Глава 8. средства и методы градуировки и поверки расходоизмерительных систем

Глава 8. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ГРАДУИРОВКИ И ПОВЕРКИ РАСХОДОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

8.1. Образцовые расходомерные установки, принцип действия,

конструктивные и метрологические особенности

Характерная особенность расходоизмерительной практики заключается в том, что воспроизведение и передача значений расхода (градуировка и поверка расходомеров) осуществляется совокупностью „несоподчиненных”, индивидуально аттестуемых технических комплексов (расходомерных установок, расходоизмерительных стендов), каждый из которых воспроизводит, по существу, поток рабочей среды (со своими физи-ко-химическими свойствами — температурой, вязкостью, плотностью, составом) , обладающий определенным (для данной установки) набором взаимосвязанных гидродинамических параметров (полем скоростей и давлений, пульсационными характеристиками и т. п.), в том числе и расходом.

В таких условиях наиболее рациональный путь обеспечения единства измерений расхода состоит в разработке и повсеместном внедрении унифицированных требований к узлам и элементам образцовых расходомерных установок, создании унифицированных методик их аттестации и оценок их реальной точности.

В общем случае любой расходоизмерительный стенд, любая расходомерная установка состоит из следующих технических систем: хранения и подготовки рабочей среды; воспроизведения потока рабочей среды; регулирования и измерения расхода.

Систему хранения и подготовки используют, в основном, в тех случаях, когда в качестве рабочих сред применяют жидкости. Она состоит из резерву ара,,в котором содержится и в который сливается (во время работы установки) рабочая жидкость; устройства для ее естественной или искусственной деаэрации и обеспечения определенных (требуемых) свойств (температуры, вязкости, состава^ плотности или части из них).

Система воспроизведения потока должна обеспечивать равномерный, осесимметричный, стабилизированный поток рабочей среды на заданном участке трубопровода, где монтируется градуируемый или поверяемый расходомер. С- этой целью в систему включают устройства (насосы,* компрессоры, напорные баки), обеспечивающие подачу рабочей среды в испытательный трубопровод, и элементы стабилизации параметров потока (поля скоростей, статического давления, расхода).

При этом естественная стабилизация поля скоростей осуществляется соответствующим выбором длины испытательного участка, технологии его изготовления и монтажа.

Система регулирования и измерения расхода должна обеспечивать „уставку” любых дискретных значений расхода в рабочем диапазоне и точное измерение этих значений абсолютным .методом, т. е. в соответствии с физическим определением расхода как количества вещества, протекающего через сечение потока в единицу времени.

Конструктивные особенности указанных систем, воплощенные в различных типах образцовых расходомерных установок, характеризуются метрологическим назначением последних, свойствами рабочих сред, номенклатурой параметров расхода (средние или мгновенные значения), подлежащих воспроизведению и измерению, принятыми единицами (массовые или объемные) и диапазоном измерения.

Рассмотренные ниже типы расходомерных установок составляют парк образцовой расходоизмерительной техники страны и понимание принципов их работы, предпочтительных областей применения является „альфой и омегой” метролога-расходомерщика.

Статические расходомерные установки. Типовая схема статический расходомерной установки, работающей на воде или других взрывобезопасных и нетоксичных жидкостях, приведена на рис. 86. Она состоит из следующих основных узлов и элементов:

сливного резервуара 8, в котором содержится и в который сливается рабочая жидкость. Конструкцию резервуара и его объем рассчитывают таким образом, чтобы предотвратить нагревание и обеспечить естественную деаэрацию жидкости за время ее пребывания в резервуаре при длительной работе установки. Поэтому объем резервуара должен быть в 2—3 раза больше, чем суммарный объем всех остальных элементов и коммуникаций, заполняемых жидкостью во время работы установки. Кроме того, как можно большим должен быть путь жидкости в резервуаре от мест слива'до мест забора ее насосом. Для этого резервуар снабжают различного рода лабиринтами, удлиняющими путь жидкости;

насоса 2, подающего жидкость из сливного резервуара 8 в напорный бак 1. Производительность насоса должна быть в 1,2—1,3 раза больше, чем верхний предел (максимальный расход) измерения установки;

напорного бака 1, обеспечивающего постоянный напор на испытательном участке установки. Бак снабжен системой переливных лотков, поддерживающих постоянный уровень жидкости, поступающей в бак. Для обеспечения требуемого максимального расхода и статического давления на установке напорный бак следует или монтировать на соответствующей (иногда довольно значительной) высоте, или заполнять в свободном пространстве над жидкостью нейтральным газом соответствующего давления. Высоту установки бака Н или давление в „газовой подушке” р_п рассчитывают (исходя из равенства сил гидравлического давления и гидравлического сопротивления коммуникаций установки) по формуле

Из водопровода

=t*j=

Рис. 86. Схема статической расходомерной установки

тЖг

п

2

«•=1

*Qm

тг

fA+*A

(8.1)

Я =

id;

где п — число участков трубопроводных коммуникаций установки с различными диаметрами d_{ и длинами /,•;    — суммарный коэффициент мест

ных сопротивлений (задвижек, колен, входа и выхода потока), установленных на i-м участке; X,- — коэффициент гидравлического трения i-ro участка; Q_m — максимальный объемный расход на установке, м³/с.

Конструктивные элементы напорного бака выбирают, исходя из допустимых значений колебаний гидростатического напора в нем с_йд.

При „высотном” (без газовой „подушки”) напорном баке рассчитывается суммарная длина переливных лотков по эмпирической формуле (справедливой для прямоугольных измерительных лотков)

V_ry

где V_r — объем „газовой подушки” I; F_c площадь поперечного сечения сливной камеры II; *н — площадь внутреннего сечения бака; h'_c — колебания уровня жидкости в сливной камере II, расчетные значения которых поддерживаются следящей уровнемерной системой УС, сблокированной с регулировочной задвижкой РЗ; h'₃ — колебания уровня жидкости в свободной поверхности над сливной камерой, расчетные значения которых обеспечиваются кольцевым водосливом, образованным ее стенкой.

Варьируя, входящими в формулу (8.3) значениями F_c, F_H, V_T, Из и h'_c при заданных р„, С/щ,добиваются оптимальных конструктивных решений.

Для уменьшения габаритных размеров напорного бака в случае, если по расчету получаются большие значения объема „газовой подушки”, целесообразно блокировать его с дополнительным газовым ресивером;

устройства б (см. рис. 86) для измерения количества жидкости, протекающей через установку за определенный промежуток времени. Эти устройства в зависимости от единиц измерения расхода бывают двух типов: объемные и массовые (на рис. 86) показано массовое устройство — весы). Объемное устройство (рис. 88j , измеряющее количество протекшей через установку жидкости в единицах объема, представляет собой мерный бак 1, снабженный водомерной трубкой 2 и реечной шкалой 4 с визиром 3. Деления на реечной шкале соответствуют определенному при калибровке бака объему в данной отметке шкалы. Шкалу мерных баков градуируют (калибруют) с помощью образцовых мер вместимости (образцовых мерников) или весовым методом.

Уровень жидкости в водомерной стеклянной трубке, а следовательно, и в мерном баке устанавливают при помощи визирного устройства, исключающего погрешность вследствие параллакса. В ряде случаев для удобства отсчета водомерные трубки снабжаются легкими эбонитовыми поплавками.

Мерные баки могут быть изготовлены как цилиндрической, так и прямоугольной формы. Габаритные размеры бака (площадь сечения Fq и высота Н) и цена деления шкалы Д_ш, определяемая ценой деления реечного указателя и конструкцией визирного устройства (нониусного или

- л -

Рис. 88. Объемное устройство для измерения количества жидкости

¦YD

Г

Рис. 87. Напорный бак с „газовой подушкой”

безнониусного), должны соответствовать допускаемой погрешности отсчета 6д. При проектировочных расчетах мерных баков применяют следующее исходное уравнение

Ра

,    (8.4)

«д =

^Pmin

^где ^Pmin — минимальный рабочий объем мерного бака, обычно принимаемый равным половине номинального (полного) объема.

Для слива рабочей жидкости мерные баки снабжают сливными устройствами 5, в большинстве случаев являющимися грузовыми клапанами. Грузовой клапан представляет собой цилиндрический груз с резиновым торцом. Под действием собственного веса груз прижимается к седлу сливного патрубка, и резиновый торец обеспечивает герметичность клапана. Груз поднимается и опускается или с помощью ручного рычажного механизма, или с помощью электрических дистанционных устройств.

Для измерения количества рабочей жидкости в единицах массы применяют циферблатные весы или образцовые грузопоршневые весы, на платформу которых устанавливают резервуар, оборудованный смотровым стеклом или автоматическим поплавковым устройством для предотвращения перелива резервуара.

Объемные устройства более просты, однако имеют ограниченную область применения (только для маловязкйх жидкостей) и существенно уступают по точности весовым. Так, наиболее совершенные объемные расходомерные установки имеют предельную погрешность 0,15—0,20%, в то время как массовые — 0,05—0,10 %.

Рядом с объемным или весовым устройством устанавливают пролетный бак 7 (см. рис. 86), обеспечивающий отвод в сливной резервуар потока рабочей жидкости в промежутке между измерениями ее количества. Иногда вместо пролетного бака устанавливают второй мерный бак или весовое устройство. В этом случае установка может работать непрерывно: пока один бак заполняется, на другом отсчитывают показания, а затем этот бак опорожняется;

устройства 5 (см. рис. 86), регулирующего расход на установке. В качестве задатчика требуемого значения расхода на установках могут применяться различные задвижки и вентили. О предварительном значении задаваемого расхода (точное определяется по показаниям установки) судят или по показаниям установленного в систему регулирования расходомера, или по перепаду давления на самом устройстве. Первый способ дорбг и требует длинных прямых участков; второй — сложен и весьма груб'в связи с нелинейностью и изменениями характеристик обычных задвижек и вентилей. Поэтому в последнее время для регулирования расхода на высокоточных расходомерных установках, оборудованных системой поддержания и стабилизации гидростатического напора, стали применять специальные регулировочные вентили, обеспечивающие линейную пропорциональность между ходом их рабочего органа и расходом протекающей жидкости.

В качестве таких устройств используются либо задвижки с перфорированными втулками, либо игольчатые вентили с логарифмической формой регулировочной иглы.

„Пропорциональные” регулировочные устройства (обладающие устойчивой линейной зависимостью между расходом и перемещением регулирующего органа при постоянном статическом напоре в системе) могут одновременно являться и задатчиками и достаточно точными измерителями расхода, что обусловливает перспективность их применения в образцовых расходоизмерительных системах;

перекидного устройства 4 (см. рис. 86), направляющего поток рабочей жидкости или в мерный бак (резервуар весового устройства) в начале опыта, или в пролетный бак при окончании опыта (наливе мерного бака до требуемой отметки шкалы). Для „переброски” потока могут применяться перекидные устройства различных типов, например, поворотные трехходовые краны, пневматические или электрические клапаны, гибкие рукава, поворотные разделительные коробы. Причем, наибольшее распространение в отечественных расходомерных установках получил последний тип перекидных устройств — поворотные разделительные коробы (рис. 89). Перекидное устройство работает следующим образом.

Поток жидкости из'тгрубопровода по левому рукаву короба 3 поступает в мерный бак или весовой резервуар установки. При „переброске” потока короб с помощью приводного механизма 4 поворачивается вокруг оси О, перерезает поток жидкости перегородкой 2 и направляет его по правому рукаву в пролетный бак. При повороте короб воздействует на механические прерыватели (реле), которые подают импульсы на начало и конец счета времени прибором, измеряющим длительность налива жидкости в мерный бак или весовой резервуар. Для уменьшения продолжительности поворота короба струю жидкости на выходе из трубопровода деформируют в узкую прямоугольную струю насадком 1. Одной из основных характерис-Рис. 89. Подвижной разделительный ко- тик перекидного устройства, влия-роб (перекидное устройство)    ющей на точность образцовых рас

ходомерных установок, является разновременность срабатывания перекидного устройства At при „переброске” потока из мерного бака в пролетный и наоборот — из пролетного бака в мерный. Чем меньше At, тем меньше влияние на точность установки переходных процессов, происходящих при повороте короба.

Зависимость дополнительной систематической погрешности установок бр от At для различных типов приводных механизмов, обеспечивающих поворот короба, приведена ниже:

Привод    Зависимость 8 _р от At

С падающим грузом    k_lAt³

Электромагнитный    к₂ (дг--^{Sh кз Af}- )

¹    6 Jb_H(T+t)    T+t

Т — продолжительность налива жидкости в мерный бак; t — средняя продолжительность поворота короба; Р_н — усилие,развиваемое электромагнитом или соленоидом при начальном положении сердечника; п — число дружин в пружинном приводе;, с — жесткость пружины; Ь_н — размер выходного Сечения насадки 1 (см. рис. 67) в плоскости поворота короба; J — момент инерции всех вращающихся относительна оси О деталей перекидного устройства, включая и жидкость, находящуюся в коробе; М_п — момент силы, развиваемой приводным механизмом, относительно оси вращения; L_K, L_n, <р_к - см. рис. 89.

Для уменьшения величины At, а следовательно, и вызываемой ею погрешности, обычно применяют быстродействующие приводные механизмы, обеспечивающие срабатывание (поворот) перекидного устройства за 0,01—0,02 с;

испытательного участка 3 (см. рис. 86), на котором воспроизводят равномерный осесимметричный и стабилизированный поток рабочей жидкости, и на котором устанавливают градуируемые или поверяемые расходомеры. Длина испытательного участка должна быть, как правило, не менее 100 диаметров трубопровода, из которого он монтируется. Непосредственно перед испытательным участком подводящий трубопровод не должен иметь сложных пространственных колен, способствующих винтообразному движению потока. Регулировочное устройство следует устанавливать на выходном конце испытательного участка, чтобы при всех рабочих режимах сечение испытательного участка было полностью заполнено рабочей жидкостью и для уменьшения деформаций потока на входе в испытательный участок;

прибора для измерения продолжительности налива рабочей жидкости в мерный бак или резервуар весового устройства. Обычно для измерения длительности налива применяют точные электрические хронометры, электронные секундомеры или счетчики импульсов.

В состав расходомерных установок должны также входить средства измерений статического давления на испытательном участке и физикохимических свойств рабочей жидкости.

