CC BY
185
УДК 620.1.05
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА
К.В. Кружаев, Ю.В. Демьяненко, К.О. Барбарош
Приведены принцип и результаты работы информационно-измерительной системы с программой обработки полученных при испытании параметров, которые позволяют автоматизировать и существенно сократить время и трудоёмкость процесса проведения и обработки испытаний
Ключевые слова: расходомер, газ, коэффициент расхода, информационно-измерительная система
Введение
Для измерения массового расхода газа большое распространение получили
критические расходомеры [1], имеющие по сравнению с расходомерами переменного перепада давлений меньшую погрешность за счёт уменьшения количества измеряемых параметров. Использование критического
газового расходомера упрощает схему испытаний, так как исключает дополнительный регулируемый дроссель, необходимый для настройки нужного перепада давлений на сужающем устройстве расходомера
переменного перепада давления.
Программа обработки полученных при испытании параметров позволяет начальные и конечные нестационарные процессы при калибровке сверхкритических газовых расходомеров, также автоматизировать и существенно сократить время и трудоемкость процесса проведения и обработки испытаний.
Критический расходомер [1] является устройством, предназначенным для измерения массового расхода газа путём пропускания его через первичный преобразователь расхода (сужающее устройство) - сверхзвуковое сопло
- с измерением давления и температуры газа перед сужающим устройством. Значение массового расхода газа при этом рассчитывается по формуле [2, 5]
(= тХ ■ с* ■ Fc
P.
JRT,
где тш - массовый расход газа, кг/с;
Ес - площадь минимального сечения сужающего устройства, м2;
Кружаев Константин Владимирович - ВГТУ, аспирант, КБХА, начальник стенда, тел. (473) 234-64-83,
e-mail: Kon3 846@vandex. ru
Демьяненко Юрий Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, КБХА, начальник отдела, e-mail:
cadb@comch.ru
Барбарош Кирилл Олегович - ВГТУ, аспирант, КБХА, инженер-конструктор, e-mail: gotter5@rambler.ru
Р* 6 = Р + Рб + Рд - полное давление
Сабс сизм бар дин
газа перед сужающим устройством, кгс ;
p.. =
pW2 2g
динамический напор перед
сужающим устройством,
Тс - температура газа перед сужающим
устройством расходомера, К;
Я - удельная газовая постоянная для газа;
Л - газодинамический коэффициент
расхода расходомера;
Р6ар - барометрическое давление в момент
проведения испытаний, кгс ;
м
Х — термодинамический расхода, X=f( P*,T*);
коэффициент
c.
2 ^|2(k—'> ■ Jk~g - функция критического
2 k +1
расхода совершенного газа;
к - показатель изоэнтропы совершенного
газа;
Для обеспечения требуемой точности измерения расхода газа создана установка для калибровки газовых расходомеров весовым способом (рис. 1).
Представленная на рис. 1 установка предназначена для калибровки весовым способом газовых расходомеров с
расходами от 0,01 до 1,5
кг/с.
В состав установки входят:
- весоизмерительное устройство (ВУ);
- калибруемый расходомер (калибруемое устройство);
- система регулирования подачи рабочего
тела;
- двухходовой клапан (КДХ);
- две шайбы дроссельные 11(1), 11(2) (сменный комплект под диаметр калибруемого расходомера);
- узел стыковки КДХ с ВУ с дренажной линией и запорным вентилем 8;
м
- электроподогреватель 13;
- фильтр 12;
- система измерения и непрерывной регистрации измеряемых параметров на ЭВМ.
ВУ предназначен для точного измерения массы газа, перепущенного в процессе измерения в газоприёмный сосуд и состоящий:
- из газоприёмного сосуда (ГПС);
- ёмкости, заполненной водой и закреплённой на эстакаде;
- двух понтонов, помещённых в ёмкость с водой и жёстко скреплённых по принципу «катамарана»;
- лабораторных электронных весов;
- комплекта гирь 4 кл.;
- элементов подвески ГПС к понтонам и весам;
- предохранительного клапана 10;
- вентиля 7;
- разъёмного соединения;
- датчика температуры 21;
- датчика давления 20.
Калибруемый расходомер состоит из двух участков трубопровода и установленным между ними сужающим устройством в виде сопла. Во входном участке трубопровода вварены коллектор для отбора давления 16 и гнездо под датчик температуры 15.
