Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 7
1.1. Измерение расходов сред с помощью стандартной диафрагмы. Постановка вопроса 7
1.2. Методика измерение расхода стандартной диафрагмой 21
1.3. Измерение расхода критическим расходомером 23
1.4. Выводы 26
Задачи исследований 27
Глава 2. Экспериментальная установка, используемые рабочие участки и первичные преобразователи 28
2.1. Газодинамический стенд 28
2.2. Критический расходомер 31
2.3. Участок диафрагмирования 35
2.4. Автоматизированная система сбора и обработки информации 37
2.4.1. Используемые первичные преобразователи 39
2.5. Калибровка средств измерения 44
2.5.1. Калибровка датчиков избыточного давления 44
2.5.2. Калибровка термоэлектрических преобразователей 48
Глава 3. Характеристики датчиков дифференциального давления 50
3.1. Исследование амплитудно-частотных характеристик датчиков дифференциального давления 50
3.2. Влияние температуры среды на показания датчика ДМИ 54
Глава 4. Исследование расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока 58
4.1. Задачи исследования 58
4.2. Методика проведения эксперимента в условиях стационарного потока 58
4.3. Методика обработки первичной информации 60
4.4. Результаты исследований коэффициента расхода стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока 68
4.5. Метрологическая оценка точности экспериментальной информации 73
Глава 5. Исследование расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях нестационарного потока 77
5.1. Задачи исследования 77
5.2. Методика проведения эксперимента в условиях нестационарного потока 81
5.3. Результаты исследований в нестационарном потоке 82
Основные результаты и выводы 109
Список литературы ПО
Приложение 116
- Методика измерение расхода стандартной диафрагмой
- Автоматизированная система сбора и обработки информации
- Исследование амплитудно-частотных характеристик датчиков дифференциального давления
- Результаты исследований коэффициента расхода стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока
Введение к работе
Измерение расходов жидкостей и газов является одним из наиболее распространенных видом измерений, выполняемых в нефте-газохимической отрасли промышленности. Это и измерения расходов технологических сред, это и измерения, связанные с коммерческим учетом энергоносителей. При этом в большинстве случаев, реализуется метод переменного перепада давления, а в качестве сужающих устройств используются стандартные диафрагмы. Удорожание энергоносителей привело к ужесточению требований в учете их расходования. Данная проблема является актуальной не только для предприятий, занимающихся транспортировкой энергоносителей, но и для их потребителей.
Анализ газодинамических процессов, протекающих в трубопроводах и сужающих расходомерных устройствах, выполненный в лабораторных условиях и на реальных узлах учета энергоносителей [36,52,60,10], позволил сделать вывод о сложности газодинамических процессов, протекающих в них. В частности было установлено, что течение носит, как правило, турбулентный характер и осложнено как периодическими, так и апериодическими изменениям расхода. Данные колебания обуславливаются естественной турбулентностью потока, акустическими эффектами, возникающими при течении жидкости или газа по магистралям, а также являются следствием работы нагнетательных машин (поршневого или осевого типа) и запорной арматуры. Кроме того, технологические режимы работы многих предприятий предполагают периодические изменения объемов потребления энергоносителей, что приводит к изменению их расходов во входном трубопроводе и установления, таким образом, переходных режимов.
В ряде работ [35,49,24,56,63,68,62,65,61,67] по изучению нестационарных турбулентных течений в каналах экспериментально показано отличие интегральных характеристик распределения скоростей потока, измеренных в пульсирующем потоке, от казистационарных значений. Измерение расхода жидкости и газа при помощи сужающих устройств предполагает знание их коэффициента расхода. Сам коэффициент расхода по своей сути является интегральной характеристикой профиля скоростей в сужающем устройстве. Правила его расчета, да и вообще правила измерения расхода сред при помощи сужающих устройств на территории РФ і регламентируются ГОСТом 8.563, рассчитанным на использование в стационарных потоках. А поскольку поведение коэффициента расхода сужающего устройства в нестационарном потоке остается на данный момент малоизученной, исследования в данном направлении следует считать актуальными и направленными на повышение экономии расходования энергоресурсов.
Методика измерение расхода стандартной диафрагмой
В данной установке была реализована схема на всасывание. Воздух при помощи насоса (4) засасывался из комнаты проходил через сопло Витошинского (1), узел диафрагмирования (2) и пульсатор (3) выбрасывался наружу.
