Пристрій для градуювання критичних витратомірів газу

Пристрій для градуювання критичних витратомірів газу, що включає систему подачі газу, дзвоновий мірник і випробовувальну ділянку, який відрізняється тим, що додатково утримує джерело робочого газу, а випробовувальна ділянка утримує витратомір критичного витікання газу та систему забезпечення критичного режиму потоку, що включає газоструминний інжектор, джерело витрати стисненого повітря та блок керування цим джерелом витрати. (19) (21) 98031485 (22) 25.03.1998 (24) 15.11.2000 (33) UA (46) 15.11.2000, Бюл. № 6, 2000 р. (72) Середюк Орест Євгенович, Петришин Ігор Степанович (73) Середюк Орест Євгенович, Петришин Ігор Степанович 30411 двигунобудуванні (журнал "Измерительная техника", № 11, 1980, "Точные измерения расхода воздуха в авиационном двигателестроении", с. 51-52). Випробовувальна витратомірна установка для газів (ВВУ) складається з системи подачі і стабілізації витрат газу (балонна рампа, трубопроводи, редуктор), випробовувальної ділянки з повірюваним витратоміром, перемикачем потоків, пристрою для зважування газу, пристрою для вимірювання та реєстрації інтервалу часу, тиску, температури. ВВУ використовують для градуювання робочих засобів вимірювання витрат, наприклад, критичних витратомірних сопел. На початку процесу градуювання здійснюється протікання газу через систему подачі і стабілізації витрати газу в атмосферу. В момент переключення потоку на заповнення вимірювального балону починається автоматичний відлік часу та реєстрація температури та тиску. Критичне сопло, яке розташоване між струменевипрямлячем та перемикачем потоків, дозволяє виключити вплив росту тиску в вимірювальному балоні на задану витрату. При зворотному перемиканні газ поступає в атмосферу, а відлік часу та реєстрація інших параметрів припиняється. Після цього здійснюється зважування газу. Масу газу визначають як різницю результатів зважування до і після заповнення вимірювального балону. По виміряних значеннях інтервалу часу розраховують масову витрату. Для ВВУ максимальна витрата газу складає 7 кг/с, похибка вимірювань складає ±0,4%. Однак для досягнення великих витрат необхідно створювати великогабаритні установки, що з одного боку значно збільшує її складність та трудоємність градуювання, а з іншого - вимагає обладнання додатковими пристроями стабілізації потоку. Ця установка також характеризується значною складністю в конструктивному виконанні (пристрій стабілізації потоку і швидкодіючі перемикачі напрямку його протікання), потребує використання прецизійних засобів вимірювання маси газу, а також застосування високоточних контрольновимірювальних приладів параметрів газу (тиску, температури). Крім того, вона складна в експлуатації так як заповнення вимірювального балону газом можна проводити тільки до досягнення певного тиску в ньому, тобто при умові забезпечення критичного режиму протікання повітря через критичне сопло. Серед зразкових витратовимірювальних засобів, що працюють при великих статичних тисках і витратах (верхня межа вимірювань складає 10000 м3/год), відома поршнева витратовимірювальна установка РПДУ - 41 пг, яку використовують для градуювання і повірки на природному газі лічильників і витратомірів великих типорозмірів (журнал "Измерительная техника", № 11, 1995, "Метрологическая аттестация поршневой расходоизмерительной установки природного газа", с. 28-30). При цьому установка працює не тільки як зразковий засіб по відтворенню та вимірюванню витрати природного газу, але й об'єму газу, з границею основної похибки ±0,41%. В цій установці, розширення діапазону робочих витрат в сторону зменшення значно обмежене, так як наявність поршневого розділювача зумовлює значне зростання її похибки при малих лінійних швидкостях руху поршня. Поряд з цим, метрологічна атестація установки опосередкованим методом не дає достатньої точності і вірогідності співставлення результатів вимірювань витрат нею і існуючим еталоном (див. ГОСТ 8.143-75 "ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений объемного расхода газа в диапазоне 1·10-6...1·102 м3/с"). Поряд з цим використання для її атестації інших витратовимірювальних засобів прямого вимірювання витрати, наприклад, критичних витратомірів, приводить до зниження її метрологічних характеристик. Ця установка не може працювати на