предусматривается отверстие для отбора давления 7 и размещается термопреобразователь 8. 70 При изменении параметров газа изменяется зависимость ко- эффициента преобразования от расхода. При изменении давления и температуры газа изменяются плотность и вязкость. С ростом давления увеличивается плотность, уменьшается вязкость, уве- личивается число Рейнольдса. За счет этого зависимость коэффи- циента преобразования от расхода становится более пологой и расширяется диапазон измерения, значения коэффициента преоб- разования изменяются. Кривая погрешности становится более плоской (см. рис. 3.12). Рис. 3.12. Коэффициент преобразования турбинного преобразователя расхода при различных давлениях газа В то же время поверка большинства счетчиков газа в Россий- ской Федерации проводится на воздухе низкого давления. Значе- ния коэффициента преобразования и погрешности при реальной эксплуатации будут отличаться от результатов, полученных при поверке. Плотность и динамический коэффициент вязкости природно- го газа при одинаковом давлении почти в 2 раза меньше, чем у воздуха. При этом кинематический коэффициент вязкости практически одинаков. При относительно низких давлениях при- родного газа (до 4 бар) отличие реальных значений коэффициен- та преобразования от полученных значений при поверке с ис- пользованием воздуха низкого давления не превышает несколь- ких десятых процента. Считается, что при допускаемой погреш- ности 71 в пределах ±1,0 % этим отличием можно пренебречь. В тех случаях, когда счетчик газа предназначен для работы при высоких давлениях, для обеспечения требуемой точности не- обходимо проводить градуировку и поверку при условиях, близ- ких к условиям эксплуатации. В соответствии с современными требованиями градуирование и поверка счетчиков природного га- за, предназначенных для работы при повышенных давлениях газа и используемых при коммерческом учете, должны проводиться при рабочих давлениях. Поверочной средой в таких расходомер- ных установках является транспортируемый природный газ. В соответствии с Техническим руководством G 13 Физико- технического института Германии (PTB) длина прямого участка перед турбинным счетчиком газа должна быть не менее 5 у D , по- сле счетчика не менее 2 у D . При наличии значительного возму- щения в трубопроводе перед счетчиком (например, группа колен в разных плоскостях) дополнительно перед счетчиком необходи- мо устанавливать устройство подготовки потока. Возможность сокращения прямых участков трубопровода до и после преобра- зователя должна быть доказана экспериментально. Некоторые фирмы указывают, что длина прямого участка пе- ред счетчиком может быть сокращена до 2 у D . При наличии зна- чительного возмущения на этом участке трубопровода необхо- димо устанавливать устройство подготовки потока. Согласно ре- комендациям фирмы «RMG Messtechnik» при монтаже счетчика TRZ-03L, так как в самой конструкции имеется устройство под- готовки потока, нет необходимости предусматривать прямой уча- сток трубопровода. Большинство фирм-изготовителей турбинных счетчиков газа рекомендуют после счетчика прямой участок трубопровода дли- ной 2 у D . Допускается непосредственно после счетчика иметь 90º колено длиной не менее 2 у D . Применяются газовые турбинные счетчики диаметром условного прохода у D = 50…600 мм, измеряемый расход 5…25 000 м 3 /ч. Динамический диапазон измерения (Q max :Q min ) для большинства турбинных счетчиков составляет от 10:1 до 30:1. Пределы основной допускаемой погрешности ±1,0 % в диа- пазоне 20…100 % Q max и ±2,0 % при меньших расходах. В на- 72 стоящее время выпускаются турбинные счетчики газа с предела- ми основной допускаемой погрешности ±0,5 и ±1,0 % в указан- ных выше поддиапазонах. В соответствии с Рекомендацией МОЗМ R137 у средств из- мерения расхода газа нормируются два значения погрешности: первое при первичной поверке, второе при эксплуатации и пе- риодической поверке. Второе значение в два раза больше перво- го. Так, у счетчика класса точности 