Способ градуировки расходомеров

Способ градуировки расходомеров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для аттестации, градуировки и поверки тепловых расходомеров при их установке в трубопроводе эталонного диаметра, предназначенных для работы в условиях турбулентного потока жидкостей и газов в различных трубопроводах, отличающихся по диаметру от эталонного.

Известен способ определения расхода жидкости в трубопроводе большого диаметра (Патент РФ №2018786, кл. G 01 F 1/34, БИ №16, 1994), включающий измерения перепадов давления на участке трубопровода, содержащем отводную линию, за точкой присоединения отводной линии, последовательно при открытой и закрытой отводной линии, измерение расхода - Q₁ в отводной линии и определение расхода в трубопроводе большого диаметра - Q по формуле

где λ, λ₁ - коэффициенты гидравлического сопротивления участка трубопровода соответственно с закрытой и открытой отводной линией;

Δh, Δh₁ - перепады давлений, измеренные соответственно при закрытой и открытой отводной линии.

Данный способ определения расхода жидкости в трубопроводе большого диаметра также, как и заявляемый способ градуировки расходомеров, предназначен для определения расхода среды в трубопроводе, отличающемся по диаметру от трубопровода, на который рассчитан расходомер, и включает измерение расхода среды. Однако отсутствие подачи регулируемого по расходу потока среды, расход которой измеряется, через последовательно установленные в эталонном трубопроводе образцовый и градуируемый расходомеры и образцовую установку подачи рабочей среды, фиксации показаний образцового расходомера и соответствующих им показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера при каждом из "n" стабильных значений расхода среды из диапазона измерения градуируемого расходомера, определения коэффициента кинематической вязкости среды, расход которой измеряется, и положений датчика градуируемого расходомера в эталонном и рабочем трубопроводах относительно их внутренних стенок, вычисления для каждого из зафиксированных показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера расхода среды в рабочем трубопроводе по приведенным формулам не позволяет построить градуировочную характеристику для использования градуируемого расходомера в трубопроводах, отличающихся по диаметру от того, на который он расчитан без пересчета, изготовления, установки и градуировки новой отводной линии.

Известен способ градуировки первичных преобразователей расхода типа "осредняющая напорная трубка" (А.с. СССР №1425456, кл. G 01 F 25/00, БИ №35, 1988), заключающийся в определении градуировочного коэффициента по результатам измерения скорости потока в дискретных точках и величины перепада давления в трубке, при этом скорость потока измеряют в местах расположения отверстий отбора давления у осредняющей напорной трубки, затем формируют соосно с этими отверстиями свободные струи со скоростями, равными измеренным, после чего измеряют перепад давления в трубке и рассчитывают градуировочный коэффициент.

Данный способ градуировки первичных преобразователей расхода типа "осредняющая напорная трубка" также, как и заявляемый способ градуировки расходомеров, предназначен для определения расхода среды в трубопроводе, отличающемся по диаметру от трубопровода, на который рассчитан расходомер, и включает измерение скорости потока среды. Однако отсутствие подачи регулируемого по расходу потока среды, расход которой измеряется, через последовательно установленные в эталонном трубопроводе образцовый и градуируемый расходомеры и образцовую установку подачи рабочей среды, фиксации показаний образцового расходомера и соответствующих им показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера при каждом из "n" стабильных значений расхода среды из диапазона измерения градуируемого расходомера, определения коэффициента кинематической вязкости среды, расход которой измеряется, и положений датчика градуируемого расходомера в эталонном и рабочем трубопроводах относительно их внутренних стенок, вычисления для каждого из зафиксированных показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера расхода среды в рабочем трубопроводе по приведенным формулам ведет к повышенной трудоемкости известного способа и не позволяет построить градуировочную характеристику для использования градуируемого расходомера в трубопроводах, отличающихся по диаметру от того, на который он рассчитан.