Основная особенность статических расходомерных установок (определяющая их название) состоит в том, что процессы воспроизведения потока рабочей жидкости и измерения ее расхода на зтих установках как бы „разорваны” во времени. Это значит, что расход измеряется лишь после того, как определенное количество рабочей жидкости протекло через испытательный участок и заполнило определенный объем мерного бака. Обычно, для уменьшения погрешностей, связанных с осреднением значений расхода, рабочий объем мерного бака выбирают таким, чтобы время его заполнения при максимальном расходе было больше 40—60 с.

Вследствие отмеченного статические расходомерные установки, являясь на сегодняшний день наиболее точными средствами градуировки и поверки расходомеров (статическая весовая установка с предельной погрешностью 0,05 % принята в настоящее время в качестве государственного первичного эталона единицы расхода), могут воспроизводить и измерять лишь осредненные за достаточно большой промежуток времени значения расхода.

Динамические расходомерные установки. В отличие от статических в динамических расходомерных установках процессы воспроизведения

потока и измерения его расхода совмещены во времени, осреднение количества рабочей среды осуществляется за достаточно малые промежутки времени. Вследствие этого данные установки могут использоваться (в основном и используются) для воспроизведения и измерения мгновенных значений расхода.

Естественно, малое время осреднения существенно снижает требования к стабильности расхода на испытательном участке. Поэтому, как правило, динамические установки работают без системы стабилизации напора. Принцип действия динамических установок (рис. 90) заключается

КИ

в следующем. Рабочая жидкость насосом 1 закачивается в напорный бак 2, в котором пневматической системой 3 (компрессор или баллон с нейтральным газом) создается определенное статическое давление, контролируемое манометром 4. В процессе опыта открывается вентиль 5 и рабочая жидкость выдавливается из напорного бака через испытательный участок 6 в измерительный бак 7. Измерительный бак оборудован датчиками уровня 8 (объемные динамические установки) или выставлен на тензометрических датчиках (весовые динамические установки). В первом случае, измеряя объем порции поступающей жидкости между двумя уровнемерами и соответствующий промежуток времени, определяют дискретные значения расхода. Во втором случае можно получить непрерывную запись значений весового количества наливаемой жидкости, соответствующую запись времени и определить непрерывные (аналоговые) значения расхода. Существуют и уровнемеры (например, ультразвуковые), позволяющие непрерывно измерять объем наливаемой в измерительный бак жидкости.

Динамические установки просты по конструкции (нет систем стабилизации напора, перекидных устройств), позволяют воспроизводить и измерять мгновенные (точнее осредненные за малый промежуток времени) значения расхода, однако точность этих установок существенно ни-

же точности статических. Кроме ограниченной точности существующих уровнемеров и тензометрнческих датчиков это обусловливается и рядом специфических погрешностей, вызываемых динамическими свойствами измерительных систем, колебаниями уровня и реакцией струи жидкости при заполнении измерительного бака и, самое главное, „разбалансом” измеренного установкой и реально протекшего через испытательный участок количества рабочей жидкости. Поясним последнее. На рис. 91 схематически показан измерительный бак динамической расходомерной

Рис. 91. Схема заполнения измерительного бака

установки, наполняемый из сливной трубы рабочей жидкостью. Измерительный бак „начинает работать”, т. е. уровень заполняющей его жидкости начинает превышать нулевую отметку в то время, когда через любое сечение испытательного участка уже протекает некоторое количество жидкости, заполняющее трубопровод от данного сечения до выходной кромки сливной трубы и находящееся в свободно падающей от выходной кромки до нулевой отметки бака струе. Обозначим зто количество Vo. Когда уровень жидкости в баке поднимется до отметки hi и первый уровнемер„выдаст” сигнал, соответствующий измеренному количеству ^1»через испытательный участок будет протекать количество жидкости, равное Vi + V'₀. Причем, Fo будет меньше V₀ на объем AVi части струи, ограниченной отрезком h i. При этом измеренный расход Q—Vx/ti, где — продолжительность заполнения бака до высоты h_x, в то время как действительный расход

Q =ZilZlzL=Q--^L!_. h 11 При срабатывании второго уровнемера у₂ на отметке h₂ измеренное количество жидкости будет отличаться от действительного на значение объема части струи, ограниченной отрезком (й₂ —h_t) и т. д.

Для компенсации данной погрешности вводят соответствующие расчетные поправки.

Отмеченные особенности динамических установок (малое' время осреднения, совмещение процессов воспроизведения и измерения расхода) не позволяют свести их погрешности к уровню менее 0,2—0,3 %.

