CC BY
120
ТОЧНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ РАСХОДОВ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ
А.В. Мальгинов, А.А. Нечаев
При проведении газоаналитических измерений часто возникает необходимость точного измерения малых расход газа (в данном случае под малыми расходами подразумеваются расходы от 1 см3/мин до 50 дм3/мин, а погрешность измерения не превышает 1%). Необходимость такого рода измерений связана с задачами построения динамических систем для приготовления газовых (парогазовых) смесей, необходимостью контроля расхода газа, подаваемого в газоанализаторы, хроматографы и газоаналитические системы различных типов.
Все методы измерения расхода газа можно разбить на две группы. Первичные методы опираются на измерения основных единиц системы СИ (масса, длина, время) и позволяют получить значение расхода по процедуре измерения. Вторичные методы требуют калибровки по первичным методам.
Рассмотрим первичные методы измерения малых расходов газа. Основными первичными методами измерения расхода газа являются гравиметрический метод, метод, основанный на использовании поршня с ртутным уплотнением, графитового поршня, колокольный метод, мыльно-пленочный метод.
Рассмотрим гравиметрический метод. Схема установки для реализации этого метода изображена на рис.1.
Рис 1. Схема установки для реализации гравиметрического метода: 1 - баллон, 2 - редуктор, 3 - вентиль тонкой регулировки, 4 - весы, 5 - калибруемое устройство
К баллону с газом подсоединяют редуктор, вентиль тонкой регулировки и калибруемое устройство. Баллон с редуктором устанавливается на весы. Газовая линия от редуктора к вентилю тонкой регулировки выполняется из гибкого материала, давление газа в ней поддерживается постоянным с помощью редуктора. Это обеспечивает постоянство влияния массы газовых коммуникаций на показания весов. С помощью вентиля тонкой регулировки (или другого средства стабилизации расхода) задается расход газа на выходе баллона. С помощью весов регистрируется убыль массы газа в баллоне в единицу времени (массовый расход газа). В процессе измерений необходимо контролировать температуру окружающего воздуха и атмосферное давление. Данный метод при условии правильного выбора характеристик весов обладает наивысшей точностью из всех существующих, но он требует для своей реализации наличия целого комплекса дорогостоящего оборудования и большого времени измерений. Гравиметрический ме-
тод не имеет ограничений по роду газа, расход которого требуется измерить. Относительная погрешность измерения расхода ±(0,10 - 0,15)%.
Схема установки для измерения расхода газа с использованием поршня с ртутным уплотнением изображена на рис. 2.
5, 4.
2' 3.
АР
С
Т
J
ZI-
Рис. 2. Схема установки реализации метода поршня с ртутным уплотнением: 1 - стеклянная трубка, 2 - поршень, 3, 4, 5 - фотоэлектрические датчики, 6 - датчик давления
Основными элементами установки являются стеклянный цилиндр (1) и поршень с ртутным уплотнением (2). В цилиндр подается газ, который начинает заполнять весь объем цилиндра под поршнем. В результате поршень под давлением газа начинает подниматься. На стеклянном цилиндре, на определенном расстоянии друг от друга установлены фотоэлектрические датчики (3), (4) и (5). После прохождения поршнем датчика (3) начинается измерение времени. Измерение времени заканчивается, когда поршень поднимается до уровня датчика (4) или (5). Подачу газа в такую систему регулирует трехходовой клапан (6). Во время работы необходимо контролировать температуру и давление газа под поршнем. Зная время, объем цилиндра между датчиками, температуру и давление газа, можно определить объемный расход газа. Примером такой установки может служить установка фирмы MKS Instruments А100. Данная установка входит в состав Государственного первичного эталона единиц молярной и массовой концентрации компонентов в газовых средах ГЭТ 154 и обеспечивает измерение объемного расхода газа в диапазоне от 5 см3/мин до 50 дм3/мин с относительной погрешностью ±0,2%. В комплект установки входит термометр и электронный измеритель давления. Установка состоит из двух стеклянных цилиндров с поршнями с ртутным уплотнением, что позволяет охватить больший диапазон расходов. Управление газовыми потоками осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.
Несомненное преимущество такой установки - высокая точность. Но измерения и расчет расхода занимают длительное время в области малых расходов. Установка позволяет производить измерение расхода только инертных газов. Большие габариты установки не позволяют производить калибровку стационарных стендов на месте. Еще одним минусом является сложное техническое обслуживание установки. Установка должна быть обязательно установлена под вытяжку, потому что газ, который проходит через нее, насыщается парами ртути. Со временем происходит загрязнение и окисление ртутных уплотнений в поршне. В результате этого уплотнение может нарушиться, и произойдет потеря герметичности установки. В связи с этими обстоятельствами необходимо периодически заменять ртуть в уплотнениях и производить промывку внутренней поверхности цилиндров.