Основная идея исследований заключалась в сличении расхода, получаемого на сопле Витошинского, с расходом, получаемым на диафрагме. Сличение расходов давало коэффициент расхода стандартной диафрагмы. При этом, на первом шаге коэффициент расхода диафрагмы принимался равным единице.
Предварительно кинематическая структура сопла Витошинского была исследовано Юшко СВ. [49, 50] в пульсирующем потоке. Таким образом, зная мгновенный коэффициент расхода сопла, можно было получать мгновенное значение коэффициента расхода диафрагмы. Под мгновенным значением понимаем значение той или иной величины внутри одного периода колебания расхода. Таким образом, в данных исследованиях сопло Витошинского служило образцовым средством измерения расхода.
Особо следует сказать, что данные исследования были выполнены с использованием автоматизированной системы сбора и обработки информации, выполненной на базе персонального компьютера типа IBM PC. В качестве средств измерения давления использовались датчики ДМИ, обладающие 90% полосой пропускания до частоты 100 Гц. Использование автоматизированной системы сбора и обработки информации, а также анализ метрологической информации, приведенной в данной работе, дают основания считать результаты исследований достоверными. Однако, работ подобных этой, к сожалению, недостаточно, чтобы быть уверенным в объективном существовании вариаций коэффициента расхода, не говоря уже о понятии физики самого течения и процессов в нем происходящих.
Попытка изучения влияние изменений расхода на коэффициента расхода стандартной диафрагмы была также предпринята в работе Mottram a [60]. Здесь исследовалось влияние расходных пульсаций не на мгновенные, а на осредненное во времени значение коэффициента расхода. Сама постановка задачи была обусловлена практичностью данной работы. Ее результаты вошли в международный стандарт измерения расхода сред ISO DTR 3313.
Коэффициент расхода определялся по профилям скорости, реализуемым на стандартной диафрагме. Измерение скорости потока осуществлялось термоанемометром.
Mottram установил отличие осредненного по времени коэффициента расхода стандартной диафрагмы, полученного в потоке, осложненном периодическими пульсациями расхода (5- 50 Гц) от значений, рассчитанных в соответствии с ISO (или ГОСТ 8.563.).
Следует сказать, что проведенные исследования большей частью показали присутствие в результате измерения расхода погрешности квадратного корня. Указанные отличия коэффициента расхода от своих расчетных значений были отнесены и объяснены присутствием именно этой составляющей погрешности измерения расхода (рис. 1.6.). В качестве экспериментальных работ хотелось бы привести еще работу [31, 32] родственную исследованиям коэффициента расхода стандартной диафрагмы в нестационарном потоке. Названная работа своей целью преследовала изучение влияния наложенных периодических пульсаций расхода на коэффициент расхода осредняющих напорных трубок (ОНТ). Привлекательность данной работы состоит в том, что исследования проводились на государственном первичном эталоне расхода (ГПЭ), находящемся во всероссийском научно-исследовательском институте расходометрии. Схема эталона представлена на рис. 1.7. Государственный первичный эталон обеспечивал воспроизведение массового расхода жидкости с наивысшей в стране точностью в диапазоне значений 15-35 кг/с. Жидкость из системы хранения рабочей среды (6) насосом (5) подавалась в комплекта с рабочим участком. бак постоянного напора (1) с переливным устройством. Из напорного бака жидкость через форкамеру (7) поступала в испытательный участок (3), переключатель потока (4), пролетный блок и затем - в систему хранения рабочей среды. Уровень амплитуды и частоты пульсации потока регулировалось при помощи пульсатора (2) и байпаса. Эксперимент был основан на сличении расходов, получаемых на ГПЭ и ОНТ при коэффициенте расхода равном единице. При этом, эксперимент проходил в два этапа. На первом этапе проводились проливки ОНТ стационарным потоком. Были получены зависимости коэффициента расхода ОНТ от расхода. На втором этапе проливки ОНТ проводились нестационарным потоком. Коэффициент расхода ОНТ получался аналогично. Коэффициент расхода в этом случае представлял из себя осредненную по времени величину. В результате проведенных исследований было установлено, что коэффициент расхода ОНТ, полученный в нестационарном потоке отличался от коэффициента расхода, полученного в стационарном потоке при том же расходе. Причины названных отличий установлены не были.
Автоматизированная система сбора и обработки информации
Поправочный множитель на тепловое расширение материала сопла а, рассчитывают по формуле: pt - средний коэффициент линейного теплового расширения материала сопла в диапазоне температур от 20 С до tc С, tc - температура материала сопла, С, р\ имеет табличное значение [53].
