Сравнение имитационного и проливного метода поверки акустических расходомеров Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681

Н. А. Николаев, М. К. Галеев СРАВНЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО И ПРОЛИВНОГО МЕТОДА ПОВЕРКИ

АКУСТИЧЕСКИХ РАСХОДОМЕРОВ

Ключевые слова: поверка, ультразвуковой расходомер.

В статье представлен анализ результатов применения имитационного и проливного метода поверки ультразвуковых расходомеров газа.

Keywords: verification, ultrasonic flow meter.

Article describes results of application simulation and pouring verification methods of ultrasonic flow meters of gas.

Ультразвуковые расходомеры (УЗР) за последние 10 лет находят все большее применение в качестве приборов коммерческого учета. Несмотря на высокую стоимость, сфера их применения расширяется, особенно там, где высоки требования к точности результата измерений. Ультразвуковые расходомеры, особенно многолучевые, способны обеспечить высокую точность и стабильность (повторяемость и воспроизводимость) результата измерений. Ультразвуковые расходомеры обладают рядом преимуществ перед другими типами расходомеров, основанными на тахометрическом, электромагнитном, вихревом принципе: отсутствие движущихся и выступающих в проточную часть

механических частей, высокая точность в широком динамическом диапазоне, минимальное гидравлическое сопротивление, возможность монтажа пьезопреобразователей на имеющихся трубопроводах, способность работы на трубах большого диаметра, возможность поверки имитационным методом без демонтажа.

Высокая точность измерений, достигаемая УЗР, обеспечивается высоким технологическим уровнем производства и программного обеспечения, что в свою очередь требует соответствующего метрологического обеспечения, одной из важнейших компонент которого, является поверка.

Современные СИ расхода и количества газа, к которым также относятся ультразвуковые расходомеры, входящих в так называемую категорию высокоточных измерений, в основной своей массе, метрологически не обеспечены на территории РФ. В данном случае идет речь о поверочных стендах (установках) воспроизводящих единицу расхода и/или объема в условиях сопоставимых с условиями эксплуатации системы измерений (давление, температура, расход, скорость, тип измеряемой среды (состав), и т. д.) и с требуемой величиной погрешности результата измерений (отклонение, неопределенность, повторяемость, воспроизводимость). Следует отметить, что создание поверочных стендов «высокого» давления и использующих в качестве измеряемой среды природный или иной газ связан с созданием агрегатных узлов высокой мощности и как следствие большой энергоемкости. Отсутствие данных поверочных установок (рабочих эталонов) или несоответствие существующих классу точности поверяемого СИ, а также опираясь на международный опыт эксплуатации УЗР привело к распространению так называемого без проливного «сухого» или имитационного метода поверки расходомеров (счетчиков). Метод имитационной поверки ограничивается подтверждением наименьшего количества метрологических характеристик СИ в статических условиях и атмосферном или близком к нему давлении, а зачастую ограничиваются значениями линейно-угловых измерений.

На данном этапе развития прикладной метрологии существуют два способа поверки ультразвуковых расходомеров: проливной и имитационный. Методика поверки УЗР [1,2] предусматривает оба метода проведения поверки ультразвуковых расходомеров.

Имитационная или беспроливная поверка может быть проведена как на месте установки, так и на демонтированном расходомере и заключается в оценке правильности измерения скорости звука. Прибор считается выдержавшим испытания, если измеренное значение скорости потока не превышает 0,3 м/с, а скорость звука отличается от расчетной не более чем на 0,3%, при условии нулевой скорости газа в корпусе счетчика, а также известных физико-химических свойствах измеряемой среды. Достоинства этого метода в его простоте и минимальных затратах на проведение поверки.

Следует отметить, что предельно допустимые значения метрологических характеристик УЗР определяемых по [1,2], в части имитационного метода, в своей основе базируются на требованиях стандартов [3,4], но могут и отличаться (быть не хуже) в зависимости от изготовителя и типа УЗР.

Стандарт ИСО 17089:2010 [3] устанавливает требования к метрологическим характеристикам УЗР, при выпуске из производства и разделяет их на две группы с внутренним диаметром более 12 дюймов (304,8 мм) и менее 12 дюймов. Для УЗР с диаметром более 12 дюймов в интервале изменения расхода от ЧУтах до максимальное значение погрешности измерений не должно превышать ±0,7 %, а для малых диаметров ±1% (рис.1).

а,, < 0,006 т/э3

/ ^'0 к

о< 0,012 т/эь

/Ч V. о '____________

0,8

0,6

1,6

1,4

1,2

л51а, = ±0,2 % (<7 > <7 )

V 4 ух’ 1

Р1т(Д<7^<7„)]/%

ЇА{ЯУ<Я„Х)

0Г(^> V)

Т^р-р.тах^ 0,7 % < ЦуАУ

%(CIV<Я Ул)ь

-0,7^ ><7^)

-0,8

1,2

1,4

1,6

д^(т3!Ь)

Рис. 1 - Требования к метрологическим характеристикам расходомеров

Обозначения:

Яу - объемный расход, м3/ч;

(ЛqV/qV ) - погрешность измерения расхода, %;

1 - некорректированная кривая погрешностей по результатам калибровки,

Ит(ЛяУ/яУ) - предел погрешности измерения расхода, %;

предел, при нулевом расходе, предел, при переходном расходе, проектный максимальный расход,

т|П - проектный минимальный расход,

Г8(а, - повторяемость,

^ рр тах - максимальная погрешность между пиковыми значениями для счетчи-

ков.