1
6
Метод, основанный на использовании графитового поршня, аналогичен вышеописанному методу, за исключением того, что в данном методе поршень изготовлен из графита и с большой точностью подогнан под внутренний диаметр стеклянного цилиндра. Поскольку требуется свободное перемещение поршня внутри цилиндра, зазор между поршнем и цилиндром составляет несколько микрон, и через этот зазор происходит утечка газа. Величина этой утечки измеряется и в дальнейшем учитывается в результатах измерений. Такая установка позволяет избежать проблем, связанных с использованием ртути, и существенно меньше в габаритных размерах, что позволяет изготовить ее в переносном варианте. Относительная погрешность такой системы от 0,2 до 0,5 % в зависимости от качества обработки поверхности графитового поршня. Метод позволяет измерять расход только инертных газов.
Схема установки для измерения расхода газа с использованием мыльно-пленочного метода изображена на рис 3.
Рис. 3. Схема установки реализации мыльно-пленочного метода: 1 - стеклянная трубка, 2 - фотоэлектрические датчики, 3 - устройство, производящее из мыльного раствора пузыри, 4 - источник света
На стеклянную трубку известного объема (1) устанавливаются фотоэлектрические датчики (2). Трубка устанавливается вертикально. Газ, который будет использован в измерении, предварительно насыщают водяными парами до 100% относительной влажности, соответствующей температуре помещения. Приготавливают специальный мыльный раствор. С помощью устройства, производящего из мыльного раствора пузыри (3), в трубку запускают мыльную пленку, которая подхватывается газом и опускается вниз по трубке. Время прохождения пленки по трубке измеряется фотодатчиками (2). Расход газа рассчитывают по измерения времени прохождения пленки по трубке, объема трубки, температуры и атмосферного давления. Относительная погрешность данного метода составляет порядка 1%. Основными преимуществами мыльно-пленочного измерителя являются высокая скорость измерения, простота использования, малые габариты. Недостатками данного метода является не очень высокая точность, возможность использования для измерения расхода только инертных газов и необходимость предварительного увлажнения подаваемого газа.
Пример прибора, работающего на таком методе - мыльно-пленочный измеритель фирмы Бе^ёупе. Прибор состоит из двух частей: основание прибора, содержащее ЖК-дисплей и электронные компоненты, и съемная измерительная ячейка, содержащая измерительную систему. Для увеличения диапазона определения расхода в комплект из-
мерителя входит несколько измерительных ячеек на различные диапазоны, перекрывающие друг друга (от 1 см3/мин до 30л/мин).
Следующий метод измерения расходов основан на использовании установки колокольного типа. Схема установки изображена на рис. 4.
4 *
4 *
1 м
2
2
Рис 4. Схема установки реализации колокольного метода: 1 - колокол, 2 - стационарный резервуар, 3 - вода, 4 - измерительная шкала, 5 - ролик, 6 - противовес
На рисунке показан колокол (1), находящийся в стационарном резервуаре (2), заполненном водой (3). Измерительная шкала (4) используется для измерения позиции колокола, который подвешен на специальных подвесах через подвижные ролики (5) и уравновешен противовесами (6). Между показаниями измерительной шкалы и объемом газа под поршнем установлена связь путем точного измерения объема поршня.
Принцип действия установки состоит в следующем. Колокол (1) поднимается и наполняется газом. Определенный объем газа вытесняется опускающимся колоколом (1) в выходную линию, при этом производится контроль давления и температуры. Время вытеснения газа измеряется секундомером. Расход газа рассчитывают, используя значения объема, времени, температуры и давления газа под поршнем (постоянство расхода обеспечивается внешним вентилем тонкой регулировки или иным средством). Относительная погрешность измерения расхода этим методом составляет 0,3%. Недостатками данного метода являются большие габариты установки, возможность использования для измерения расхода только 100% увлажненных инертных газов.
Метрологические характеристики первичных методов измерения расхода приведены в таблице 1.
