Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. Академия стандартизации, метрологии и сертификации а. П. Лепявко средства измерений
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
1 АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ А.П. Лепявко СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА ЖИДКОСТИ И ГАЗА Москва 2015 2 УДК 531.1.87 Лепявко А.П. Средства измерений расхода жидкости и газа. – М.: АСМС, 2015. – 252 с. Рассматриваются методы и средства измерений расхода и ко- личества жидкости и газа. Приведены краткое описание и метро- логические характеристики средств измерений, работа которых основана на различных физических принципах. В книгу не включен раздел о расходомерах переменного пе- репада давления, которые широко применяются при промышлен- ных измерениях. Этим средствам измерения расхода будет по- священо отдельное издание. Значительное внимание уделено метрологическому обеспе- чению средств измерений расхода. Рассмотрены схемы эталон- ных расходомерных установок, используемых для градуирова- ния, поверки и калибровки. Приведены примеры проливной и беспроливной поверки средств измерений расхода. Книга написана на основе курса лекций, читаемых автором для слушателей Академии стандартизации, метрологии и серти- фикации, повышающих квалификацию по специализации «По- верка и калибровка средств теплотехнических измерений». Мате- риал может быть полезен также специалистам в области метроло- гического обеспечения и эксплуатации средств измерения расхо- да жидких и газообразных сред. ISBN978-5-93088-161-5 © АСМС, 2015 3 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Расход Q – количество вещества, протекающего через сече- ние канала в единицу времени. Такое толкование термина «расход» встречается практически во всей технической литературе. В зависимости от того, что понимается под количеством – объем или масса – различают соответственно объемный расход и массовый расход. Объемный расход Q о . Единица объемного расхода в Меж- дународной системе единиц – м 3 /с. Часто использование этой единицы оказывается неудобным, поэтому широко используются внесистемные единицы: м 3 /ч, дм 3 /мин, дм 3 /ч и т.д. Массовый расход Q м . Единица массового расхода в системе СИ – кг/с. Внесистемные единицы: т/ч, кг/мин. Q м = Q о ρ, где ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях. При измерении объемного расхода газа необходимо указы- вать рабочие параметры – давление и температуру, так как они оказывают сильное влияние на плотность. Учет природного газа проводится в единицах объема, при- веденного к стандартным условиям, V c . Стандартными усло- виями при учете природного газа в Российской Федерации в со- ответствии с ГОСТ 2939–63 «Газы. Условия определения объе- ма» приняты следующие: абсолютное давление c p = 101,325 кПа, температура c T = 293,15 К ( c t = 20 °C). Эти условия соответствуют нормальным при поверке средств измерений в Российской Феде- рации. Объем при стандартных условиях c V содержит такую же массу газа M, что и объем при рабочих условиях V. V V M c c ; c c ρ ρ V V , (1.1) где c – плотность измеряемой среды в стандартных условиях. 4 Поэтому для природного и ряда других газов используется объемный расход, приведенный к стандартным условиям, Q c , который соответствует такому же массовому расходу, что и объ- емный расход при рабочих условиях. Единицы измерения те же, что и для объемного расхода: м 3 /с, м 3 /ч. c о с м c ρ ρ ρ Q Q Q (1.2) Фактически объемный расход, приведенный к стандартным условиям, – это массовый расход с каким-то коэффициентом пропорциональности, определяемым при стандартных условиях. Ценность природного газа определяется не его массой, а теп- лотой сгорания. Поэтому расход газа рассчитывается с учетом теплоты его сгорания. С этой целью используется понятие «рас- ход энергосодержания (теплоты сгорания) Q э ». Единица изме- рения – МДж/с. Расход энергосодержания горючих газов э Q определяется по уравнениям м м с с э E Q E Q Q ; (1.3) с м с E E , где с Е – удельная объемная теплота сгорания при стандартных условиях; м Е – удельная массовая теплота сгорания. Примечание. Периодически в технической и научной перио- дике высказывается мнение о том, что учет природного газа не- обходимо вести в единицах массы и, следовательно, измерять массовый расход. Это, несомненно, справедливо для чистых га- зов, но не для газообразного природного газа. Необходимо учитывать, что не существует однозначной за- висимости между плотностью природного газа и его тепло- творной способностью. В составе газа может быть больше азота и углекислоты, при этом его плотность увеличивается, а теплотворная способность снижается. В составе газа может быть больше тяжелых углеводородов, при этом его плотность и теплотворная способность увеличиваются. 