Система регулирования подачи рабочего тела (газа) состоит:
- из запорного вентиля 5;
- фильтра 12;
- двух параллельно установленных дистанционных редукторов 3 и 2, управляемых редукционными клапанами (РКВ) 1(1), 1(2). Дистанционные редукторы задействованы либо по отдельности, либо совместно в зависимости от расхода, подаваемого на калибруемый расходомер;
- гибкого переходника, соединённого с калибруемым расходомером.
Двухходовой клапан состоит из двух отсечных клапанов 6(1), 6(2), работающих в противофазе от одного электропневмоклапана двойного действия 9 и используемых для настройки режима течения через калибруемый расходомер в дренажную линию с последующим переключением на заполнение ГПС. На электропневмоклапан двойного действия 9 подается постоянное давление от редуктора 4.
Перед дроссельными шайбами 11(1), 11(2) расположены замеры давления 18, 19 и
температуры 14, 17.
Система измерения и непрерывной регистрации параметров в процессе испытания состоит из первичных преобразователей давления класса 0,1 и температуры с погрешностью измерения ±0,2°С, лабораторных весов. Непрерывная регистрация параметров осуществляется на информационноизмерительную систему (ИИС), позволяющую одновременно производить запись полученных параметров.
Рис. 1. Установка для калибровки газовых расходомеров весовым способом
Принцип проведения испытаний на установке для калибровки газовых расходомеров
Осуществляется уравновешивание ГПС (с элементами подвески, комплектом гирь, запорным вентилем и предохранительным
клапаном) выталкивающей гидростатической силой, действующей на понтоны. При этом ВУ отстыкована от системы. ВУ приводится в равновесное состояние путем изменения
массы и положения уравновешивающих грузов (4 штуки), находящихся на раме ГПС. Равновесным считается такое положение,
когда рама находится в горизонтальном
положении, подгружена гирями весом 18 кг, а понтоны полностью погружены в воду. При этом нагрузка на весы установки составляет от 0,2 до 1,0 кг. Масса уравновешенного пустого ГПС ( мгпс0) фиксируется в протоколе испытаний. ГПС стыкуется с питающей системой.
Барометрическое давление, Рбар, мм. рт. ст. (фиксируется перед началом испытания);
Клапан 6(2) на входе в ГПС закрыт. Вентиль 7 на входе в ГПС открыт. Вентиль 8 закрыт. Воздух через линию редукторов подается на калибруемый расходомер, и производится настройка режима течения воздуха. При этом воздух, пройдя калибруемый расходомер и открытый отсечной клапан 6(1), сбрасывается в атмосферу.
При достижении установившегося режима по единой команде открывается клапан 6(2) питания ГПС, закрывается клапан 6(1) дренажа, начинается отсчет времени заполнения ГПС и непрерывная регистрация следующих параметров:
- давления перед сужающим устройством
калибруемого расходомера, р^, СМ2;
-температуры воздуха перед сужающим устройством калибруемого расходомера,
Тс , К ;
- давление перед шайбой 11(1), Ршдри,б, КС
(один датчик);
- температура газа перед шайбой 11(1), Тшдр, К (один датчик);
- давления перед шайбой 11(2) на входе в ГПС Р —•
А А 1 Шгпсшб’ 2 ?
СМ
- температура газа перед шайбой 11(2) линии ГПС, тШгпс, К (один датчик);
- давление газа в газоприёмном сосуде, РГПС изб, м (один датчик);
- температура газа в газоприёмном сосуде, тгпс, к (один датчик);
- время заполнения газоприёмного
сосуда г, с (отсчёт времени включается по команде с пульта управления после настройки режима калибровки и выключается
автоматически по достижении заданного давления в газоприёмном сосуде).
По истечении заданного времени заполнения ГПС клапан питания 6(2)
закрывается, открывается клапан 6(1) дренажа и завершается отсчёт времени заполнения ГПС и регистрация параметров на входе в калибруемый расходомер.
Прекращается подача газа на калибруемый расходомер.
Перекрывается запорный вентиль 7 между клапаном питания 6(2) и ГПС.
Выполняются измерения давления РГПСкон
и температуры тГПСкон в полости между
запорным вентилем 7 ГПС и клапаном питания 6(2) для расчёта невзвешиваемой массы газа, после чего полость дренируется.
