К вопросу о точности измерений природного газа парциальными расходомерами

02.07.2014

Общая характеристика [1]

Парциальными называются расходомеры, принцип измерения которых основан на измерении лишь небольшой доли расхода, обычно ответвляемой от основного потока измеряемой среды.

Необходимость измерения расходов с помощью парциальных расходомеров возникает тогда, когда установка чувствительных элементов расходомеров в основном потоке по каким-либо причинам нежелательна (например, большая потеря напора, большие потери давления) или конструктивное исполнение расходомера для основного потока затруднительно.

Все парциальные расходомеры можно поделить на три основные группы:

  • расходомеры, у которых ответвленный поток возвращается в основной трубопровод;
  • расходомеры с невозвращаемым ответвленным потоком;
  • расходомеры, парциальный поток которых образуется вспомогательным веществом.

Для возможности определения расхода Q в основном трубопроводе (байпас) по измеренному парциальному расходу q необходимо знать их функциональную зависимость или иметь градуировочную характеристику q = f (Q). Проще всего обстоит дело, если эта зависимость линейная, тогда парциальный расход q является некоторой постоянной долей расхода Q в основном трубопроводе. Однако далеко не во всех случаях измерения эта зависимость является линейной. Для этого, прежде всего, необходимо, чтобы проходные сечения в обводном канале не изменялись, не было его загрязнения, а так же чтобы соблюдалось равенство или постоянство отношения плотностей среды в основной и обводной линиях.

Совершенно очевидно, что погрешность парциальных расходомеров выше, чем у расходомеров других типов. Это объясняется, в основном, двумя факторами.

Во-первых, погрешность расходомеров, предназначенных для измерения парциального расхода q, является одной из составляющих погрешности парциального расходомера в целом.

Во-вторых, погрешность градуировочной характеристики q = f (Q), являющейся второй составляющей погрешности парциального расходомера, зависит от точности ее экспериментального определения. Для уменьшения этой погрешности необходима опытная градуировка парциальных расходомеров на той среде, на которой они в дальнейшем будут эксплуатироваться.

С учетом вышесказанного, средняя квадратическая погрешность σQ парциального расходомера при измерении расхода Q в основном трубопроводе определяется следующим выражением

где σq и σград — соответственно средние квадратические погрешности измерения парциального расхода q и градуировочной характеристики q = f (Q); σQград и σqград — средние квадратические погрешности измерения расходов Q и q соответственно при градуировке.

В эксплуатации погрешности парциальных расходомеров сильно зависят от степени засорения обводного канала, которое приводит к изменению градуировочной характеристики.

Парциальные расходомеры со струйным генератором

Парциальные расходомеры могут быть построены на любом принципе измерения, например: расходомеры переменного и постоянного перепада давления; электромагнитные расходомеры; турбинные расходомеры; тепловые расходомеры; струйные расходомеры и др.

Подробнее рассмотрим парциальные расходомеры со струйным генератором. Их применение обусловлено тем фактором, что при больших величинах расхода в струйном генераторе возникают большие потери давления, поскольку сам струйный генератор расположен в канале, через который проходит весь измеряемый расход, а частота работы струйного генератора пропорциональна объемному расходу, который определяется [2, 3]:

где Q — измеряемый расход; µ — коэффициент расхода струйного генератора; S — площадь поперечного сечения; ΔP — перепад давления; ρ — плотность измеряемой среды.

На практике потери давления, в большинстве случаев, ограничены различными техническими условиями в технологических производствах, при транспортировке газа, при применении счетчиков, например, в бытовом секторе в сетях низкого давления (200 Па). Для соблюдения этих условий приходится увеличивать размеры всего устройства.

