Исследование метрологических характеристик ультразвукового счетчика газа на эталонных расходоизмерительных установках Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ

УДК 53.089.68

И. А. Исаев, Д. Р. Хакимов, А. И. Горчев,

Р. И. Ганиев

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО СЧЕТЧИКА ГАЗА НА ЭТАЛОННЫХ РАСХОДОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

Ключевые слова: ультразвуковой преобразователь расхода, ультразвуковой расходомер, калибровка меры, эталонная расходоизмерительная установка.

Исследованы метрологические характеристики ультразвукового счетчика газа на эталонных расходоизмерительных стендах лабораторий теплотехнических измерений Pigsar и завода-изготовителя, а также на эталонной установке ЭУ-2 в составе Государственного первичного эталона объемного расхода газа ГЭТ118. Обнаружено, что при использовании счетчика с калибровочными коэффициентами, рассчитанными при условиях, отличных от условий измерений, происходит увеличение относительной погрешности измерений объемного расхода газа. Анализ полученных данных позволил установить, что причиной этого является влияние паразитных акустических шумов, избыточного давления на отдельные компоненты счетчика и его корпус и изменение коэффициента усиления акустического сигнала. Приведены рекомендации по компенсации погрешности.

Keywords: ultrasonic flow transducer, ultrasonic flowmeter, calibration of an actual measure, standard flow metering installation.

The metrological properties of ultrasonic gas meter on standard flow-metering benches of thermotechnical laboratories Pigsar and maker have been studied as well as on standard facility ЭУ-2 comprised in State primary standard facility for volumetric gas flow ГЭТ 118. It has been found out that during the use of the meter with calibration coefficients calculated under conditions different from measurement conditions there occurs an increase of relative measurement error of volumetric gas flow. The analysis of obtained data allowed to establish that the reason for this is the influence of spurious acoustic noise, excessive pressure on separate components of the meter and its housing and change the gain of the acoustic signal. The recommendations for error compensation are provided.

Введение

Обеспечение единства измерений неразрывно связано с периодическим контролем метрологических характеристик средств измерений. Возможность поверки ультразвуковых преобразователей расхода (далее - УЗПР) на расходоизмерительных (поверочных) установках, воспроизводящих единицу расхода и/или объема в условиях, сопоставимых условиям эксплуатации поверяемых УЗПР (давление, температура, расход, скорость газа, компонентный состав газа, и т.д.) и с требуемой величиной погрешности измерений в нашей стране ограничена. Отсутствие данных поверочных установок или несоответствие существующих по каким-либо критериям привело к распространению так называемого «без проливного» имитационного метода поверки УЗПР, либо поверки УЗПР, предназначенных для эксплуатации «на природном газе под давлением» на «атмосферном воздухе» [1,2]. В 2012 г. ФГУП ВНИИР провел серию экспериментальных исследований, направленных на освещение вопросов связанных с поверкой (калибровкой) УЗПР в различных условиях. Целью сравнительных испытаний было выявление отклонений погрешности калибровки УЗПР при атмосферном и избыточном давлении. Для испытаний был использован счетчик газа ультразвуковой. Этот счетчик был последовательно подвергнут процедуре определения метрологических характеристик на различном лабораторном оборудовании.

Ультразвуковой счетчик газа

Счетчики газа ультразвуковые предназначены для измерений и вычислений объема и объемного расхода природного газа, пропана, бутана и других газов при рабочих условиях. Принцип действия счетчиков основан на методе измерения разности между временем прохождения ультразвуковых импульсов по потоку и против потока газа. Измеренная разность времени, пропорциональная скорости потока, преобразуется в значение объемного расхода.