різних робочих середовищах, наприклад, повітря чи інший газ. Їй характерні значні габарити і складність конструктивного виконання (велика кількість дистанційнокерованих засувок, необхідність вибухобезпечного виконання пристроїв збору вимірювальної інформації та інше). На даний час вимірювання великих витрат та градуювання зразкових засобів вимірювань складає найбільшу проблему. При вимірюванні великих витрат в ряді випадків використовують метод площа-швидкість, що обгрунтовується складністю реалізації на практиці інших методів. Зв'язок цього методу з еталонними засобами складний, теоретична оцінка його точності затруднена внаслідок використання ряду емпіричних коефіцієнтів. Останнім часом для атестації витратомірів, що працюють на великих витратах і великих статичних тисках, використовують повірочні установки, що містять критичні витратоміри. Витрата газу через такі витратоміри не залежить від тиску за звужуючим пристроєм і визначається головним чином тиском і температурою газу перед ним. Критичними витратомірами можна повіряти як масові, так і об'ємні витратоміри і лічильники газу. У ряді повірочних установок вони використовуються як стабілізатори потоку газу. Відома поршнева витратовимірювальна установка природного газу, що складається з каліброваного вимірювального трубопроводу, випробовуваної ділянки, компаратора з. критичними соплами, з'єднуючих трубопроводів, системи автоматичного керування, збору та обробки вимірювальної інформації та приладів, що випробовуються. Установка реалізує дискретно-динамічний метод точного вимірювання та відтворення витрати і об'єму газу, який передбачає досягнення заданого значення відтворюваної витрати, запуск поршневого розділювача у вимірювальний трубопровід, збір вимірювальної інформації з установки та випробовуваного приладу під час руху поршневого розділювача між фотодетекторами і плавну зупинку поршневого розділювача (див. журнал "Измерительная техника", № 11, 1995, "Метрологическая аттестация поршневой расходоизмерительной установки природного газа" с. 28-30). Ця установка забезпечує можливість градуювання витратомірів та лічильників газу одночасно при високих тисках і на природному газі. Однак використання для її метрологічної атестації критичних сопел, що входять до складу компаратора, знижує точність передачі одиниці вимірювання витрати від еталона і погіршує її метрологічні характеристики. Найбільш близьким до запропонованого винаходу по сукупності ознак існує пристрій для повірки 2 30411 витратомірів та лічильників газу (а.с № 506765, Б.И. № 10, 1976 р.), який складається з системи подачі стабілізації витрат газу, дзвонового газового мірника та випробовувальної ділянки, що містить повірюваний прилад та регульований клапан. Система подачі і стабілізації витрат газу складається з повітродувки, запірного клапана, стабілізатора тиску та набору контрольних калібрувальних опорів. Пристрій працює на принципі порівняння витрати, яка проходить через контрольний калібрувальний опір, з показами витратоміра, що знаходиться у випробовувальній ділянці. При цьому дзвоновий мірник, який під'єднаний до трубопроводу між контрольним опором і повірюваним витратоміром використовується як індикатор миттєвої витрати. Таке конструктивне виконання передбачає врахування метрологічних характеристик як калібрувального опору, так і дзвонового мірника при оцінці точності повірюваного витратоміра. А враховуючи, що калібрувальні опори градуюються цим же дзвоновим мірником під час режиму самоповірки, то така ступенева послідовна передача одиниці вимірювання знижує точність повірки і градуювання досліджуваного витратоміра. Тому цей пристрій не може характеризуватися достатньо високою точністю. Поряд з цим проаналізований пристрій не забезпечує градуювання та повірку критичних витратомірів внаслідок неможливості досягнення критичного режиму витікання газу. Реалізація цього режиму можлива при забезпеченні співвідношення абсолютних тисків газу після та до критичного сопла не більше 0,528. Враховуючи, що значення надлишкових тисків під дзвоном установки як правило не перевищує 5-8 кПа, то на практиці реалізація такої умови цим пристроєм неможлива. В основі винаходу поставлена задача створення такого пристрою для градуювання та повірки критичних витратомірів газу, який би шляхом забезпечення стабілізованої