В зависимости от массы газа в ГПС с подвески снимаются уравновешивающие гири таким образом, чтобы остаточная масса воздуха (не уравновешенная выталкивающей силой понтонов) находилась в диапазоне работы применяемых весов. Взвешивается заполненный воздухом ГПС ( мгпс 1, кг ).
На основании изучения научнотехнической литературы [3, 4, 5] была
разработана программа, позволяющая производить непрерывную запись параметров испытаний, расчёт коэффициента расхода, интервалов по времени, осреднения давления и создания конечного протокола.
Программа «Калибровка(вес).» позволяет произвести все необходимые расчёты (для снятия одной точки диапазона), исключая ручной счёт. Время обработки результатов сокращается до 5 - 10 мин. Регистрация параметров калибровки выполняется на ИИС непрерывно в течение всего времени заполнения с возможностью обработки результатов через 0,1 с.
Программа «Протокол» позволяет обрабатывать характеристику калибровки расходомера на всем диапазоне, строить полином зависимости л = / (К-е), определять
среднеквадратическое отклонение
полученной зависимости от расчётных значений.
Для уменьшения влияния на
погрешность определения массового расхода газа необходимо с высокой точностью определять временные интервалы
(т0, г, т2, т3, ) заполнения ГПС. Для решения данной задачи необходимо задать ряд граничных условий определения временных интервалов, которые зависят от давления:
1 Переключение двухходового
устройства на заполнение ГПС (т0):
|Ршдр (і) - Pшдр (і + 1)| >
Pшдр (і) ' 100
; Ршгпс (і) >0,02
У
2 Время режима (х1):
начала установившегося
\ршпс (І + 5) - Ршгпс (і)| <
с (і)
100
3 Время окончания установившегося режима, переключение двухходового устройства на дренаж (т2):
\РШгпс (0 - Ршгпс ( + 1)| > ^ ^ ; РШдр (/) > 0,01
4 Время падения давления в промежуточной полости линии дренажа двухходового устройства до «0» (т3):
|Рш™ (0 - РГПС (0| > ^^ ^
Далее осуществляется расчёт по полученным в процессе испытаний параметров по следующему алгоритму:
-рассчитывается барометрическое
давление
Р Р 1,01972 кгс
бар = бар.рш,т. • 750,06 , см2
- рассчитываются абсолютные давления
О _ О + р Р = Р
шдр шдр изб бар 5 Шгпс і
+Р £££
шгпс изб бар ’ 2
см
- определяется масса газа в газоприёмном
сосуде
М ГПС _ М ГПС1 — МГПС0, кг ,
-масса неучтённого газа
г/ MГПС
m _ V ГПС-, кг
■1 н V ’
у ГПС
-масса газа, прошедшего через
калибруемый расходомер за время х
Мъ _ МГПСС + ш1, кг ,
-массовый расход газа через
калибруемый расходомер
Му кг Шс _—, — ,
х с ’
-коэффициент газа калибруемого
расходомера
Ш • д/287,1 -Тс
где л - газодинамический коэффициент расхода расходомера,
т - массовый расход воздуха, кг/с,
р • П2
^с = ^)-с - площадь критического сечения
расходомера, м2,
Пс - диаметр критического сечения сужающего устройства, м,
£ - термодинамический коэффициент
расхода, £ = / (ад) [6],
-число Рейнольдса
Яе _-
4- Ш
р • П • Л 5
где л - коэффициент динамической вязкости, Па.с [6].
По полученным расчётным данным вычисляется коэффициенты уравнения третьей степени
л=^+л(106) + а'Ш
строится график зависимости
коэффициента расхода от числа Рейнольдса л = / (Яе) и рассчитывается
среднеквадратическое отклонение
коэффициента расхода от его среднего значения
Ед
Яр _-
Е (л-лр)
СКО И ---------- ,
» п -1
где п - количество измерений при испытании,
- среднее значение коэффициента
Я_
Рс - X - 0,68473 - Рс 98066,5 ’
расхода при испытании.
Перед проведением испытания необходимо проводить проверку системы измерений.