Метод Диапазоны, см3/мин Относительная погрешность, %
Гравиметрический 1-50000 0,1
Поршень с ртутным уплотнением 1-50000 0,2
Поршень с графитовым уплотнением 5-50000 0,2 - 0,5
Колокольный 1000-50000 0,3
Мыльно-пленочный 1-30000 1,0
Таблица 1. Первичные методы измерения малых расходов
Рассмотрим вторичные методы измерения расхода газа. Эти методы обладают хорошей воспроизводимостью и стабильностью результатов измерений, но требуют калибровки по первичным методам измерения расхода. Самыми распространенными из них являются метод барабанного счетчика газа, метод, основанный на использовании тепловых измерителей, метод определения расхода по разнице давлений на постоянном пневматическом сопротивлении и метод, основанный на измерении скорости вращения турбины в потоке газа.
Барабанный газовый счетчик («газовые часы») представляет собой барабан, который вращается вокруг своей горизонтальной оси внутри кожуха. Барабан состоит из четырех одинаковых по объему частей, расположенных радиально относительно оси поворота. Каждая часть имеет входное отверстие с одной стороны и выходное с другой. Барабан вращается в воде, которой заполнен внешний кожух. Уровень воды устанавливается так, чтобы заполненные водой части барабана могли непрерывно захватывать и сбрасывать поступающий газ. Барабан вращается, как показано на рис. 5.
1
2 2
2
1 )
1
Рис 5 Схема вращения барабана в газовом счетчике
Сначала барабан находится в стартовом положении (а), затем открывается входное отверстие (1), и по мере заполнения газом, барабан принимает положение (Ь). Когда барабан достигает положения (с), входное отверстие закрывается и открывается выходное отверстие, в результате чего барабан продолжает свое вращение (ё). Расход газа вычисляется по значению заполненного газом объема и времени его заполнения. Следует учитывать, что во время прохождения газа через барабан газ увлажняется, и это вносит дополнительную погрешность в расчет. Для того чтобы газ не насыщался водой, вместо воды в некоторых счетчиках газа используют специальное масло. Относительная погрешность измерения расхода газовым счетчиком, работающего на воде, составляет (0,5-1,0)%.
Рассмотрим метод, основанный на использовании тепловых измерителей расхода. Принцип измерения заключается в измерении разности температур по длине капилляра, находящегося в термостате, при прохождении по нему газа. Измерительная ячейка (сенсор) состоит из капилляра (измерительного канала), двух термосопротивлений (ЯТ1 и ЯТ2) и нагревательного элемента (ЯИ) между ними. Часть газа, ответвляемая элементом сопротивления потоку, проходит по капилляру и нагревается с помощью нагревательного элемента (рис 6).
Термосопротивления предназначены для регистрации температуры газа до (Т1) и после (Т2) нагревательного элемента. Разность этих температур ДТ прямо пропорциональна массовому расходу газа. Относительная погрешность измерения расхода этим методом может колебаться от 0,5% до 1%.
И Ин ГО2
Рис 6. Схема реализации устройства на тепловом методе
Перейдем к методу измерения расхода газа с помощью турбины. Принцип этого метода заключается в следующем. В газовый поток устанавливают турбину, которая под действием потока вращается. С помощью фотоэлектрических датчиков определяют скорость вращения турбины. Относительная погрешность измерения этим методом порядка 1%.
И последний метод, который мы рассмотрим - метод измерения расхода по разнице давлений. Для разъяснения принципа работы обратимся к рис. 7.
Р1 Т Т Р2
Сопротивление Основание
Рис 7. Схема реализации устройства по методу перепада давлений
Метод Диапазоны, см3/мин Относительная погрешность, %
Газовый счетчик 1000-50000 0,5-1,0
Тепловой 1-50000 0,5-1,0
Турбина 200-5000 1,0
Разница давлений 1-30000 0,3
Таблица 2. Вторичные методы измерения малых расходов
В металлическом основании просверлено сквозное отверстие определенного диаметра. Во внутрь отверстия устанавливают пневматическое сопротивление определенной формы и диаметра. Газовый поток, поступающий в такую систему, равномерно об-
текает сопротивление и при этом становится ламинарным. Температура газа контролируется датчиками Т. Давление перед сопротивлением и после него контролируется датчиками Р1 и Р2, соответственно. Расход газа рассчитывается по результатам измерения давления и температуры. Воспроизводимость данного устройства составляет 0,05%, что позволяет получить итоговую погрешность при калибровке гравиметрическим методом на уровне 0,3%. Основным недостатком данного метода является высокая стоимость оборудования.
Метрологические характеристики вторичных методов представлены в таблице 2.
Описанные методы точного измерения расхода газа отличаются погрешностью измерения, сложностью технической реализации, стоимостью оборудования (в десятки раз), и их выбор зависит от конкретной задачи.