В рамках проведения сличений использовался счетчик стандартной модификации серийного исполнения DN100. Основные метрологические характеристики счетчика:

Диапазон измерений расхода газа при рабочих условиях от 13 до 1000 м3/ч

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений объемного расхода и объема газа при рабочих условиях, %:

0,1Qmax < Q < Qmax ± 0,3;

Qmin<Q<0,1Q

max ± 0,5 ■

Примечание: представленные характеристики точности измерений применимы к счетчику прошедшему калибровку (настройку, тарировку) на расходоизмерительной установке. Требования к счетчикам при выпуске из производства (в том числе и к характеристикам точности измерений) изложены, в частности, в ISO 17089.

Эталонные расходоизмерительные установки

Эталонная установка с набором критических сопел ЭУ-2 в составе Государственного первичного эталона объемного расхода газа ГЭТ118.

В качестве рабочей среды в эталоне используют воздух из помещений, в которых его эксплуатируют, при атмосферном давлении, температуре от 10 °С до 30 °С и относительной влажности до 80 %. Диапазон воспроизводимых объемных расходов от 2 до 10000 м3/ч.

ГЭТ 118 обеспечивает воспроизведение размеров единиц объемного и массового расходов газа со средним квадратическим отклонением результатов измерений So от 3,5-Ш-4 до 5,0-Ш-4 при 11 независимых измерениях, и неисключенной систематической погрешности ©0 не превышающей 4-104.

Лаборатория теплотехнических измерений

Pigsar.

Pigsar представляет Национальный Стандарт Федеративной Республики Германия (National Standard of the Federal Republic of Germany) для единицы объема природного газа под высоким избыточном давлением, находящийся под патронажем PTB (Федеральное Управление Физико-технических измерений Германии - Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Pigsar распространяет гармонизированную европейскую единицу объема природного газа под высоким избыточным давлением для Германии, Франции и Нидерландов.

Лаборатория Pigsar аккредитована в соответствии со стандартом ENISO 17025 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий». Для испытаний используются 9 рабочих эталонов, четыре турбинных счетчика условной размерности G1000, четыре турбинных счетчика размерности G250 и один ротационный счетчик газа с малой пульсацией (IRPP).

Основные параметры стенда Pigsar:

диапазон измерений расхода газа при рабочих условиях от 8 до 6600 м3/ч;

диапазон измерений расхода газа, приведенного к стандартным (нормальным) условиям не более 350000 м3/ч;

диапазон воспроизводимого давления газа от 1,6 до 5 МПа;

испытуемые образцы - все объемные и массовые счетчики и расходомеры типоразмеров до DN400;

относительная погрешность измерений не более 0,16 %.

Примечание: за относительную погрешность измерений принята расширенная неопределенность гармонизированной единицы объемного расхода природного газа под давлением.

Лаборатория завода-изготовителя.

Лаборатория завода-изготовителя (далее -ЛЗИ) аккредитована в соответствии с требованиями к системе менеджмента качества организаций и предприятий ISO 9001:2008.

В поверочной лаборатории завода-изготовителя представлены стенды низкого и высокого давления. В качестве рабочей среды в эталоне используют воздух. Для испытаний на атмосферном воздухе используются 4 рабочих эталона: три турбинных счетчика условной размерности в650, в2500, в16000 и один ротационный счетчик условной размерности в100.

Основные метрологические характеристики установки завода-изготовителя на атмосферном воздухе:

диапазон измерений расхода газа при рабочих условиях от 3 до 24000 м3/ч;

испытуемые образцы - объемные счетчики и расходомеры типоразмеров до БШ00 (турбинные счетчики до БШ00);

относительная погрешность измерений не более 0,2 %.

Определение метрологических характеристик счетчика

Счетчик был подвергнут динамическим испытаниям (определению метрологических характеристик на расходоизмерительной установке) в 3 различных лабораториях при разных условиях. Помимо этого, в соответствии со стандартом предприятия изготовителя, все выпускаемые ультразвуковые счетчики в обязательном порядке проходят первичную юстировку и проверку метрологических характеристик в статических условиях (так называемая «сухая калибровка»). Результаты «сухой калибровки» позволяют с минимальными затратами оценить качество изготовления счетчика и провести предварительную оценку его метрологических характеристик. В рамках данной статьи результаты «сухой калибровки» не рассматривались, однако необходимо отметить, что данный конкретный образец счетчика с успехом прошел все процедуры проверки, предусматриваемые отделом контроля качества за-вода-изготовителя в рамках «сухой калибровки».