Поэтому применение парциальных струйных расходомеров связано, в первую очередь, с необходимостью измерения значительных расходов природного газа при сохранении габаритных характеристик прибора в целом и при ограничениях по создаваемому перепаду давления. При этом, в режиме парциального измерения расхода необходимо обеспечить максимально возможное совпадение характеристик течения внутри первичного измерительного устройства (струйного генератора) и байпаса, предназначенного для пропускания больших расходов, а также повышение точности определения границы по расходу для включения другого диапазона измерения [4]. Байпасный канал, чаще всего, подключается путем «открытия-закрытия» дискретного электромагнитного клапана, срабатывание которого определяется пороговой частотой измеряемого расхода, соответствующей выбранным значениям перепадов давления на струйном датчике расхода. Для уменьшения потребления энергии электромагнитный клапан может фиксироваться в конечных положениях («открыто-закрыто») с помощью постоянных магнитов.

На рисунке 1 представлена типовая диаграмма измерения расхода струйными парциальными расходомерами. Из рис. 1 видно, что существует зона «гистерезиса» Q’ - Q", определяемая моментами переключения электромагнитного клапана при увеличении и уменьшении расхода. Несовпадение границ по расходу Q’ и Q" при открытии и закрытии электромагнитного клапана на практике может привести к дополнительным погрешностям.

В таблице 1 приведены данные, полученные при продувке струйного парциального расходомера с максимальным расходом 6 м3/ч. Из таблицы видно, что при равных значениях расхода, но при различных положениях клапана («открыто-закрыто»), соответствующих прямому (увеличение расхода) или обратному (уменьшение расхода) ходу, относительная погрешность расходомера возрастает более, чем на порядок и оказывается значительно выше заявленных паспортных значений.

Q0 — расход через струйный генератор; f — текущая частота; Q1 — расход через байпас; q0, q1 — измеряемые объемы газа на один импульс через струйный генератор и байпас соответственно.

Рисунок 1 Типовая диаграмма измерения объемного расхода струйными парциальными расходомерами.

Таблица 1

Задаваемый расход, м³/ч

Перепад давления на счетчике, Па

Относительная погрешность, %

Примечание

0,9 (при снижении расхода)06,37клапан открыт
0,9 (при увеличении расхода)1990,37клапан закрыт
1,06 (при снижении расхода)06,76клапан открыт
1,06 (при увеличении расхода)2800,61клапан закрыт
1,22 (при снижении расхода)06,32клапан открыт
1,22 (при увеличении расхода)3810,58клапан закрыт

Заключение

  • Применение парциального принципа измерения при учете объемного расхода газа приводит к дополнительным погрешностям в сравнении с прямыми методами измерения.
  • Наличие возможной зоны гистерезиса (Q’ - Q«) в струйных парциальных расходомерах приводит к значительному возрастанию относительной погрешности измерений в зоне расходов, соответствующих режиму «открытия-закрытия» байпасного канала.
  • Применение исполнительных элементов, обеспечивающих режим «открытия-закрытия» байпасного канала, требует дополнительных энергозатрат и может привести к значительному снижению емкости элементов питания.
  • Точность экспериментального определения градуировочной характеристики q = f (Q) в значительной степени влияет на общую погрешность измерения парциальных расходомеров.
  • В эксплуатации погрешности, в особенности струйных парциальных расходомеров, сильно зависят от степени засорения обводного канала, в котором установлен струйный генератор и которое приводит к изменению градуировочной характеристики.

Литература

  1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 // Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с
  2. Иванушкин И. Ю. О применимости струйного метода при измерении расхода газа. // Сборник статей «Коммерческий учет природного газа. Новое газоизмерительное оборудование и системы», 2011 г.
  3. Золотаревский С. А., Гущин О. Г., Иванушкин И.Ю. К вопросу о применении струйного автогенераторного метода измерения в бытовых счетчиках газа и поверочных установках. //Комплексный подход к учету газа. Новое метрологическое, коммуникационное оборудование и системы. Сборник 2012.
  4. Касимов А. М., Попов А. И. Расходомер газа. // Описание изобретения к патенту № 2396516, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, бюл. № 22, 2010.
Гущин Олег Григорьевич
Гущин Олег Григорьевич,
управляющий по качеству, к.т.н.
Курин Дмитрий Юрьевич
Курин Дмитрий Юрьевич,
Начальник бюро метрологии