0,5 при испытаниях в целях утверждения типа и первичной поверке в основном диапазоне измерений предел допускаемой относительной погрешности ра- вен 0,5 %, а при эксплуатации 1,0 %. При первичной поверке у средств измерений расхода газа оп- ределяется также средневзвешенная (среднеинтегральная) по- грешность. У средств измерений класса точности 0,5 она должна находиться в пределах ±0,2 %, у средств измерений класса точно- сти 1,0 – в пределах ±0,4 %, у средств измерений класса точности 1,5 – в пределах ±0,6 %. Турбинные преобразователи расхода используются в качест- ве рабочих эталонов при поверке счетчиков газа нормальной точ- ности как на воздухе, так и при реальных давлениях природного газа. Они градуируются и поверяются на высокоточных газовых расходомерных установках. При этом обеспечивается погреш- ность измерений объема такими турбинными преобразователями в пределах ±0,3 %. 3.1.5. Шариковые счетчики и счетчики-расходомеры В шариковых преобразователях расхода подвижный эле- мент – шарик – непрерывно движется по кругу. Это движение обеспечивается или винтовым направляющим устройством, или тангенциальным подводом измеряемой среды. Более широко применяются преобразователи с винтовым направляющим уст- ройством. Шариковый преобразователь расхода с винтовым направ- ляющим аппаратом приведен на рис. 3.13. Закрученный в на- правляющем устройстве 2 поток приводит шарик 3 в круговое движение по внутренней поверхности корпуса 1. Шарик имеет вставку из магнитного материала. Частота вращения шарика пре- образуется в электрический частотный сигнал индукционным или индуктивным преобразователем 6. 73 Рис. 3.13. Шариковый преобразователь расхода: 1 – корпус; 2 – винтовой направляющий аппарат; 3 – шарик; 4 – струевыпрямитель; 5 – ограничительное кольцо; 6 – преобразователь частоты вращения шарика в электрический сигнал Основным достоинством шариковых расходомеров по срав- нению с турбинными является возможность измерений расхода жидкостей с твердыми включениями. Это обусловлено отсутст- вием подшипников и простотой конструкции. Однако погреш- ность у них больше. Предел основной допускаемой приведенной погрешности γ о = ±1,5 %. Диапазон измерения более узкий, чем у турбинных преобразователей. Показания сильно зависят от вяз- кости жидкости. Они применяются прежде всего для измерений расхода за- грязненных жидкостей, а также в тех случаях, когда определяю- щим требованием является надежность. Ранее выпускались шариковые преобразователи расхода с диаметром условного прохода D у = 32…150 мм, наибольший из- меряемый расход Q max = 4…400 м 3 /ч. В настоящее время произво- дятся шариковые расходомеры с наибольшим расходом 50 м 3 /ч. 3.1.6. Вихревые счетчики и счетчики-расходомеры Вихревые счетчики – это относительно новые средства изме- рений расхода. Первые промышленные образцы появились в 1969 г. Принцип основан на зависимости частоты возникающих 74 в потоке измеряемой среды вихрей от расхода. Известны два типа вихревых преобразователей расхода: с размещенным в трубопроводе плохообтекаемым телом (Vortex), после которого образуется вихревая дорожка Кармана, и с закру- ченным потоком, образующим воронкообразный вихрь (Swirl) Преобразователи расхода с плохообтекаемым телом Принцип действия преобразователя расхода с плохообтекае- мым телом основан на широко известном явлении: за препятст- вием на пути движущегося потока образуются завихрения. Схе- матично такой вихревой преобразователь расхода представлен на рис. 3.14. Рис. 3.14. Вихревой преобразователь расхода (Vortex): 1 – корпус; 2 – обтекаемое тело; 3 – вихревая дорожка Кармана Частота образования вихрей f определяется по формуле b v Sr f , (3.8) где Sr – число Струхаля; v – скорость потока; b – характерный размер обтекаемого тела. Критерий (число) Струхаля характеризует периодические процессы, связанные с движением жидкости или газа. В общем случае число Струхаля зависит от числа Рейнольд- са. Минимальный расход, при котором формируется устойчивая дорожка