витрати газу, підтримки її незмінною протягом усього циклу повірки та зіставленням метрологічних характеристик приладів, створював би ідентичність умов вимірювання та звіряння і тим самим забезпечував би передачу з необхідною точністю розмірів одиниць вимірювань об'єму і об'ємної витрати газу від зразкової витратовимірювальної установки до критичних витратомірів на будь-яких різновидах робочих газів. Задача вирішується наступним чином. Відомий пристрій для повірки витратомірів та лічильників газу, що включає систему подачі газу, дзвоновий мірник і випробовувальну ділянку, обладнують системою забезпечення критичного режиму потоку через критичний витратомір, яка містить газоструминний інжектор, джерело витрати стисненого повітря та блок керування цим джерелом витрати. Для випадків, коли необхідно створити умови градуювання на природному або іншому робочому газі, пристрій утримує джерело робочого газу з редуктором. Забезпечення постійних умов вимірювань і звіряння метрологічних характеристик приладів, які забезпечують ці умови у комплексі, зумовлюють досягнення необхідної точності і повторюваності результату вимірювання. Головний чинник, який при цьому враховується - стабільність потоку на виході дзвонової витратовимірювальної уста новки та перед градуйованим критичним витратоміром, а також забезпечення умов критичного режиму потоку через критичне сопло. Характеристиками потоку, які зумовлюють відтворення витрати даним винаходом, є параметри газу під дзвоном на початку відліку контрольного об'єму P1, Т1, V1п, котрі характеризують відповідно абсолютний тиск, температуру і об'єм газу під дзвоном. З врахуванням того, що дзвонова витратовимірювальна установка - це джерело стабільної витрати, то тиск і температура під дзвоном в процесі градуювання в межах її похибки не змінюються. Тому параметри повітря в кінці відліку контрольного об'єму будуть становити відповідно Р1, Т1, V1к, де V1к - об'єм газу під дзвоном в кінці відліку контрольного об'єму. При цьому різниця об'ємів DV=V1п - V1k буде становити контрольний об'єм газу, який відмірюється дзвоновим мірником. Об'ємна витрата газу Q при витісненні його дзвоном за час t становить Q=DV/t (1) Масова витрата Qm газу на виході установки при цьому запишеться виразом Qm =Q·r=DV·P1/t·к·R·T1, (2) де r - густина робочого газу під дзвоном, к, R - коефіцієнт стискуваності та питома газова постійна робочого газу відповідно. Масова витрата повітря через критичне сопло записується виразом P Qc = m × F × c 2 , (3) RT2 де Р2 та T2 - абсолютний тиск та температура ізоентропічно заторможеного газу перед критичним соплом, m - коефіцієнт витрати сопла, F - площа отвору сопла, с - функція критичної витрати газу через сопло. Враховуючи, що для відтворення умов вимірювання масова витрата повітря на виході дзвонового мірника повинна дорівнювати масовій витраті повітря через критичне сопло Qm =Qc, то при забезпеченні цих умов коефіцієнт витрати критичного сопла визначається формулою T DV 1 P × × 1× 2 . (4) t R × k × F × c P2 T1 Оскільки DV/t зумовлено високою точністю взірцевої дзвонової установки, то для зіставлення метрологічних характеристик дзвонової установки і критичного сопла підбирають відповідний режим роботи системи забезпечення критичного режиму потоку у соплі, який розраховується в залежності від температури і необхідних значень абсолютного тиску на вході і виході сопла, а також площі його отвору. Для забезпечення критичного режиму сопла винахід утримує газоструминний інжектор, джерело витрати стисненого повітря та блок керування цим джерелом витрати. За допомогою, газоструминного інжектора стає можливим досягнення і підтримання під час градуювання на виході критичного сопла такого абсолютного тиску, який є меншим від атмосферного тиску повітря. Необхідне значення тиску на виході сопла розраховується m= 3 30411 в залежності від умов градуювання і конструкції критичного витратоміра, а їх практична реалізація визначається конструкцією інжектора, робочим надлишковим тиском і витратою повітря джерела стисненого повітря. При цьому зауважимо, що згідно з конструктивними особливостями критичних витратомірів співвідношення абсолютних тисків на його виході і вході треба забезпечувати не рівним певному значенню, наприклад, 0,528, а будь-яким меншим або рівним цьому значенню. Ця умова