4. Анализ требований, предъявляемых при выборе средств контроля в устройствах измерения расхода. Выбор средств контроля

Рабочее давление в элементах системы ГПА изменяется в широком диапазоне – от атмосферного до 25…30 МПа. Как правило, значения давления в разных элементах системы остаются неизменными в течение длительного времени, однако в некоторых случаях имеют место и значительные колебания (пульсации) давлений с неизвестной заранее частотой.

Большое значение имеет измерение давлений в газовых потоках. В зависимости от вида испытаний могут применяться приборы различного типа. Наиболее широко применяются манометры с трубчатой пружиной. При р < 0,14 МПа целесообразно применять пьезометры.

Применяемые для измерений давлений манометры подразделяют на технические, контрольные и образцовые. Технические манометры общего пользования выпускаются до давления 1000 МПа с диаметром корпуса 40, 60, 100, 160 и 250 мм. Класс точности этих приборов 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0. манометры с диаметром корпуса 40 и 60 мм изготавливаются только с классом точности 2,5 и 4,0. Наиболее высокий класс точности имеют приборы с диаметром корпуса 160 и 250 мм.

Контрольные манометры предназначены для проверки технических манометров непосредственно на местах измерений. Они выпускаются классом точности 0,6 с верхним пределом измерений до 160 МПа.

Образцовые манометры (ГОСТ 6521 - 72) используются для проверки технических и контрольных манометров, а также при проведении ответственных испытаний. Шкала образцового манометра независимо от верхнего предела измерений имеет 400 и 250 усл. ед. Приборы выпускаются классом точности 0,15; 0,25; 0,4 и с верхним пределом измеряемых давлений до 60 МПа.

Образцовые манометры должны использоваться при температуре окружающего воздуха 5…45°С. Температура помещений, где устанавливаются манометры, должны быть не ниже 5°С. При температуре окружающей среды t ≠ 23±3°С необходимо учитывать температурные поправки в соответствии с паспортными данными. Поправки не должны превышать Δ = ± (0,5δ₀ + 0,04Δt), где δ₀ – основная погрешность, численно равная классу точности прибора, %; Δt – разность между действительной температурой окружающей среды и допустимым предельным её значением.

До и после испытаний рекомендуется проводить снятие индивидуальных характеристик (тарировку) манометров. Основная погрешность используемого при тарировках эталонного прибора должна быть значительно ниже (в 4…5 раз), а верхний предел измерения выше, чем у проверяемого прибора. Отсчёты производят не менее чем для пяти значений давления, равномерно расположенных на шкале, сначала при повышении давления, а затем при его снижении.

Обычно в качестве эталонного прибора используют грузопоршневые манометры с классом точности 0,05 или 0,02 (ГОСТ 8291 - 83). Грузопоршневые манометры позволяют производить тарировку контрольных и технических манометров с помощью образцовых. Образцовые манометры тарируются с помощью специальных грузов. Грузопоршневые манометры также предъявляют жёсткие требования к температуре окружающей среды (20 ± 2°С для класса точности 0,023 и 20 ± 5°С для класса точности 0,05).

Все манометры должны периодически подвергаться проверке. Запрещается применение манометров без свидетельства (пломбы) о пригодности для использования в течение определённого срока.

В газовых потоках различают полное и статическое давление. Статическое давление обычно измеряют на стенке канала. При измерении давлений на стенках исходят из допущения, что при равномерном установившемся течении статическое давление постоянно по сечению канала. В действительности это не всегда верно, и получаемая при измерении вследствие этого допущения погрешность может достигать 2…3%. Поэтому к местам сверлений (отборов статического давления) предъявляют дополнительные требования.

Давление должно измеряться на прямых участках газопровода. Скорость потока в мерном (контрольном) сечении не должна превышать 15…25 м/с (из расчётов, которые приведены в спецчасти видно, что она равна 8,5 м/с). В ОСТ 26 – 12 – 2012 – 79 рекомендуется выбирать контрольное сечение на входе в нагнетатель на расстоянии до одного гидравлического диаметра трубопровода от входного конфузора. При гидравлическом диаметре 978 мм это расстояние составляет 978 мм.

Диаметр проёмного отверстия не должен превышать 3…4 мм, и его следует выбирать возможно минимальным, но не менее 0,5 мм. Согласно нормам диаметр отверстия не должен быть более 3,2 мм. При выборе диаметра отверстия необходимо учитывать, что на показывающий прибор могут передаваться пульсации давления, имеющие место при работе машины.

Отношение толщины стенки канала h к диаметру отверстия должно быть не менее 2…3. При h = 30 мм и диаметре отверстия d = мм это отношение составляет мм. Ось отверстия должна быть перпендикулярной к оси трубопровода. Кромка отверстия внутри трубы должна быть острой, но без заусенцев. В радиусе 15…20 мм от оси приёмного отверстия не должно быть неровностей, наплывов и других искажений поверхности.