Наиболее близким по технической сущности является способ градуировки счетчика жидкости и газа (Патент РФ №2010185, кл. G 01 F 25/00, БИ №5, 1994), заключающийся в подаче потока рабочей среды через последовательно соединенные поверяемый и контрольный счетчики и образцовую трубопоршневую установку и сличении показаний шкалы контрольного счетчика и образцовой трубопоршневой установки и шкал поверяемого счетчика с контрольным, при этом предварительно подают потоки эталонных сред с различными физическими характеристиками в полном диапазоне шкалы контрольного счетчика, сличают показания этой шкалы со шкалой образцовой трубопоршневой установки и фиксируют семейство градуировочных характеристик контрольного счетчика, подачу рабочей среды через последовательно соединенные поверяемый и контрольный счетчики и образцовую трубопоршневую установку производят в узком диапазоне шкалы контрольного счетчика и определяют текущие значения коэффициентов поверяемого и контрольного счетчиков и устанавливают соответствие последнего градуировочной характеристике из фиксированного семейства, а исследование поверяемого счетчика в полном диапазоне его шкалы производят при подаче потока рабочей среды по обводной линии образцовой трубопоршневой установки.

Данный способ градуировки счетчика жидкости и газа также, как и заявляемый способ градуировки расходомеров, включает подачу регулируемого по расходу потока среды, расход которой измеряется, через последовательно установленные в эталонном трубопроводе образцовый (контрольный) и градуируемый расходомеры и образцовую установку подачи рабочей (образцовую трубопоршневую установку) среды, фиксацию показаний образцового расходомера и соответствующих показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера при каждом из "n" стабильных значений расхода среды из диапазона измерения градуируемого расходомера и построение градуировочной характеристики градуируемого расходомера. Однако отсутствие определения коэффициента кинематической вязкости среды, расход которой измеряется, и положения датчика градуируемого расходомера в эталонном и рабочем трубопроводах относительно их внутренних стенок, вычисления для каждого из зафиксированных показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера расход среды в рабочем трубопроводе по приведенным формулам ограничивает функциональные возможности известного способа, предназначенного для градуировки и поверки расходомеров, устанавливаемых только в трубопроводах одного диаметра, а градуировку и поверку расходомеров, предназначенных для работы на трубопроводах, диаметр которых отличается от диаметра трубопровода эталонной установки, по данному способу нельзя осуществить.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача расширения функциональных возможностей способа градуировки расходомеров путем получения возможности проводить на эталонной установке градуировку расходомеров, предназначенных для работы на трубопроводах, диаметр которых отличается от диаметра эталонного трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что в способе градуировки расходомера, заключающемся в подаче с "n" стабильными значениями расхода из диапазона измерения градуируемого расходомера потока рабочей среды, расход которой измеряется градуируемым расходомером через последовательно установленные в эталонном трубопроводе образцовую установку подачи рабочей среды и образцовый и градуируемый расходомеры, фиксации показаний Q^э _i (i=1,2,...,n) образцового расходомера и соответствующих показаний N_i на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера при каждом расходе из "n" значений и построении градуировочной характеристики по полученным парам значений Q_i ^э и N_i, согласно изобретению дополнительно определяют коэффициент кинематической вязкости ν рабочей среды и положение y_э датчика градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе относительно его внутренней стенки, устанавливают градуируемый расходомер в рабочий трубопровод, определяют положение y_р датчика градуируемого расходомера относительно внутренней стенки рабочего трубопровода, вычисляют для каждого из зафиксированных показаний N_i расход Q^p _i среды в рабочем трубопроводе по формуле

где S_p - сечение рабочего трубопровода;

V_cpi ^p - средняя скорость потока среды в рабочем трубопроводе при расходе Q^p _i, при этом V_cpi ^p определяют по значениям V_si ^p и y_р, где V_si ^p - местная скорость потока среды при нахождении градуируемого расходомера в рабочем трубопроводе при показании N_i, причем V_si ^p равна местной скорости V_si ^э потока среды при нахождении градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе при показании N_i, вычисленной по значениям ν, Q_i ^э и y_э, и строят градуировочную характеристику по полученным парам значений Q_i ^p и N_i.

Введение определения коэффициента кинематической вязкости среды, расход которой измеряется, и положений концов датчика градуируемого расходомера в эталонном и в рабочем трубопроводах относительно внутренней стенки каждого из них, вычисления для каждого из зафиксированных показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера - N_i расхода среды в рабочем трубопроводе - Q^p _i по приведенным формулам как функции расхода среды, измеренного градуируемым расходомером в эталонном трубопроводе при том же значении показания на выходе аналого-цифрового преобразователя - N_i и построение градуировочной характеристики по полученным парам значений расхода в рабочем трубопроводе и показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера позволяет получить градуировочную характеристику градуируемого расходомера в рабочем трубопроводе по результатам его градуировки в эталонном трубопроводе на эталонной градуировочной установке и тем самым существенно расширить функциональные возможности предложенного способа градуировки тепловых расходомеров, так как для градуировки нет необходимости искать эталонную градуировочную установку, диаметр трубопровода которой был бы равен диаметру рабочего трубопровода, в котором должен работать градуируемый расходомер.

На чертежах приведены:

фиг.1 - обобщенная схема эталонной градуировочной установки;

фиг.2 - поперечный разрез трубопровода (это может быть и эталонный и рабочий трубопровод), на котором показаны расстояния концов датчика теплового расходомера от внутренней стенки трубопровода.

Эталонная градуировочная установка, реализующая предлагаемый способ, состоит из входного трубопровода 1, предназначенного для подачи среды, расход которой должен измеряться, образцовой установки подачи рабочей среды, регулируемой по расходу, 2, эталонного трубопровода 3, образцового расходомера 4, который установлен в эталонном трубопроводе 3, градируемого расходомера 5, который также установлен в эталонный трубопровод 3 последовательно с образцовым расходомером 4. При установке расходомера 4 или 5 в трубопровод его датчик устанавливается по радиусу трубы трубопровода.

Предлагаемый способ градуировки расходомеров предназначен для градуировки и поверки расходомеров, работающих в условиях турбулентного потока, которые устанавливаются в трубопроводы (рабочие трубопроводы), диаметры которых отличаются от диаметра эталонного трубопровода, на котором проводят первичную градуировку расходомера.

Предлагаемый способ основан на том, что тепловой расходомер измеряет скорость потока в точке установки датчика теплового расходомера - местную скорость потока среды - V_м.

Поэтому при установке одного и того же расходомера сначала в одном, например эталонном, трубопроводе, а потом в другом, например рабочем, трубопроводе, которые имеют разные диаметры, если местные скорости потока среды в точках, в которых находился датчик расходомера в эталонном - V_мэ и в рабочем - V_мр трубопроводах, будут равны, то будут равны и показания на выходе аналого-цифрового преобразователя - N расходомера.

При этом местная скорость потока среды в точке, находящейся на расстоянии у от внутренней стенки трубопровода, и средняя скорость потока среды связаны следующим соотношением:

V_м=V_cp·W,

где V_cp - средняя скорость потока среды, то есть скорость потока в точке средней скорости, находящейся на расстоянии 0,242R от внутренней стенки трубопровода;

W - коэффициент изменения скорости потока рабочей среды в зависимости от расстояния датчика от внутренней стенки трубы трубопровода и от свойств среды,

α - коэффициент, характеризующий изменение скорости потока в зависимости от транспортируемой среды, для природного газа, например, α=0,4;

λ - коэффициент, характеризующий свойства среды, расход которой должен измеряться градуируемым расходомером,

- число Рейнольдса;

ν - коэффициент кинематической вязкости среды.

Таким образом, число Рейнольдса является линейной функцией средней скорости - Re=f₁(V_cp), а коэффициенты λ и W являются нелинейными функциями средней скорости - λ=f₂(V_cp), W=f₃(V_cp).

Однако в реальных условиях датчик расходомера перекрывает некоторое сечение трубы трубопровода и поэтому далее под местной скоростью понимается усредненная скорость потока - V_s, определяемая, с одной стороны, его средней скоростью - V_cp, а с другой стороны, линейными размерами датчика и его расположением в трубопроводе и вычисляемая по формуле

где R - внутренний радиус трубы трубопровода;

y₁ - расстояние от стенки трубы до нижнего конца датчика;.

y₂ - расстояние от стенки трубы до верхнего конца датчика;

у и ϕ - цилиндрические координаты в сечении трубопровода.

При интегрировании и выполнении других расчетов используется только значение W для y₀≤ y≤R, так как для известных тепловых датчиков значение y₁≫y₀.

После интегрирования получаем следующее выражение для усредненной местной скорости:

где

Из полученного выражения видно, что усредненная местная скорость может быть представлена нелинейной функцией только средней скорости - V_s=f₄(V_ср).

Так как объемный расход среды определяется по формуле Q=V_срS, где S - сечение трубопровода, то, измерив расход среды в эталонном трубопроводе с помощью образцового расходомера и зафиксировав показания на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера, и зная коэффициент кинематической вязкости среды и местоположение датчика расходомера в эталонном трубопроводе при измерении расхода, можно рассчитать местную скорость потока в месте нахождения датчика градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе, далее, зная местоположение датчика расходомера в рабочем трубопроводе после его установки, можно определить среднюю скорость потока среды в рабочем трубопроводе при том же показании на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера путем решения уравнения, в котором приравнены местные скорости потока в эталонном и в рабочем трубопроводах, и вычислить по средней скорости потока среды в рабочем трубопроводе расход среды в рабочем трубопроводе, после чего по значению расхода среды в рабочем трубопроводе и показанию аналого-цифрового преобразователя, которому он соответствует, для всех значений расхода среды, зафиксированных при нахождении расходомера в эталонном трубопроводе, строят градуировочную характеристику расходомера для рабочего трубопровода.

Способ градуировки расходомера реализуется следующим образом.

Предварительно определяют коэффициент кинематической вязкости среды, расход которой измеряется, и диапазон измерения расхода среды градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе. Коэффициент кинематической вязкости среды, расход которой измеряется, определяют либо путем измерения, если имеется соответствующий прибор, либо определяют лабораторным путем состав среды, по которому по справочнику определяют этот коэффициент.

Диапазон измерения расхода градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе определяют исходя из диапазона изменения расхода среды в рабочем трубопроводе по формулам

где D_p - внутренний диаметр рабочего трубопровода, м;

D_э - внутренний диаметр эталонного трубопровода, м.

В диапазоне измерения расхода среды в эталонном трубопроводе выбирают "n" значений расхода Q₁, Q₂,..., Q_n, распределенных, например, равномерно в диапазоне.

Для градуировки расходомера 5 его устанавливают в эталонный трубопровод 3 и определяют расстояния - у^э ₁ и у^э ₂ от концов датчика расходомера 5 до внутренней стенки эталонного трубопровода по его радиусу, проходящему через точку нахождения датчика расходомера 5. Во входной трубопровод 1 подают рабочую среду, с помощью образцовой установки подачи рабочей среды 2 устанавливают по образцовому расходомеру 4 расход рабочей среды, равный Q₁, и фиксируют показание аналого-цифрового преобразователя - N₁ градуируемого расходомера 5.

