научная статья по теме ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦ ОБЪЕМНОГО И МАССОВОГО РАСХОДОВ ГАЗА ГЭТ 118-2013 Метрология

Текст научной статьи на тему «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕРВИЧНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦ ОБЪЕМНОГО И МАССОВОГО РАСХОДОВ ГАЗА ГЭТ 118-2013»

ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ЭТАЛОНЫ

53.089.68

Государственный первичный эталон единиц объемного и массового расходов газа

ГЭТ 118—2013

А. В. МИНГАЛЕЕВ1, А. И. ГОРЧЕВ1, В. А. ФАФУРИН1, Н. И. МИХЕЕВ2

1 Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии, Казань, Россия,

e-mail: nio13@vniir.org

2 Исследовательский центр проблем энергетики КазНЦ РАН, Казань, Россия

Представлены описание, структура, принцип работы, технические и метрологические характеристики Государственного первичного эталона единиц объемного и массового расходов газа ГЭТ 118—2013. Ключевые слова: эталон, единицы расхода газа, критическое сопло.

The description, structure, operating principle, technical and metrological characteristics of GET 118—2013 State primary standard of volumetric and mass gas flow rate units are presented. Key words: standard, gas flow rate units, critical nozzle.

В ведущих отраслях экономики России, таких как топливно-энергетический комплекс, металлургический и нефтехимический комплексы, широко применяют высокоточные средства измерений (СИ) единицы объемного расхода газа различных типов действия с пределами измерений свыше 10000 м3/ч. Многие промышленные предприятия России проводят модернизацию существующих систем учета газа, основанных на принципе измерений его расхода методом переменного перепада давления с применением сужающих устройств, заменяя их на расходомеры-счетчики объемного расхода газа. Большой объем потребления (транспортирования) газа промышленными предприятиями связан с установкой расходомеров-счетчиков с верхними пределами измерений объемного расхода газа до 16000 м3/ч. В настоящее время существующая система метрологического обеспечения измерения расхода и количества газа, основанная на ГЭТ 118—2006, не способна обеспечить прослеживае-мость передачи единицы расхода высокоточным СИ в диапазоне 10000—16000 м3/ч [1, 2]. Подобные проблемы существуют и в области обеспечения передачи единицы измере-

ний средствам измерений при давлении газа, отвечающем условиям эксплуатации. Поверка и калибровка таких СИ проводится на зарубежных эталонах, что исключает прослежи-ваемость передачи единицы расхода от национального эталона России.

Высокие темпы роста и появление на рынке в последние пять лет рабочих СИ расхода газа, изменение номенклатуры современного парка приборов (в Государственный реестр СИ занесено более 600 типов приборов для измерений расхода и количества газа), разработка и применение в метрологической практике переносных и мобильных эталонов различной точности актуализирует задачу обеспечения единства измерений объемного и массового расходов газа (табл. 1 ).

В 2013 г. во ВНИИР создан и утвержден Государственный первичный эталон единиц объемного и массового расходов газа ГЭТ 118—2013 с расширенным диапазоном воспроизведения единиц объемного (массового) расхода газа при атмосферном и избыточном давлениях измеряемой среды [3]. Работы по совершенствованию эталона проводили с вне-

Т а б л и ц а 1

Расходомеры и счетчики газа

Наименование СИ (фирма-изготовитель, страна) Диапазон расхода, м3/ч Погрешность, %

Расходомеры газа ультразвуковые MPU 1200, MPU 600, MPU 200 (ООО «Саратовгазавто-матика», Россия) 270—17 000 ±(0,5—4,0)

Расходомеры-счетчики вихревые ИРВИС-РС4 (НПП «Ирвис», Россия) 7,0—12 000 ±(0,5—1,5)

Расходомеры-счетчики газа турбинные SM-RI-X-L (Elster Instromet, Германия) 800—16 000 ±(0,5—2,0)

Счетчики газа ультразвуковые FLOWSIC 600 (SICK MAIHAK GmbH, Германия) 6,0—130 000 ±(0,3—2,0)

Счетчики газа вихревые WBZ 08 (RMG Messtechnik GmbH, Германия) 3,0—40 000 ±(0,3—1,5)

Счетчики газа турбинные TRZ (ООО «ОЛЬСТЕР Газэлектроника», Россия) 5—6 500 ±(1,0—2,0)

Преобразователи расхода вихревые ОМИС-ВИХРЬ 200 (ЗАО «ОМИС», Россия) 297—452 365 ±(0,5—4,0)

Рис. 1. Структурная схема ЭУ-1: р, Т, ф — преобразователи абсолютного давления, температуры и относительной влажности; ( — счетчик времени; КС — критическое сопло; ИУ — испытываемый участок; ВН — вакуумный насос; ГССПВ — газосборный сосуд с системой подачи воздуха через критическое сопло; М — весы; СИМВ — система измерения массы воздуха; ИВК — измерительно-вычислительный комплекс; СОИ — система обработки информации

Рис. 2. Структурная схема ЭУ-2: ВД — воздуходувки; М1, М2 — эталонные модули; РБР — расходо-мерный блок с эталонными соплами и ресивером; ИС — испытываемый счетчик (расходомер); Др1 — преобразователь перепада давления между ресивером и расчетным сечением измерительной магистрали, Др2 — для контроля критического режима сопла; р, Т, ф1—3 — преобразователи абсолютного давления, температуры и влажности (3 шт.) в ресивере; 1 — частотный сигнал с поверяемого счетчика (расходомера); К — компаратор расхода; Др — преобразователь перепада давления на компараторе; ЛП — лами-наризатор потока; НЭС — набор эталонных сопел; КС — калибруемое сопло; РСУ — распределенная система управления; СОИ — система обработки информации

дрением лучших отечественных и зарубежных достижений в области измерений расхода газа, а также с учетом результатов международных сличений и информации, полученной в рамках сотрудничества по линии КООМЕТ и с Физико-техническим институтом Германии (РТВ).