Значение функции критического потока совершенного газа рассчитывают по формуле: Значения показателя изоэнтропы совершенного газа к принимают равным отношению удельных теплоємкостей газа при нормальных условиях. Для чистых сухих газов к и С приведены в таблицах [53]. Давление изоэнтропически заторможенного газа перед соплом принимают равным сумме атмосферного давления Рв и избыточного давления: Температуру изоэнтропически заторможенного газа перед соплом То принимают равной значению температуры, измеренному средством измерения, удовлетворяющим требованиям [53]. По результатам проведенного обзора исследований можно сделать следующие выводы: 1. Проблема изучения влияния наложенных периодических пульсаций расхода на кинематическую структуру течения через диафрагму является актуальной и малоизученной. 2. Данная проблема находит приложение в практической метрологии. 3. Вопрос о вариантности по времени коэффициента расхода стандартной диафрагмы в пульсирующем турбулентном потоке остается до сих пор спорным. 4. До настоящего времени не дана сравнительная оценка составляющих погрешности измерения расхода, обусловленных квадратичной зависимостью расхода и перепада давления на диафрагме и погрешностью от вариантности коэффициента расхода. 5. Вопрос об учете влияния периодических пульсаций расхода на кинематическую структуру течения через диафрагму, в частности} влияние на коэффициент расхода стандартной диафрагмы, остается открытым. В соответствии с представленными проблемами задачи настоящего исследования были сформулированы следующим образом. 1. Разработка и создание газодинамической установки для изучения расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях гидродинамической нестационарности потока. 2. Проведение индивидуальных исследований эталонных и рабочих средств измерений входящих в состав экспериментальной установки в государственных метрологических службах. 3. Создание автоматизированной системы ведения эксперимента, сбора и обработки экспериментальной информации. 4. Проведение индивидуальных проливок диафрагмы в условиях стационарного потока для разных температур и скоростей потока. 5. Проведение проливок диафрагмы в условиях нестационарного потока для различных температур, амплитуд и частот наложенных колебаний расхода. 6. Провести оценку влияния наложенных колебаний расхода на коэффициент расхода диафрагмы. 7. Оценить погрешность измерения нестационарного расхода при использовании стандартных методик. В целях изучения особенностей измерения нестационарных расходов, а также явлений, вызванных гидродинамической нестационарностью течения, на базе Всероссийского института расходометрии Госстандарта России г. Казань была создана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис.2.1. и рис.2.2. Установка представляет, из себя газодинамический стенд разомкнутого типа. Была реализована схема на нагнетание. Рабочее тело - воздух. Максимальная производительность установки 400 450 г/с. Установка состояла из образцовой и поверяемой линий. Воздух под давлением, которое автоматически поддерживал винтовой компрессор (1), рис.2.3. проходил через образцовую и поверяемую линии и выбрасывался наружу. Образцовая линия была оснащена критическим расходомером, выполненным в соответствии с методическими указаниями по измерению массового расхода газа критическими расходомерами МИ 1538-86, ВНИИФТРИ [53]. Поверяемая линия была оснащена стандартным узлом диафрагмирования (23), выполненным в соответствии с требованиями ГОСТа 8.563. Прямой участок перед диафрагмой (22) имел внутренний диаметр 100 мм и длину 80 калибров. Он играл роль участка начальной стабилизации потока. На поверяемой линии был установлен пульсатор (16), рис.2.4. - профилированная заслонка, приводимая в движение двигателем постоянного тока (19). Частота вращения заслонки регулировалась изменением передаточного числа фрикционного редуктора (18). Для изменения амплитуды наложенных пульсаций расхода использовался байпас (15). Установка предусматривала подогрев рабочего тела до заданной температуры при помощи печи (14), регулятора напряжения (13) и источника тока (12). Также в состав установки входили: два ресивера (10,3) и форкамеры, совмещенные с хонейкобом (5,21), а также вентили (2). Установка была оснащена первичными преобразователями абсолютного давления (датчик «Сапфир») (6,25), дифференциального давления (датчик ДМИ) (26) и хромель-копелевыми термоэлектрическими преобразователями (24,30,31). В целях безопасности эксплуатации установки при помощи стрелочных манометров (9,7,4), установленных до и после критического расходомера осуществлялся визуальный контроль манометрического давления. Кроме того, система автоматики компрессора имела аварийный клапан для сброса избыточного (выше заданного) давления и отключения компрессора. Измерение температуры осуществлялось при помощи универсальных контроллеров моделей UT320/UT350/UT750 (30). Все первичные преобразователи имели аналоговый выход и через нормирующие усилители (27), устройство связи с объектом (УСО) (28) были соединены с персональным компьютером типа IBM PC (29).
Исследование амплитудно-частотных характеристик датчиков дифференциального давления
На первом этапе информация подвергалась предварительному статистическому анализу. Как правило, этот этап проходил параллельно опросу каналов. На втором этапе производились основные вычисления, связанные с реализацией прикладных алгоритмов. Программы обработки информации, для обоих этапов были также написаны на языке Turbo С. В редких случаях при работе с большими массивами для уменьшения времени счета привлекался персональный компьютер типа IBM PC AMD-K6-200MMX. Преобразователь Сапфир-22ДД-Вн использовался для измерения абсолютного давления потока перед критическим расходомером и был выбран в связи с тем, что обладал в рабочем диапазоне измерения абсолютного давления (1-н7 кгс/см ) устойчивыми характеристиками. Преобразователь состоял из измерительного блока и электронного устройства. Давление подавалось по импульсным линиям в камеру измерительного блока и линейно преобразовывалось в деформацию чувствительного элемента, что приводило к изменению электрического сопротивление тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке. Электронное устройство преобразовывало это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал 4- 20 тА. Чувствительным элементом тензопреобразователя являлась пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС). Пластина прочно соединялась с металлической мембраной тензопреобразователя. Датчик дифференциального давления EJA ПОЛ фирмы Yokogawa El. Corp. рис. 1.14. использовался для измерения избыточного давления на диафрагме и был выбран также благодаря обеспечению стабильных характеристик [69]. В настоящей работе был использован датчик, рассчитанный на избыточное давление и температуру среды до 14 МПа и -40-И-120С соответственно. Датчик обеспечивал возможность измерения дифференциального давления в диапазоне ± 100 кПа, обеспечивая при этом токовый выходной сигнал 4-Т-20 тА. Датчик состоял из сенсорного блока и секции электрического преобразователя. Сенсорный блок состоял из капсулы, наружных фланцев и соединительных штуцеров.
Капсула изготавливалась из нержавеющей стали и сплава Hastelloy С-276, что обеспечивало высокую прочность и, в свою очередь, стабильность работы датчика в целом. Капсула была герметичной и имела встроенную защиту от перегрузок давления. По бокам капсула ограничивалась двумя разделительными мембранами. Давление, воспринимаемое мембранами, заставляло их прогибаться и через силиконовое масло, которым заполнена капсула, передавалось на чувствительный элемент датчика (сенсор).
Сенсор располагался в верхней части сенсорного блока и состоял из двух Н-образных резонаторов, расположенных в вакуумной полости на специальной мембране. Один резонатор размещался в центре мембраны, другой ближе к ее краю. Каждый из резонаторов представлял собой монокристалл кремния, полученный путем искусственного выращивания с использованием различной концентрации легирующих примесей, которые определяли его физические свойства.
Под действием магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом и специальной цепью возбуждения, резонаторы находились в состоянии непрерывной и стабильной осцилляции. Давление, прикладываемое к датчику, воздействовало снизу и сверху на чувствительную мембрану сенсора и заставляло ее прогибаться. Прогиб мембраны приводил к изменению частоты осцилляции резонаторов. Таким образом, частота осцилляции резонаторов была связана с величиной дифференциального давления, воспринимаемого датчиком. При этом с увеличением перепада давления частота осцилляции центрального резонатора падала, а краевого возрастала. Значения частот в цифровом виде передавались в микропроцессор, расположенный в секции электрического преобразователя, на обработку, где, исходя из разности частот, определялась величина перепада давления. Следует сказать, что микропроцессор одновременно с измерением дифференциального давления выполнял компенсацию влияния статического давления и температуры измеряемой среды, что повышало стабильность показаний датчика. Результат измерения дифференциального давления переводился электрическим преобразователем из цифрового кода в аналоговый выходной сигнал 4-5-20 тА, который передавался по линии питания датчика (двухпроводная схема).
Настройка датчика и тестирование его систем в процессе проведения экспериментов осуществлялась с помощью специального конфигуратора ВТ200/100. Интерфейс конфигуратора и датчика был построен на основе специального цифрового протокола обмена, который реализовывался по линии питания датчика. Термопары типа КТХКС-ИД-1/0.5 1000/50 использовались для измерения температур потока, до критического расходомера и после диафрагмы, а также для измерения температуры материала сопла критического расходомера и внутренней поверхности трубы участка диафрагмирования. Термопары были выполнены в соответствии с требованиями ГОСТа 23847-79 и представляли собой хромель-копелевую пару.
Результаты исследований коэффициента расхода стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока
Опыт работы с датчиком ДМИ показал, что датчик, обладая хорошими динамическими характеристиками, восприимчив к внешним дестабилизирующим его работу воздействиям: механические деформации, температура окружающей и измеряемой среды, ее плотность и состав. Основные исследования предполагали использовать датчик ДМИ для измерения перепада давления на диафрагме в потоке с температурой в диапазоне 19V70C. В целях изучения влияния температуры среды в импульсных линиях на показания датчика ДМИ, перед проведением основных исследований датчик был подвергнут дополнительному изучению. В этих целях был собран стенд, представленный нарис.3.6.
В плюсовую полость датчика ДМИ (5) подавалось давление от воздушного поршня (1). Измерение давления в системе осуществлялось с помощью цифрового манометра давления фирмы Yokogawa El. модель МТ-120 (2), плюсовая полость которого была также соединена с плюсовой полостью датчика ДМИ. Минусовая полость ДМИ и манометра сообщалась с атмосферой.
Изменение температуры в импульсной линии датчика ДМИ достигалось посредством теплообменника, установленного на ней и погруженного в резервуар с водой. Резервуар нагревался от электрической плитки. Измерение температуры среды в импульсной линии осуществлялось термопарой, которая была установлена непосредственно перед датчиком. Контроль температуры осуществлялся по температурному контроллеру UT-350 (4) Сигнал от датчика ДМИ через нормирующий усилитель (6) и УСО (7) заводился на персональный компьютер (8), который производил запись его показаний. Исследования, проведенные для датчика ДМИ, позволили выявить характер влияния температуры на его показания, а также способ учета этого влияния. Так, было установлено, что в начальный момент времени, когда измеряемая среда, корпус датчика и его чувствительный элемент (мембрана) находятся при комнатной температуре, перепад давления, регистрируемый образцовым манометром и датчиком, находятся в соответствии с его калибровочной зависимостью (равны). С увеличением температуры измеряемой среды (до 65 С) показания датчика начинают искажаться. С течением времени (порядка 36 минут) показания датчика стабилизируются, сместившись относительно первоначальных на постоянную величину. Было замечено, что за указанный промежуток времени корпус датчика прогревается полностью. Таким образом, перед проведением измерений датчик ДМИ необходимо выдержать в температурных условиях, характерных для измеряемой среды (прогреть датчик). Характер зависимости показаний датчика ДМИ от времени при изменении температуры в импульсных линиях приведен на рис.3.7. Наклон линии после момента 36 мин. указывает на временной дрейф, присущий датчику ДМИ. Перевод показаний ДМИ в единицы давления в этом случае осуществлялся по одной и той же калибровочной зависимости, полученной в начале эксперимента. Наблюдения за датчиком ДМИ позволили сделать важный вывод. Так было установлено, что в пределах 6 часов непрерывной работы датчика в одних условиях, направление дрейфа его характеристик не меняется, как и не меняется скорость дрейфа. В связи с этим в данной работе, исключение дополнительной погрешности, обусловленной временным дрейфом характеристик датчика ДМИ, осуществлялось следующим образом. До и после проведения измерений датчик ДМИ проходил индивидуальные калибровки, в результате которых находились коэффициенты А и В (см. Глава 2, 2.6.1.). Поскольку при проведении основных исследований измерения были синхронизированы по времени, показания ДМИ (коды АЦП) переводились в единицы давления [Па] в соответствии со следующей зависимостью: A и Bt - калибровочные коэффициенты начальной калибровки, А2 и В2 -коэффициенты калибровки проведенной по окончанию эксперимента, N -общее число записей показаний датчика ДМИ, і - номер записи, код - код АЦП. Так, если номер измерения был "О" (і=0), перевод показаний датчика ДМИ осуществлялся по калибровочным коэффициентам, полученным по результатам первой калибровки и, если "N-l" (i=N-l) - по результатам заключительной калибровке.