Ультразвуковые счетчики имеют широкие возможности настройки, юстировки и подстройки на основании данных о калибровках (как «сухих», так и с использованием расходоизмерительных установок) [3]. Типичными для современных ультразвуковых преобразователей являются следующие виды корректировки показаний, основанные на оценке их метрологических характеристик полученных в динамических условиях:

• корректировка по средневзвешенному;

• полиномиальная корректировка;

• кусочно-линейная интерполяция.

Корректировка по средневзвешенному - вид

корректировки при котором показания расходомера умножаются на поправочный коэффициент АР, рассчитанный на основании данных об отклонении значения расхода полученного испытуемым счетчиком от значения эталонной расходоизмерительной установки. Данный коэффициент определяется единственным образом для всего рабочего диапазона расхода (исключение составляют «двунаправленные расходомеры», способные измерять реверсивный поток, для них возможно определение второго

поправочного коэффициента по средневзвешенному для реверсивного потока). Конкретная процедура нахождения поправочного коэффициента описывается в технической документации на расходомер. Чаще всего используется следующий способ нахождения средневзвешенного корректировочного коэффициента (номинальный расход 70% от максимального):

AF=1/(1+WME/100) (1)

WME=Zmj=1kjfpoj/ Zmj=i kj, (2)

где fpQj - относительное отклонение показаний

расходомера от показаний расходоизмерительной установки при расходе Qj;

kj=Q’j/Qmax, при Q’j<0,7Qmax;

kj=1,4-Q’j/Qmax, при Q’j<0,7Qmax;

j - индекс поверочного расхода (j=1.. .m);

m - число точек по расходу (m=5).

Корректировка по средневзвешенному позволяет линейно сместить график ошибок расходомера вверх или вниз, оставляя вид характеристической кривой ошибок неизменным.

Корректировка полиномиальной функцией -вид корректировки, при котором показания расходомера умножаются на поправочный коэффициент AFP, являющийся в свою очередь полиномиальной функцией расхода. Для каждого значения расхода измеренного расходомером рассчитывается свой корректировочный коэффициент. Типичной формулой полиномиальной корректировки является следующий вид зависимости:

AFP(Q)=A-2Q 2+ A-1Q 1+A0+ A1Q+ A2Q2 (3)

Значения коэффициентов A-2 .A2 зависят от отклонений показаний расходомера и эталонной расходоизмерительной установки.

Корректировка полиномиальной функцией позволяет значительно скорректировать показания расходомера в сторону уменьшения погрешности, смещая график ошибок и сглаживая его.

Корректировка кусочно-линейной интерполяцией - вид корректировки, при котором измеренное значение объема умножается на коэффициент, зависящий от измеренного расхода, найденный из условия минимизации итоговой погрешности рассчитанной в точках калибровки. Данный вид корректировки кардинально изменяет характерную кривую погрешности и не является приемлемым для коммерческих измерений в ряде стран (например, в Германии).

Испытания на расходоизмерительной установке завода-изготовителя.

Испытания проведены при атмосферном давлении, в качестве измеряемой среды был использован атмосферный воздух.

По результатам испытаний для счетчика были определены корректировочные коэффициенты полиномиальной функции (5 коэффициентов). Этот

набор коэффициентов применяется для корректировки расхода атмосферного воздуха:

А-2 = 63,4859;

А_! = -24,7196;

А0 = -1,02205;

А1 = 0,00134486;

А2 = -7,2245Е-5.

Испытания на расходоизмерительной установке Pigsar.