5 Кроме того, имеетcя и чисто метрологическое обоснование. Отношение c находится из уравнения состояния газа K T T p p 1 ρ ρ c c c , (1.4) где р, Т – рабочие условия; c p = 101,325 кПа, c T = 293,15 К – стандартные условия; K – коэффициент сжимаемости (учитывает отличие свойств реального газа от свойств идеального газа). Тогда TK p pT Q Q c c о c (1.5) В этом уравнении отсутствует плотность газа при стан- дартных условиях и, следовательно, погрешность (неопределен- ность) ее измерения или определения. Таким образом, при исполь- зовании средств измерений с объемным преобразователем рас- хода (турбинным, ротационным, вихревым, ультразвуковым) ре- зультаты измерений расхода, приведенного к стандартным ус- ловиям, точнее, чем результаты измерений массового расхода. Если же для измерений расхода сжиженного газа использу- ются массовые преобразователи расхода (например, кориолисо- вые), учет сжиженного газа удобней вести в единицах массы. При измерении объемного расхода жидкости необходимо также указывать ее параметры или приводить результаты изме- рения к стандартным условиям. Но во многих случаях этого не делается, так как у большинства жидкостей зависимость плотно- сти от температуры и давления незначительна, и при требованиях нормальной точности измерений можно не учитывать эту зави- симость. При требованиях высокой точности измерений, напри- мер, при учете нефти и нефтепродуктов, зависимость плотности от температуры и давления необходимо учитывать. Результаты измерений расхода нужно приводить к стандартным условиям: c p = 101,325 кПа, температура c t = 15 °C в соответствии с ГОСТ ИСО 5024–2013 «Нефтепродукты и газы нефтяные сжиженные. Измерения. Стандартные нормальные условия». 6 Согласно ГОСТ 8.417–2002 «Единицы величин» единицей количества вещества является моль. «Моль есть количество ве- щества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг». Поэтому в ГОСТ 15528–86 «Средства измерения расхода, объема или массы протекающих жидкости или газа. Термины и определения» дано такое определение расхода: «Расход жидкости (газа) – физиче- ская величина, равная пределу отношения приращения массы, или объема, или количества жидкости (газа), протекающих в тру- бопроводе через сечение, перпендикулярное направлению скоро- сти потока, к интервалу времени, за который это приращение произошло, при неограниченном уменьшении интервала време- ни». В то же время во всех нормативных документах в области измерений расхода под количеством понимается масса, объем или объем, приведенный к стандартным условиям. При этом не- обходимо учитывать, что под «количеством» понимается количе- ство текущей среды. В ГОСТ 15528–86 дано определение мгновенного расхода. Измерить мгновенное значение расхода практически невоз- можно. Любое средство измерений имеет инерционность и уже в нем происходит какое-то осреднение расхода. Более того, в по- давляющем большинстве случаев нет необходимости в измере- нии мгновенного расхода, так как любые процессы переноса энергии происходят в течение какого-то промежутка времени. При учете материальных сред и энергоносителей в принципе из- меряется средний расход. Необходимо также учитывать, что при турбулентном течении любой среды мгновенное значение расхода непостоянно. Его из- менение может быть описано только статистическими методами. Изменения мгновенного расхода воспринимаются средством из- мерения как гидродинамический шум и приводят к колебаниям показаний и выходного сигнала. Внешне это воспринимается как проявление случайной погрешности. Снижение гидродинамиче- ского шума обеспечивается путем осреднения результата измере- ний расхода за какой-то промежуток времени. В ГОСТ 15528–86 приведено определение среднего расхода: «Средний расход жидкости (газа) – расход жидкости (газа), вы- ражаемый отношением объема, массы или количества жидкости 7 (газа), протекшей через сечение трубопровода, к конечному ин- тервалу времени». Фактически всегда измеряется средний расход. При этом разные средства измерений имеют различные периоды его осред- нения. Это осреднение может проходить за счет свойств первич- ного преобразователя расхода или при обработке выходного сиг- нала первичного преобразователя электронным устройством. Необходимо отметить также, что, смысловое содержание технического термина «расход» отличается от содержания обще- принятого понятия «расход» в русском языке. В словаре русского языка Ожегова дано такое толкование: «Расход: 1. Устар. Дейст- вие по глаголу «расходиться». 