Далее с помощью образцовой установки подачи рабочей среды 2 устанавливают по образцовому расходомеру 3 последовательно расходы рабочей среды равными Q₂, Q₃,..., Q_n и при каждом из них фиксируют показания аналого-цифрового преобразователя N₂, N₃,..., N_n градуируемого расходомера. По полученным парам значений расхода рабочей среды - Q_i ^э, где i=1,2,...,n, и показаниям на выходе аналого-цифрового преобразователя N_i может быть построена градуировочная характеристика градуируемого расходомера для рабочего трубопровода, диаметр которого равен диаметру эталонного трубопровода. Для случаев, когда диаметр рабочего трубопровода отличается от диаметра эталонного трубопровода, градуируемый расходомер 5 устанавливают в рабочий трубопровод и определяют расстояния - у^p ₁ и у^p ₂ от концов датчика расходомера 5 до внутренней стенки рабочего трубопровода по его радиусу, проходящему через точку нахождения датчика. После этого вычисляют для каждого из зафиксированных при нахождении расходомера 5 в эталонном трубопроводе показаний на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера - N_i расход среды в рабочем трубопроводе - Q^p _i следующим образом:

1) вычисляют среднюю скорость потока среды в эталонном трубопроводе для каждого значения расхода среды - Q_i ^э по формуле

2) вычисляют число Рейнольдса для потока среды в эталонном трубопроводе для каждого расхода среды - Q^э _i по формуле

где D_э - диаметр эталонного трубопровода;

ν - коэффициент кинематической вязкости среды,

3) вычисляют коэффициент, характеризующий свойства потока среды, расход которой измеряется, в эталонном трубопроводе для каждого расхода среды - Q_i ^э

4) вычисляют усредненное значение местной скорости потока рабочей среды в эталонном трубопроводе - V^э _s в зависимости от расстояний у^э ₁ и у^э ₂ по формуле

где

5) определяют среднюю скорость потока - V^p _cpi для каждого показания на выходе аналого-цифрового преобразователя - N_i, решая численными методами, например методом секущих, уравнение

в котором V^э _s является числовой величиной, a V^p _s - усредненная местная скорость потока в рабочем трубопроводе, равная

где

6) вычисляют расход среды в рабочем трубопроводе - Q^p _i по формуле

где S_p - сечение рабочего трубопровода;

V^p _cpi - средняя скорость потока среды в рабочем трубопроводе при расходе Q_i ^p.

По полученным парам значений - расходу в рабочем трубопроводе - Q^p _i и соответствующему ему показанию на выходе аналого-цифрового преобразователя - N_i строят градуировочную характеристику градуируемого расходомера.

Способ градуировки расходомера, заключающийся в подаче с n стабильными значениями расхода из диапазона измерения градуируемого расходомера потока рабочей среды, расход которой измеряется градуируемым расходомером, через последовательно установленные в эталонном трубопроводе образцовую установку подачи рабочей среды и образцовый и градуируемый расходомеры, фиксации показаний образцового расходомера и соответствующих показаний N_i на выходе аналого-цифрового преобразователя градуируемого расходомера при каждом расходе из n значений, и построении градуировочной характеристики по полученным парам значений и N_i, отличающийся тем, что дополнительно определяют коэффициент кинематической вязкости ν рабочей среды и положение y_э датчика градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе относительно его внутренней стенки, устанавливают градуируемый расходомер в рабочий трубопровод, определяют положение y_p датчика градуируемого расходомера относительно внутренней стенки рабочего трубопровода, вычисляют для каждого из зафиксированных показаний N_i расход среды в рабочем трубопроводе по формуле

,

где S_p - сечение рабочего трубопровода;

- средняя скорость потока среды в рабочем трубопроводе при расходе Q_i ^p, при этом определяют по значениям и y_р, где - местная скорость потока среды при нахождении градуируемого расходомера в рабочем трубопроводе, при показании N_i, причем равна местной скорости потока среды при нахождении градуируемого расходомера в эталонном трубопроводе при показании N_i, вычисленной по значениям ν, и y_э, и строят градуировочную характеристику по полученным парам значений и N_i.