Испытания проведены на природном газе при давлении 5 МПа. Данные полученные при испытаниях были использованы для нахождения корректировочных коэффициентов полиномиальной функции (3 коэффициента):

А-1 = -5,65378;

А0 = -1,811Е-1;

А1 = 4,7Е-4.

Примечание: данные калибровок расходомеров, проведенные в зарубежных лабораториях, в качестве характеристики точности измерений содержат сведения о неопределенности измерений, а не о погрешности измерений как для многих отечественных лабораторий. Однако, в рамках рассматриваемого вопроса, расширенная неопределенность, рассчитанная по значениям стандартной неопределенности с использованием коэффициента охвата к=2, численно равна относительной погрешности.

Испытания на эталонной установке ГЭТ

118.

На момент проведения испытаний ультразвукового счетчика на эталонной установке ГЭТ 118 для счетчика существовало два набора корректировочных коэффициентов полиномиальной функции (полученные на атмосферном воздухе и на природном газе под давлением). Испытания на эталонной установке ГЭТ 118 были проведены для обоих наборов корректировочных коэффициентов.

В основе метода измерений установок на критических соплах лежит метод косвенного измерения массового расхода по формуле:

9т=мРа^Р/(РТ)°’5, (4)

где ^ - газодинамический коэффициент расхода, учитывающий неравномерность распределения параметров потока газа в минимальном сечении сопла, обусловленную вязкостью газа;

Р - площадь сечения горловины сопла при температуре 20 °С;

а( - поправочный коэффициент на тепловое расширение материала сопла;

С - функция критического потока совершенного газа;

^ - термодинамический коэффициент расхода, учитывающий отличие свойств реальных газов от свойств соответствующих моделей совершенных газов;

Р - давление изоэнтропически заторможенного газа;

Т - температура изоэнтропически заторможенного газа;

Р - удельная газовая постоянная.

Значения массы измеренного газа, объема газа или объема газа, приведенного к стандартным условиям, являются величинами производными от массового расхода. Эти величины могут быть получены путем обработки результатов измерений массового расхода и времени (а в случае объемного расхода, дополнительно - плотности измеряемой среды). При испытаниях на эталонной установке ГЭТ 118 за эталонные значения принимались мгновенные значения объемного расхода воздуха, корректированные по измеренным значениям температуры, давления и влажности.

За измеренное значение мгновенного расхода счетчиком принималось среднее значение измеренных мгновенных расходов полученных за интервал времени. Полученные таким образом значения расхода были подвергнуты анализу на статистическое распределение. Данные для определения погрешности были отфильтрованы по принципу «3а» для отсева промахов и вылетов. При испытании промахов и вылетов установлено не было.

Результаты калибровки счетчика на атмосферном воздухе представлены в табл. 1, 2.

Таблица 1 - Результаты калибровки счетчика на атмосферном воздухе, при использовании калибровочных коэффициентов, полученных в лаборатории Pigsar на природном газе под давлением (прямой и обратный ход)

Номинальный расход по набору критических сопел ГЭТ 118, Оэс, м3/ч Расход эталонной установки ГЭТ 118, Оэ, м3/ч Расход счетчика, Осч, м3/ч Относительная погрешность, б, %

14 13,85 14,06 1,52

51 51,86 53,06 2,31

158 159,56 160,4 0,53

248 250 249,23 -0,31

405 408,73 410,42 0,41

605 609,52 608,26 -0,21

904 906,86 908,17 0,14

904 906,86 895,77 -1,22

605 609,42 608,98 -0,07

405 408,91 411,62 0,66

248 250,21 252,23 0,81

158 159,76 160,49 0,46

51 51,95 52,65 1,35

14 13,88 14,05 1,22

Таблица 2 - Результаты калибровки счетчика на атмосферном воздухе, при использовании калибровочных коэффициентов, полученных в ЛЗИ на атмосферном воздухе (прямой и обратный ход)