Для устранения влияния окружной неравномерности следует в мерном сечении выполнять несколько отборов давления (4…6) и соединять их уравнительным кольцом. Диаметр трубки уравнительного кольца можно ориентировочно принять в соответствии с выражением

d ≥ (nf /0,5π)^0,5,

где n – число отверстий отбора давлений; f – площадь одного отверстия.

При n = 30 и f = 7,1 мм² d  11,5 мм.

Для прокладки импульсных линий используют медную или стальную трубку. Диаметр импульсных линий должен быть не менее 6 мм. Материал трубок определяется давлением и свойствами газа. Для изготовления деталей импульсных линий необходимо использовать коррозионностойкие к данному газу материалы. При больших давлениях более целесообразно использовать бесшовные трубки 10×2; 14×2; 16×3 из стали (сталь 10 или сталь 20). В некоторых случаях используют нержавеющие стали, например 1Х18Н9Т. При давлениях р < 0,25 МПа можно использовать резиновые или пластмассовые трубки.

Диаметр трубки должен быть тем больше, чем ниже измеряемое давление и чем больше длина импульсной линии. Не рекомендуется прокладывать импульсные линии длиной более 30…50 м. линии необходимо прокладывать по кротчайшему расстоянию вертикально, а горизонтальные участки – с односторонним уклоном не менее 1:10. рекомендуется располагать их выше отметки газового контура для предотвращения попадания в них конденсата и масла и последующего замерзания их в холодное время года. Предотвратить замерзание можно путём прокладки импульсных линий в обогреваемом канале. Для слива конденсата в нижней точке импульсной линии необходимо устанавливать отстойные сосуды и продувочные вентили.

У места отбора импульсную линию необходимо снабдить запорным вентилем. Необходимо дублировать места отборов, импульсные линии и регистрирующие приборы. Манометры должны устанавливаться в вертикальном положении. При измерении давления газа манометр должен устанавливаться выше отбора, а при измерении давления жидкости – ниже отбора.

Манометр нужно устанавливать таким образом, чтобы предотвратить возможность раскачивания его корпуса и максимально уменьшить передачу на него вибрации трубопровода, в котором измеряется давление. Для уменьшения колебаний (пульсаций) стрелок манометров импульсные линии должны быть снабжены демпфирующими устройствами. Простейшие из них – это сосуды с объёмом V > 5 дм³ с отношением длины к диаметру, равным 4. необходимо подбирать манометры с такими пределами измерений, чтобы измерения проводились в диапазоне ¼ до ¾ верхнего предела шкалы прибора.

Различные соединения в импульсных линиях являются возможными источниками утечек. В связи с этим после монтажа и периодически во время работы необходимо контролировать герметичность соединений. После монтажа импульсные линии проверяются на герметичность опрессовокой или обмыливанием. При опрессовке за 10 мин давление не должно снизиться более чем на 3% от начального. При реализации вышеприведённых требований к диаметрам отборов и длинам импульсных линий даже при меньшей герметичности погрешность измерения давления будет ниже других погрешностей измерений.

Измерение температур. Точность измерения температур движущегося газового потока является сложной задачей, так как по существу измеряется температура теплоприёмника, которая, как правило, отличается от температуры потока. Температура относится в к важнейшим параметрам, характеризующим эффективность процессов, происходящих в ГПА. Требования к точности измерения определяются влиянием этого параметра на точность определения показателей эффективности. Для нагнетателей ГПА таким параметром является КПД. Для измерения температур при испытаниях по определению КПД нагнетателя необходимо применять лабораторные ртутные термометры ТЛ-4 или ТЛ-8 по ГОСТ 215 – 73 с ценой деления 0,1°С. Допустимая погрешность этих термометров составляет ±0,2°С при измерении температур от 0 до 100°С. Показания лабораторных термометров проверяются равноопределёнными термометрами типа ТР-1; ТР-2 (цена деления 0,01°С) при помощи термостатов.

При определении других параметров требования к точности измерения температуры существенно ниже, поэтому в этом случае могут использоваться другие технические средства, такие, например, как термопреобразователи сопротивления (ТСМ-0979; ТСП-175) или термоэлектрические преобразователи (ТХК-1486 и др.). В случае использования термокомплектов (термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора) относительная погрешность измерения не должна превышать ± 0,2%.

Несмотря на ряд существенных недостатков ртутных термометров (хрупкость, невозможность дистанционного измерения), при точных измерениях их будут использовать достаточно широко. Измерение температур необходимо проводить в тех же сечениях, в которых измеряется давление. Обычно в мерных сечениях скорость потока не превышает 15...20 м/с.

Для уменьшения погрешностей, вызываемых теплопроводностью, конвекцией и излучением, должны быть приняты соответствующие меры. Трубопровод в месте измерения должен быть теплоизолирован на длине 0,5...1,0 D_у. Погрешность измерения температуры потока, вызванная отсутствием теплоизоляции, зависит от размеров цилиндра, начальной температуры Т_н и отношения давлений π.

Погрешность при определении η_п вследствие потерь теплоты из-за отсутствия теплоизоляции может составлять от 0,5 до 2%, причем эта погрешность приводит к завышению η_п.