Кармана, соответствует числу Рейнольдса Re = 5000. Оптимальные для измерения условия начинаются при Re > 20000. В этом диапазоне число Струхаля остается практически постоян- 75 ным (см. рис. 3.15). Рис. 3.15. Зависимость числа Струхаля от числа Рейнольдса Зависимость между объемным расходом и частотой образо- вания вихрей f Sr Fb Q o , (3.9) где F – площадь наименьшего поперечного сечения вокруг обте- каемого тела. Коэффициент преобразования Fb Sr Q f K o пр (3.10) При постоянном значении числа Струхаля зависимость меж- ду расходом и частотой образования вихрей линейная. Для обес- печения измерений при малых расходах зависимость коэффици- ента преобразования от числа Re вносится в память микропро- цессорного устройства счетчика. Применяются различные способы преобразования вихревого движения в выходной частотный сигнал. Они основаны на ис- пользовании периодических колебаний давления с обеих сторон обтекаемого тела, изменения скорости потока или деформации обтекаемого тела. Колебания давления измеряемой среды воспринимаются дат- чиками давления или термоанемометром, расположенным в сквозном канале, соединяющем эти стороны. Прохождение вих- рей дорожки Кармана регистрируется ультразвуковыми, элек- 76 тромагнитными или емкостными датчиками. Деформация тела обтекания под действием разности давлений его на двух сторонах воспринимается пьезодатчиками, установленными в торце тела обтекания. При изменении температуры измеряемой среды изменяются размеры элементов счетчика и коэффициент преобразования. В том случае, если корпус и обтекаемое тело выполнены из одинакового материала, ) α( 3 1 o пр.о пр t t K K (3.11) Если корпус и обтекаемое тело выполнены из разных мате- риалов, ) )( 2 ( 1 o 2 1 пр.о пр t t K K , (3.12) где К пр.о – коэффициент преобразования при температуре пер- вичной калибровки (градуирования); t – температура измеряемой среды; t o – температура измеряемой среды при первичной калибров- ке; α – коэффициент линейного температурного расширения ма- териала корпуса и обтекаемого тела; α 1 – коэффициент линейного температурного расширения материала корпуса; α 2 – коэффициент линейного температурного расширения материала обтекаемого тела. При изменении температуры измеряемой среды необходимо также учитывать измерение ее вязкости и плотности. В соответствии с технической документацией динамический диапазон измерений в зависимости от вязкости измеряемой сре- ды и от давления (для газа) составляет 20:1 при низких давлениях газа и 100:1 при высоких (более 20 бар). В документе МОЗМ D25 «Vortex meters used in measuring systems for fluids» в редакции 2010 г. указывается, что динамиче- ский диапазон измерения зависит от требуемой точности. При допускаемой погрешности ±1,0 % минимальный расход ограничивается минимальным значением числа Рейнольдса и чувствительностью используемых сенсоров, максимальный рас- ход – потерями давления и возникновением кавитации. При допускаемой погрешности в пределах ±0,5 % при посто- 77 янном значении коэффициента преобразования динамический диапазон измерений не более 5:1. Более широкий диапазон изме- рений может быть обеспечен при условии учета зависимости ко- эффициента преобразования от числа Рейнольдса и от температу- ры измеряемой среды. При этом средство измерений должно ка- либроваться при использовании реальной рабочей измеряемой среды или жидкости, обеспечивающей при калибровке такие же значения чисел Рейнольдса. Образование вихрей, так же как многие процессы в гидроме- ханике и аэродинамике, является вероятностным процессом. Час- тота образования вихрей непостоянна, она изменяется около не- которого среднего значения. Поэтому в вихревых счетчиках- расходомерах предусматривается демпфирование (осреднение) выходного сигнала преобразователя расхода. Период демпфиро- вания зависит от размера преобразователя и его конструктивных особенностей. Периоды демпфирования, предусматриваемые разработчиками средств измерений, могут быть более 200 секунд. На выходной сигнал