Номинальный расход по набору критических сопел ГЭТ 118, Оэс, м3/ч Расход эталонной установки ГЭТ 118, Оэ, М3/Ч Расход счет- чика, Осч, м3/ч Относительная погрешность, б, %

14 13,89 13,97 0,58

51 51,98 51,78 -0,38

158 159,9 159,78 -0,08

248 250,49 250,44 -0,02

405 409,45 409,18 -0,07

605 610,38 608,16 -0,36

904 908,29 905,06 -0,36

904 908,29 905,06 -0,36

605 610,38 609,14 -0,2

405 409,45 410,99 0,38

248 250,49 249,99 -0,2

158 159,9 159,86 -0,03

51 51,98 51,89 -0,17

14 13,89 13,83 -0,43

Систематизация и обобщение данных калибровки

Метрологические характеристики, полученные в результате калибровок, сведены и систематизированы по принципу проливки на три группы: испытания счетчика без применения калибровочных коэффициентов, с калибровочными коэффициентами «на атмосферном воздухе» и «на природном газе под давлением».

Для адекватного анализа отклонений показаний счетчика, полученных при исследовании, за опорное значение при расчете относительных погрешностей взяты показания счетчика. Такие относительные отклонения обозначены термином «обратная относительная погрешность». На представленных ниже графиках (рис. 1 - 3), ось абсцисс соответствует расходу измеренному счетчиком. По оси ординат отложены относительные отклонения значений, полученных на расходоизмерительных установках.

Рис. 1 - График относительных отклонений лаборатории завода-изготовителя и ГЭТ 118. Прямой и обратный ход

Рис. 2 - График относительных отклонений лаборатории завода-изготовителя и ГЭТ 118. Показания счетчика скорректированы. Прямой и обратный ход

Обратная относительная погрешность Рдоаг - ГЭТ 113

ВНИИР (приятой *оа)

Рис. 3 - График относительных отклонений лаборатории Pigsar и ГЭТ 118. Прямой и обратный

ход

Вывод

В ходе проведенных исследований, отмечается увеличение относительной погрешности измерений объемного расхода газа при использовании счетчика с калибровочными коэффициентами, рассчитанными при условиях, отличных от условий измерений. Возможно предположить несколько причин такого поведения:

• паразитные акустические сигналы;

• изменение коэффициента усиления акустического сигнала;

• деформация отдельных узлов счетчика и корпуса в целом под влиянием измеряемой среды.

Паразитные акустические сигналы (шумы)

Все шумы можно выделить в две категории: случайные и когерентные.

Случайные шумы могут произвольно меняться по времени, амплитуде и частоте. Для устранения помех такого рода, некогерентных с измеряемым сигналом, возможно применение фильтров, выделяющих только нужный участок спектра, экранирование от внешних воздействий и рациональное исполнение монтажа. Кроме того, ошибки, вызываемые случайным шумом, могут быть уменьшены до незначительных уровней путем взятия многочисленных отсчетов.

Когерентный шум, как правило, является фиксированным во времени, он часто имеет ту же частоту, что и полезный сигнал, а его амплитуда может не меняться в течение длительного периода. Поскольку такой шум в целом не меняется во времени, то погрешности от такого шума не могут быть снижены за счет многократных измерений. Существует несколько возможных источников помех, когерентных с измеряемым полезным сигналом. Из них наиболее очевидным является возникновение ревер-берационной волны, в результате отражений ультразвука от границ измеряемой среды и пьезоэлементов ультразвукового счетчика. Амплитуда и фаза ревер-берационной волны отличаются от амплитуды и фазы основной волны. В результате приемный пьезоэлемент воспринимает результирующие колебания, имеющие сдвиг фазы, что может сильно исказить фронт основного импульса и привести к увеличению неопределенности измерений.