В газовом контуре возможно измерение температур только с помощью гильз, которые должны иметь минимальные толщину стенок и диаметр, ограничиваемые прочностью (наружный диаметр ртутных термометров 5...I1 мм). Гильзы заполняют минеральным маслом (жидкость с высокой теплопроводностью) до такого уровня, чтобы чувствительный элемент термометра был полностью погружен в масло. Глубина погружения гильзы в трубопровод должна обеспечивать минимальную высоту столбика ртути, выступающего за пределы трубопровода, и должна быть не менее 100 мм. При снятии показаний ртутный термометр не должен извлекаться из жидкости, залитой в гильзу. Так как условия измерения температуры на практике не совпадают с условиями градуировки термометров, то при обработке опытных данных необходимо вводить поправку на выступающий столбик ртути

Δt = b(t – t_a)(S_t – S_b)

где b— коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта стекла; t— температура по шкале термометра; t_a — температура окружающей среды; (S_t — S_b) - длина выступающего столбика ртути в градусах шкалы.

Поправка на выступающий столбик ртути прибавляется к показаниям термометра. Для ртутных термометров коэффициент b в зависимости от марки стекла изменяется в диапазоне (160...170)10^-6.

При выборе средств для измерения перепада давления на конфузоре, температуры и избыточного давления были учтены все приведенные выше требования.

• для измерения перепада давления на конфузоре (ΔР _конф.) был выбран датчик Метран-43Ф-Вн-ДД-3494-02-МП1-t10-0,15-25кПа-16-42-М20 ТУ 4212-011-12580824-93.

Основные параметры и размеры датчика перепада давления на конфузоре

1. Наименование датчика, обозначение по конструкторскому документу, верхний пределы измерений наибольшего отклонения действительной характеристики преобразователя от номинальной статической, предел допуска основной погрешности.

Каждый датчик может быть настроен на любой верхний предел измерений, указанный на данной модели.

При выпуске с предприятия-изготовителя датчик настраивается на верхний предел измерений в соответствии с заказом. При этом нижний предел измерений равен нулю. Для метрана 43Ф-ДД-3494-02-МП1-t10-0,15-25кПа-16-42-М20 верхний предел измерений равен 25.

2. Номинальная статическая характеристика преобразования датчика имеет вид:

у – у_н = к (х – х₀) где у_н < у < у_в;

у_н, у_в – нижнее и верхнее предельные значения выходного сигнала;

у_в – у_н – диапазон измерения выходного сигнала ;

к – коэффициент пропорциональности;

х – значение измерений величины;

х₀ – значение измерений величины, при которой у = 0.

3. Датчик имеет линейно взрастающую характеристику выходного сигнала;

4. Пределы измерения выходного сигнала постоянного тока датчика 0-5 мА;

5. Значение выходного сигнала, соответствующее нижнему предельному значению измеряемого параметра, соответствующее выходному сигналу 0-5 мА: 0 мА.

Для метрана 43Ф-ДД-3494-02-МП1-t10-0,15-25кПа-16-42-М20 предельно допускаемое рабочее давление 10 МПа:

наибольшее отклонение действительной характеристики от номинальной статической характеристики γ_м = ±0,2%;

предел допускаемой основной погрешности γ = ±0,25%.

• для измерения температуры - Термопреобразователь сопротивления ТСМ 012-06.50, кл. В, РГАЖ 2.821.012.02 ТУ (0....150°С).

Основные параметры и размеры термопреобразователя сопротивления ТСМ 012-06.50, кл. В:

1. Длина погружаемой части 320 мм;

- масса не более 0,667 кг;

- показатель тепловой инерции не более 25 с;

- количество несвязанных электрических цепей 1 шт.;

- диапазон измеряемых температур от -60°С до +150°С;

-условное обозначение номинальной статической характеристики (НСХ) преобразования 100 м;

- диаметр погружаемой части 10 мм;

-вариант кабельного ввода, тип штуцера – под кабель, подвижной штуцер.

2. Материал:

- защитной арматуры – сталь 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632;

- головки – сплав АК – 12 по ГОСТ 1583.

3. Измеряемые среды:

- газовая среда следующего состава: метан – 90,0 (мольных)%, этан – 4,0 %, пропан – 1,5 %, бутан – 1,0 %, пентан – 0,3 %, азот – 1,2 %, углекислый газ – 1,0 %, кислород – 1,0 %, сероводород – 0,02 % г/нм³, меркантановая сера – 0,036 г/нм³.

- скорость потока газа – не более 60 м/с.

• для измерения избыточного давления - Метран-43Ф-Вн-ДИ-3196-01 -МП 1-иО-ОЛ5-10МПа-42-М20 ТУ 4212-001-12580824-93.

Избыточное давление газового потока измеряется у входного торца сужающего устройства через специальные цилиндрические отверстия, которые не используются для измерения перепада давления. Диаметр отверстия мм. Внутренняя кромка отверстия выполнена без заусенцев.