Индексы:

a - для счетчиков с диаметром более 12 дюймов,

b - для счетчиков с диаметром менее 12 дюймов.

На рис. 2-4. представлены типичные результаты первичной проливки 4-х лучевых (4 пары ультразвуковых приемопередатчиков) УЗР различных производителей и диаметров на стендах высокого давления лабораторий CEESI (США), FORCE (Дания), ТСС (Канада). В качестве измеряемой среды в данном случае использовался природный газ. Следует отметить, что выявленная погрешность результата измерений явно носит систематический характер, исключение которой при имитационном методе поверки не представляется возможным. Также одной из главных метрологических характеристик УЗР является воспроизводимость, величина которой, в свою очередь, также регламентирована стандартом ISO 17089:2010 [3] или производителем.

Рис. 2 - Результаты калибровки [5]

Рис. 3 - Результаты калибровки [6]

о

2 00 1.60 1.20 OSO 0.40 0.00 -0.40 -060 -1.20 -1.60 -2.00

н (■

1 ■ —1 L

" '■

3000 6000 9000 12000 15000 13000 21000 24000 27000

Расход

Рис. 4 - Результаты калибровки [7]

Уровень воспроизводимость основанный на статистики периодических поверок проливным методом, согласно межповерочному интервалу, подтверждает преимущество УЗР перед иными типами расходомеров. В подтверждении этого на Рис. 4-6 приведены результаты поверкок на стенде высокого давления одного и того же УЗР с периодом 4 года. Основываясь на представленных результатах можно утверждать, что метрологические характеристики УЗР с большой долей вероятности, остаются неизменными в процессе эксплуатации при стабильных условиях эксплуатации и физико-химических свойствах измеряемой среды.

ш

X

о

I-

о

2.00 1.60 1.20 0.30 0.40 0 00 -0.40 -Q.SD -1.20 -1.60 -2.00

■1 .

■ -

г “

[ '

,

0 3000 6000 9000 12000 15000 13000 21000 24000 27000

Расход

Рис. 5 - Результаты калибровки [8]

О

2.00 1-60 1.20 0 80 0 40 0.00 -0.40 -0.60 -1.20 -1.60 -200

5000

10000

15000

20000

25ÜÚG

Расход

Рис. 6 - Результаты калибровки [9]

Проведенный анализ показывает, что метрологические характеристики УЗР могут быть существенно улучшены путем проведения проливной поверки при выпуске из производства. Так как в процессе эксплуатации и своевременном техническом обслуживании характеристики расходомера остаются, практически, неизменны, то вторичные поверки можно ограничить имитационным методом, учитывая, что до 75% стоимости поверки на зарубежных стендах высокого давления составляют логистические издержки для УЗР эксплуатирующихся на территории РФ.

Следует отметить, что данные выводы основаны на статистике эксплуатации 4-х лучевых УЗР определенных зарубежных производителей, а именно SICK MAIHAK (Германия), Daniel (США) и ретрансляция рекомендаций данной статьи на более обширную номенклатуру УЗР требует статистического подтверждения [10].

Литература

1. Инструкция. Государственная система обеспечения единства измерений. Преобразователи расхода газа ультразвуковые SeniorSonic и JuniorSonic с электронными модулями серии Mark. Методика поверки. 2009 г.

2. Инструкция. Государственная система обеспечения единства измерений. Счетчик газа ультразвуковые FLOWSIC 600. Методика поверки.

3. ИСО 17089:2010. Измерение расхода текучих сред в закрытых каналах. Ультразвуковые счетчики расхода газа. Счетчики для измерения передачи и распределения.

4. AGA Report No. 9 Measurement of Gas by Multipath Ultrasonic Meters. American Gas Association. Second Edition. April 2007.

5. Certificate of Calibration. CEESIowa. Colorado Engineering Experiment Station INC. CEESI Data File(s): 09DAN-0525&09DAN-0526 Serial Number: 09-040180, Test Date: 1 April 2009, Job Number: CE08982, Model: 3400-16”

6. Calibration Certificate. Force Technology. Danish National Reference Laboratory for volume gas measurement. Task № 110-31780.001, Certificate № 9.8-8972, Date of calibration 06-10-2010, Meter type: Ultrasonic, Size: 16 inch PN100.

7. Certificate of Calibration. TransCanada Calibrations Ltd. Certificate Number: 2398, Type: Ultrasonic, Serial Number: 04-140508, Meter ID (m): 0.53171, Date of Calibration: February 24, 2004

8. Certificate of Calibration. TransCanada Calibrations Ltd. Certificate Number: 2398, Type: Ultrasonic, Serial Number: 04-140508, Meter ID (m): 0.531711, Date of Calibration: September 12, 2007

9. Certificate of Calibration. TransCanada Calibrations Ltd. Certificate Number: 2398, Type: Ultrasonic, Serial Number: 04-140508, Meter ID (m): 0.5317, Date of Calibration: August 17, 2010

10.Замалетдинова Э.Ю., Ягъяева Л.Т., Замалетдинов Р.Р. Имитационный метод поверки ультразвуковых расходомеров // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №19. - С. 214-218.

© Н. А. Николаев - асс. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КНИТУ, sautp@yandex.ru; М. К. Галеев - нач. информационно-технического отдела ООО «СТП», office@ooostp.ru.