При проведении калибровки счетчика на природном газе при давлении, корректировочные коэффициенты были рассчитаны на основании данных об отклонении показаний счетчика от показаний эталона, вызванными, в том числе и эффектами реверберации. Эти эффекты могут носить иной характер при проведении измерений на атмосферном воздухе, что в свою очередь может вызвать увеличение неопределенности счетчика.

Изменение коэффициента усиления акустического сигнала

При калибровке выполняется настройка электроники контура управления сенсорами счетчика. Если калибровка (настройка, тарировка) была проведена на природном газе под давлением, то при работе счетчика на атмосферном воздухе происходит увеличение коэффициента усиления акустического сигнала, поскольку атмосферный воздух (относительно природного газа под давлением) является сильно поглощающей средой. Изменение коэффициента усиления акустического сигнала может привести к появлению дополнительной погрешности. Это связано с увеличением погрешности квантования и появлением шума квантования. Возникающая дополнительная погрешность тем меньше, чем выше разрядность аналого-цифрового преобразования ультразвукового сигнала.

Деформация отдельных узлов счетчика и корпуса в целом под влиянием измеряемой среды

Еще одной причиной увеличения погрешности может служить деформация отдельных узлов счетчика и корпуса в целом, под воздействием избыточного давления. Такое влияние изменяет фактическую длину акустической траектории, угол ее наклона и приводит к погрешности измерений скорости газа. Также, возможно изменение диаметра проходной части счетчика, что вносит дополнительную погрешность измерений расхода. При наличии сведений о характере воздействия избыточного давления на метрологические характеристики, подобные эффекты могут быть скомпенсированы поправками, при наличии соответствующего программного обеспечения и средств измерений влияющего давления. Однако, в реальных условиях эксплуатации, значения измеренного давления вводятся не в вычислительную часть счетчика, в которой могут быть реализованы данные методы корректировки, а в контроллер расхода. Программное обеспечение контроллера расхода чаще всего не имеет функции корректировки показаний счетчиков на эффекты деформации корпуса счетчика под влиянием избыточного давления, в виду сложности вычислений конкретной величины изменения расхода. Величина влияния давления на измеренное значение расхода, является уникальной для конкретного типа счетчика и зависит от особенностей его конструкции, таких как расположение портов приемо-передающих пре-

образователей, форма профиля проточной части счетчика и других особенностей.

Данные рассуждения позволяют сделать вывод о необходимости проведения калибровки (поверки) ультразвуковых преобразователей в условиях, сопоставимых с условиями эксплуатации.

Также, подобные исследования подчеркивают необходимость периодического сличения расходоизмерительных установок, воспроизводящих единицу объемного расхода в сопоставимых условиях (температура, давление, плотность измеряемой среды). Гармонизация единицы объемного расхода, воспроизводимой расходоизмерительными установками, является неотъемлемой частью обеспечения единства измерений, поскольку применение средств измерений, прошедших первичную калибровку (поверку) на заводе-изготовителе, будет более обоснованным.

Литература

1. Ганиев Р.И., Ермолаев С. А., Горчев А.И. Анализ метрологических характеристик врезных ультразвуковых расходомеров с применением методов вычислительной гидродинамики // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011.-№22.-С.155-162.

2. Замалетдинова Э.Ю., Ягьяева Л.Т., Замалетдинов Р.Р. Имитационный метод поверки ультразвуковых расходомеров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011.- №19.-С.211-214.

3. Фафурин В.А., Галеев М.К. Расчет корректирующего коэффициента ультразвукового расходомера // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011.- №23.-С.152-156.

© И. А. Исаев - вед. инж. научно-исследовательского отдела № 13 ФГУП ВНИИР, vniir@list.ru; Д. Р. Хакимов - инж. первой категории того же отдела; А. И. Горчев - канд. техн. наук, нач. научно-исследовательского отдела № 13 ФГУП ВНИИР; Р. И. Ганиев - канд. техн. наук, доц. каф. систем автоматизации и управления технологическими процессами КНИТУ, Ganiev@ooostp.ru.