Специальные установки для воспроизведения больших значений расхода. Создание образцовых расходомерных установок для воспроизведения больших (от тысячи до десятков тысяч м³/ч) значений расхода по рассмотренным выше „классическим” схемам требует больших капиталовложений, связанных, в основном, с разработкой и изготовлением соответствующей измерительной аппаратуры, больших производственных площадей, большого времени на аттестацию. Поэтому данные установки целесообразно создавать по иной принципиальной схеме (рис. 92), получившей в последние годы (благодаря усилиям метрологических ин-

Рис. 92. Принципиальная схема системы для воспроизведения больших значений расхода:

ОР — образцовый расходомер; ПР — поверяемый расходомер; СП — система подачи жидкости

статутов и приборостроительных организаций) достаточно широкое распространение в отечественной расходоизмерительной практике.

В качестве образцовых средств измерения расхода на этих установках используют серийно изготовляемые расходомеры (электромагнитные, турбинные и другие), аттестованные непосредственно на рабочих местах (на ирпытательных участках установки). Образцовые расходомеры устанавливаются в п параллельных трубопроводах, ответвленных от основного, на¹ котором воспроизводится измеряемый поток. Верхние пределы измерений образцовых расходомеров и число параллельных трубопроводов выбирают таким образом, чтобы возможно было обеспечить воспроизведение и измерение определенных дискретных значений расхода (обусловленных числом и значением расчетных точек в диапазоне измерений градуируемых или поверяемых на установке расходомеров), используя образцовые приборы только на верхних пределах измерений (т. е. с максимальной точностью). Например, воспроизведение любых значений расхода в диапазоне 100—1000 м³/ч через каждые 10 % верхнего предела возможно осуществить параллельной установкой шести расходомеров с Q^, равными соответственно 100: 100: 200; 200; 200; 200 м³/ч, или пяти расходомеров с Q^, равными 100; 200; 200; 200; 300 м³/ч и т. д.

Оптимальное соотношение между Q_m и п выбирают из экономических соображений и наличия исходных средств аттестации и градуировки образцовых расходомеров. Причем образцовые расходомеры можно также градуировать и аттестовывать на установке с т параллельными трубопроводами. В этом случае наибольшее воспроизводимое такой двухступенчатой системой значение расхода будет в т • п раз больше верхнего предела измерений исходной установки, на которой градуируют образцовые расходомеры первой ступени. Создавая двух-, трех-, fc-ступенчатые системы, возможно получить сколь угодно большие значения воспроизводимых расходов. Это основное преимущество подобных расходоизмерительных систем, обусловливающих перспективность их практического использования.

Вторым достоинством таких систем является свойство автокомпенсации случайных погрешностей используемых расходомеров, вследствие которого случайная погрешность всей системы с п параллельно работающими расходомерами в \J п раз меньше относительной случайной погрешности каждого из них. Именно это обстоятельство позволяет использовать в описанных образцовых установках промышленные расходомеры ограниченной точности.

С целью аттестации расходомеров непосредственно на рабочих местах установки на большие расходы целесообразно гидравлически объединять с исходными образцовыми установками, обеспечивающими градуировку и аттестацию расходомеров первой ступени.

Специальные установки для воспроизведения сверхмалых (капельных) расходов. Принципиальная схема капельно-жидкостной установки приведена на рис. 93. Установка работает следующим образом. Рабочая жидкость из бачка 1, оборудованного системой стабилизации напора, через испытательный участок 2, на котором монтируется градуируемый или поверяемый расходомер 3, поступает в капельницу 4, формирующую

капли определенной формы и объема. Количество вытекающих из капельницы капель фиксирует оптическая сисема, состоящая из источника света 5, фокусирующей системы 6 и фотодиода 8. Капли перекрывают световой поток в фокусе оптической системы, что обеспечивает его максимальное ослабление. Напряжение с фотодиода через преобразователь 9 подается на счетчик 10 числа импульсов, пропорциональных количеству капель. Счетчик импульсов сблокирован с системой отсчета времени 11. Сигналы от счетчика импульсов (количества капель) и системы отсчета времени подаются в автоматизированное устройство 12, которое подсчитывает расход жидкости через установку по формуле

Q =    ,    (8-5)

где п — количество капель; F_K — объем капли; t — время, в течение которого эти п капель были зафиксированы счетчиком.

Управление размерами и объемом капель, а также стабилизация зтих параметров обеспечивается электростатическим полем, сознаваемым специальными пластинами 7, расположенными на конце насадки для капле-образования.

Изменяя управляющее напряжение на пластинах 7, можно изменять объем капель, а следовательно, и расход жидкости, протекающей через установку. При этом система стабилизации напора поддерживает постоянную скорость отрьюа капель от наконечника.

Основными составляющими суммарной погрешности капельно-жид-костных установок рассмотренного типа являются: погрешность счета капель за измеряемое время и погрешность вследствие непостоянства объема капель, вызываемого колебаниями управляющего напряжения и изменениями физико-химических свойств рабочей жидкости.

Погрешность счета капель не превышает ± 1 капли, и ее относительное значение может быть свздено к требуемому выбором числа или суммарного количества отсчитываемых капель.

Непостоянство объема капель также можно свести к достаточно малому значению стабилизацией управляющего напряжения и термостати-рованием установки.    _в

При соблюдении указанных условий можно „уложить” предельную погрешность капельно-жидкостных установок в ± (0,2—0,3 %).

Образцовые установки для воспроизведения расхода газообразных сред. Следует отметить, что до последнего времени промышленность и приборостроение не располагали достаточно точными и эффективными средствами градуировки и поверки расходомеров газа. Разработанные ВНИИР образцовые грузокольцевые и трубопоршневые „газомерные” установки существенно восполняют этот пробел.

Эти установки просты, надежны, обладают высокой точностью (тру-боиоршневая установка принята в качестве государственного эталона расхода газов), широким диапазоном воспроизводимых расходов.

Схема грузокольцевой расходомерной установки показана на рис. 94. При вращении барабана 1 под действием груза 3 жидкостной сегмент 2, протекая по винтовому каналу барабана, вытесняет воздух в подающий трубопровод 4 и далее на испытательный участок, где монтируется градуируемый (поверяемый) расходомер.

1

Расход газа через установку определяется соотношением

e = <pV₀,    ’    (8.6)

где — угловая скорость вращения барабана, измеряемая с достаточно высокой точностью существующими средствами измерения угловых скоростей; Vo — объем кольцевого канала, соответствующий повороту на 1°, определяемый в процессе калибровки винтового канала.

Расход газа регулирует вентилем. Диапазон измерений может быть изменен изменением массы груза 3.

Статическое давление газа на испытательном участке определяется лишь весом груза и при неизменности его автоматически поддерживается постоянным при любых расходах.

Погрешность воспроизведения (измерения) расхода грузокольцевой установкой обусловливается погрешностями калибровки винтового канала, измерения угловой скорости вращения барабана, колебаниями размеров поперечного сечения канала, непостоянством коэффциента трения в подшипниках и сальниках вращающегося барабана, протечками газа через сальниковые уплотнения.

При грамотном конструировании, хорошем изготовлении и тщательной аттестации грузокольцевых установок их предельная погрешность может быть сведена до уровня ± (0,15—0,25) %. Применение грузокольцевых установок технически целесообразно для воспроизведения относительно небольших значений расхода газа. В настоящее время их широко применяют для градуировки и поверки „газовых” ротаметров.

Рис. 95. Схема трубопоршневой расходомерной установки непрерывного действия

Большие значения расхода газа воспроизводят с помощью трубопоршневых расходомерных установок (рис. 95). Установка представляет собой замкнутую кольцевую систему, основным элементом которой является калиброванная труба 4 с помещенным внутрь нее поршнем. Нагнетаемый воздуходувкой 1 в систему воздух проходит градуируемый или поверяемый расходомер 2, устанавливаемый на восходящем участке трубной обвязки, и, попадая в трубу 4, перемещает поршень, который при прохождении мимо первого по ходу детектора (магнито-язычкового реле) включает электронный секундомер. Когда поршень пройдет зону срабатывания второго детектора, секундомер отключается. В этот момент происходит автоматическое переключение отсекателей 3, 5—10, и воздух начинает поступать в трубу с другого торца, заставляя поршень перемещаться в обратном направлении. Таким образом осуществляется непрерывная работа установки. Воспроизводимый расход определяется объемом калиброванного участка трубы 4 и временем прохождения этого участка поршнем. Калиброванный участок по длине трубы располагают таким образом, чтобы движение поршня на зтом участке было установившимся, равномерным (без разгона и торможения). Для обеспечения устойчивой работы установки и уменьшения длин начального („разгонного”) и конечного („тормозного”) участков движения поршня

применяю» ;неуплотненные трубопоршневые системы с 1,5;— 2-миллиметровыми (радиальными зазорами между стенками трубы и поршнем, что обусловливает протечки газа через зазоры и устойчивый гидродинамический характер трения в системе. Дополнительные погрешности, связанные с протечками газа, при этом могут быть оценены и скомпенсированы соответствующими поправками, значения которых определяются в процессе аттестации установки.

Предельные погрешности наиболее совершенных трубопоршневых расходомерных установок не превосходят 0,1—0,2 %.

8.2. Основы метрологической аттестации

образцовых расходомерных установок

Градуировочные и поверочные расходомерные установки подлежат обязательной метрологической аттестации, при которой определяют: работоспособность всех узлов и элементов установки; герметичность мерных баков или весового резервуара; максимальный расход; предельную погрешность; характер потока на испытательном участке установки.

Кроме того, в объемных установках проверяют постоянство нулевой отметки шкалы мерных баков и устанавливают необходимую продолжительность выдержки после опорожнения.

Для определения нормальной работоспособности всех узлов и элементов установку предварительно эксплуатируют на максимальном расходе в течение 120—150 ч.

Герметичность мерных баков или весового резервуара проверяют следующим образом. Баки наполняют до полного объема рабочей жидкостью и после трехчасовой выдержки вновь измеряют количество залитой жидкости.

Если результаты повторного измерения совпадают (в пределах точности отсчета) с первоначальными, мерные баки или весовой резервуар считают герметичными.

Максимальный расход на установке оценивают, исходя из минимально допустимой продолжительности Т_т-_т налива мерных баков или весового резервуара. Как уже отмечалось выше, для того, чтобы уменьшить погрешности, вносимые в результат измерения расхода на установке нестабильностью срабатывания контактных реле, включающих и выключающих измеритель времени; разновременностью срабатывания перекидных устройств и другими причинами, T_min для статических расходомерных установок принимают равным 40—60 с.

Тогда максимальный расход на установке

(8.7)

?.

-max

mm

е,

ИЛИ

Минимальный расход на установке (2min определяется необходимой производительностью установки, требуемой быстротой градуировки или поверки расходомеров. Он обычно составляет 1/10 от бшах-

Предельную погрешность установки рассчитывают по формуле (справедливой для статистического суммирования составляющих погрешностей, равномерно распределенных в пределах своих максимально оцененных значений)

(Р= 0,997)

(8.9)

где 5 у — погрешность измерения количества рабочей среды на установке; &_t — погрешность измерения продолжительности опыта; б_с/ —дополнительные систематические погрешности измерения расхода на установке, обусловленные ее конструктивными особенностями (например, разновременностью срабатывания перекидных устройств), изменениями параметров окружающей и рабочей сред (например, температурные деформации измерительных баков).

Таким образом, в основе косвенных (расчетных) оценок погрешности измерения расхода на образцовых расходомерных установках при их метрологической аттестации лежит поэлементный анализ возможных причин, источников и факторов, обусловливающих погрешности измерений. При этом основная сложность (придающая творческий, исследовательский характер процессу аттестации) заключается не столько в самих оценках погрешности и ее составляющих, сколько в физически и метрологически обоснованном выявлении всех факторов, „значимо” влияющих на результаты измерений.

Существенно на „подконтрольную” работу расходомерных установок влияют статистические параметры воспроизводимого на ее испытательном участке потока. К таким параметрам относятся:

функция систематического изменения расхода во времени m(t); максимальная амплитуда и частота периодических колебаний статического напора в гидравлической системе установки;

средние квадратические отклонения турбулентных пульсаций расхода <Jq;

искажения эгаоры распределения осредненных скоростей по сечению потока.

Именно эти параметры, характеризующие „качество” воспроизводимого на установке потока, не позволяют обеспечить полной метрологической взаимозаменяемости образцовых расходомерных установок и существенно влияют на точность градуировки и поверки расходомеров.

Систематические изменения расхода т (?) обусловливаются постепенным нагревом рабочей жидкости в процессе работы установки развитием вихреобразований в зоне установки местных сопротивлений, аэрацией и т. п. Влияние этих факторов в наибольшей степени проявляется на максимальном расходе, вследствие этого величину т (?) оценивают на верхнем пределе измерений.

Определение т (?) сводится к многократным измерениям расхода в различные (фиксированные) моменты времени (например, с помощью

смонтированного на установке расходомера) при неизменном положении регулирующего органа, проверке гипотезы (по критерию Стьюден-та) о наличии систематического временного „тренда” в измеренных значениях расхода и оценке методом наименьших квадратов функции т (г) в случае, если гипотеза о наличии (существенности) систематического „тренда” подтвердилась.

Характеристики колебаний статического напора в гидравлической системе установки оценивают по результатам экспериментального исследования системы стабилизации напора.

Среднее квадратическое отклонение турбулентных пульсаций расхода может оцениваться либо по показаниям малоинерционных расходомеров, смонтированных на установке, либо по результатам измерения расхода и перепада давления Ар на испытательном участке (длиной L и радиусом R) по формуле

~ 8,6 (-^ Ар) °-⁵⁵.    (8.10)

Допустимое значение пульсаций расхода определяют по динамическим свойствам расходомеров, для градуировки и поверки которых предназначена установка.

Эпюру скоростей по сечению испытательного участка снимают при помощи трубок скоростного напора (трубок Пито). Допустимые искажения зпюры (ее несимметричность) также определяют, исходя из назначения установок и конструктивных особенностей монтируемых расходомеров.

8.3. Основы градуировки и поверки расходомеров

Основы градуировки расходомеров. Между измеряемым расходом Q (М) и показаниями Я любого расходомера существует зависимость, характеризуемая его уравнением измерений (статической характеристикой преобразования). В общем случае коэффициенты, входящие в зти уравнения, зависят как от конструктивных параметров расходомеров, так и от физико-химических свойств измеряемой среды. В подавляющем большинстве случаев рассчитать с достаточной для практических целей точностью значения этих коэффициентов чисто аналитическим путем невозможно. Кроме того, из-за отсутствия полного геометрического подобия элементов эти коэффициенты различны для разных расходомеров одной конструкции и одного типоразмера (исключение составляют лишь стандартизованные типы расходомеров переменного перепада давления, для которых геометрическое подобие, а следовательно, и возможность косвенной градуировки обеспечивается стандартизованной технологией изготовления и производственного контроля сужающих устройств). Поэтому большинство существующих расходомеров индивидуально градуируют с помощью описанных выше расходомерных установок.