2. То, что расходуется, идет в употребление на что-л. 3. Обычно в мн. числе (расходы). Деньги, расходуемые на что-л., затраты, издержки. 4. Графа, раздел в бух- галтерской книге для записи издержек». Таким образом, под расходом понимаются суммарные затра- ты, т.е. количество. Чтобы устранить это противоречие, в техни- ческой литературе применяют также следующие термины, кото- рые будут использоваться далее по тексту: Текущий расход – количество вещества (объем или масса), протекающее через сечение канала в единицу времени. Суммарный расход – количество вещества (объем или мас- са), прошедшего через сечение канала за какой-то промежуток времени. В данной книге под «расходом» будет пониматься как теку- щий, так и суммарный расход. Термин «текущий расход» полностью соответствует термину «расход», приведенному в начале раздела. Термин «суммарный расход» равнозначен термину «количе- ство», используемому в нормативных документах. Отличием яв- ляется лишь то, что этот термин отражает то, что измеряется ко- личество текущей среды. При этом «количество» изменяется во времени. В ГОСТ 15528–86 даны следующие определения расходоме- ра и счетчика: «Расходомер жидкости (газа) – измерительный прибор или совокупность приборов, предназначенных для измерения расхода жидкости (газа)». 8 «Счетчик жидкости (газа) – измерительный прибор, предна- значенный для измерения объема (массы) жидкости (газа), проте- кающей в трубопроводе через сечение, перпендикулярное на- правлению скорости потока». Примечание. В международной технической литературе, в том числе в документах МОЗМ, используется такой термин: «динамические измерения объема или массы». При такой тер- минологии счетчик жидкости или газа можно считать средст- вом динамических измерений объема или массы жидкости (газа). «Преобразователь расхода (или датчик расхода) – средство измерений расхода жидкости (газа), предназначенное для выра- ботки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хра- нения, но не поддающейся непосредственному восприятию на- блюдателем». В технической литературе используется другой термин: «первичный преобразователь расхода – измерительный преоб- разователь, непосредственно воспринимающий воздействие из- меряемой среды и преобразующий расход в величину, удобную для измерения». Наименования прибора «расходомер» и «счетчик», приве- денные в ГОСТ 15528–86, отражают измеряемую им величину: расход (текущий расход) или количество (суммарный расход). Но в часто используемых на практике определениях «расходомер» или «счетчик» отражается не измеряемая величина, а характер выходного сигнала первичного преобразователя расхода и про- цесс его дальнейшей обработки. Расходомер – прибор, у которого выходной сигнал первич- ного преобразователя расхода определяется текущим расходом. Для определения суммарного расхода (количества) необходимо произвести интегрирование по времени. Счетчик – прибор, у которого первичный преобразователь расхода имеет импульсный выходной сигнал. Это может быть электрический импульс или оборот элемента счетного механизма. Каждый импульс соответствует прохождению через счетчик оп- ределенного количества вещества. Число импульсов определяет- ся суммарным расходом (количеством вещества, прошедшего 9 через счетчик). Для определения среднего значения текущего расхода необходимо произвести деление измеренного за какой-то промежуток времени количества вещества (суммарного расхода) на этот промежуток времени. Измерить же мгновенный расход невозможно принципиально. В англоязычной технической литературе для средств измере- ний текущего расхода и суммарного расхода (количества теку- щей среды) применяется термин «Flow Meter» – измеритель по- тока. Аналогичный по смыслу термин «потокомер» иногда встре- чается и в