В промежуточном протоколе на каждое испытание содержатся следующие данные:
- шифр и номер калибруемого устройства,
- дата испытания,
- шифр и диаметр критической шайбы,
- избыточное среднее давление перед
V кгс
сужающим устройством Рс„б, см2 ,
- избыточное среднее давление перед критической шайбой в линии ГПС при выходе на режим (в момент переключения отсечных клапанов),
- избыточное среднее давление перед критической шайбой в линии ГПС на установившемся режиме,
- избыточное среднее давление перед критической шайбой в линии ГПС во время останова (переключение отсечных клапанов),
И
РС _ РС изб + Р
Р _ Р + Р
1 ГПС 1 ГПС изб баг:
- избыточное давление в газоприёмном
кгс
сосуде в конце испытания Ргпскон, г,
см
- барометрическое давление Рбар, кс ,
- абсолютная средняя температура перед сужающим устройством ТС, К ,
- абсолютная средняя температура в газоприёмном сосуде в конце испытания
ТГПС кон , К ,
- масса газоприёмного сосуда до испытания (пустого) МГПС 0, кг,
сосуда после
- масса газоприёмного окончания испытания МГПС1, кг ,
- время заполнения газоприёмного сосуда х, с.
- масса неучтённого газа ш1, кг ,
- масса воздуха, прошедшего через калибруемый расходомер за время X, мх, кг,
кг
- массовый расход воздуха ш, —,
с
- коэффициент расхода калибруемого расходомера Я,
- число Рейнольдса Яе.
После окончания калибровки на всех режимах, соответствующих программе калибровки, должен получаем сводный протокол, содержащий следующие данные:
- номер протокола,
- шифр и номер калибруемого устройства,
- дата начала и окончания проведения испытаний,
- абсолютное среднее давление перед сужающим устройством на каждом режиме испытаний,
- абсолютная средняя температура перед сужающим устройством на каждом режиме испытаний,
- расход воздуха на каждом режиме испытаний,
- коэффициент расхода расходомера для каждого режима испытаний,
- число Рейнольдса для каждого режима испытаний,
- уравнение д_ / (Яе), и строится график
Я_ /(Яе).
В случае обнаружения ошибки при вводе данных, например, перед испытанием, имеется вариант повторной обработки данных (исправленных) без повтора испытаний.
В процессе работы установки была проведена калибровка расходомеров трёх типоразмеров.
Испытания проводились на установке для калибровки газовых расходомеров весовым способом.
Для калибровки использовались три критических газовых расходомера:
Калибровка расходомеров проводилась в диапазонах давлений от 15 до 170 кгс/см2 и температур воздуха от 15 до 40 °С на входе в расходомер.
На рис. (2)-(4) представлены
экспериментально полученные зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса для расходомера с диаметром сопла 1,401мм (рис. 2), расходомера с диаметром сопла 2,210 мм (рис. 3) и расходомера с диаметром сопла 6,171 мм (рис. 4).
Рис. 2. Экспериментально полученные зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса для расходомера с диаметром сопла 1,401мм
Рис. 3. Экспериментально полученные зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса для расходомера с диаметром сопла 2,210 мм
o, 0 4*
Ї *
Рис. 4. Экспериментально полученные зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса для расходомера с диаметром сопла 6,171 мм
Выводы
Программа калибровки газовых расходомеров весовым способом в комплекте с информационно-измерительной системой,
датчиками давления, температур высокого класса и отработанная технология калибровки обеспечивают определение коэффициента расхода критических расходомеров с погрешностью, в пределах ±0,3 %.
Литература
1. У.Г. Пирумов, Г.С. Росляков. Течения газа в соплах. Издательство Московского университета, 1978.
2. А.С. Сукомел, В.И. Величко, Ю.Г. Абросимов. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах. «Энергия», М., 1979.
3. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. Издательство «Наука», М., 1969.
4. «Основы газовой динамики». Редактор Г. Эммонс. Издательство иностранной литературы, М., 1963.
5. П.Ф. Массье, Л.Х. Бэк, М.Б. Ноэль, Ф Сахели.
Влияние вязкости на коэффициент расхода сверхзвукового сопла. «Ракетная техника и
космонавтика», том 8, № 3, март 1970.
6. ОСТ 92-4440 - 92-4442-84. Отраслевая система метрологического обеспечения качества.
Воронежский государственный технический университет ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж)
DEVELOPMENT OF A PROGRAMME FOR AUTOMATION OF TRIALS USING
GAS FLOWMETER
K.V. Kruzhaev, Yu.V. Demyanenko, K.O. Barbarosh
The principles and the work of information-measuring system with processing software obtained in the test settings that allow you to automate and significantly reduce the time and complexity of the process of treatment and trials
Key words: flowmeter, gas, flow coefficient, information-measuring system
