К вопросу о точности измерений природного газа парциальными расходомерами

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

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.