суттєво знижує вимоги як до конструктивного виконання газоструминного інжектора, так і до технічних характеристик джерела витрати стисненого повітря і блока керування ним. Для створення умов градуювання і повірки на різних середовищах, наприклад, на природному газі, пристрій обладнаний джерелом робочого газу з редуктором. При відповідному підборі зразкових засобів в залежності від параметрів потоку, винахід дозволяє експериментально визначати коефіцієнт витрати критичного сопла, що досягається алгоритмом його градуювання і забезпечує необхідну точність передачі розмірів одиниць вимірювань від зразкової установки. На фігурі зображений пристрій для градуювання критичних витратомірів газу. Пристрій складається з 1 - дзвону, 2 - витіснювача, системи забезпечення постійного тиску під дзвоном, що містить компенсаційну стрічку 3 і противагу 4 для її натягу, системи вимірювання контрольного об'єму газу, що складається з контрольної лінійки 5, з'єднаної стальною стрічкою 6 з дзвоном 1, освітлювача 7, фотоприймача 8 і вимірювача контрольного об'єму газу 9, системи подачі газу для наповнення дзвона, що містить повітродувку 10, джерело робочого газу 11, редуктор 12, запірні клапани 13, 14 і підвідні трубопроводи 15, 16, випробовувальної ділянки, що складається з критичного витратоміра 17, газоструминного інжектора 18, джерела витрати стисненого повітря 19 з блоком керування 20 і додатковим трубопроводом 21, вихідного трубопроводу 22 з запірним клапаном 23. Функціонально елементи 1...9 утворюють дзвоновий мірник, а елементи 18...21 - систему забезпечення критичного режиму потоку газу. Пристрій для градуювання критичних витратомірів працює таким чином. Перед початком випробувань на повітрі заповнюють простір під дзвоном 1 від джерела витрати 10 через трубопровід 15 і відкритий клапан 13. При цьому клапани 14 і 23 у відповідних трубопроводах 16 і 22 закриті. При досягненні дзвоном 1 заданого верхнього положення клапан 13 закривають і припиняють подачу повітря від повітродувки 10. Дзвін опиняється у нерухомому зваженому стані. Далі за допомогою джерела витрати стисненого повітря 19 і блока керування 20 в залежності від параметрів критичного витратоміра створюють необхідну витрату повітря у газоструминному інжекторі 18, яка подається до нього додатковим трубопроводом 21. Цим забезпечується досягнення в робочій зоні інжектора абсолютного тиску, що є меншим від атмосферного. Після відкриття клапана 23 дзвін 1 починає опускатися під дією власної ваги і витискати повітря у вихідний трубопровід 22. Після завершення перехідного процесу, тобто при досягненні усталеної заданої витрати повітря, дзвін 1 безперервно опускається і підтримує за рахунок власної ваги і компенсаційної стрічки 3 стабільний тиск у вихідному трубопроводі 22 на вході критичного витратоміра 17. Одночасно з опусканням дзвону 1 вимірювачем 9 за допомогою контрольної лінійки 5, освітлювача 7 і фотоприймача 8 відміряється певний заданий контрольний об'єм повітря. При цьому також вимірюють параметри тиску і температури повітря під дзвоном і перед критичним витратоміром, які забезпечують можливість проведення обчислень згідно з алгоритмом (4). За рахунок безперервного подавання стисненого повітря у інжектор 18 від джерела витрати 19 підтримується понижений тиск на виході критичного витратоміра 17, чим забезпечується його критичний режим роботи. При опусканні дзвона 1 до крайнього нижнього положення запірний клапан 23 закривають і подавання повітря від джерела 19 припиняють. Градуювальний цикл на цьому закінчується. У випадку проведення випробувань на робочому газі алгоритм залишається незмінним, але на початку градуювального циклу заповнення дзвона 1 здійснюється по трубопроводу 16 від джерела робочого газу 11 високого тиску з пониженням його значення редуктором 12 до робочого тиску під дзвоном 1. Під час такого заповнення запірний клапан 13 закритий, а клапан 14 відкритий, який закривають після досягнення дзвоном заданого верхнього положення. Запропонований пристрій забезпечує досягнення найвищої точності градуювання експериментальним методом критичних витратомірів газу, так як при цьому можуть бути використані створені на базі дзвонових витратовимірювальних установок еталони об'єму і об'ємної витрати газу. 4 30411 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 5