вихревых преобразователей в опреде- ленных условиях сильное влияние могут оказывать пульсации расхода в трубопроводе. Это влияние может быть особенно вели- ко в том случае, если частота пульсаций близка к частоте образо- вания вихрей или 1/2 этой частоты. Для исключения значитель- ного влияния пульсаций на выходной сигнал вихревого преобра- зователя необходимо, чтобы частота пульсаций расхода была ме- нее 1/4 частоты образования вихрей или значительно более чем вдвое превышала эту частоту. При монтаже вихревых преобразователей расхода необходи- мо предусматривать прямые участки трубопровода до и после преобразователя. Требуемая длина прямых участков зависит от типа местных сопротивлений в трубопроводе и требуемой точно- сти измерений. В российской документации вихревых счетчиков- расходомеров часто приводятся крайне мягкие требования к пря- молинейным участкам трубопровода. Например, в руководстве по эксплуатации вихреакустического преобразователя расхода «Метран 300ПР» указывается: «При наличии таких элементов трубопроводов и арматуры, как коническое сужение с конусностью до 30°, круглое колено, полностью открытый вентиль или шаровой кран, длины прямых 78 участков до и после преобразователя должны быть не менее 5 D у и 2 D у соответственно». При наличии прочих элементов, возму- щающих поток (прямое колено, грязевик, группа колен и т.д.) длины прямых участков должны составлять не менее 10 D у и 5 D у ; сокращение длин прямых участков до 5 D у и 2 D у возможно при установлении струевыпрямителя». Эти значения значительно меньше, чем длины, требуемые при монтаже зарубежных вихревых преобразователей. В табл. 3.1 приведены минимальные значения длин прямых участков трубо- провода в соответствии с документацией таких фирм, как «En- dress & Hauser», «Krohne», «ABB Automation Products» и «Uoko- gawa». Таблица 3.1 Вид местного сопротивления Требуемая длина прямого участка «Endress & Hauser» «Krohne» «ABB Au- tomation Products» «Uokogawa» Сужение 15 D у 20 D у 15 D у 5 D у Расширение 17 D у + 8h 18 D у 10 D у Колено 90º или тройник 20 D у 20 D у 20 D у 10 D у Группа колен в разных плоскостях 40 D у 40 D у 40 D у 20 D у Группа колен в одной плоскости 25 D у 30 D у 25 D у 10 D у Регулирующий клапан 50 D у 50 D у 50 D у 20 D у Участок после преобразователя 5 D у 5 D у 5 D у 5 D у h – высота выступа трубы. Согласно рекомендациям «Endress & Hauser» и «Krohne» длина прямого участка до преобразователя может быть сокраще- на до 10 D у путем установки перфорированного устройства под- готовки потока. Относительно малые требуемые длины прямых участков у фирмы «Uokogawa» объясняется особенностями конструкции преобразователя. При колебаниях давления на сторонах тела об- текания возникают изгибные напряжения, которые фиксируются 79 пьезодатчиками, расположенными непосредственно в теле обте- кания. При этом в отличие от других способов происходит неко- торое усреднение характеристик потока по сечению (фактически по диаметру) трубопровода. В документации фирмы «Rosemount» также указывается, что длины прямых участков труб до и после вихревого преобразова- теля расхода не могут быть меньше 10 D у и 5 D у . Идеальным слу- чаем считается длина прямого участка до преобразователя 30…35 D у , после 5…10 D у Вихревые счетчики с обтекаемым телом применяются для из- мерения расхода и количества газа, пара, чистых жидкостей с низ- кой вязкостью и умеренно вязких (до 7 мПа∙с) в диапазоне чисел Рейнольдса до 7∙10 6 . Скорость жидкости до 10 м/с, газа до 80 м/с. Выпускаются вихревые расходомеры и счетчики-расходо- меры диаметром условного прохода D у от 15 до 300 мм с наи- большим расходом жидкости от 8 до 1 800 м 3 /ч, газа до 5 000 м 3 /ч. Наименьшие значения пределов допускаемой основной относи- тельной погрешности при измерении расхода жидкости ±0,75 % (« Uokogawa» и другие фирмы) и ±0,65 % («Rosemount»), расхода га- за и пара ±1,0 %. При измерении малых расходов при числах Рей- нольдса менее 20 000 погрешность измерения возрастает. |