отечественной технической литературе. Далее в тексте под средствами измерений расхода жидкости и газа понимаются как средства измерений текущего расхода, так и средства измерений суммарного расхода. Большинство современных средств измерений расхода обес- печивают измерение как текущего, так и суммарного расхода. Далее в тексте такие средства будут называться следующими терминами: расходомер-счетчик – средство измерений, у которого вы- ходной сигнал первичного преобразователя расхода определяется текущим расходом; счетчик-расходомер – средство измерений с импульсным выходным сигналом первичного преобразователя расхода. Число импульсов определяется суммарным расходом. 1.2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СРЕДСТВАМ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА В зависимости от условий и особенностей эксплуатации к средствам измерений расхода предъявляются самые различные требования. Часть из них предъявляется практически ко всем сред- ствам. К таким требованиям относятся следующие. Точность измерений. Обычно это требование формулирует- ся как требование высокой точности. При этом могут использо- ваться различные характеристики точности. В технологических процессах повышение точности измере- ний позволяет обеспечить большую эффективность их выполне- ния, за счет этого улучшать качество продукции и экономить ма- териальные ресурсы. В ряде случаев при проведении технологи- ческого процесса прежде всего необходимо обеспечить сходи- 10 мость (повторяемость) результатов измерений. При товарном учете результаты измерений количества должны быть согласова- ны по всему пути продвижения продукта от производителя до конкретного потребителя. При этом важна воспроизводимость результатов измерений на различных участках этого пути. Как правило, при измерении расхода в качестве характери- стики точности используется погрешность или неопределен- ность измерений. Термином «погрешность» фактически обозна- чается оценка погрешности результатов измерений, т.е. грани- цы интервала, в котором погрешность измерений находится с за- данной вероятностью. Снижение погрешности (неопределенно- сти) позволяет повысить как сходимость, так и воспроизводи- мость измерений. В настоящее время во всем мире для оценки точности изме- рений используется термин «неопределенность». При этом дей- ствующие в России правила ПМГ 96–2009 «ГСИ. Результаты и характеристики качества измерений. Формы представления» до- пускают для обозначения характеристики качества измерений использовать как «погрешность», так и «неопределенность». Правила устанавливают следующие характеристики качества измерений: среднеквадратическое отклонение погрешности измерений или стандартная неопределенность измерений (точечные харак- теристики качества измерений); границы интервала, в котором погрешность измерений нахо- дится с заданной вероятностью, или расширенная неопределен- ность измерений (интервальные характеристики качества изме- рений). Требования к точности отражены в нормативных документах. В соответствии с ГОСТ Р 8.595–2004 «ГСИ. Масса нефти и нефтепродуктов. Общие требования к методикам выполнения измерений» пределы допускаемой относительной погрешности измерения массы протекающих в трубопроводе нефтепродуктов составляют: масса брутто товарной нефти ±0,25 %; масса нетто товарной нефти ±0,35 %. При измерении массы нефти косвенным методом (путем из- мерения объема и плотности) с учетом погрешности измерений плотности это приводит к необходимости измерения объема неф- ти с погрешностью не более ±0,15 и ±0,25 % соответственно. 11 За рубежом при коммерческом учете нефтепродуктов принято проводить градуирование преобразователей расхода с погрешно- стью в пределах ±0,1 %, при оперативном учете − не более ±0,5 %. В ГОСТ Р 8.741–2011 приведены следующие требования к относительной погрешности измерений объема природного газа, приведенного к стандартным условиям при значениях расхода, приведенного к стандартным условиям: более 10 5 м 3 /ч ....................................................................... ±1,5 % от 2∙10 4 до 10 5 м 3 /ч .............................................................. ±2,0 % от 10 3 до 2∙10 4 м 3 /ч .............................................................. ±2,5 % менее 10 3 м 3 /ч ...................................................................... ±3,0 % |