Целью градуировки является количественное определение зависимости между измеряемым расходом и показаниями расходомера и представление этой зависимости в виде уравнения, таблицы, графика или оцифрованных в ециннцах расхода делений шкалы градуируемого расходомера.

Процесс градуировки состоит в следующем: регулировочным устройством устанавливают определенный расход на установке, затем одновременно точно измеряют расход на установке и снимают показания градуируемого расходомера. Эту операцию повторяют многократно на различных расходах.

Имея совокупность определенных на установке расходов и соответствующих им показаний расходомера, можно определить искомую градуировочную зависимость и аппроксимировать значения расхода на всю шкалу прибора и весь диапазон измерений.

Поскольку вид градуировочной зависимости, как правило, известен, он характеризуется уравнением измерений расходомера; необходимые для количественной оценки и аппроксимации расчеты проводят способом наименьших квадратов.

Число расходов, на которых градуируют расходомер, обычно выбирают равным 10 (через каждые 10 % верхнего предела измерений расходомера). В этом случае предельная погрешность полученной градуировочной зависимости

(8.11)

где п — число неизвестных коэффициентов, которые определялись при градуировке; б_у — погрешность градуировочной установки, оцененная при ее метрологической аттестации.

Для индивидуально градуируемых приборов (каковыми являются расходомеры) процедура градуировки (нахождение числа градуировочных точек, их номинальных значений, числа измерений на каждой точке, характеристик средств градуировки) должна регламентироваться в нормативно-технической документации на эти приборы.

Основы поверки расходомеров. Существуют два технологических процесса поверки расходомеров: поверка на образцовых расходомерных установках и поэлементная поверка.

На образцовых расходомерных установках осуществляется поверка индивидуально градуируемых расходомеров. Процесс поверки при этом сводится к сравнению расхода Q_R, измереннного с помощью установки, с показаниями расходомера (при том же расходе) Q_p, определенными по шкале прибора или по его градуировочной зависимости /(/7).

Если значение разности (Q- ??_д) на всех поверяемых точках (поверочных значениях расхода) не превосходит определенного нормированного классом точности или предельной относительной погрешностью расходомера значения, результаты поверки считают положительными, а прибор — пригодным для использования. В противном случае, прибор необходимо переградуировать.

Процедура и методика проведения поверочных операций (определение числа и значения поверяемых точек, числа измерений на каждой точке, точности средств поверки и др.) определяются поверочной схемой, точностью поверяемого расходомера, допустимыми вероятностями брака поверки (вероятностью забраковать заведомо годный прибор и вероятностью пропустить негодный прибор) и регламентируются в соответствующей нормативно-технической документации.

Поэлементный способ применяют при поверке расходомеров переменного перепада давления. При этом методе образцовые расходомерные установки не нужны; сужающее устройство и дифманометр поверяют отдельно.

При поверке сужающего устройства необходимо: проверить правильность расчета сужающего устройства убедившись в правильности расчета, измерить диаметр сужающего устройства. Диаметр цилиндрической части отверстия диафрагмы измеряют не менее, чем в четырех диаметральных направлениях, а сопла и сопла Вентури — в двух поперечных сечениях и не менее, чем в четырех даиметральных направлениях. Погрешность измерений не должна превышать 1/3 допуска на диаметр;

проверить соответствие действительного (измеренного) диаметра сужающего устройства расчетному;

установить нормальное техническое состояние сужающего устройства, т. е. проверить остроту входной кромки диафрагмы или геометрию профильной части отверстия сопла, плоскостность входного торца и чистоту поверхностей сужающего устройства и установить отсутствие заусенцев и зазубрин на кромках входного отверстия.

Для поверки дифманометров используют различные образцовые манометрические устройства и установки,

Контрольный вопрос № 16

На весовой расходомерной установке поверяли электромагнитный расходомер. Поверку проводили на воде. При этом было принято, что плотность воды постояннаиравнаО,9997 г/см¹. По результатам поверки расходомер был забракован, так как показания установки превышали показания прибора на недопустимо большое значение. После поверки бьло обнаружено, что вода на установке в процессе опыта сильно насыщалась воздухом.

Необходимо ли повторно поверять прибор^- или можно оставить в силе выводы о его метрологической негодности?

Если Вы решите, что необходимо повторно поверить расходомер, загляните на с. 228, если же Вы решите, что в этом нет необходимости - см. с. 237.

Глава 9. счетчики количества жидкостей  »

Библиотека »