Состав и описание эталона. Эталон состоит из четырех эталонных установок: ЭУ-1 — исходной; ЭУ-2 и ЭУ-3 с наборами эталонных критических сопел; ЭУ-4 с набором эталонных критических сопел для воспроизведения объемного и массового расходов при избыточном давлении измеряемой среды.

Воспроизведение единиц массового расхода газа на ЭУ-1 (рис. 1) основано на статическом измерении массы воздуха, прошедшего через критическое сопло и поступившего в гидростатически уравновешенный газоприемный резервуар за фиксированный интервал времени [4]. В результате измерений массового расхода газа, параметров воздуха (давления р, температуры Т, влажности ф) и рассчитанных по этим параметрам физических свойств воздуха определяется воспроизводимый объемный расход газа.

Воспроизведение единиц объемного и массового расходов газа на ЭУ-2 (рис. 2) и ЭУ-3 основано на сличении измеренных расходов воздуха, прошедшего последовательно через установленные поверяемое СИ и набор эталонных преобразователей расхода (критических сопел). В герметичном канале обеспечивается одинаковый массовый расход воздуха через эталонное и поверяемое СИ. Для перехода к объемным расходам измеряют абсолютное давление в сечении перед эталонным преобразователем расхода и перепад давления между этим и расчетным сечениями поверяемого СИ. Для перехода к объемному расходу также используют параметры воздуха Т и ф. Их измеряют в ресивере (корпусе) установки перед эталонными преобразователями расхода.

Воспроизведение единиц объемного и массового расходов газа на ЭУ-4 (рис. 3) основано на таком же методе, как в ЭУ-2 и ЭУ-3. В тракте ЭУ-4 обеспечивается одинаковый массовый расход воздуха через эталонное и поверяемое СИ. Для перехода к объемным расходам измеряют р и Т в сечениях перед критическим соплом и на поверяемом СИ расхода газа. Для перехода к объемному расходу в испытательном участке перед поверяемым СИ также используют коэффициенты сжимаемости воздуха при условиях измерения.

Критическое сопло. П ри совершенствовании эталона был выбран уже применявшийся в предыдущих эталонах способ передачи единицы объемного и массового расходов с использованием критических сопел [5] как наиболее рациональный во всех отношениях и доказавший свою состоятельность в составе государственных первичных эталонов во многих странах мира [6]. Критическое сопло — это техническое средство, разгоняющее проходящий по нему газовый поток до местной скорости звука. При достижении критического перепада давления на сопле возникающие на выходе возмущения не могут передаваться на его вход, и как следствие скорость газа и расход перед соплом становятся стабильными. Объемный расход газа на входе критического сопла определяется только параметрами сопла и температурой газа на входе. Таким образом, каждое сопло обеспечивает одно, строго определенное значение расхода. При этом расход устанавливается автоматически без всяких регулировок в соответствии с физикой процесса и не зависит от всевозможных внешних колебаний.

Основными преимуществами установок на критических соплах являются высокая точность; простота конструкции и, следовательно, невысокая стоимость; возможности длительных испытаний и измерений расхода в широком диапазоне; высокая метрологическая надежность, так как основной элемент (сопло) не имеет движущихся частей и острых кромок, т. е. не изнашивается; отсутствие регулировок и настроек, удобство обслуживания.

Компаратор расхода. Принцип работы эталона при калибровке критических сопел основан на сличении расходов воздуха через эталонное сопло (набор эталонных сопел) и калибруемое [7]. Непосредственное сличение расходов трудно осуществить из-за необходимости поддерживать критический режим истечения, связанный с большим перепадом давления. По этой причине сличение осуществляется через компаратор расхода на базе турбинного и ротационного счетчиков газа.

В ГЭТ 118—2013 вместо компараторов на базе турбинного и ротационного счетчиков газа впервые применены преобразователи расхода с гидравлическим сопротивлением, работающие в ламинарном режиме течения воздуха [8]. Данный метод обеспечивает линейную зависимость между расходом воздуха и перепадом давления, измеряемым на каждом компараторе, что необходимо при проведении калибровки критического сопла.

Компаратор расхода с гидравлическим сопротивлением содержит систему плоских каналов высотой h = 0,8 мм и длиной L = 200 мм, в которых поддерживается ламинарный режим течения воздуха. В корпусе перед компаратором установлен струевыпрямитель для выравнивания потока перед входным сечением компаратора.

Принцип действия компараторов расхода с гидравлическим сопротивлением поясняет рис. 4. На входе в канал компаратора энергия газа затрачивается на образование равномерного профиля скоростей. Далее на определенной длине (не более L1) формируется характерный для ламинарного течения параболический профиль скоростей, который ниже по пото

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком