Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Б. В. БИРЮКОВ М. А. ДАНИЛОВ С.С. НИВИЛИС
СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ РАСХОДОМЕРОВ
БИБЛИОТЕКА — ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 638
Б. В. БИРЮКОВ, М. А. ДАНИЛОВ, С. С. КИВИЛИС
СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ РАСХОДОМЕРОВ
ББК 32.965
Б64
УДК 681.12.001.4
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. А. Воронков, Л. М. Закс. В. К. Левин, В. С. Малов, В. Э. Низе, Д. А. Поспелов, И. В. Прангишвили, Ф. Е. Темников, Ю. М. Черкасов. А. С. Шаталов
Бирюков Б. В. и др.
Б64 Средства испытаний расходомеров/ Б. В. Бирюков, М. А. Данилов, С. С. Кивилис.—М.: Энер- гоатомиздат, 1983.— 112 с., ил.— (Б-ка по автоматике; Вып. 638).
40 к. Приведена универсальная модель испытательных установок сличения, изложены общие принципы оценки их характеристик. Проанализированы реализации установок сличения, описана техника испытаний расходомеров жидкостей на этих установках.
Для инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой, исследованием, наладкой и эксплуатацией приборов контроля параметров потоков жидкостей.
2404000000-564ББК 32.965
Б051(01)-83216-836Ф6.5
БОРИС ВЛАДИМИРОВИЧ БИРЮКОВ
МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ ДАНИЛОВ СОЛОМОН СЕМЕНОВИЧ кивилис
Средства испытаний расходомеров
Редактор Э. К. Щепин
Редактор издательства А. В. Матвеева Художественный редактор А. Т. Кирьянов Технический редактор Л. Ф. Шкилевич Корректор И. А. Володяева
ИБ № 3117
Сдано в набор 05.05.83. Подписано в печать 23.08.83. Т-17938 Формат 84 X IO8V32 Бумага типографская № 3 Гарнитура литературная Печать высокая Усл. печ. л. 5,88. Усл. кр.-отт. 6,14. Уч.-изд. л. 7,6 Тираж 90ЭЭ экз. Заказ 3150. Цена 40 к.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Союз- полиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, М-54, Валовая, 28
ПРЕДИСЛОВИЕ
При автоматизированном управлении производственными процессами особое значение имеют точные и надежные измерения расхода различных жидких и газообразных веществ в напорных потоках. Этот вид измерений используется практически во всех отраслях народного хозяйства при определении производительности и коэффициента полезного действия энергетических установок, регулировании технологических процессов, при учетных операциях, приемке, отпуске и хранении различных жидкостей и газов. Вследствие этого проблема обеспечения единства и достоверности измерений расхода имеет важное народнохозяйственное значение.
При испытаниях расходомеров значительное развитие получили методы сличения. Однако несмотря на то что в последние годы методы сличения совершенствуются достаточно интенсивно, создалась ситуация, при которой отдельная информация о конструктивных, схемных усовершенствованиях и результатах исследований элементов установок сличения уже не удовлетворяет потребителей. В связи с этим остро встает вопрос о- разработке единых методов исследования характеристик этих установок, оценке их свойств и принципов проектирования оптимальных конструкций.
Настоящая книга представляет собой попытку систематизированного рассмотрения • материалов, относящихся к вопросам создания, проектирования и эксплуатации установок сличения. В книге принята обычная схема систематизации: классификация — синтез — анализ. Расположение материала подчинено такой схеме: дана общая классификация установок, описаны синтетические модели, отображающие основные классификационные группы, изложены общие принципы оценки характеристик установок, а затем проанализированы конкретные реализации установок и описана техника проведения испытаний с применением этих установок.
В книге использован не только практический опыт авторов, но и обобщены материалы по данному вопросу, опубликованные в зарубежной и отечественной литературе.
Книга рассчитана на инженерно-технических и научных работников, занимающихся разработкой, исследованием, наладкой и эксплуатацией средств автоматического контроля параметров потоков жидкостей, транспортируемых по трубопроводам. В связи с этим основной упор в книге делается на формулировании конкретных рекомендаций по проектированию, исследованию и применению установок сличения.
Авторы выражают благодарность рецензенту канд. техн, наук А. С. Вишенкову и редактору инженеру Э. К. Щепину за критические замечания и пожелания, способствовавшие улучшению содержания книги.
ВВЕДЕНИЕ
Непременным условием обеспечения единства измерений расхода жидкости в масштабах страны является осуществление взаимосвязи элементов расходоизмерительной техники путем реализации государственной и локальных (отраслевых) поверочных схем, устанавливающих порядок и точность передачи размера единицы расхода от эталона и образцовых средств измерений к рабочим расходомерам.
Рис. 1. Схема передачи размера единицы расхода жидкости
Схема передачи размера единицы расхода жидкости (рис. 1) представляет собой ступенчатую структуру с образцовыми средствами измерений различной точности, «хранящими» единицу расхода и передающими ее размер дискретно в одном направлении, т. е. сверху — вниз, по мере убывания точности. Самую нижнюю ступень схемы занимают рабочие расходомеры.
Качество процесса передачи размера единицы расхода жидкости определяется совершенством образцовых средств измерений и правильностью метрологических операций передачи, связывающих образцовые средства между собой и с рабочими расходомерами. Оптимальным будет процесс, гарантирующий оценку метрологических свойств 4
рабочих расходомеров с заданной достоверностью при минимальных затратах на его осуществление.
Государственная поверочная схема для средств измерений расхода жидкости [1, 2] предполагает применение двух разновидностей методов передачи размера единицы расхода жидкости. Наряду с традиционными методами, основанными на использовании испытательных расходомерных установок со встроенными системами воспроизведения и измерения расхода, в которых расход оценивается косвенно по количеству (объему или массе) протекающей жидкости и времени протекания [3, 4], применяются методы сличения, состоящие в сопоставлении показаний расходомера, которому передается размер единицы, и другого расходомера, играющего роль образцового.
" Методы сличения в настоящее время переживают «второе рождение» благодаря разработке ряда принципиально новых схем реализации (см., например, [5—9]), в которых достаточно высокая точность передачи размера единицы расхода сочетается с оперативностью процесса и возможностью его полной автоматизации.
Особое место методы сличения занимают при реализации локальных поверочных схем, тесным образом связанных с системой испытаний расходомеров [10], которая охватывает все стадии разработки [И] расходомера, фазы его производства и процесс эксплуатации.
Сущность системы испытаний заключается в следующем. Целью любого отдельного испытания является оценка каких-либо свойств расходомера, которые отображаются и в дальнейшем используются в виде совокупности характеристик расходомера С={сь с^ ..., Сг, ...} ; результаты испытаний (оцененные характеристики) служат для определения параметров производственных процессов, для оценки соответствия свойств расходомеров требованиям технического задания, степени усовершенствования расходомера при его разработке, стабильности и качества технологии изготовления расходомеров, изменений свойств расходомеров во времени в процессе эксплуатации, для квали- метрии расходомеров.
Определение той или иной характеристики Ct расходомера осуществляется в процессе совершенно конкретного испытания, например градуировки, т. е. совокупности характеристик С соответствует совокупность испытаний Т={/ь /2, • • ♦, it...У, отдельные испытания совокупности Т периодически повторяются по мере перехода от одной стадии разработки к другой, при переходе от разработки к производству, в различных фазах производства, при Поступлении расходомеров в эксплуатацию и по мере эксплуатации, при этом испытаниям подвергаются различные представители расходомера, свойства которых и требования к которым определяются стадией разработки, фазой производства или эксплуатации. Этим обусловлено образование хронологического ряда испытаний, внутри которого выделяются дискретные комплексы — виды испытаний [12], объединяющие отдельные испыта-
ния по признаку единства цели и объекта испытаний, т. е. имеется совокупность видов испытаний Ц7={^ь w^..., wt...^ каждый элемент которой объединяет отдельные испытания Wt= U Ц, где |л^е; он связан с определенным представителем п расходомера из совокупности 7?={Г], Г2, . . ., Г г . . . }.
Важность испытаний как инструмента оценки свойств расходомеров требует уделять особое внимание созданию оптимальных систем испытаний. При этом основными путями оптимизации являются универсализация структуры системы испытаний, методическая унификация испытаний, специализация методов и средств испытаний. Последнее обстоятельство требует «привязки» средств и методов испытаний к видам испытаний на основе оптимального соответствия методов и средств испытаний требованиям, предъявляемым к виду испытаний.
Применение этого принципа оптимизации к видам испытаний, реализуемых в фазах производства и эксплуатации, т. е. к испытаниям установочной серии, приемо-сдаточным, периодическим, типовым и испытаниям входного контроля, прямо указывает на целесообразность использования методов сличения, поскольку превалирующими требованиями к перечисленным видам испытаний являются оперативность процесса испытаний, автоматизация сбора и переработки измерительной информации, машинное представление оценок характеристик в документации и, в частности, машинное заполнение паспортов расходомеров. Эти требования порождены массовым характером производства расходомеров.
Методы сличения достаточно хорошо «вписываются» в условия производства, они обладают рядом преимуществ эксплуатационного характера: управление процессом испытаний максимально упрощено, длительность операций сокращена, легко реализуется полная автоматизация испытаний в сочетании с обработкой результатов испытании на ЭВМ. Установки сличения (УС) намного компактнее установок, в которых реализуются косвенные методы измерения расхода. УС требуют значительно меньших затрат на сооружение, проведение профилактических работ и передачу размера единицы расхода. Методы сличения в ряде случаев позволяют осуществлять передачу размера единицы расхода рабочим расходомерам непосредственно в производственных магистралях, т. е. позволяют при передаче автоматически учесть воздействие эксплуатационных влияющих величин. Кроме того, передача размера единицы расхода сличением позволяет использовать свойство аддитивности, т. е. обеспечивать увеличение диапазона воспроизводимых расходов путем параллельной установки нескольких образцовых расходомеров.
Глава 1
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ УС
Испытания расходомеров
Установки сличения применяются для осуществления градуировки—основного испытания расходомера.
Градуировка как отдельное, законченное испытание входит в состав всех видов испытаний [12]. Кроме того, как операция контроля изменения характеристики преобразования расходомера градуировка может входить составной частью в испытания по оценке надежности и остаточных влияний внешних воздействий. И, наконец, с некоторыми технологическими особенностями, о которых будет сказано далее, градуировка осуществляется при оценке функций влияния [13].
При рассмотрении процесса градуировки основное внимание будет обращено на проведение экспериментальных операций. Прочие операции (планирование, обработка результатов эксперимента, их нормирование и представление), т. е. операции априорные и апостериорные, обязательно входящие в градуировку [14], но индифферентные к методу градуировки, будут описаны схематично, причем только в тех случаях, когда это необходимо для сохранения целостности представлений о градуировке как процессе испытания расходомера.
Начнем с рассмотрения цели градуировки. Она индифферентна к методу градуировки и формулируется как оценка характеристики преобразования, основной погрешности, диапазона измерений расхода и диапазона изменения информативного параметра выходного сигнала расходомера [13, 15].
Для достижения цели по экспериментальным данным должна быть сформирована исходная совокупность пар значений расход Q — выходной сигнал Хи испытываемого расходомера
{Qh. ^ий}, (1)
где /=1, 2,..., т — номер серии воспроизведений расхода; t=l, 2,..., Пз — номер измерения в,/-й серии.
Структура исходной совокупности (1) прогнозируется в процессе априорных операций градуировки (подробно см. [14]) на основании требований технического задания на разработку расходомера или технических условий производства расходомера и с учетом ожидаемых характеристик расходомера, к которым относятся их теоретические (расчетные) значения, характеристики аналогов, экспериментальные
7
оценки характеристик, полученные на более ранних стадиях разработки расходомера.
Необходимый минимум априорной информации, используемой в процессе эксперимента, должен содержать числовые значения фиксированного расхода Qh Q2, ♦ •., Qm, вблизи которых формируется серия воспроизведений, число измерений по сериям пх, п2,..., пт и последовательность воспроизведения серий, например Qi—^Q2— ... —>Qj... —>Qm. Другими словами, должен быть сформирован план испытаний в виде
Qn Э {Q/: Q\, Q\, ...» Qnm; nj: п\, n\, ..., n^,(2)
^Qr.i
где э — знак содержания; п — символ планирования; двоеточие означает «такие, что», а запись Qi—>Qm указывает на последовательность перехода от Qx к Qm.
Фиксированные значения расхода Qj называют сечениями характеристики преобразования расходомера. Обычно их выбирают равномерно распределенными по диапазону воспроизведений QB mtn-^- Qb max, который назначается несколько более широким, чем предполагаемый диапазон измерений испытываемого расходомера. Числа измерений в сериях чаще всего назначают одинаковыми, т. е. nni= =цп2=... =ип7п. Порядок воспроизведения может быть прямой от Q т i п = Qx до Qmax^Qт или обратный, но обязательно воспроизводится вся серия, а затем осуществляется переход к следующей (в отличие от так называемых прямых и обратных ходов, которые проводятся при градуировке некоторых средств измерений, например силоизмерителей, и заключаются в выполнении серий единичных воспроизведений расхода, детерминированно увеличивающегося или уменьшающегося)..
Воспроизведение одной /-й серии на УС, как правило, осуществляется без остановки потока или имитирующего расход движения (последнее в дальнейшем будет пояснено). Для иллюстрации обратимся к циклограмме (рис. 2) и схеме формирования исходной совокупности (1), показанной на рис. 3. На рисунках индекс «в» при символе расхода означает, что это расход, воспроизведенный на УС, в отличие от его отображения — расхода, измеренного образцовым расходомером и обозначенного символом без индекса.
Специальным устройством УС воспроизводится или имитируется расход QBj, который одновременно воздействует на испытываемый и образцовый расходомеры в течение времени т^р (АЕ на рис. 2). Поскольку в общем случае вследствие неизбежных флуктуаций расход QBj непостоянен во времени, он обозначен как функция времени QBj(/). Измерения производят после выхода на требуемый режим (участок АВ) и стабилизации расхода (ВС). На участке CD квази- установившегося расхода (общая длительность туД формируются интервалы измерения тл, т^..., Tjn. , которые следуют с частотой 8
Рис. 2. Циклограмма воспроизведения серии расходовРис. 2. Циклограмма воспроизведения серии расходов
Рис. 2. Циклограмма воспроизведения серии расходов
Рис. 2. Циклограмма воспроизведения серии расходов
/oj=l/Toj, где Toj — период времени между опросами. Значения Tji, Toj,..., тЕ^ Ту; определяются априори при планировании градуиров- кй. По окончании последнего интервала т^. поток останавливают или прекращают имитирующие расход движения (участок DE).
В процессе воспроизведения серии расходов Qj на регистратор поступают три вида измерительной информации: выходные сигналы испытываемого расходомера Хи(/)> образцового расходомера Хо(/) и метки времени L Эта информация поступает только внутри интерва-
Рис. 3. Схема формирования исходной совокупности (1)
лов измерения. На рис. 3 видно, что для формирования информации используются два экспериментальных теста: «Воспроизведение расхода» и «Синхронный опрос». Источники информации обозначены: ИР, ОР — испытываемый и образцовый расходомеры, ГМВ -^- генератор меток времени. Штриховые линии означают команды управления, тонкие сплошные — прохождение сигналов. После регистрации сигналов, которая обозначена как тест «Сбор измерительной информации», осуществляется первичная обработка результатов измерения средствами первичной обработки (СПО), входящими в состав УС; первичная обработка заканчивается тестом «Формирование элементов исходной совокупности».
Первичная обработка прежде всего состоит в определении среднеинтегральных значений выходных сигналов испытываемого и образ
цового расходомеров:
Хи (t) dt;
.1
°/i = -..
'В
J X0U)dt.
о
(3)
(4)
Результат теста (3) непосредственно направляется в запоминающее устройство формирователя, а результат теста (4) подвергается промежуточным преобразованиям в целях установления значения второго элемента исходной совокупности (1)—измеренного расхода Q. Последнее осуществляется с помощью характеристики преобразования Q(X0) образцового расходомера
Qji — QkXo^x .($)
Ojl
Формирование исходной совокупности (1) является органической составляющей экспериментальной части градуировки. Только после завершения этого теста начинаются апостериорные операции градуировки.
В заключение отметим особенности градуировки, проводимой как операция при оценке функций влияния. При градуировке, проводимой как отдельное испытание, в состав системы средств испытания помимо УС входит совокупность средств измерений и поддержания влияющих величин в границах исходной (заранее обусловленной, «нормальной») области их значений. В процессе градуировки, входящей операцией в оценку функций влияния, одна влияющая величина (исследуемая) изменяется/ т. е. выводится из исходной области. Во всем остальном технология проведения экспериментальной части градуировки идентична ранее рассмотренной.
Структура и классификация УС
В разд. 1 было показано, что задачами УС при градуировке являются, во-первых, воспроизведение состоятельной модели расхода и, во-вторых, измерение параметров этой модели. Процесс моделирования расхода на.УС, таким образом, распадается на фазы воспроизведения и измерения, чего не наблюдается при моделировании расхода на установках косвенного воспроизведения расхода по количеству жидкости и времени. Первая фаза (см. рис. 2) представляет собой последовательность операций выхода на режим [участок АВ кривой Qbj(/)], стабилизации (участок ВС) и поддержания установившегося расхода на участке CD, остановки потока или имитирующего расход движения (участок DE). Вторая фаза заключается в том, что в пределах интервала Tyj с частотой fOj=l/Toj выделяют интервалы измерения; внутри каждого интервала определяют среднеинтегральное значение расхода и по совокупности полученных данных восстанавливают функцию изменения расхода во времени.
Процесс воспроизведения и измерения расхода отображается структурой УС, которая универсальна (индифферентна к типу УС) и схематически показана на рис. 4.
Рассмотрим назначение основных элементов УС.
Устройства заправки и хранения рабочей жидкости должны обеспечивать заправку резервуаров УС с минимальными потерями жидко- 10
сти и поддержание ее свойств неизменными в течение длительного времени. В состав этих устройств входят питающие насосы, резервуары, приборы контроля уровня, давления и температуры жидкости в резервуарах, а также ее специальных свойств (насыщенности газом, химического состава и т. п.), трубопроводы, запорные органы, отключающие резервуары от заправщика и магистралей, органы управления процессом заправки, элементы автоматики безопасности и системы индикации состояния устройства («закрыто», «открыто», «заполнен», «не- заполнен» и т. п.).
Рис. 4. Структурная схема УС:
-> —поток среды;—> — сигналы измерения; —• — •-> —сигналы
управления"
Устройства создания и стабилизации расхода включают в себя напорное устройство или его имитатор, устройство настройки УС на заданный (требуемый) расход и средства стабилизации расхода. Напорное устройство должно обеспечивать максимальный расход при известных гидравлических сопротивлениях УС. В качестве устройств настройки на заданный расход применяют регулируемые вентили и задвижки, а также сменные нерегулируемые гидравлические сопротивления (шнеки, диафрагмы). Расход- может быть также задан значением давления, напора насоса, высоты столба жидкости в напорном устройстве. Для специфических УС, в которых расход имитируется, его значение задается регулированием скорости перемещения расходо-
мера в неподвижной жидкости. Стабилизация расхода осуществляется специальными пневматическими, пневмомеханическими, пневмогидравлическими и гидравлическими стабилизаторами, применяемыми в испытательных расходомерных установках, в которых реализуется косвенный метод воспроизведения расхода по количеству жидкости и времени [3, 4]. В УС с имитацией расхода, естественно, стабилизируются -параметры имитатора расхода, т. е. скорость поступательного или вращательного движения. Стабилизирующие расход устройства УС можно существенно упростить по сравнению с рассмотренными в [3, 4] стабилизаторами, поскольку в УС действительное значение расхода аппроксимируется не среднеинтегральным значением в пределах временного интервала т, а оценкой по совокупности «мгновенных» значений. Кроме того, вследствие синхронности измерений Хо и Хи погрешности, обусловленные нестабильностью расхода, частично компенсируются (минимизируются) совместным и однозначным изменением обоих сигналов, их синфазностью. Все это создает благоприятные предпосылки для широкого применения в УС насосного способа подачи 'жидкости, наилучшего с точки зрения оперативности воспроизведения расхода, но являющегося устойчивым источником колебаний расхода. В случае насосной подачи стабилизация расхода осуществляется либо введением корректирующего насоса малой производительности, либо регулированием привода основного насоса, а чувствительным элементом такой системы регулирования служит образцовый расходомер.
Образцовый расходомер — основной элемент УС — предназначен для измерения моделированного расхода. Поскольку типом и структурой образцового расходомера определяются свойства УС, т. е. это является классификационным признаком УС, этим вопросам, а также требованиям к характеристикам образцовых расходомеров будет посвящен отдельный раздел настоящей главы.
Испытательная магистраль предназначена для установки в ней испытываемого расходомера (мерный участок) и средств воспроизведения некоторых влияющих величин, например закрутки, пульсаций расхода и др. Участок магистрали, в пределах которого эти средства устанавливаются, будем называть испытательным. Кроме того, испытательная магистраль содержит коренной трубопровод, к которому пристыковываются мерный и' испытательный участки, входной и выходной патрубки образцового расходомера, соединительный трубопровод к сливному и расходному резервуарам, в пределах которого устанавливается запорная и регулирующая аппаратура. Обычно диаметр коренного трубопровода равен максимальному калибру испытываемого расходомера maxDy в целях уменьшения гидравлического сопротивления. Требования к размерам мерного участка: не менее 20 (max Dy) прямого участка трубы на входе и 10 (maxDy)—на выходе испытываемого расходомера. Переходы внутри мерного участка осуществляются конусом с центральным углом не более 13°.
В УС с имитацией расхода испытательная магистраль отсутствует.
В систему опроса расходомеров входят формирователь команд опроса, блок памяти значений сигналов и моментов времени опроса, а также устройство передачи информации на регистратор.
Регистратор сигналов измерительной информации служит для записи во времени выходных сигналов испытываемого и образцового расходомеров, сигналов времени и управления, показаний приборов системы измерения параметров состояния рабочей жидкости. Применяются осциллографы и средства магнитной записи, а также средства визуального контроля вместе с устройствами их включения, выключения, памяти и сброса показаний. При автоматическом сборе и обработке измерительной информации записывающие устройства регистратора подключаются к ЭВМ.
Система единого времени состоит из таймеров общего времени испытания, задатчиков меток времени записывающим устройствам регистратора, таймеров шага квантования или периода интегрирования выходных сигналов образцового и испытываемого расходомеров. В систему могут быть введены устройства формирования команд включения и выключения измерительных приборов и органов управления расходом.
Система измерения параметров состояния рабочей жидкости состоит из термометров и манометров с дистанционной передачей показаний. Чувствительные элементы их размещаются в пределах мерного участка. и в коренном трубопроводе непосредственно за образцовым расходомером.
Блок управления включает пульт управления магистральными органами УС, селектор образцового расходомера, блок индикации состояния магистралей и запорно-регулирующей арматуры в процессе испытания, а также блоки силового питания. На пульт управления выносятся элементы управления и сигнализаторы их состояния, приборы визуального контроля параметров электрических цепей и состояния газа наддува в резервуаре (при вытеснительной подаче рабочей жидкости). При автоматическом управлении на пульт выносятся .сигнализаторы прохождения команд управления. Автоматическое управление обязательно дублируется ручным, на которое переключаются в аварийных ситуациях. Блок индикации содержит систему сигнализаторов о состоянии отдельных устройств УС. Наиболее эффективно использование мнемосхем с высвечиванием магистралей УС. Селектор образцового расходомера служит для индикации функционирования элементов образцового расходомера.
К вспомогательным устройствам относятся средства опорожнения магистралей УС, фильтры, приборы контроля параметров состояния газа в напорном устройстве, автоматика безопасности, система аварийного оповещения, связи и т. п.
Перейдем к принятой в книге классификации УС (рис. 5). В связи с тем что в последние годы в практику расходометрии успешно внед-
ряется новый тип УС, в которых реализуется принцип буксирования (см., например, [16—18]), представляется целесообразным при классификации УС на первое место поставить дифференциацию УС по способу воспроизведения расхода. Этого классификационного признака в [9] нет, поскольку УС с имитацией расхода там не рассматривались. Таким образом, вместо пяти основных классификационных признаков, разобранных в [9], следует учитывать семь. Первый, основной мы уже назвали. В соответствии с ним УС разделяются на проточные, в которых расход воспроизводится обычным образом путем пропускания жидкости через трубопровод (магистраль), где последовательно
Рис. 5. Классификация УСРис. 5. Классификация УСустановлены испытываемый образцовый расходомеры,
Рис. 5. Классификация УС
Рис. 5. Классификация УС
и ии иимитационные, в которых испытываемый и образцовый расходомеры одновременно и с одной :и той же скоростью перемещаются (буксируются) в неподвижной жидкости. По второму признаку — структуре образцового расходомера проточные УС подразделяются на последовательные и параллельные. Названия эти условны и означают, что в последовательных УС образцовый расходомер состоит из одного или нескольких последовательно установленных первичных преобразователей, имеющих один и тот же диапазон измерений и дублирующих друг друга. В параллельных УС в качестве образцового расходомера применяют набор параллельно включенных первичных преобразователей, сумма верхних пределов измерений которых образует верхний предел измерений образцового расходоме-
и и
и и
ра. Для имитационных УС дифференциация по структуре образцового расходомера не имеет смысла, на что указывает отсутствие связей на рис. 5. Следует отметить, что деление проточных УС на последователь-
ные и параллельные имеет принципиальное значение, а в дальнейшем они будут рассматриваться раздельно.
По третьему признаку — способу представления воспроизводимого расхода — УС подразделяются на объемные и массовые, что определяется типом первичных преобразователей образцового расходомера: если применены преобразователи массового расходомера, например кориолисового, то УС измеряет массовый расход и классифицируется как массовая УС; если в УС используются первичные преобразователи объемного расходомера, например турбинные или электромагнитные, то УС непосредственно измеряет объемный расход, т. е. УС классифицируется как объемная. Указанная классификация остается в силе также в тех случаях, когда в УС имеется средство измерения плотности жидкости, по показаниям которого возможен пересчет объемного расхода в массовый и наоборот. Заметим, что подавляющее большинство действующих проточных УС являются объемными, а имитационные массовые УС пока вообще не применялась, хотя в принципе они возможны.
Четвертым классификационным признаком УС служит наличие разделительной жидкости. При наличии такой жидкости УС является двухсредовой: в рабочей жидкости работает испытываемый расходомер, в разделительной — образцовый. Имитационные УС в настоящее время выполняются только односредовыми, хотя использование двух сред с различными физическими свойствами, а главное — с различной степенью агрессивности, имеет определенный смысл и будет рассмотрено как перспективное при описании схем имитационных УС.
• Деление по последующим классификационным признакам является второстепенным, поскольку отражает различия отдельных элементов УС. Так, по пятому признаку — степени автоматизации — УС бывают автоматизированными и полуавтоматизированными. В первых осуществляется программное управление запорными органами и системой опроса образцового и испытываемого расходомеров, а также (в имитационных УС) режимом перемещения расходомеров, во вторых УС управление осуществляется операторами с пульта управления. '
Два последних классификационных признака специфические: один из них — способ создания напорного потока — имеет смысл только для проточных УС, которые, таким образом, подразделяются на насосные и вытеснительные, а другой — форма движения — относится только к имитационным УС, которые в этом смысле могут быть вра- шдтельными и поступательными.
Проточные УС
Принцип действия последовательных проточных УС, которые хронологически первыми стали применять для испытаний расходомеров, проиллюстрируем с помощью схемы, представленной на рис. 6. В со-
ответствии с классификацией такая УС является проточной последовательной объемной двухсредовой полуавтоматизированной вытеснительной.
Герметичный расходный резервуар 1 заполнен рабочей жидкостью /7, например нефтепродуктом. Сверху в резервуар поступает вытесняющий газ, например азот, от источника питания 2. Снизу к резервуару подключена испытательная магистраль 21, в которой размещены запорный клапан 22, испытательный участок 20 для установки
Рис. 6. Функциональная схема последовательной проточной УС
генераторов и средств измерений влияющих величин (на схеме они не показаны), мерный участок 19 с преобразователем испытываемого расходомера 18, разделительный резервуар 14 с подвижной герметичной перегородкой 16, пространство над которой заполнено рабочей жидкостью, а под перегородкой — разделительной жидкостью 15, образцовый расходомер 13 и- регулировочный вентиль 9. На выходе магистрали находится сливной резервуар 10. Давление вытесняющего газа стабилизируется путем регулирования источника питания 2 с помощью системы стабилизации, состоящей из датчика давления 23, установленного на входном участке магистрали 21, задатчика опорного сигнала 4 и устройства сравнения 3. Электрические выходы испытываемого и образцового расходомеров через систему опроса 7, выполненную в виде пульта, подключены на вход регистратора измерительной информации 6. Датчики давления 12 и температуры И рабочей и разделительной жидкостей подсоединены на вход регистратора непосредственно. На регистратор -поступают метки времени
от генератора 5. Блок управления 8 осуществляет регулирование вентиля 9 и задатчика 4, открытие и закрытие клапана 22, включение и выключение генератора меток времени и регистратора 6, управление системой опроса 7.
Цикл испытания включает три фазы — подготовительную, рабочую и заключительную.
Подготовительная фаза состоит в монтаже первичного преобразователя испытываемого расходомера, подключении источников питания к средствам измерений, регистратору, системе опроса, генератору меток времени, системе стабилизации и блоку управления, заполнении резервуаров и магистрали рабочей и разделительной жидкостями, настройке вентиля 9 и задатчика опорных сигналов 4.
Рабочая фаза начинается с подачи вытесняющего газа в резервуар /. После некоторой выдержки по команде оператора открывается клапан 22 и рабочая жидкость давлением вытесняющего газа перемещается по системе расходный резервуар — магистраль — разделительный резервуар, воздействуя на перегородку 16 и вытесняя разделительную жидкость в сливной резервуар. По команде блока управления система опроса синхронно пропускает сигналы образцового и испытываемого расходомеров на регистратор, который предварительна блоком управления приводится в состояние функционирования.
Регистрация температуры и давления рабочей и разделительной жидкостей (соответственно 7, р и Рр, рр) осуществляется в процессе всей рабочей фазы. Для остановки потока закрывают клапан 22.
Заключительная фаза состоит в отключении источника питания газом, дренировании резервуара 1, опорожнении и нейтрализации резервуаров и магистралей, отключении электропитания измерительных приборов и цепей управления.
Испытание (например, градуировка) предполагает проведение серии рабочих сливов при разных значениях расхода. Изменение (задание) расхода осуществляется либо изменением давления вытесняющего газа или положения регулирующего вентиля 9, либо совместным их изменением. Здесь имеют место одна «чистая» предварительная фаза в начале испытания и одна «чистая» заключительная фаза в конце испытания. Рабочие фазы, кроме последней, чередуются с промежуточными фазами, состоящими в перенастройке вентиля, задатчика опорных сигналов и дозаправке резервуаров. После каждой рабочей фазы формируется /-я серия пар значений выходных сигналов испытываемого и образцового расходомеров Хиц и Хо^ приведенных путем вычислений по (3) и (4) к единице времени.
В разделе 1 указывалось, что совокупность зарегистрированных среднеинтегральных значений выходного сигнала образцового расходомера путем преобразования (5) с помощью характеристики преобразования расходомера Q(X0) -может быть приведена к совокупности измеренных расходов. Однако для последовательных проточных УС иногда эту про^^у^ту^^/эбнее^ делать позднее — в процессе обра- 2—3150 17
оотки результатов градуировки. Другими словами, при градуировке на таких УС исходную совокупность наряду с (1) можно сформировать в форме
{Xoji, ХиnV (6)
В насосных последовательных УС (рис. 7) вместо резервуара и источника питания газом устанавливается насос 2, подающий жид- .кость из хранилища 1. Стабилизация расхода осуществляется системой регулирования, чувствительным элементом которой служит спе-
Рис. 7. Схема напорного устройства насосных последовательных УС:
Хтр — измерительный сигнал; Хоп —опорный сигнал; АХ — сигнал рассогласования; 1 — хранилище жидкости; 2 — питающий насос; 3 — исполнительный механизм (привод насоса); 4 — клапан; 5 — технологический расходомер; 6 —испытательная магистраль; 7 — устройство сраз- нения; 8 —- задатчик опорного сигнала
диально устанавливаемый на входе испытательной магистрали 6 расходомер 5 с частотным выходом. Задатчиком 8 опорного сигнала -YOn служит генератор частоты, а исполнительным механизмом 3 — привод насоса, который в этом случае выполняется регулируемым.
-► Рис. 8. Схема стабилизации расхода при помощи байпасного насоса:
/—хранилище жидкости;
— питающий насос; 3 — дополнительный насос; 4— двухпозиционный клапан;
— исполнительный механизм; 6 — клапан: 7— магистраль; 8— технологический расходомер; 9 — устройство сравнения; 10 — задатчик опорного сигнала; // — возвратный контур
В насосных УС в качестве стабилизатора расхода может быть использован дополнительный насос (рис. 8) малой производительности (порядка 0,1—0,01 производительности питающего насоса 2). Дополнительный (регулирующий) насос 3 устанавливается параллельно питающему и подключается либо к возвратному контуру //, либо к магистрали 7 посредством двухходового быстродействующего клапана 4, управление которым осуществляется от пневматического или электрического исполнительного механизма 5. Остальные элементы системы стабилизации расхода аналогичны ранее рассмотренным.
Насосные УС обычно выполняются односредовыми, и в них отсутствует разделительный резервуар, показанный на рис. 6. В насосных УС требуемый расход устанавливается с помощью регулировочных вентилей.
Параллельные проточные УС являются самым современным средством воспроизведения и измерения расхода. В СССР на базе УС этого типа построен эталон и реализуется общесоюзная поверочная схема средств измерений объемного расхода жидкостей [1]. Эти УС реализованы и в ряде других стран, например в Голландии [19], США [6], Великобритании [20], Франции [21], ГДР [22].
Особый интерес, который проявляется к параллельным проточным УС, обусловлен рядом эксплуатационных и метрологических достоинств, что делает их применение предпочтительным не только по сравнению с УС других типов, но в ряде случаев и по сравнению с испытательными расходомерными установками, воспроизводящими расход по количеству жидкости и времени.
Эксплуатационные преимущества заключаются в максимальном упрощении управления процессом испытаний в основном из-за снижения требований к стабилизации расхода, в существенном сокращении длительности тестовых операций, в легко реализуемой полной автоматизации испытания как в части управления, так и в части сбора и переработки измерительной информации. В схему УС могут быть непосредственно встроены ЭВМ. По сравнению с установками, воспроизводящими расход по количеству и времени, параллельные УС намного компактнее и требуют меньших затрат на сооружение, проведение профилактических работ и собственно испытание.
Метрологические преимущества параллельных УС заключаются в том, что в ряде случаев представляется возможность осуществить, передачу размера единицы расхода рабочему расходомеру (т. е. про-вести градуировку рабочего расходомера) непосредственно в производственных магистралях. Это позволяет автоматически учесть воздействие на рабочий расходомер эксплуатационных влияющих величин. По сравнению с последовательными УС рассматриваемые параллельные УС обладают повышенной точностью, поскольку каждый эле- ^нт (датчик) образцового расходомера работает в существенно более узком диапазоне измерений, чем образцовый расходомер последовательных УС, вследствие чего минимизируются погрешности аппроксимации и линеаризации статической характеристики преобразования. Основным достоинством параллельных УС, с точки зрения метрологической, является возможность использования свойства аддитивности потоков, т. е. обеспечивать увеличение диапазона воспроизводимых расходов путем увеличения только числа включаемых параллельно преобразователей образцового расходомера, градуированных в узкой диапазоне расходов.
Схема параллельной проточной УС приведена на рис. 9. Основной элемент такой УС — образцовый расходомер, с рассмотрения струк- 2* 19'
туры которого начнем описание схемы. Заметим, что образцовый расходомер располагается последовательно за испытываемым расходомером, т. е., как уже отмечалось, термин «параллельная УС» условный и отображает только структуру образцового расходомера.
Образцовый расходомер рассматриваемой УС состоит из набора первичных преобразователей (датчиков) 13, параллельно включенных з ветви 19 коллектора. Каждый датчик имеет собственную шкалу, .вынесенную на селектор 11, в функции которого наряду с селекцией,
Рис. 9. Схема параллельной проточной УС:
/-резервуар-хранилище; 2 — питающий насос: 3 — привод насоса; 4 — клапан; 5— устройство сравнения; 6 — технологический расходомер; 7 — задатчик опорного сигнала: 8 — блок управления; 9 — опросное устройство; 10 — регистратор; // — селектор; /2 — клапан; /3 — датчик образцового расходомера; 14 — регулятор гидросопротивления; 15 — испытательная магистраль; 16 — термометр; 17— датчик давления; 18 — регулировочный вентиль; 19— ветвь коллектора (набора); 20 — испытываемый расходомер; 2/— испытательный участок
т. е. формированием состава одновременно работающих датчиков набора, входит индикация включения и показаний датчиков. Каждый ^-й датчик образцового расходомера (/г=1, 2,..., /) индивидуально Градуирован В узком диапазоне Qmin k~v-Qmax & = Qhom л+AQhom Л, где Qhom h — номинальный расход; AQhom k— двустороннее отклонение нижней Qmtn к и верхней Qmax к границ диапазона измерений /г-го датчика относительно Qhom. Значение AQhom к составляет (0,1—0,2) Qhom п- В наборе можно использовать датчики как с одинаковыми, так и с разными верхними пределами измерений. Более того, один и тот же датчик может иметь два и даже несколько номиналов, т. е. несколько диапазонов измерений, но для каждого диапазона независимо должны быть определены характеристика преобразования и погрешность.
Каждый датчик устанавливают в ветви коллектора, представляющей собой трубопровод, внутренний диаметр которого равен калибру датчика. Вход и выход каждой ветви связаны с коренным трубо- 20
проводом испытательной магистрали 15. Каждая ветвь коллектора на входе и выходе снабжена клапанами 12, с помощью которых она подключается и отключается от магистрали. Клапаны 12 в процессе испытания находятся в одном из двух неизменных состояний: «открыто» или «закрыто». На выходе датчика устанавливается регулируемое гидравлическое сопротивление 14, предназначенное для корректировки распределения расходов по ветвям коллектора перед испытанием. В процессе испытания гидравлические сопротивления 14 находятся в фиксированном неизменном положении.
Основное свойство образцового расходомера в любых комбинациях включения датчиков символически отображается в виде '
1
Qx = ^Qk,(7)
к=\
.где Q2, Q^—соответственно расход через образцовый расходомер и через его &-й датчик.
Цикл испытания на проточной параллельной УС, как и на последовательной УС, включает подготовительную, рабочую и заключительную фазы.
Наряду с аналогичными ранее рассмотренными операциями монтажа и подключения измерительных приборов к источникам питания з подготовительной фазе осуществляется настройка образцового расходомера, заключающаяся в выборе комбинации датчиков, подключении их к магистрали, регулировании соотношений расходов в ветвях, проверке подключения и индикации датчиков на селекторе. Обычно в подготовительной фазе испытания осуществляется контрольный слив жидкости, в процессе которого производится настройка образ цового расходомера.
Рабочая фаза начинается с включения питающего насоса 2. На участке установившегося расхода Qj, начало которого контролируется по показаниям расходомера 6, а также по времени (с момента включения насоса до начала участка установившегося расхода должен быть выдержан временной интервал выхода на режим, причем этот интервал определяется экспериментально в процессе аттестации УС), осуществляется несколько последовательных опросов испытываемого и образцового расходомеров. Во время каждого опроса, который проводится оператором через опросное устройство 9, регистратором 10 фиксируются во времени интегральные сигналы испытываемого расходомера /и л= J (/) dt, где т3г — интервал осреднения расхода и каж- о
дого датчика образцового расходомера IOih= j* ^okW^. В процессе
всей рабочей фазы по показателям измерителей 16 и 17 регистрируются значения температуры и давления на мерном участке и за образцовым расходомером. Остановку потока производят закрытием клапана 4.
Заключительная фаза тельных УС.Заключительная фаза тельных УС.аналогична рассмотренной для последова-
Заключительная фаза тельных УС.
Заключительная фаза тельных УС.
По окончании одного рабочего цикла при фиксированном расходе Qi переходят к рабочему циклу при расходе Qj+i. Для этого осуществляют промежуточную настройку образцового расходомера, изменение положения регулировочного вентиля 18 и регулирование системы стабилизации расхода, которое заключается в изменении опорного сигнала, генерируемого задатчиком 7.
Формирование исходной совокупности по результатам всех рабочих циклов производится следующим образом.
Для каждого /-го рабочего цикла подсчитывают последовательность.
Aij i ,Aij i ,средних значений выходного сигнала испытываемого расходомера XHjX=
Aij i ,
Aij i ,
и матрицу средних значений выходных
сигналов датчиков образцового расходомера
(8)(8)II (ХоПглП,
(8)
(8)
в которой строки образованы последовательностью результатов гц опросов ^-го датчика образцового расходомера:
1,1
(^0/)1& = ^ А)/1&’ (^О/)2^=^2 ^Q]2k
и т. д., а столбцы — порядковыми номерами включенных датчиков 6=1, 2,..., /.
Далее матрицу (8) с помощью матрицы-столбца
Q (^01)
уравнений, аппроксимирующих характеристики преобразования каждого из I датчиков, преобразуют в матрицу
IIQndl,(Ю)
а затем в суммарную матрицу-строку
Qn:(Н>
i
где Q/Z = 2Q//^— воспроизводимый расход в j-м цикле при t-м измере-
нии. Проведя аналогичным образом операции (8) — (11) по всем циклам^ получим искомую исходную совокупность пар значений расход — выходной сигнал в стандартном виде (1).
Заметим, что исходная совокупность может быть сформирована 11 в виде пар значений суммарный выходной сигнал образцового расходомера — суммарный выходной сигнал испытываемого расходомера [см. (6)]:
{
/ z \1
2 xojk ;,(12)
j
/
-ГДе ^ Хо jk = Xoji.
k=\
На рис. 9 представлена схема односредовой насосной УС. Если необходимо скомпоновать двухсредовую вытеснительную параллельную УС, то в схему вводят разделительный резервуар, а насос заменяют расходном резервуаром с напорным устройством в виде источника вытесняющего газа.
Имитационные УС
Имитационные УС, которые называют также буксирными, применяют в основном при испытаниях расходомеров для малых расходов, например расходомеров крови. Но метод воспроизведения расхода буксированием испытываемого расходомера в неподвижной жидкости может найти более широкое применение как с точки зрения увеличения диапазона расходов, так и в смысле расширения номенклатуры испытаний, т. е. может использоваться не только для градуировки, но и для оценки функций влияния, например влияния пульсаций расхода. Несмотря на то что в чистом виде буксирование со сличением сочетается только в отдельных установках [16, 17], ряд известных установок легко реализуется как УС путем введения в схему установки образцового расходомера, что, например, предполагается -сделать при модернизации установок Берлинского политехнического института (ГДР) [18].
Имитационные УС отличаются компактностью, высокой производительностью и широкими пределами воспроизведения расходов, что делает их перспективными для использования на серийных заводах при массовом производстве расходомеров.
Дадим краткий обзор схем имитационных УС.
В ГДР ,[18] рассматриваемый метод применен для градуировки скоростемеров, а в Японии — расходомеров [23] больших калибров, причем в качестве бассейнов используются открытые акватории, а в качестве движителей — катера и трособлочные системы с быстроходными лебедками.
Установка ГДР позволяет воспроизводить скорость в диапазоне 0,01 —1.4 м/с. В качестве имитатора применяется вращающаяся система. Аналогичная схема с дополнительным генератором пульсаций
расхода реализована в США [16], где при частоте вращения имитатора от 16 до 80 об/мин воспроизводится линейная скорость до- 1 м/с. В другой установке [17] вращается сосуд с жидкостью (силиконовое масло) с очень малой скоростью (от 0,13-10-3 до- 13-10-3 м/с).
В Японии запатентован [24] метод градуировки расходомеров^ основанный на имитации потока относительным вертикальным" перемещением двух сосудов.
Рис. 10. Схема вращательной имитационной УС
Рассмотрим схему чаще всего используемой вращательной имитационной УС (рис. 10). Цилиндрический вертикальный открытый сверху резервуар 1 заполнен жидкостью 3. В плоскости верхнего среза резервуара размещена траверса 5, которая посредством привода 14 вращается относительно центральной оси. На штанге закреплены кронштейны 4 и 12 для установки образцового 2 и испытываемого 13 расходомеров, которые погружены в жидкость. Съем сигналов расходомеров осуществляется кабельными линиями 6, вращающимися вместе с траверсой. Кабели соединены с коммутатором 7 и далее неподвижным кабелем 8 с регистратором 9, на который подаются сигналы времени от генератора 10 и скорости вращения от тахометра //. Расстояния Лп и Lo от оси вращения до осей испытываемого и образцового расходомеров строго фиксированы и известны.
Воспроизведение расхода имитируется вращением траверсы с угловой скоростью со, при котором расходомеры с линейной скоростью w0=g)L0 и wh=(oLh перемещаются относительно неподвижной жидкости. Скорость пограничных слоев жидкости, вовлекаемых во вращение вместе с. датчиками расходомеров, гасится специальными гасителями скорости 15. По достижении заданного значения со, т. е. при выходе 24
на режим, регистратор опрашивается точно так же, как в проточных последовательных УС.
Исходная совокупность формируется в виде (6), т. е. как совокупность пар значений синхронно зарегистрированных сигналов образцового и испытываемого расходомеров. Переход от одного фиксированного значения воспроизводимого (имитируемого) расхода к другому осуществляется либо путем изменения угловой скорости траверсы, для чего в схему УС вводят многоступенчатый редуктор, либо изменением расстояний £и и Lo, которые выбирают приблизительно одинаковыми, т. е. LM^L0.
Для получения исходной совокупности в виде (1) используется заранее известная характеристика преобразования образцового расходомера.
Измеренные тахометром значения угловой скорости траверсы используют для контроля стабильности вращения траверсы или для дублирующего измерения, по результатам которого расход определяется в виде
Q=toL0S0, (13)
где So — площадь проходного сечения датчика образцового расходомера.
Для исключения систематических погрешностей, обусловленных неравенством Lo и LH, один из компонентов исходной совокупности «исправляют». на отношение плеч L0/LH. Однако более надежным представляется метод инструментального исключения указанных погрешностей, который заключается в том, что каждое /-е воспроизведение расхода разбивают на два (каждое объемом tij[2) и при воспроизведении второй «полусерии» образцовый и испытываемый расходомеры меняются местами.
Принцип действия поступательных имитационных УС достаточно ясен и нс требует схемной иллюстрации. Основным элементом таких УС является канал или сеть параллельных каналов, заполненных жидкостью. Образцовый и испытываемый расходомеры жестко связывают с общей, абсолютно жесткой рамой, вместе с которой после погружения в жидкость перемещают вдоль канала. При этом взаимное расположение образцового и испытываемого расходомеров может быть различным: они могут быть установлены в одном или в разных каналах, последовательно или параллельно.
По сравнению с вращательными поступательные УС обладают рядом достоинств метрологического характера: отсутствуют радиальные составляющие усилий и скорости, надежно обеспечивается равенство скорости движения образцового и испытываемого расходомеров, возможно одновременное использование разных сред. Однако верхний предел воспроизводимой скорости движения расходомеров ограничен 1—2 м/с; установки крупногабаритны, т. е. требуют большой аквато-
рии. Это ограничивает область применения поступательных УС испытаниями расходомеров очень больших калибров (свыше 500 мм).
В то же время компактность, широкий диапазон воспроизведения скорости, а самое главное, практически неограниченное время воспроизведения расхода на имитационных вращательных УС компенсируют их метрологические недостатки и создают широкие перспективы их использования, особенно при массовом выпуске расходомеров.
Образцовые расходомеры
Образцовый расходомер является основным, определяющим качество УС элементом, поскольку служит инструментом для измерения воспроизводимого расхода. Вследствие этого к ряду его характеристик предъявляются достаточно жесткие требования.
В общем случае при выборе типа образцового расходомера следует принимать во внимание вид и свойства рабочей жидкости, регламентировать точность, стабильность характеристики преобразования,, вид уравнения, аппроксимирующего характеристику преобразования, гидравлическое сопротивление, инерционность, форму выходного сигнала, чувствительность к воздействию различных влияющих величин, особенно к искажениям структуры потока на входе, диапазон измерений и надежность.
Количественные показатели регламентируемых свойств образцовых расходомеров зависят от таких факторов, как тип УС, род рабочей! жидкости, воспроизводимый расход, требования к точности УС. Они могут значительно разниться и даже быть «несущественными», но тем не менее всегда должны рассматриваться.
Показателем точности расходомера служит его инструментальная погрешность б0.р в диапазоне воспроизводимых расходов. Она регламентируется на основании заданной допускаемой погрешности 6qs УС (погрешности единичного воспроизведения и измерения расхода на УС), которая не должна превышать 0,4% в диапазоне воспроизведений, но в конкретных случаях может быть существенно меньшей и достигать 0,2%, а при массовом производстве «грубых» расходомеров может быть большей и достигать 1 % •
Для априорной оценки величины 6о.р в функции 6рд можно рекомендовать формулу
бо.р/бед^(1-К1)(1-К2), (14)
где К\ — показатель качества восстановления расхода в функции времени на участке измерений ту; (см. рис. 2); К2— показатель степени полноты учета воздействия влияющих величин.
Показатель Ki является функцией числа дискретных мгновенных измерений расхода внутри интервала ту; и стабильности расхода. Приемлемая область изменений Ki для УС лежит в пределах 0,1^
^/(i^O, где значение ^l=0 соответствует интегрированию выходного сигнала образцового расходомера во всем интервале ту,.
Прогнозирование показателя Кг встречает существенные трудности, поскольку он зависит от типа образцового расходомера, номенклатуры влияющих величин, интенсивности и частоты их проявления в процессе испытания, от степени изученности функций влияния для данного конкретного экземпляра образцового расходомера, от возможности учета дополнительных погрешностей и др. Не имея возможности останавливаться на априорной квалиметрии расходомеров, ограничимся указанием, основанным на опыте эксплуатации расходомеров
Таблица 1
Условия градуировки образцового расходомера
Априорное значение К2 для сред
высококипящих маловязких
высококипящих вязких
криогенных
жидкометал- ‘ лических
Натурная среда
0.2
0,3
0,3
0,4
Среда-имитатор
0,3
0,5
0,6
0,6
Примечание. В случае двухсредовых УС значения К2 следует принимать как для натурной среды.
вообще, а нс только образцовых. Следует принимать К2=0,2н-0,6, причем, учитывая, что наибольшее влияние на Кг оказывает изменение физических свойств рабочей жидкости, можно дифференцировать указанную область Кг в соответствии с рекомендациями табл. 1, где приведены классификация сред, на которых проводится эксплуатация УС (высококипящие маловязкие, высококипящие вязкие, криогенные, жидкие металлы) [4], и условия градуировки образцового расходомера, связанные с характером среды, поскольку градуировку, в процессе которой определяют характеристику преобразования образцового расходомера и его основную (инструментальную) погрешность 6О.Р, можно производить как на среде, используемой при эксплуатации УС (эта среда названа натурной), так и на среде-имитаторе.
Обращение к показателю Кг дает возможность очень коротко охарактеризовать среды, на которых градуируют и эксплуатируют образцовый расходомер, поскольку среда зачастую не только влияет на метрологические характеристики УС, но и предопределяет тип образцового расходомера и даже тип УС.
Жидкие среды принято подразделять на четыре группы (см. табл. 1), каждая группа включает жидкости, близкие по своим физическим свойствам и параметрам состояния, при которых данные жидкости существуют или применяются в качестве рабочего тела. Укажем, что к группе высококипящих маловязких сред относят жидкости вязкостью до 5-10—5 м2/с, а к группе высококипящих вязких — жидкости вязкостью свыше 5-10—5 м2/с.
Многие промышленные жидкости агрессивны, токсичны, радиак- тивны, взрывно- и пожароопасны, а использование средств защиты от их воздействия, как правило, ведет к потере точности измерения, поэтому при градуировке образцовых расходомеров применяют жидкости- имитаторы. Наиболее распространенными имитаторами для сред первой группы являются вода, спирто- и водоглицериновые смеси, для третьей — жидкий азот. Для сред второй и четвертой групп подбор универсальных имитаторов весьма затруднен, т. е. вид имитатора, как правило, индивидуален.
Рассмотрим применимость УС при работе с жидкостями различных групп.
Группа высококипящих маловязких жидкостей наиболее представительна и одновременно наиболее разнородна в смысле использования в УС. Принципиально в УС можно использовать все жидкости этой группы, однако часто эксплуатационные трудности исключают применение имитационных УС с токсичными жидкостями. Для работы с агрессивными жидкостями этой группы нецелесообразно применять проточные односредовые УС, поскольку значительно усложняются условия эксплуатации образцового расходомера, что ведет к сокращению срока его службы и к снижению метрологических свойств.
Для работы с высококипящими вязкими жидкостями можно.применять любые двухсредовые проточные УС и последовательные односредовые УС.
При работе с криогенными жидкостями используются только проточные односредовые УС.
Из группы жидких металлов только подгруппа легкоплавких (температура плавления до 100 °C) металлов может быть использована при работе УС, причем для них применяются лишь проточные односредовые УС (предпочтительно — последовательные).
Рекомендации по применению образцовых расходомеров для работы с жидкостями различных групп будут даны далее при рассмотрении конструкций расходомеров. '
Вернемся к регламентации свойств образцовых расходомеров. Очень важным свойством является стабильность во времени характеристики преобразования. Стабильность регламентируется при помощи межповерочного интервала тм.и, т. е. времени эксплуатации образцового расходомера, по истечении которого его следует снова градуировать в целях определения новой характеристики преобразования. Для оценки Тм.и должен быть известен закон изменения характеристики преобразования в функции времени и расхода и заданы допускаемые границы изменения. Тогда момент времени, когда изменяющаяся характеристика преобразования достигнет границы допускаемого отклонения, должен соответствовать началу новой градуировки. х
Вид уравнения Q(X0), аппроксимирующего характеристику преобразования, в принципе безразличен, однако исходя из стремления 28
минимизировать объем вычислительных работ при обработке результатов испытания рекомендуется использовать только аппроксимации вида Q=BoXo и Q=Aо-]-B^Xq.
Гидравлическое сопротивление датчиков образцового расходомера определяется типом УС и характеристиками напорного устройства* Ориентировочно рекомендуется назначать суммарную потерю напора на первичных преобразователях не превышающей 2—3% номинального напора, развиваемого напорным устройством УС.
Инерционность образцовых расходомеров характеризуется временем установления показаний ту.п; оно не должно превышать 1/1000 интервала осреднения расхода. Обычно ту.и лежит в - пределах (20—200)- IO*3 с.
С точки зрения формы выходного сигнала, а точнее, вида информативного параметра выходного сигнала, предпочтение отдается, частоте электрических импульсов.
Чувствительность к воздействию эксплуатационных влияющих величин должна быть минимальной. Это обеспечивается либо выбором1 соответствующего типа датчика образцового расходомера, либо конструктивной защитой его от внешних воздействий, например путем, установки струевыпрямителей на входе, применения термостабилизации. ‘
Диапазон измерений образцового расходомера в имитационных, и последовательных проточных УС должен быть, как минимум, пятикратным, а границы его должны совпадать с границами воспроизведения расхода на УС. В параллельных проточных УС следует различать диапазон измерений всего образцового расходомера, т. е. совокупности параллельно установленных датчиков, и диапазон измерений отдельного датчика. Если к общему диапазону предъявляются те же требования, что и в УС других типов, то диапазон измерений отдельного датчика существенно сужен (в этом смысл параллельной структуры образцового расходомера!): нижняя граница измерений составляет 80—90% верхней.
Рассмотрим реализацию конкретных типов образцовых расходомеров в УС.
Хронологически первыми в проточных последовательных УС были- применены расходомеры переменного перепада давления. Несмотря на ряд присущих им недостатков (значительные потери давления, нелинейность характеристики преобразования, необходимость измерения разности давлений, визуальная регистрация показаний, значительная инерционность и т. п.), их применение в УС целесообразно, если учесть громадный опыт их применения’ в расходоизмерительной практике. Ни один другой тип расходомеров не может сравниться с расходомерами переменного перепада давления в части изученности изменений характеристики преобразования во времени и функций влияния таких величин/ как изменение температуры, физических свойств:
(плотности, вязкости) среды, искажений структуры потока, традиционно наблюдающихся при эксплуатации УС. Характеристика преобразования расходомеров переменного перепада давления, особенно с чувствительными элементами в виде сопл и труб Вентури, отличается стабильностью во времени.
В промышленно развитых странах (СССР, США, ФРГ, Франции, Великобритании, ГДР и др.) основные функции влияния расходомеров переменного перепада давления нормированы, что позволяет уверенно вносить коррективы в результаты испытаний.
В настоящее время успешно эксплуатируется несколько последовательных проточных УС с образцовыми расходомерами переменного перепада давления. Правда, в этих УС в качестве рабочей жидкости используется вода, но точность, достигнутая в них, вполне удовлетворительна, например в УС, описанной в [25], предел погрешности единичного воспроизведения расхода составляет 0,3—0,4%. Известна попытка создать такую УС на жидком азоте [26], но погрешность в данном случае достаточно велика (1%).
Совершенствование расходомеров переменного перепада давления во многих странах ведется по линии применения передающих преобразователей с пневматической или силовой компенсацией, получения выходного сигнала (электрический частотный, пневматический) в форме, удобной для введения в ЭВМ [27, 28], а также компенсации изменений вязкости измеряемой среды [29, 30].
Учитывая перспективность подобной модернизации, можно уверенно констатировать актуальность построения схем последовательных УС на базе расходомеров переменного перепада давления.
Стремление заменить измерение разности давлений измерением давления привело к применению в последовательной проточной УС образцового расходомера с трубкой Пито. [31]. Однако таким расходомерам свойственны почти все недостатки расходомеров перепада давления, усугубляющиеся еще и неизученностью характеристик, а также необходимостью стабилизировать эпюру входных скоростей потока. Несмотря на низкую точность измерения расхода (погрешность 1%) и необходимость дискретизации показаний путем фотографирования шкалы, существует перспектива модернизации подобных расходомеров, связанная с введением интегрирующего зонда [32] и преобразованием давления в пневматический или электрический сигнал.
Турбинные расходомеры отвечают всем требованиям, предъявляемым к образцовым расходомерам УС, за исключением стабильности характеристики преобразования. Они пригодны для работы во всех высококипящих маловязких и криогенных жидкостях. Лучшие образцы турбинных расходомеров способны измерять расход в широком диапазоне с погрешностью 0,25% [33] для высококипящих нефтепродуктов и 0,5% для криогенных жидкостей [26]. Изменения их характеристик преобразования во времени [34], функций влияния наиболее суще-
ственных величин (вязкости [33], искажений профиля скоростей, на входе [35, 36], пульсаций) достаточно хорошо изучены. Частотный выходной сигнал обеспечивает стыковку турбинных расходомеров с ЭВМ, однопараметрическая характеристика преобразования линейна в широком диапазоне измерений.
В настоящее время в качестве образцовых турбинные расходомеры применяют в проточных односредовых последовательных и параллельных УС [20, 22, 37, 38], работающих с высококипящими жидкостями (водой, нефтепродуктами). Погрешность этих УС не превышает 0,4%. Использование турбинных расходомеров в двухсредовых УС весьма перспективно и, по-видимому, реально для УС на высококипя- щих вязких жидкостях и даже на жидких металлах. В расчете на турбинные расходомеры разработана схема проточной параллельной УС для испытаний расходомеров при большом расходе [5].
Электромагнитные . расходомеры перспективны для использования: в УС различных типов, работающих с жидкими металлами [39].
Основные достоинства электромагнитных расходомеров: относительно высокая точность, малая инерционность, стабильность характеристики преобразования и, самое главное, малое гидравлическое сопротивление. Единственным недостатком электромагнитных расходомеров, с точки зрения применения в УС, является ограничение их использования электропроводными жидкостями, однако применение двухсредовых УС исключает и этот недостаток, делая электромагнитные- расходомеры наиболее пригодными для использования в УС, работающих на всех высококипящих жидкостях и жидких металлах.
Применение вихревых расходомеров перспективно в УС высококипящих маловязких и криогенных жидкостей. Могут найти применение в УС также ультразвуковые расходомеры.
Все рассмотренные типы расходомеров являются объемными и,, следовательно, предназначены для объемных УС. Массовые УС до- настоящего времени нашли весьма ограниченное распространение, так как для градуировки массовых расходомеров успешно применяются традиционные установки, основанные на косвенном методе измерение расхода по массе и времени. Для градуировки массовых расходомеров наилучшим образом используют входящее в состав таких установок средство измерения количества жидкости — весы, погрешность которых может достигать 0,005% измеряемой массы (грузопоршневые весы). УС конкурировать с такими установками чрезвычайно трудно, тем- более что до сих пор промышленность ведущих стран мира не выпускает удовлетворительно работающих массовых расходомеров, которые можно было бы использовать в качестве образцовых.
Несмотря на это, попытки создать массовые УС известны: в США эксплуатируется проточная последовательная массовая УС, работающая на нефтепродуктах. В качестве образцовых здесь применяют турбинные массовые расходомеры с чувствительным элементом в виде двух аксиальных турбинок, посаженных на одном валу.
Глава 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК УС
Характеристики УС
УС как измерительной информационной системе присущ ряд свойств, оценками которых служат следующие метрологические характеристики: диапазон воспроизводимых расходов, характеристика преобразования, погрешность единичного воспроизведения расхода, функции влияния условий эксплуатации.
Диапазон воспроизводимых расходов характеризуется верхней и нижней границами. Верхняя граница для проточных УС устанавливается в зависимости от характеристик напорного устройства, входящего в состав системы создания и стабилизации расхода (см. рис. 4), и гидравлических сопротивлений магистралей, УС и датчиков испытываемых расходомеров.
Ориентировочно верхнюю границу объемного расхода Qmax ДЛЯ проточных УС можно оценить по формуле
п Г W^max ^вч;х) 98 ^ст] 7 2 ,. гх1/ "57 "5\+£ "5%7 )
где Нтах, Нвъхх — соответственно предельный напор, обеспечиваемый напорным устройством, п напор на выходе УС, т. е. противодавление в сливном резервуаре; Хх, t/x, Zx— соответственно коэффициент сопротивления, внутренний диаметр и длина х-го участка испытательной магистрали УС (х = 1, 2, ..., v); 5 , d3^— соответственно коэффициент потерь на т|-м местном сопротивлении и его эквивалентный внутренний диаметр (q=l, 2,..., ф); р — плотность жидкости; /)у.э— эквивалентный внутренний диаметр (диаметр условного прохода) образцового расходомера; рСт — статическое давление в потоке в процессе эксплуатации УС.
Нижняя граница расхода Qmtn проточных УС оценивается из условия обеспечения нормального режима работы первичных преобразователей образцового расходомера. Почти для всех типов расходомеров это условие отождествляется с автомодельностью по числу Рейнольдса.
Более точно верхнюю и нижнюю границы диапазона воспроизведения для проточных УС можно оценить с помощью универсальной эксплуатационной характеристики УС [40], которую определяют экспериментально в процессе аттестации УС или рассчитывают при проектировании УС. Универсальная эксплуатационная характеристика служит также инструментом прогнозирования возможностей УС в смысле предельных гидравлических сопротивлений первичных преобразователей 32
испытываемых расходомеров и средств воспроизведения и измерения влияющих величин, которые могут быть установлены в пределах магистралей УС для осуществления градуировки, являющейся элементом (операцией) испытаний по оценке функций влияния.
Универсальная эксплуатационная характеристика представляется выражением
е//дв=[(км+кпуг )+{кн.уцчдкм.Ур+^др}4ДКо.Р/}+*^ Q2,(16)
где Ндв — движущий напор, который представляет собой разность напоров на входе и выходе УС; 0 — показатель преобразования энергии в УС; Км, Лпут — эквивалентные относительные коэффициенты местных и путевых «стационарных» для данной УС гидравлических сопротивлений; {^у^} — совокупность эквивалентных относительных коэффициентов гидравлического сопротивления генераторов влияющих величин Y=h 2,..., г, которые могут быть установлены на испытательном участке УС; /(м.Ур—эквивалентный относительный коэффициент гидравлического сопротивления р-го (р=1, 2,..., q) мерного участка, т. е. первичного преобразователя /7-го испытываемого расходомера с соответствующими трубными переходами; Лгд р — гидродинамический относительный коэффициент гидравлического сопротивления р-го мерного участка, учитывающий полезные потери напора на создание потока через испытываемый расходомер с заданной скоростью; Кр.о — эквивалентный относительный коэффициент гидравлического сопротивления регулирующего расход органа (чаще всего вентиля); {^.р J—совокупность эквивалентных относительных коэффициентов гидравлического сопротивления образцового расходомера как комбинации включенных первичных преобразователей в параллельных линиях (/=1,..., и) или установленных последовательно (/=1).
Показатель преобразования энергии определяется выражением
^^gS^pen,(17)
где Spen — реперная площадь сечения потока, за которую обычно принимается проходное сечение наибольшего калибра мерного участка или площадь сечения коренного трубопровода, к которому пристыковываются мерные участки.
Все эквивалентные относительные коэффициенты гидравлических сопротивлений определяются идентично
(18>
где Р — подстрочный индекс, эквивалентный обозначениям «м», «пут», «и.у», «м.у», «гд», «р.о» и «о.р» в формуле (16); S^—площадь сечения потока перед р-м гидравлическим сопротивлением; ^ — относительный коэффициент сопротивления.
Выражение (16) легко номограммируется и служит для определения QP mtn и QP тах при известных или заданных гидравлических сопротивлениях испытываемых расходомеров.
3—315033
Оценку верхней границы воспроизводимого расхода можно произвести также на основании допускаемых потерь напора, значение которых устанавливается равным 5—6% напора.
Окончательно диапазон воспроизведения устанавливается после нормирования погрешности единичного воспроизведения расхода исходя из условия непревышения предела допускаемого значения.
Исходными для априорного назначения диапазона воспроизведения расхода проточных УС служат диапазоны измерений первичных преобразователей образцового расходомера: в последовательных УС нижняя граница QB mtn совпадает с нижним пределом измерений того преобразователя, у которого нижний предел наибольший, т. е.
Qb min==f^^^[Qmin) А,
где к — индекс преобразователя;
аналогично верхняя граница
Qb max=Mlift (Qmax) к*
Для /-мерной структуры образцового расходомера в параллельных проточных УС нижняя и верхняя границы будут соответственно
Qb mi(Qm in ) A J
IQb max = 2 ^Qtnax^k-k=\
Диапазон воспроизводимых расходов для поступательных имита- -вдонных УС определяется возможностью устройства, перемещающего расходомеры в жидкости, т. е. максимально возможной wmax и минимально допускаемой wmin скоростью поступательного движения расходомеров. В этом случае диапазон воспроизведения следует дифференцировать по калибрам ’(диаметрам внутреннего «условного» прохода) испытываемых расходомеров, поскольку, во-первых, значения wmxn и wmax могут быть различными для расходомеров разных калибров (например, из-за разницы в массе), а во-вторых, при одной и той же скорости расход, который определяется как Q=wS, где S — площадь проходного сечения расходомера, для расходомеров разных калибров неодинаков и пропорционален отношению площадей.
Итак, для поступательных имитационных УС в качестве нижней и верхней границ воспроизведения служат совокупности
{ Q т г п. р }(19)
И
{Qmax.p},(20)
причем
Qmin.p —ф1 ^тгп.Рэ Sp); Qmax.p—ф2(^та*.р, Sp).
Во вращательных имитационных УС каждая из границ диапазона воспроизведения зависит от трех компонентов — угловой скорости траверсы со, расстояния L от оси вращения до оси первичного преобразователя, калибра испытываемого расходомера.
Учитывая, что как нижняя, так и верхняя границы угловой скорости могут быть функциями калибра расходомера, и принимая во внимание, что расход определяется как Q=wLS, получаем в качестве нижней и верхней границ диапазона воспроизведения УС две совокупности:
•$т1п р, Lp тгп^(21)
И
{Qmax р, Lp max}(22)
Отличие элементов совокупностей (21) и (22) от соответствующих элементов совокупностей (19) и (20) состоит в том, что они, являясь функциями tomt-n р, Ютах р и Sp, еще зависят от значений Lp тгп и LP maxi которые могут быть разными для разных р, т. е. для испытываемых расходомеров разных калибров.
Характеристика преобразования УС может быть дифференцированной и совокупной. Следует отметить, что совокупная характеристика преобразования используется значительно реже, чем дифференцированная, причем только для проточных УС, образцовые расходомеры которых состоят из однотипных первичных преобразователей одинакового калибра, градуированных приблизительно в одном и том же диапазоне расходов.
Дифференцированная характеристика преобразования применяется, если для каждого ^-го преобразователя образцового расходомера известна его характеристика преобразования Q(Xoa). Тогда для последовательной проточной УС
/
9№) = у ^<Жо4);(23)
6=1■
для параллельной проточной УС
I
q№)=Sqw;(24)
к=\
для поступательной имитационной УС
/(д)
(25) *k=\
где /<д) — число дублированных преобразователей;
для вращательной имитационной УС
Q(X0)=Q(X0)rLH/L0,(26)
35
где Q(X0)r— характеристика преобразования, полученная при градуировке образцового расходомера; £и, £0— см. рис. 10.
Из рассмотрения формул (23) — (26) видно, что, во-первых, формирование дифференциальных характеристик преобразования для последовательных проточных и поступательных имитационных УС осуществляется идентично, и, во-вторых, характеристика преобразования вращательной имитационной УС практически совпадает с характеристикой преобразования образцового расходомера, так как всегда стремятся к тому, чтобы расстояния до входа образцового и испытываемого расходомеров были равными, т. е. LH=L0. В целях исключения разницы между Си. и Lo проводят воспроизведения, в которых образцовый и испытываемый расходомеры меняют местами.
При использовании дифференцированной характеристики преобразования УС сначала по измеренным значениям сигналов- Хоь..., Xoi определяют расходы Qb ..., Qu а затем по (23) — (26) вычисляют воспроизводимый на УС расход. Такая последовательность вычислений позволяет объединять в одном образцовом расходомере разнотипные и разнокалиберные первичные преобразователи.
Использование совокупной характеристики преобразования кроме однотипности и однокалиберности накладывает еще и требование линейности уравнений, аппроксимирующих характеристики преобразования отдельных первичных преобразователей. В качестве аргумента совокупной характеристики преобразования используется сумма выходных сигналов первичных преобразователей, т. е.
(
I\
2,(27)
к=\/
причем в этом случае можно оценить множество характеристик преобразования, каждый элемент которого соответствует одной определенной комбинации подключения первичных преобразователей.
Оценка совокупной характеристики преобразования УС требует обязательной градуировки образцового расходомера в целом. Аппроксимирующие уравнения имеют вид Q=b2 ^ок» Q = A-VB 2 ^ок- Как А=1к=\
исключение, для последовательных УС может быть допущена более
I( 1V
сложная аппроксимация, например 0 = АЦ-В2 -^о^+С [ 2 ^ok I ;
к=\\к=\/
А, В, Св приведенных уравнениях аппроксимации — постоянные.
Погрешность единичного воспроизведения и измерения расхода 6<? включает две составляющие — инструментальную погрешность образцового расходомера бин и погрешность восстановления выходного сигнала в функции времени бв:
^q = Vs (^ин» ^в),(28)
где уй —символ функциональной зависимости.
Проведем оценку погрешности отдельного ^-го первичного преобразователя, входящего в образцовый расходомер.
Будем рассматривать каждую составляющую погрешности как потенциальную совокупность трех компонентов: систематической, известной по числовому значению и знаку (обозначим абсолютную форму буквой А, а относительную g); систематической, известной по модулю (|А| и |^|); случайной (S— в абсолютной и 5 — в относительной форме), при этом в первых двух компонентах используются пределы, а в третьем — среднеквадратическое отклонение.
Проанализируем составляющие погрешности с точки зрения сочетания источника погрешности и вероятной формы ее. компонентов. Источниками инструментальной погрешности являются исходные образцовые средства передачи размера единицы расхода, аппроксимация исходной совокупности пар значений {Q, Хо} детерминированной функцией, погрешности измерения расстояний Lo и Ли в имитационных вращательных УС.
Погрешности исходных образцовых ^средств, в качестве, которых применяют, как правило, установки с реализацией косвенного метода воспроизведения расхода по количеству жидкости и времени, переносятся на преобразователь образцового расходомера [4] в виде
I ?ин к = ?|^| (%) и^и I △ин к = ?|д| (Q&) •
Погрешности аппроксимации носят случайный характер и нормируются функциями вида
^ин.к — Vs №к ^ин.к — ф~ (Q&) или
•^инЛ= Уб (^> $Ва SCb> ^), ^инЛ =(^ль’ ^Ва ^Са ^ofc)’
к к к»&& k
где Л^ Вь, С^—параметры аппроксимирующих уравнений ^-го преобра
5 д , SR ,~ 1 ихАк вк Ч5 д , SR ,~ 1 ихАк вк Чсреднеквадра-среднеквадра-зователя образцового расходомера, а тические отклонения.
5 д , SR ,~ 1 их
Ак вк Ч
5 д , SR ,~ 1 их
Ак вк Ч
среднеквадра-
среднеквадра-
Погрешность [измерения расстояний Lo и £и обычно представляет
собой паспортную погрешность измерительного инструмента, т. е. выражается в форме |Д7 |, | Д7 | или Ц7 |, | Ё7 |. Иногда при многократ-
ных измерениях имеют место двеных измерениях имеют место двесоставляющие: те же IД7 I, 1Д7 .составляющие: те же IД7 I, 1Д7 .
ных измерениях имеют место две
ных измерениях имеют место две
составляющие: те же IД7 I, 1Д7 .
составляющие: те же IД7 I, 1Д7 .
или |^£ h |^£ |, но определенные как частное от деления пас
портной погрешности инструмента на корень из числа повторных изме
рений, и случайные составляющие SL , SL или SL , SL , являющиеся мерой разброса результатов измерений Lo и £и относительно среднего арифметического и определяемые традиционным способом.
Рассмотренное выше справедливо по отношению к расходомерам, обладающим дифференцированной характеристикой преобразования, но легко экстраполируется и на случай совокупной характеристики преобразования заменой Qk величиной Q; Ак, Вк, С к—соответственно /
Д, S и С, а Xoh— 2 хок.
Конкретно составляющие инструментальной погрешности для различных видов аппроксимации дифференцированной и совокупной характеристик преобразования приведены в табл. 2. При этом составляющие инструментальной погрешности, обусловленные неточностью измерения Lo и £и, во вращательных имитационных УС в табл. 2 не указаны; их учет осуществляется по известным правилам суммирования погрешностей.
Коэффициенты корреляции гКоэффициенты корреляции г1 ' . гвьсь' ГАВ соответствующих1 ' . гвьсь' ГАВ соответствующихпараметров аппроксимируют к уравнеяи! и среднеквадратическиепараметров аппроксимируют к уравнеяи! и среднеквадратическиеSo , Sr , 5Л, So,вк ск А вSo , Sr , 5Л, So,вк ск А ввходящие в формулывходящие в формулыАк’Ак’табл. 2, определяются эктабл. 2, определяются экспериментально по результатам градуировки образцового расходомера в целом или его ^-го первичного преобразователя. Не останавливаясь на методике градуировки, укажем только расчетные формулы:для аппроксимации вида Q=A-\-BXспериментально по результатам градуировки образцового расходомера в целом или его ^-го первичного преобразователя. Не останавливаясь на методике градуировки, укажем только расчетные формулы:для аппроксимации вида Q=A-\-BX
Коэффициенты корреляции г
Коэффициенты корреляции г
1 ' . гвьсь' ГАВ соответствующих
1 ' . гвьсь' ГАВ соответствующих
параметров аппроксимируют к уравнеяи! и среднеквадратические
параметров аппроксимируют к уравнеяи! и среднеквадратические
So , Sr , 5Л, So,вк ск А в
So , Sr , 5Л, So,вк ск А в
входящие в формулы
входящие в формулы
Ак’
Ак’
табл. 2, определяются эк
табл. 2, определяются эк
спериментально по результатам градуировки образцового расходомера в целом или его ^-го первичного преобразователя. Не останавливаясь на методике градуировки, укажем только расчетные формулы:
для аппроксимации вида Q=A-\-BX
спериментально по результатам градуировки образцового расходомера в целом или его ^-го первичного преобразователя. Не останавливаясь на методике градуировки, укажем только расчетные формулы:
для аппроксимации вида Q=A-\-BX
15 А— (лэ—2) Д ’ й в— («3—2)Д* ГАВд»
для аппроксимации вида Q=A-^BX-^-CX2
S(AQ)8A„.£00)^ „г
^Д- ^з—3)Д ’ д 8-(Пэ—3)Д/^С-(ПЭ-3)Д '
^12 ^13 ^2 3
ГАВ — “ Д > ГАС — Д ’ ГВС — — Д •
Здесь S(AQ)2— сумма квадратов отклонений экспериментально полученных при градуировке значений расхода от аппроксимирующей кривой; пэ — число экспериментальных точек; А — определитель системы нормальных уравнений; Да^ — определитель-дополнение, образованный исключением из определителя А строки, соответствующей индексу а= = 1, 2,..., и столбца, соответствующего индексу Р=1, 2...
Если инструментальная погрешность оценивается по известной методике путем нахождения полного дифференциала характеристики преобразования /г-го первичного преобразователя (при дифференцированной характеристике преобразования) или образцового расходомера в целом (при совокупной характеристике преобразования), то источником появления погрешности бв является замена интеграла
Таблица 2
Характеристика преобразования
Аппроксимирующее уравнение
Составляющие инструментальной погрешности
Диффереци- рованная
Qi — ^i^oi @2 = ^2^02
Qk — ^к^ок
Ql = BtXol ,
= {Q&=
=вм
^^ин.А — Q ^в^^0^(29)
{l^h-^i^)}(30)
{Qa» = ^k+ ^k^ok}
fSHH.6 = Q7" \^"8гА,А-Хго^в (^"^АьвЛокЗд SB^i(31)
{1 ^ин!^?” ?|^/ (Qz?)}(32)
W=AkA-BkXok-VCkX\^
рин.» = ^- yrsX+ X%kS=Bfe+ Х^сА+
+ 2(4SiVA+r,6c/-AiSc^rv/-oA^ } (33)
{1?ини = ^|(5й)}(34)
Совокупная
( 1\
Q = b 2 ^o6
U=1/
$ин Q ^в ^ок(35)
1Еин1-^|№)(36)
Q = ^+fif2^ V=1/
1 , / (1\2(1\
S„H - Q У $2д+ 2 Х°Ч $!а+2глв|2 ^ой 5Л5В (37)
Г\*=1/\й=1/
l^H| = ?|t|(Q)(38)
Tyini
с„Ту/-
I XOkWdt суммой — V. (А^)/, где Пз — число интервалов между
6
дискретными измерениями выходных сигналов расходомеров и участке Tyj.
Когда значение интеграла известно, например определено при аттестации УС весовым методом, погрешность восстановления содержит одну систематическую составляющую, известную по величине и знаку:
л — д?й 1 ^-^о4 ту/л — д?й 1 ^-^о4 ту/ту/ уту/ у^У!^ Xok^dt о^У!^ Xok^dt о(39)(39)
л — д?й 1 ^-^о4 ту/
л — д?й 1 ^-^о4 ту/
ту/ у
ту/ у
^У!
^ Xok^dt о
^У!
^ Xok^dt о
(39)
(39)
Ch, Хок^ преобра-Ch, Хок^ преобра-где фА — оператор уравнения аппроксимации Ск=фл(Лй, Вк, статической характеристики преобразования ^-го первичного зователя образцового расходомера.
Ch, Хок^ преобра-
Ch, Хок^ преобра-
Если интегра-л не определяется, то в качестве его оценки служит
— ту/—
тХок = — V (Xok)i, где Х^—среднее значение, а погрешность но
сит случайный характер и равна
(40)(40)
(40)
(40)
Переход к относительной погрешности очевиден: ►^R^ o' 5^.
-И
Формулы (39) и (40) распространяются и на погрешность образцового расходомера в целом при реализации совокупной характеристи- 1
ки преобразования, но при этом вместо Хок подставляют 2 Хок. k=\
Каждая ^-я составляющая погрешности единичного воспроизведения и измерения расхода оценивается исходя из того, что
△q^ = Ahh^+Ab^
(41)(41)I △q^ 1 = 1 Аин.6 | + | ^вк В^Q^ = ^8ин .к + *$%&•
(41)
(41)
Таким образом, система (41) представляет собой расшифровку
обобщенной функциональной зависимости (28).
40
Для УС с совокупной характеристикой преобразования методика оценки составляющих погрешности единичного воспроизведения расхода идентична методике оценки погрешности ^-го преобразователя.
При использовании дифференцированной характеристики преобразования формулы перехода от погрешности к-го преобразователя к погрешности УС инвариантны по отношению к структуре образцового расходомера, т. е. к типу УС:
где Гк,к+1 — коэффициент корреляции; C2i— число сочетаний.
Инвариантность системы (42) к типу УС ни в коем случае не является синонимом равноточности. Погрешность параллельных проточных УС, например, потенциально меньше погрешности последовательных проточных УС, поскольку каждый к-и первичный преобразователь работает в значительно более узком диапазоне измерений. У вращательных имитационных УС погрешность увеличивается за счет компонентов инструментальной составляющей, обусловленных неточностью измерения «плеч» Lo и Ьи.
Особый интерес представляет процесс формирования погрешности при использовании нескольких последовательных ступеней образцовых расходомеров, каждая из которых выполнена в виде параллельного набора первичных преобразователей по типу параллельных проточных УС [5]. Номинальный расход одного преобразователя каждой последующей ступени равен сумме номинальных расходов всех преобразователей набора предыдущей ступени. Такая схема используется для передачи размера единицы расхода расходомерам с большим верхним' пределом измерений при ограниченном диапазоне воспроизведения расхода исходного образцового средства.
Это — один из путей усовершенствования метода непосредственного сличения, который позволяет в полной мере использовать положительное свойство аддитивности потоков, заключающееся в том, что любой поток можно разделить на ряд параллельных потоков, сумма расходов которых равна расходу основного потока. На этой основе создается измерительное устройство в виде набора параллельно включенных первичных преобразователей расходомеров, гидравлически объединенных коллектором (см. параллельные проточные УС). Каж-
дый преобразователь набора непосредственно «подчинен» исходной образцовой разсходомерной установке (весовой или объемной) с необходимым верхним пределом измерений, т. е. может быть отградуирован на ней непосредственно. Если верхний предел воспроизводимых на исходной установке расходов недостаточен для обеспечения градуировки преобразователя, то для аттестации (градуировки) преобразователей набора предусматривается промежуточное образцовое средство, состоящее из нескольких последовательных ступеней, каждая из которых, в свою очередь, представляет собой набор из параллельно
Исходное образцовое П Средство LJ пИсходное образцовое П Средство LJ п? ступень? ступеньОцОц2ступенй2ступенй0-210-21/ ступень/ ступеньТа2 ц«гТа2 ц«гРис. 11. Схема передачи размера единицы расхода:для 1-й ступениQ1,... =Q1Z1 = QO:иe-=S Q16=Z.QO:/?=1для 2-й ступениQ21= ... = Q2/2 = Qr, /26= = S <?2*=^1=г.М0:*=1 для /г-й ступениlhhQn= sПigQ0.&=1g~\Рис. 11. Схема передачи размера единицы расхода:для 1-й ступениQ1,... =Q1Z1 = QO:иe-=S Q16=Z.QO:/?=1для 2-й ступениQ21= ... = Q2/2 = Qr, /26= = S <?2*=^1=г.М0:*=1 для /г-й ступениlhhQn= sПigQ0.&=1g~\
Исходное образцовое П Средство LJ п
Исходное образцовое П Средство LJ п
? ступень
? ступень
Оц
Оц
2ступенй
2ступенй
0-21
0-21
/ ступень
/ ступень
Та2 ц«г
Та2 ц«г
Рис. 11. Схема передачи размера единицы расхода:
для 1-й ступени
Q1,... =Q1Z1 = QO:
и
e-=S Q16=Z.QO:
/?=1
для 2-й ступени
Q21= ... = Q2/2 = Qr, /2
6= = S <?2*=^1=г.М0:
*=1 для /г-й ступени
lhh
Qn= sПigQ0.
&=1g~\
Рис. 11. Схема передачи размера единицы расхода:
для 1-й ступени
Q1,... =Q1Z1 = QO:
и
e-=S Q16=Z.QO:
/?=1
для 2-й ступени
Q21= ... = Q2/2 = Qr, /2
6= = S <?2*=^1=г.М0:
*=1 для /г-й ступени
lhh
Qn= sПigQ0.
&=1g~\
включенных первичных преобразователей (рис. 11). Градуировку преобразователей первой ступени осуществляют при помощи исходной образцовой установки, воспроизводящей расход Qo.
Таким образом, наибольший расход Qh, передаваемый Я-й ступенью, связан с расходом Qo соотношением
h
Q^QoJI Ч-<43>
5=1
где 1g — число преобразователей в наборе g-й ступени.
Каждую ступень можно использовать для градуировки не только элементов последующей ступени, но и рабочих расходомеров. Если несколько ступеней схемно объединены, то такая система представляет собой многоступенчатую параллельную проточную УС.
Свойство аддитивности потоков в случае необходимости позволяет достаточно просто увеличивать верхний предел и диапазон измерений многоступенчатой УС добавлением следующей [(^-{-1)-й] ступени.
Важно отметить, что в качестве входящих в наборы элементов можно применять серийно выпускаемые расходомеры, каждый из которых градуирован в ограниченной области или в одной точке диапазона измерений. Последнее обстоятельство позволяет существенно снизить основную погрешность каждого расходомера, поскольку доминирующим источником погрешности является приближенность аппроксимации действительной (нам неизвестной) характеристики преобразования уравнением стандартного вида. Очевидно, что с сужением диапазона измерений правдоподобие аппроксимации возрастает, а следовательно, погрешность имеет тенденцию к уменьшению.
Погрешность передачи значений расхода набором расходомеров, градуированных при одном и том же расходе Qo, оценивается следующим образом. Для первой ступени относительная погрешность складывается из составляющих, обусловленных:
погрешностью единичного воспроизведения расхода исходной образцовой установкой
IVil = Zi^-|^ol = l^o|. (44)
где Qi — расход, передаваемый первой ступенью при включении всех 1\ преобразователей (Qi=/iQo); £о— погрешность исходной установки, которая трактуется как инструментальная (паспортная), а следовательно, носит характер систематической, известной по модулю;
систематическими погрешностями преобразователей набора первой ступени, в качестве оценок которых служат пределы, определенные в предположении равномерного распределения,
(45)(45)
(45)
(45)
где j^ij—i-й компонент систематической погрешности ^-го преобразователя (например, инструментальная погрешность или погрешность восстановления сигнала); /а—квантиль нормального распределения при доверительной вероятности а;
средней квадратической случайной погрешностью элементов набора
+ 2 ||^, П+ 2 ||^, П1/21/2(46)(46)
+ 2 ||^, П
+ 2 ||^, П
1/2
1/2
(46)
(46)
где St—i-я составляющая средней квадратической случайной погрешности ^-го преобразователя образцового расходомера; ||Кла,||— корреляционная матрица, учитывающая взаимное влияние случайных погрешностей преобразователей в наборе.
Тогда для УС, состоящей из h ступеней, выражения для предела систематической составляющей и средней квадратической случайной
погрешности имеют вид
А Г lg / i \ I1/21$»1=1$-1+^=2т S ЙИ : (47>5=1 L*=l 41; к3
(
I \ 2
2^ ) *1 к
Для случая, когда относительные значения систематических составляющих и средних квадратических случайных составляющих погрешностей преобразователей в наборах всех ступеней одинаковы и равны соответственно |$| и 5, причем 1\=1^= ... =1,
/а = 3 и || Kkk, || = 0, из (47) и (48) следует
(49)
(50)
Анализ выражений (49) и (50) показывает, что в многоступенчатых параллельных УС можно получить достаточно малую систематическую составляющую погрешности путем выбора числа преобразователей в наборах и количества наборов, т. е. | ^л |—Н£о| с увеличением I. В то же время случайная погрешность передачи мало зависит от случайных погрешностей предыдущих ступеней и определяется в основном погрешностью последней ступени, • причем оказывается меньше случайной погрешности каждого преобразователя в наборе. Например, для трехступенчатой передачи (Л=3) с наборами по пяти преобразователей из (49) и (50) найдем |g3| = |g0Ц-1,35|£| и 53= —0,55, т. е. второе слагаемое в выражении для систематической погрешности увеличивается всего лишь в 1,35 раза, а случайная составляющая уменьшается примерно в 2 раза. При этом воспроизводимый 44
расход оказывается в 125 раз больше предельного расхода исходной образцовой установки.
Единственным, но очень важным условием выигрыша в точности является отсутствие или весьма слабая коррелированность погрешно- стёй преобразователей в наборах. Так, для наихудшего случая при существовании линейной положительной корреляции (коэффициент корреляции г=1) и прочих равных условиях с учетом
\\K№\\=C\S^=^^S\(51)
отбрасывая члены высших порядков, получаем
~/1212 \1/2
sh=sVi (1-—+-р—f+-f)•<52)
Таким образом, корреляционная зависимость между погрешностями преобразователей в наборах может привести к увеличению случайной погрешности передачи размера единицы расхода даже с увеличением I. Однако экспериментальные исследования показывают, что погрешности преобразователей в наборах слабо коррелированы. Это объясняется прежде всего градуировкой каждого преобразователя в очень малом диапазоне расходов (практически в фиксированной точке), а также стабильностью гидродинамических факторов, действующих в УС и влияющих на погрешность.
Функции влияния условий эксплуатации УС чаще всего имеют смысл дополнительных погрешностей.
Оценка функций влияния требует предварительного создания и выбора вида модели условий эксплуатации, которая может быть дифференцированной и совокупной. В первом случае влияющие величины Zb Z2,..., Zp ..., Zr рассматриваются как независимые, во втором — с учетом взаимовлияния.
Независимо от вида модели должна быть установлена номенклатура влияющих величин, подлежащих оценке, которая индивидуальна для типа образцового расходомера, так как оцениваются только влияющие величины, существенно изменяющие характеристику преобразования расходомера данного конкретного типа. Для каждой влияющей величины должна быть установлена область исходных значений mln (ZT)HCX ... wax(ZT)HCX, определяемая при градуировке первичного преобразователя или всего образцового расходомера в целом; кроме того, для каждой влияющей величины устанавливаются, (или прогнозируются) закон ее изменения во времени /т(/), минимальное и максимальное значения ее при эксплуатации УС: соответственно minZ^ и maxZ^.
При дифференцированной модели функции влияния могут быть представлены совокупностью двухпараметрических функций, в кото-
45
рых вторым аргументом (первый — информативный параметр выходного сигнала Хо) является влияющая величина
{^(Хо, ZT); 7=1, г}, (53) или совокупностью олнопараметрических уравнений изменения расхода AQT в функции отклонения влияющей величины AZT от ее исходного значения (Z^)HCX
{^7 = ^7 (AZT); 7=1, г},{^7 = ^7 (AZT); 7=1, г},(54).(54).
{^7 = ^7 (AZT); 7=1, г},
{^7 = ^7 (AZT); 7=1, г},
(54).
(54).
где Т — символ функции влияния.
Выражение (54) представляет собой семейство уравнений, аппроксимирующих характеристику преобразования образцового расходомера в условиях эксплуатации. Элементом этого семейства может быть и уравнение, определенное при (ZT)HCX. Такие оценки функций влияния применяют при малом числе влияющих величин (до трех), но даже при таком ограничении требуется эксперимент значительного объема. Достоинство такого способа оценки — получение аппроксимирующего уравнения, справедливого во всем диапазоне изменений условий эксплуатации УС. Это обстоятельство позволяет получить среднее квадратическое случайной составляющей погрешности в виде
(55)(55)1/2
(55)
(55)
(Z7)
где q^— число дискретных значений Z^ в диапазоне minZ^ .,. maxZ^t при которых оценены элементы совокупности (53); 5ин — случайная составляющая инструментальной погрешности для отдельного элемента совокупности (53).
Очевидно, что оценка по (55) есть композиция основной и дополнительной погрешностей.
При определении каждого элемента совокупности (53) влияющая величина Z^ воспроизводится с погрешностью 1^ |> в результате чего возникает систематическая инструментальная погрешность
1
| Вин (^7) I = Q ^Z^ I ^7 I ’(55)
которая является дополнительной.
При оценке по (54) систематическая составляющая дополнительной погрешности Дин (Z^) отождествляется со значением функции AQ^, а случайная определяется в виде
$ин (^7) —$ин (^7) —1Q1Q^, I2ДТ S2^, I2ДТ S2д (Д2Т)д (Д2Т),U/2AZ 71,U/2AZ 71(57)(57)
$ин (^7) —
$ин (^7) —
1
Q
1
Q
^, I2
ДТ S2
^, I2
ДТ S2
д (Д2Т)
д (Д2Т)
,U/2
AZ 71
,U/2
AZ 71
(57)
(57)
где 5Д^ — средняя квадратическая погрешность аппроксимации Фдг
Оценка по (57) представляет собой только дополнительную погрешность, которая должна геометрически суммироваться в дальнейшем со средней квадратической случайной составляющей основной погрешности. Систематическая составляющая дополнительной инструментальной погрешности определяется по формуле, аналогичной (56).
Следует отметить, что вариация влияющих величин в процессе эксплуатации УС ограничивается довольно жестко. Это служит основанием для проведения минимаксной стратегии при оценке дополнительных погрешностей, которая предполагает оценку только при экстремальных значениях влияющих величин min ZT и max Z^
Совокупная модель условий эксплуатации позволяет оценить функции совместного -воздействия нескольких влияющих величин на основании многофакторного эксперимента. Прежде всего укажем, что проведение факторного эксперимента целесообразно, если для каждого j-ro сечения характеристики преобразования образцового расходомера или отдельного первичного преобразователя можно принять
г
ФуС/^, Zr) = [] ФЛ(7Т), (58)
Т=1
где Ф^ (Z^)— функция влияния величины Z^.
При оценке функций влияния УС на основе факторного эксперимента почти исключительно применяется трехфакторный анализ, т. е. в выражении (58) г=3. Это обусловлено, во-первых, ограниченностью числа влияющих величин по причине относительной стационарности условий эксплуатации УС, во-вторых, взаимозависимостью ряда влияющих величин, исключающей возможность их независимого изменения, что является непременным условием реализации факторного эксперимента, и, в-третьих, несовместимостью влияющих величин. Кроме того, увеличение числа факторов (г>3) ведет к непомерному усложнению вычислительных работ и увеличению необходимого объема эксперимента.
Поясним сказанное несколькими примерами.
К числу существенно влияющих на характеристики УС величин можно отнести температуру жидкости, изменение ее физических свойств, пульсацию давления в потоке, закрутку потока, вибрацию трубопроводов.
Стационарность условий эксплуатации УС практически исключает влияние климатических факторов (температуры, давления и влажности окружающего воздуха), внешних «энергетических» воздействий (тепловых ударов и потоков, магнитных полей); мало вероятно, причем оно легко компенсируется, изменение конструктивных параметров (емкости и омического сопротивления кабельных линий, ориентации образцового расходомера в пространстве). В этой связи указанные факторы не включены в число существенно влияющих величин, хотя
в условиях эксплуатации испытываемых расходомеров они могут быть доминирующими.
Из числа не очень многочисленных существенно влияющих величин температура и физические свойства жидкости связаны функционально, т. е. не могут одновременно выступать в качестве компонентов факторного эксперимента. Пульсация давления и закрутка потока — трудновоспроизводимые совместно при эксперименте факторы. Кроме того, закрутку потока и вибрацию в правильно спроектированных УС стараются исключить путем конструктивной защиты.
Таким образом, при исследованиях функций влияния УС методом факторной оценки используют следующие тройки влияющих величин: температура (изменение физических свойств) — пульсация — вибрация; температура (изменение физических свойств) — закрутка — вибрация.
В некоторых случаях в число доминирующих влияющих величин могут быть включены и любые другие (это определяется конкретной интенсивностью их проявления и, что очень существенно, изменчивостью в -условиях эксплуатации УС), они могут быть воспроизведены как элементы факторного эксперимента, однако наличие в УС более трех доминирующих влияющих величин мало вероятно.
Поэтому изложим методику трехфакторного эксперимента, оставив возможность перехода к эксперименту с г>3 путем применения дедуктивных методов. Отметим, что в практике эксплуатации УС прибегают к сочетанию трехфакторного анализа с такой дифференциацией условий эксплуатации УС, при которой каждая группировка из трех влияющих величин рассматривается как новая единичная влияющая величина.
Методика трехфакторного эксперимента в своей первой части — оценке совокупного уравнения связи между изменениями влияющих величин и трендом (временным дрейфом) характеристики преобразования УС — реализуется по известным образцам (см., например, [41—43]), а во второй части — оценке дополнительных погрешностей— оригинальна и описывается впервые.
Для каждой из трех влияющих величин Zb Z2, Z3 выбирают четыре уровня и составляют «латинский»-квадрат 4X4:
(ZJ, (Z,)2 (Z,)3 (Z,)4(z2)4(^з)1 (-^з^ (^з)з (^3)4(4),(Z3)4 (Z,). (Z3)2 (Z3)3(г2)2(^з)з (^3)4 (^h (Z3)2(22),(Z3)2 (Z3)3 (Z3)4 (Z3)i(ZJ, (Z,)2 (Z,)3 (Z,)4(z2)4(^з)1 (-^з^ (^з)з (^3)4(4),(Z3)4 (Z,). (Z3)2 (Z3)3(г2)2(^з)з (^3)4 (^h (Z3)2(22),(Z3)2 (Z3)3 (Z3)4 (Z3)i(59)(59)
(ZJ, (Z,)2 (Z,)3 (Z,)4
(z2)4
(^з)1 (-^з^ (^з)з (^3)4
(4),
(Z3)4 (Z,). (Z3)2 (Z3)3
(г2)2
(^з)з (^3)4 (^h (Z3)2
(22),
(Z3)2 (Z3)3 (Z3)4 (Z3)i
(ZJ, (Z,)2 (Z,)3 (Z,)4
(z2)4
(^з)1 (-^з^ (^з)з (^3)4
(4),
(Z3)4 (Z,). (Z3)2 (Z3)3
(г2)2
(^з)з (^3)4 (^h (Z3)2
(22),
(Z3)2 (Z3)3 (Z3)4 (Z3)i
(59)
(59)
уровня, причем для .всех Zуровня, причем для .всех Zгде индекс за скобками обозначает номер
уровня, причем для .всех Z
уровня, причем для .всех Z
(60)(60)справедливо
(60)
(60)
(^y)1 ^ (^)2 ^ (^)з ^ (^y^4'
На основании (59) составляют 16 комбинаций, сведенных в табл. 3.
Т а б лица 3:*
№ комбинации х
Значение влияющей величины
Zx
z2
Z3
1
(2J,
(22)4
(Z,).
2
(Z^
(^2)4
(Z3)2
3
(2,)3
0^2)4
(Z3)3
4
(2J4
(^2)4
(Z3)4
5
(ZJ,
(22)3
(Z3)4
6
(ZJ2
(22)3
(Z3)i
7
(ZJ3
(22)з
(Z3)2
8
(ZJ4
(22)з
(Z3)3
9
(ZJ,
(Z2)2
(Z3)3
10
(ZJ2
(Z2)2
(Z3)4
11
(Zi)3
(Z2)2
(2з),
12
(ZJ4
(Z2)2
(Z3)2
13
(2,),
(Z2).
(^3)2
14
(2.),
'Z2).
(•^3)3
15
(2,)3
(Z2).
(^3)4
16
(2J4
(Z2).
(^3)1
Каждая комбинация влияющих величин однократно воспроизводится при каждом /-м расходе. Экспериментально полученные значения расхода представляют в виде двухпараметрических реализаций функции влияния
W7z=W[Xob x(Zh Z2, Z3)], (61)
где x—обозначение (номер) комбинации; x(Zb Z2, Z3)—комбинация по табл. 3 — второй параметр двухпараметрической функции влияния; XOj — измеренное значение выходного сигнала образцового расходомера при /-м воспроизведении расхода.
Совокупность реализаций (61) для каждого /-го сечения характеристики преобразования УС составляет квадрат
4^ Ф2 Ф3 Ф4
(62)(62)Ф5 Ф6 ^7 ^8
(62)
(62)
Ф, Ф^.Ф.з ’щ щ ш щ .
Y13 y14 ^15 ^16 ]
где индекс при Ф соответствует
номеру комбинации по табл. 3.
Величина
Логарифм
Сумма S
Среднее Scp = L s
Антилога- рифм, Ecp
Экспери ментальные значения Z2 и Z3
1g Ф1
Ig^
Ig^S
lg^4
^1,2,3,4
2cpi,2,3,4
¥4 (22)
(22)4
1g ^5
Ig ^3
lg^7
Ig^
^5,в,7,8
2CP5,6,7,8
¥з (22)
(22)з
1g’Рэ
Ig^io
Ig^ll
lg^l2
S9,10,11,12
2CP9,10,11, 12
¥2 (22)
(22)2
1g ^.з
lg^!4
^15
Ig^io
213,14,15,16
2qpl3,14,15,16
¥1 (22)
(22).
Сумма S
Sl,5,9,13
S2, e.io,14
S3,7,,1,15
S4,8,12,16
21,6,11, 16
2cpi,e,n,i6
¥i(23)
(2з). "
Среднее
SCp = ~ 2
Scpi,5,9.13
Scp2,5,10,14
Scp3,7.11,15
Scp4,8,12,15
213,2,7,12
2cpl3.2,7,12
¥2 (2з)
(2з)2
Антилогарифм 2Ср
¥.(2.)
¥2 (2i)
?=(2i)
¥4 (2 J
2э, 14,3,8
2cp9,14,3,8
¥з (23)
(23)з
Эксперимен
тальные
значения 2,
(2 J,
(21)2
(2J3
(21)4
2s,10,15,4
2cp5,10,15,4
¥4(23)
(23)4
Примечание. ^, 2, 3, 4 — ^ ^1+ lg V2 + Ig Vs + lg V4; 15, g, 7, 8= IgVs+lg V6+lg V^+lg V8 и т . д.
Далее рассмотрим операции только с одним /-м квадратом (62), при этом для упрощения символики индекс j в обозначениях функций в ряде случаев опустим.
Реализация совокупной функции влияния в /-м сечении аппроксимируется через вспомогательные частные функции f(Z\)2 KZ2), HZ^ в виде
^•(Zb Z2, Z3)=Cjf(Z,)f(Z2)/(Z3), (63) где Cj — постоянный для /-го воспроизводимого расхода коэффициент.
Вспомогательные функции /(ZJ, /(Z2), /(Z3) определяют по экспериментальным данным с помощью табл. 4.
Аппроксимация /(Zi), /(Z2), /(Z3) осуществляется либо графически (кусочно-линейная аппроксимация) по точкам с координатами [/i(Zi); (Z^J, (f2(Z2); (ZJ2] и т. д., либо аналитически — уравнением кривой /расч(^), наилучшим образом проходящей через указанные точки.
Следует помнить, что f (Zi), /(Z2), f(Z3) нельзя непосредственно использовать как единичные функции влияния, т. е. они вспомогательны и служат только для определения совокупной функции влияния.
Величина Cj, входящая в (63), определяется как среднее арифметическое 16 значений, составляющих квадрат
с6 с, с8 ^о ^*11 ^12 ^14 ^15 ^16с6 с, с8 ^о ^*11 ^12 ^14 ^15 ^16(64)(64)Сг
с6 с, с8 ^о ^*11 ^12 ^14 ^15 ^16
с6 с, с8 ^о ^*11 ^12 ^14 ^15 ^16
(64)
(64)
Cs с.
где индексы соответствуют номерам комбинаций по табл. 3, а каждое • значение оценивается как
-1
С, = Ь(2!)?4 (Z2) f, (Z3):
Ф2
(65)(65)2 f2 (Z,) f4 (Zj) f2 (Zg)
(65)
(65)
^-^(Z^h^fHZg)-
В (65) числитель — соответствующий элемент квадрата (62), а знаменатель— произведение ординат функций f(Zi), f(Z2), f(Z3), взятых из табл. 4 при значениях абсцисс, выбранных для данной комбинации из табл. 3.
Дополнительная погрешность, обусловленная совокупным воздействием влияющих величин Zb Z2,..., Zr, представляется в виде следующих трех составляющих.
4*
Систематическая составляющая, известная по числовому значению и знаку, — это совокупность:
Дин. (Л. z2z^Qt №)-Ф1 (z„ z., .... zr);
^инг(^1»^2» • • • , ^r) = Q2 (^о)^2 (^1» ^2»^г)»(66)
^ИНм(^1> ^ 2’^^ =Qm ^Хо^ 4?m(Zv Z2, . .., Zr),
где Qj (Хо) — ордината кривой, аппроксимирующей характеристику, преобразования образцового расходомера УС в /-м сечении.
Совокупность (66) нормируется функцией вида ,
^ИН = ¥д(0» ^1» ^2» ^ГУ
Систематическая составляющая, известная по модулю, обусловлена погрешностями | △ (ZT) | средств воспроизведения и измерения влияющих величин. Она, как правило, не зависит от расхода и определяется из выражения
« d'Si (Z,, Z,, .... ZA df (гл
| Д,н (Z„ z„ ..., zr)|=£ ——5^4z7 1Д ^ Ь (67)
Т=1
Случайная составляющая определяется в виде
5ин/ (2„ ггzr)= ^^(z,, z2zr)«s=c+
Г\1Г2
Sr дI2 I
(68)(68)едЧ^ ^ ..„zjjsw^]
(68)
(68)
1=1
где S2C—дисперсия величины С; S2 [f (Z^)]—дисперсия вспомогательной функции / (Z^).
При кусочно-линейной аппроксимации f (Z^) получаемПри кусочно-линейной аппроксимации f (Z^) получаемS [f (ZT)1 =S [f (ZT)1 =' и w22^ ^-ьо21 1' и w22^ ^-ьо21 1^КВ (ЛКВ 1)^КВ (ЛКВ 1)1/21/2(69)(69)
При кусочно-линейной аппроксимации f (Z^) получаем
При кусочно-линейной аппроксимации f (Z^) получаем
S [f (ZT)1 =
S [f (ZT)1 =
' и w
22^ ^-ьо2
1 1
' и w
22^ ^-ьо2
1 1
^КВ (ЛКВ 1)
^КВ (ЛКВ 1)
1/2
1/2
(69)
(69)
где fy (ZT)—экспериментальное значение функции f (ZT), полученное в в табл. 4 как антилогарифм среднего Scp; и=1, 2, 3, 4; 4?UiW—члены квадрата (62), логарифмы которых участвуют в образовании fv (ZT)
V w
(см. табл. 4); SS—обозначение двойного суммирования: сначала по
всем w для каждого и, а затем по всем и; пкв—число членов, образующих сторону квадрата (62).
При аппроксимации.f (Zp уравнением вида fail (Z^) получим
Sf (Z,) =Sf (Z,) =и wи^KR (^KB 1)и wи^KR (^KB 1)72, (70)72, (70)
Sf (Z,) =
Sf (Z,) =
и wи
^KR (^KB 1)
и wи
^KR (^KB 1)
72
, (70)
72
, (70)
где fyan (ZT)—ордината аппроксимирующего уравнения при и-йабсциссе. Средняя квадратическая Sc независимо от способа аппроксимации
определяется выражением
(71)(71)2 ^Рр ^ср)2p=i
(71)
(71)
где СР=р-й член квадрата (62); р=1, 2,..., л2Кв; Сср — среднее арифметическое для членов квадрата (62).
Рассмотрев основную и дополнительные погрешности, приводим формулу для определения предела 6q относительной погрешности единичного воспроизведения и измерения расхода на УС в условиях ее
эксплуатации
.гг
6q = $q+Mq 1+2 5ин(2т)+3 Цин(^)| +1=1т=1’
+ <.+ <.S2q+S ^н +?т=1S2q+S ^н +?т=11/21/2(72)(72)
+ <.
+ <.
S2q+S ^н +?т=1
S2q+S ^н +?т=1
1/2
1/2
(72)
(72)
где /а—квантиль нормального распределения при доверительной вероятности а.
В параллельных проточных УС особое значение уделяют двум специфическим влияющим величинам, порождающим дополнительные погрешности,— это временная нестабильность характеристики преобразования образцового расходомера и изменение свойств измеряемого процесса (расхода) в условиях параллельно работающих, но раздельно градуированных первичных преобразователей образцового расходомера.
Временную нестабильность необходимо определять по результатам статистических исследований серийно выпускаемых расходомеров, которые используют в качестве первичных преобразователей образцового расходомера УС.
Рассматривая влияние изменения свойств процесса, допустимо исходить из того, что в общем случае расход жидкости в каждом из параллельно включенных трубопроводов представляет собой нестационарный случайный процесс Q(/). При этом нестационарность обусловливается возможными детерминированными изменениями математического ожидания процесса, связанными с систематическим перерас-
пределением расхода по параллельным трубопроводам гидравлической системы образцового расходомера. В этом случае процесс Q(/) можно представить в виде суммы детерминированной части MQ^t) и случайного стационарного процесса Qc(/) с MQC(/)=O и непрерывной корреляционной функцией Rc—£>Qcexp(—аст), где М и D — символы математического ожидания и дисперсии; ас — коэффициент затухания функции; / — текущее время; т— интервал времени.
Если исходить из того, что осредненные характеристики потока в условиях градуировки и при работе первичных преобразователей образцового расходомера УС идентичны, а изменяются лишь мгновенные значения этих характеристик, то различие потоков можно характеризовать критерием Кармана при независимости от критериев Рейнольдса и Фруда.
Дополнительные погрешности, обусловленные изменением «статистических свойств потока, можно разбить на две группы [44]. К первой группе относятся погрешности, возникающие вследствие инерционных свойств-первичных преобразователей образцового расходомера УС (динамические погрешности), а ко второй — методическая погрешность от осреднения характеристики процесса (расхода).
Систематическая составляющая динамической погрешности 6Д в абсолютных единицах, приведенная ко входу, определяется выражением [45]
;И[дд(5)]=ЛП0 (S)];И[дд(5)]=ЛП0 (S)](73>(73>
;И[дд(5)]=ЛП0 (S)]
;И[дд(5)]=ЛП0 (S)]
(73>
(73>
где Q(s)—преобразование Лапласа измеренного процесса; W^s)., WH — соответственно реальная (определенная по результатам градуировки) и номинальная функции преобразования; 7W[Q(s)] — детерминированная часть процесса, представленная в операторной форме.
Случайная составляющая динамической погрешности характеризуется дисперсией -
D =D =f m/<o)J Lf m/<o)J LSa (со) dtoSa (со) dto(74>(74>
D =
D =
f m/<o)
J L
f m/<o)
J L
Sa (со) dto
Sa (со) dto
(74>
(74>
где со — текущая частота спектра; Sc(co), Sa (со)—соответственно спектральная плотность процессов Qc(/) и Qa(/), выражаемая через; ее корреляционную функцию, причем Qa (/) — аналог Qc (/) при градуировке образцового расходомера.
Дополнительная погрешность от осреднения процесса
(75)(75)6o.np=^J Qc(O^-^J Qa^dt,Оо
(75)
(75)
где Та, Тс — соответственно интервал осреднения при градуировке и эксплуатации образцового расходомера.
Так как детерминированная составляющая процесса осредняется без погрешности, случайную составляющую погрешности от осреднения можно оценить дисперсией
^о.пр^о.пр^а^аIТаааIТаааРс 'тсааРа таасРс 'тсааРа таас(76)(76)
^о.пр
^о.пр
^а
^а
I
Тааа
I
Тааа
Рс 'тсаа
Ра таас
Рс 'тсаа
Ра таас
(76)
(76)
где Ра> Рс — соответственно дисперсия расхода при градуировке и эксплуатации образцового расходомера.
Относительная дисперсия дополнительной погрешности
(77)(77)Ро. прI о о| ^с V TcOta
(77)
(77)
1Жюр < 12/<2а ^771\М ^77 ~1
где Ка, Кс — значения критерия Кармана соответственно при градуировке и эксплуатации расходомера.
Экспериментальные исследования УС
Содержание настоящего раздела посвящено методике и технике проведения экспериментальных исследований некоторых специфических свойств только одного вида УС, а именно — параллельных проточных УС. Обобщенно задача таких исследований формулируется как оценка взаимного влияния параллельно подключенных преобразователей образцового расходомера при известных и независимо полученных характеристиках каждого отдельного преобразователя.
Целесообразность выделения таких исследований обусловлена не- тривиальностью параллельных УС, так как, например, при экспериментальных исследованиях последовательных проточных УС все сводится к исследованиям образцового расходомера, т. е. к процессам достаточно отработанным (с точки зрения методической) на рабочих расходомерах.
Традиционным методам исследований УС посвящен раздел 8.
В разделе 6 были выдвинуты гипотезы о слабой коррелированно- сти погрешностей преобразователей образцового расходомера и об изменении лишь мгновенных значений гидродинамических параметров потока измеряемой среды при изменении масштаба системы.
Проверка этих гипотез и явилась конкретной целью проведенных исследований, описанных в настоящем разделе. Кроме того, чисто практический интерес представляла оценка изменения статической характеристики преобразования образцового расходомера при различных комбинациях включения его первичных преобразователей, а также оценка степени влияния случайных погрешностей предыдущей ступени на точность воспроизведения расхода последующей ступенью.
Методику проведения исследований продемонстрируем для двух экстремальных случаев — относительно малых и очень больших расходов.
В первом случае (малый расход) исследования проводились на модели двухступенчатой УС с максимальным расходом 2-10—3 м3/с. Каждая ступень состояла из пяти серийных турбинных расходомеров калибра 10 мм для первой ступени (номинальный расход для одного преобразователя QHom=8-10-5 м3/с) и 14 мм для второй ступени- (Qhom=4-10~4 м3/с). В качестве исходного образцового средства применялась статическая весовая расходомерная установка, обеспечивающая воспроизведение и измерение расхода воды в диапазоне 0,02— 2,5 кг/с. При этом предел относительной систематической составляющей погрешности |£q|=0,02%, а среднее квадратическое случайной составляющей Sq=0,02%. Стабильность температуры (+0,1%) и статического давления (±10 Па) позволила определять плотность воды с погрешностью менее +0,002%.
Исследование представляло собой последовательность экспериментальных и аналитических операций, реализованных в следующем порядке.*
Сначала каждый £-й преобразователь обоих наборов индивидуально испытывали на расходомерной установке при фиксированном расходе вблизи Qhom. Для этого при неизменном положении регулирующих расход органов установки производили многократное воспроизведение значения Qhom', при каждом воспроизведении фиксировали значение информативного параметра выходного сигнала испытываемого преобразователя, в данном случае — частоты электрических импульсов /ном- Далее определяли среднее значение частоты и дисперсию сигнала S4, а также фиксировали систематическую составляющую погрешности, за которую принимали погрешность установки при Q Н О М •
Последующие операции состояли в том, что по той же методике производили градуировку двух, трех, четырех и всех пяти одновременно работающих преобразователей расхода. При этом воспроизводили расходы, соответствующие суммам номинальных расходов испытываемых преобразователей. По результатам каждой градуировки оценивали экспериментальную дисперсию суммы расходов 52э.
По окончании серии упомянутых операций повторяли исходную локальную градуировку каждого преобразователя (повторение первой градуировки). Эту операцию осуществляли в целях исключения систематических изменений характеристик преобразования датчиков расходомера, обусловленных временным дрейфом.
Далее следовали аналитические операции, которые сводились, .во- первых, к проверке гипотезы об однородности расчетных ^S2p = I \//\
= 2 ^ и ЭКСпеРиментальных I ^2э ^ 2 ^2^±2||^^,]| I дисперсий
и, во-вторых, к определению степени коррелированности погрешности датчиков. Последнее также оценивали путем статистической проверки гипотезы о наличии корреляции методами, изложенными в [46—48].
Указанные аналитические операции завершали первую часть эксперимента, т. е. проверку гипотезы о слабой коррелированности (или о коррелированности вообще) элементов набора параллельных преобразователей.
После этого осуществляли вторую часть эксперимента — проверку систематических изменений характеристик датчиков набора при подключении других датчиков, а также взаимного влияния наборов разных ступеней. Первое оценивали по совокупности результатов градуировок, каждую из которых проводили методами, изложенными выше, при различных сочетаниях включенных датчиков набора.
Взаимовлияние ступеней, точнее, влияние случайных погрешностей набора первой ступени на случайную погрешность набора второй ступени оценивали по результатам двух градуировок датчиков набора второй ступени, одна из которых осуществлялась методом сличения с набором первой ступени, а вторая — традиционным методом на весовой расходомерной установке.
Проведем анализ результатов выполненных исследований.
Поскольку в .основу методики положена оценка различия между расчетными S2P и экспериментальными S23 дисперсиями, значимость которого устанавливается на основании ^-критерия (критерия Фишера), требовалось прежде всего подтверждение эффективности применения F-критерия. Известно, что отношение дисперсий, имеющее Г-рас- пределение, характеризует степень отличия, обусловленного лишь наличием || Kkk, ||, т. е. корреляционными связями. Но ^-критерий для этого случая достаточно эффективен, т. е. дает достоверную оценку проверки гипотезы об однородности дисперсий, только при нормальном распределении [48]. В этой связи представлялось необходимым предварительно оценить нормальность распределения случайных погрешностей каждого датчика набора и сочетания датчиков. При этом оценивали эксцесс и асимметрию эмпирических распределений, а собственно гипотезу проверяли по критерию хи-квадрат (%2).
По выборкам экспериментальных значений погрешностей каждого датчика набора и сочетания датчиков (при исключенной систематической составляющей) подсчитывали асимметрию
п
У, mt (ft — f)3
з(78)
и эксцесс п
(79)
1=1
Таблица 5
Номер преобразователя
Объем выборки п
|A L
1 Е\
з Vd (Л)
5 Vd (Е)
1
150
0,030
0,153
0,591
1,90
2
150
0,175
0,349
0,591
1,90
3
100
0,266
0,282
0,720
2,25
4
100
0,109
0,120
0,720
2,25
5
78
0,126
0,007
0,810
2,50
1, 2, 3, 4, 5
99
0,144
1,870
0,720
2,30
а также их предельные эмпирические значения для нормального распределения, которые должны удовлетворять условиям
и
1 л к з "Vd (Л)(80)
£<5КщЕ)(81)
при
,6 (и—1)
D(п+1) (п+3)’<82>
24п (п-2) (п-3)
DW — (п+1)2(п+3) (п+5) ’(83)
где f— среднее значение информативного параметра выходного сигнала в выборке; S — среднее квадратическое отклонение сигнала в выборке; п— число членов (объем) выборки; пи— эмпирическая частота.
Полученные значения сведены в табл. 5. Эти значения, а также анализ экспериментальных данных с помощью критерия %2 показали,
Таблица 6
Число совместно работающих преобразователей
Расчетные значения
Экспериментальные значения
1
■52 м
^0,05
Зр. %
VP
+ %
v9
2
0,018
57
0,013
19
1,80
1,98
3
0,014
74
0,012
44
1,36
1,60
4
0,013
103
0,011
49
1,40
1,52
5
0,012
181
0,013
49
1,18
1,50
П р и м е ч
а н и е.
б
и S^ — со м
ответственно
> большая и
меньшая д
.исперсия из
S 2 и^З, Р э
что гипотеза о нормальности исследованных распределений погрешности не отвергается с уровнем значимости 0,05.
Данные об относительных расчетных Зр и экспериментальных 5Э значениях средней квадратической погрешности для различных комбинаций параллельно включенных преобразователей образцового расходомера, значения F-критерия, определенные при уровне значимости 0,05 и числе степеней свободы vp (градуировка отдельного преобразователя) и v0 (градуировка комбинации преобразователей), при- -ведены в табл. 6.
Рис. 12. Коэффициент преобразования образцового расходомера параллельной УС:
а — схема экспериментальной установки; б—е— графики М^К) для датчиков № 1—5 соответственно при подключены к каждому из них пд других датчиков; НУ — напорное устройство
Из табл. 6 видно, что гипотеза об однородности не противоречит опытным данным (при уровне значимости 0,05 всегда Fo.os^^gI^m") ни для одной из исследованных комбинаций параллельно включенных преобразователей образцового расходомера.
На основании проведенных исследований, которые в дальнейшем были неоднократно повторены при вводе в эксплуатацию проточных параллельных УС малой производительности (при каждом повторении гипотеза неизменно подтверждалась), был сделан окончательный вы-
вод о несущественности положительной корреляции между датчиками параллельного набора [49].
Результаты экспериментальной оценки систематических изменений коэффициента преобразования АК отдельного датчика набора при- подключении других датчиков в виде систематических отклонений М^АК) проиллюстрированы на рис. 12. На рис. 12,6—е показана (заштрихована) зона неопределенности, соответствующая утроенной средней квадратической погрешности. Пунктирными линиями обозначены результаты исследования при коротких прямых участках трубопроводов перед датчиками.
То обстоятельство, что ни в одной из комбинаций систематические изменения не превышают погрешности эксперимента, позволяет сделать вывод о возможности индивидуальной градуировки каждого датчика образцового расходомера. Этот вывод, впоследствии неоднократно проверенный экспериментально, послужил основой для определения дифференцированной характеристики УС, о которой упоминалось в разделе 6.
Таблица 7
Номер преобразователя второй ступени
*^2‘ %
\'2
soii. %
\н2
1
м
1
0,023
29
0,024
29
1,09
2
0,031
29
0,028
29
1 ,22
3
0,029
29
0,024
29
1 ,42
4
0,024
29
0,028
29
1 ,37
5
0,038
29
0,031
29
1,35
Результаты экспериментальной оценки взаимовлияния ступеней расходомеров приведены в табл. 7. Здесь эмпирические относительные среднеквадратические отклонения каждого преобразователя второй ступени (5г2) получены путем его сличения с набором первой ступени, а оценки (ЗогД—путем градуировки на образцовой весовой установке. Кроме того, в табл. 7 приведены соответствующие числа степеней свободы Vi2 и vOt2, отношение большей и меньшей дисперсий. Г-критерий при уровне значимости 0,05 равен 1,8. Данные табл. 7 были подвергнуты дисперсионному анализу, который показал несущественность влияния случайной погрешности преобразователей первой ступени на случайную погрешность второй (Fo,o5>^26/^2m)-
Результаты этих экспериментов подтверждают теоретическое предположение о том, что случайная погрешность воспроизведения и измерения расхода многоступенчатой системой определяется в основном погрешностью последней ступени. '
Описанные исследования были проведены в 1970—1973 гг. во ВНИИМС Госстандарта СССР. Полученные результаты позволили 60
сделать ряд важных выводов относительно погрешностей параллельных УС. В дальнейшем эти эксперименты повторяли в целях возможности экстраполяции выводов на системы с любыми значениями воспроизводимых расходов.
Проанализируем возможность такой экстраполяции, полагая, что область обобщений обусловливается лишь гидродинамическими различиями систем, которые характеризуются значениями критериев Рейнольдса (Re) и Кармана (К). Первый критерий отражает различие осредненных гидродинамических параметров, второй — различие их мгновенных значений. Осредненные параметры потока (например, поле осредненных скоростей) определяются условиями входа в трубопровод, где устанавливается преобразователь образцового расходомера, шероховатостью стенок трубопровода и длиной участка стабилизации. 'Едким образом, для осредненных параметров потока каждый параллельный трубопровод является локальной гидродинамической системой, и нет оснований предполагать возможность взаимных влияний (например, искажение эпюры скоростей в одном трубопроводе не вызовет изменения эпюры в другом, параллельно включенном трубопроводе при постоянной средней скорости потока в нем).
Данное предположение было проверено экспериментально следующим образом. Для каждого преобразователя образцового расходомера определяли статические характеристики преобразования в зонах стабилизированного и нестабилизированного потоков при различных комбинациях параллельно подключенных трубопроводов и при различных условиях входа. Было установлено, что изменение характеристики вызывается только изменением локальной структуры потока в зоне установки данного первичного преобразователя и не зависит от параметров потоков в других трубопроводах. Отсюда следует очень важный вывод: при градуировке каждого преобразователя с участком трубопровода .значение критерия Re не влияет на метрологические характеристики системы.
Значения критерия Кармана для потока в одном трубопроводе не остаются постоянными вследствие изменения статистических свойств потока при подключении других трубопроводов. Это связано с изменением амплитудно-частотного спектра мгновенных значений гидродинамических параметров, вызванным соударением и интенсивным перемешиванием струй в приемном и выходном коллекторах системы.
Значения К существенно зависят от коэффициента гидравлического трения или от относительной шероховатости трубопровода, возрастая с увеличением последней [50]. Так как относительная шероховатость уменьшается с увеличением диаметра, выводы о возможных изменениях статистических свойств потока, полученные на малой модели системы, будут характеризовать предельный случай для больших моделей.
Результаты экспериментальной оценки изменения нормированной автокорреляционной функции расхода в одном (№ 1) трубопроводе
при параллельном подключении к нему других трубопроводов набора (номера указаны в скобках) приведены на рис. 13,а. Из рисунка видно, что при подключении дополнительных трубопроводов нормированная автокорреляционная функция Rq(J) /Rq(O) практически не изменяется и имеет одинаковую для данной модели глубину корреляции (1,2—1,5 с при интервале осреднения примерно 0,2 с).
Под глубиной корреляции понимается интеграл от модуля автокор
реляционной функции в пре де лях от 0 до + оо, т. е.реляционной функции в пре де лях от 0 до + оо, т. е.f|M)Tr-J ^q№)О 1f|M)Tr-J ^q№)О 1dt.dt.
реляционной функции в пре де лях от 0 до + оо, т. е.
реляционной функции в пре де лях от 0 до + оо, т. е.
f|M)
Tr-J ^q№)
О 1
f|M)
Tr-J ^q№)
О 1
dt.
dt.
При этом значения К изменяются от 0,03 до 0,20% (рис. 13,5), что эквивалентно увеличению гидравлического сопротивления системы. Все это указывает на несущественность дополнительных погрешностей в данной модели, а, учитывая уже высказанное положение о том, что увеличение масштабов системы вызывает уменьшение К, можно экстраполировать вывод о ничтожности дополнительных погрешностей на любые системы данного класса.
Иллюстрацией сказанному служат результаты испытаний промышленной УС типа УР-6, которая предназначена для воспроизведения больших расходов без применения систем стабилизации (рис. 14).
Рис. 14. Схема параллельной УС для больших расходовРис. 14. Схема параллельной УС для больших расходовУстановка УР-6 служит для отработки методики измерений больших расходов при помощи низкопредельных расходомеров, а также для испытаний электромагнитных расходомеров в процессе их разработки. Не останавливаясь на схеме этой УС и особенностях ее конструкции (это будет сделано в гл. 3), укажем, что образцовый расходомер УС состоит из пяти одинаковых серийных электромагнитных расходомеров ИР-51 калибром 300 мм, каждый из которых градуирован вблизи номинального расхода 1000 м3/ч индивидуально на одной и той же образцовой расходомерной установке. Выходной сигнал электромагнитных расходомеров — частота • электрических импульсов.
Рис. 14. Схема параллельной УС для больших расходов
Рис. 14. Схема параллельной УС для больших расходов
Исследования проводили по методике, близкой к описанной выше (различия в основном лежат в области обработки результатов), так что возможные методические погрешности не могли существенно повлиять на экстраполяцию ранее сделанных выводов.
В одном трубопроводе устанавливали расход QHom=1000 м3/ч при закрытых остальных трубопроводах и измеряли выходной сигнал. Далее открывали второй трубопровод, третий и т. д. В каждом открытом трубопроводе воспроизводили расход Qhom. Во всех случаях временной интервал измерений составлял 500 с, а интервал между измерениями (опросами расходомеров) — 5 с.
По полученным пяти выборкам рассчитывали автокорреляционную функцию для первого расходомера. Предварительно при расчете с помощью критерия Аббе [51] было установлено, что измеряемая величина систематически изменялась. Это послужило основанием для определения автокорреляционной функции двумя способами с использованием, во-первых, дисперсий £)(Д/)Ср, подсчитанных по среднему значению выборки, и, во-вторых, дисперсий Р(Д/)р, вычисленных по последовательным разностям.
Таблица 8
лд
D (ДПср. Гц»
О(ДПр. Гц»
V с
Vс
0
101,0
56,9
1,5
0,3
1
40,5
33,8
0,6
0,3
2
45,6
31,4
0,5
0,3
3
26,9
29,1
0,2
0,3
4
49,6
42,3
0,3
0,3
Результаты расчетов, выполненных обоими способами, проиллюстрированы на рис. 15. Как видно из рисунка, при подключении дополнительных трубопроводов нормированная автокорреляционная функция практически не изменяется.
Дисперсия и глубина корреляции в зависимости от числа пд дополнительно подключаемых параллельных трубопроводов указаны в табл. 8, где тср и тР— глубина корреляции, соответствующая Р(Д/)сР и D^fb-
Дополнительная погрешность од, возникающая вследствие осреднения процесса, вычисляется по формуле [44]
(84)
где Т— длительность интегрирования.
Из (84) видно, что. погрешность од можно свести к пренебрежимо малой величине путем увеличения (в разумных пределах) интер-
Рис. 15. Графики автокорреляционной функции для УС типа УР-6: а — данные расчета по среднему значению выборки; б — данные расчета по последовательным разностям (вертикальные отрезки соответствуют разбросу данных в зависимости от п^)
вала интегрирования. Для весовых образцовых установок «разумный» интервал осреднения — аналог Т — лежит в пределах 20—100 с [3].
В качестве примера из табл. 8 для наибольшей дисперсии Р(Д/)р (см. Лд=0) найдем тР=0,3 с и P(Af)p=56,9 Гц2. Тогда для Т=1 с по (84) получаем ад=6 Гц, что составит 0,6% при номинальной частоте 1000 Гц, т. е. величину значительную. Для Т=20 с (это практически вполне приемлемый интервал интегрирования) ад=1,3 Гц, или ^0,1%; такая погрешность пренебрежимо мала.
Аттестация УС
В настоящем разделе речь пойдет об испытаниях, которым подвергаются все, даже хорошо отработанные и длительно эксплуатируемые образцы УС. Такие испытания носят название «аттестации», поскольку по их результатам выпускается основной эксплуатационный документ УС, ранее называвшийся «аттестатом» (отсюда и наименование испытаний), а в настоящее время — «формуляром», если в него заносят сведения об эксплуатации УС, или «паспортом», если он содержит только технические характеристики УС.
Аттестация проводится при вводе УС в эксплуатацию после расконсервации при длительном бездействии (хранении) УС, а также периодически — для оценки действительных значений технических характеристик УС, которые могут изменяться по мере эксплуатации УС.
Аттестация представляет собой комплекс экспериментальных, расчетных и юридических операций, цель которых — установить не только действительные значения технических характеристик, но и состояние эксплуатационной документации, сопровождающей УС.
Структура аттестации УС как процесса универсальна и отображена в табл. 9.
В табл. 9 операции расположены в рекомендуемой последовательности их осуществления, однако в ряде случаев представляется целесообразным изменить этот порядок в целях совмещения (полного или частичного) составляющих операций.
Рассмотрим операции аттестации УС подробнее.
Предъявление УС к аттестации — операция чисто юридическая, в процессе которой представляется следующая документация: техническое описание и инструкция по эксплуатации, формуляр (проект), программа и методика аттестации, а также должностные инструкции операторам, обслуживающим УС. В процессе предъявления УС также проверяется комплектность УС, наличие паспортов стандартных приборов, входящих в состав УС, и их годность в смысле соблюдения сроков периодических поверок. Аналогичные проверки реализуются по отношению к приборам, не входящим в состав УС, но применяемым при аттестации в соответствии с программой и методикой аттестации.
Таблица О
Наименование операции
Содержание операции
Результат операции
Предъявление УС к аттестации
Проверка наличия и состояния эксплуатационной документации и комплектности УС
Разрешение на проведение аттестации или рекомендации по доработке документации
Опробование работоспособности УС
Оценка функционирования основных блоков УС и их взаимодействия в составе УС
Заключение о работоспособности УС
Определение эксплуатационных характеристик УС
Расчет временных режимов работы УС
Определение максимального расхода
Оценка ^-диапазона j интервала осреднения расхода тт*иг... т^дх и времени выхода на режим тв.р
Оценка maxQ
Определение экстремальных значений напора Hmin и Нтах
Оценка Hmjn и Нтах
Определение параметров потока на мерном участке УС
Оценки закрутки потока, пульсации расхода и искажений эпюры скоростей в функции расхода
Определение универсальной эксплуатационной характеристики (УЭХ) УС
Номограмма УЭХ
Определение (расчетное или экспериментальное) потребления энергии, газа и рабочей жидкости
Оценка потребления энергии, газа и жидкости
Определение метрологических характеристик УС
Градуировка образцового расходомера
Оценка диапазона измерений, характеристики преобразования и основной погрешности
Определение функций влияния ^ (Z^)
Оценка функций влияния
Оформление результатов аттестации
Представление результатов испытаний в технической документации, корректировка документации, составление акта о проведении аттестации
Протокол аттестации. Формуляр УС. Скорректированные техническое описание и инструкция по эксплуатации УС. Aki о проведении аттестации’’’
При предъявлении УС целесообразно ревизовать пневмогидравлическую и электрическую схемы на предмет их соответствия действительному размещению элементов УС. Кроме того, при предъявлении проверяются наличие и сохранность маркировки и пломб в соответствии с разделом технического описания «Маркировка и пломбирование».
В результате предъявления УС дается разрешение на проведение экспериментальной части аттестации или (в негативном случае) вырабатываются мероприятия по доработке документации перед вторичным предъявлением УС к аттестации.
Рис. 16. Схема односредовой параллельной УС
Первой экспериментальной операцией является опробование работоспособности УС. Основную нагрузку при опробовании несут система управления и регистратор сбора измерительной информации (см. рис. 4). Операция состоит в том, что УС реализуются все режимы ее работы, в том числе и аварийные. При этом управление УС осуществляется строго в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Некоторые временные интервалы могут быть сокращены. Вместо испытываемого расходомера на мерном участке устанавливается технологический расходомер, который подключается к регистратору измерительной информации.
Рассмотрим технологию опробования работоспособности на примере односредовой параллельной проточной^УС, схема которой представлена на рис. 16.
Жидкость из расходного резервуара 1 через мерный участок с установленным в его пределах датчиком 13 испытываемого расходомера и далее через образцовый расходомер вытесняется давлением
газа в сливной резервуар 22. Регистрация сигналов образцового и испытываемого расходомеров, а также датчика температуры // осуществляется записывающим устройством 12. Управление УС, в том числе и включение регистратора, производится с двух пультов управления (ПУ) — автоматического 30 и ручного 31.
В процессе опробования работоспособности осуществляют два рабочих режима — заправки и слива, а также аварийные режимы. Режим заправки воспроизводят в две фазы: заправка сливного резервуара 22 от водопроводной сети и заправка расходного резервуара 1. При заправке сливного резервуара контролируют последовательное срабатывание сигнализаторов нижнего 26, среднего (нормального) 25 и верхнего 24 предельных уровней, а также автоматическое открытие клапана 23 и синхронную отсечку клапана 21 при срабатывании верхнего сигнализатора 24. Кроме того, проверяют блокировку включения насоса 28 и клапана 27 при уровне жидкости в резервуаре 22 ниже нормы. *
В процессе заправки резервуара /, которая осуществляется снизу насосом 28, проверяют срабатывание сигнализатора 8 нижнего рабочего уровня, а затем сигнализатора 7 верхнего рабочего уровня. Проверяют также блокировку клапана 33, установленного в магистрали, который должен быть закрыт при работающем насосе 28. По достижении верхнего рабочего уровня автоматически закрывается клапан 29 и отключается насос 28.
При заправке резервуара / имитируется опускание уровня жидкости в сливном резервуаре 22 ниже сигнализатора 25, при этом должен отключиться насос 28, закрыться клапан 27 и открыться клапан 21. '
Режим слива воспроизводят как рабочий при давлении вытесняющего газа в резервуаре / и работающей системе автоматического регулирования напора, состоящей из датчиков давления 34, устройства сравнения (на рис. 16 не показано) и исполнительного механизма 4, установленного в линии пневмопитания, сообщающей источник 10 газа высокого давления с верхней полостью резервуара 1 через клапан 2. В режиме слива проверяют работу клапанов, прохождение команд управления регистратором, герметичность отсечных клапанов 15 и 18, отключающих датчики 16 образцового расходомера, управление регулировочным вентилем 19, а также имитируют переполнение сливного резервуара 22.
После остановки потока клапаном 20 производят проверку управления регуляторами 17 гидравлического сопротивления линий образцового расходомера.
При опробовании работоспособности воспроизводят следующие аварийные ситуации: а) прорыв газа высокого давления в резервуар /; б) превышение верхнего аварийного уровня в резервуаре / при заправке, которое фиксируется сигнализатором 6; в) опускание жидкости в резервуаре 1 ниже нижнего аварийного уровня, которое фикси- 68
руется сигнализатором 9; г) отсутствие датчика 13 испытываемого расходомера в магистрали.
Ситуация а имитируется искусственным замыканием контактов электроконтактного манометра 3, при котором формируются команды на отсечку источника газа клапаном 5 и открытие дренажа резервуара /.
В ситуации б проверяют прохождение команды на открытие клапана 32. При этом предварительно должен сработать сигнализатор 7 и отсечься клапан 29.
В ситуации в срабатыванию сигнализатора 9, которое вызывает отсечку магистрального клапана 33, предшествует срабатываниё сигнализатора S, отключающего источник газа и открывающего дренаж резервуара 1.
И, наконец, имитация ситуации г осуществляется путем" попытки открыть клапан 33 при разомкнутых контактах электроконтактного манометра 14. *
При опробовании работоспособности проверяют также работу мнемосхемы (если она имеется), качество записи сигналов на ленте регистратора, прохождение команд опроса образцового и испытываемого расходомеров и т. п. •
Все манипуляции органами управления при опробовании работоспособности осуществляют в соответствии с инструкцией по эксплуатации УС. Таким образом, одновременно производят апробирование инструкции, что особенно важно при вводе УС в эксплуатацию, т. е. при первичной аттестации.
Определение эксплуатационных характеристик обычно начинают с установления и экспериментальной проверки временных режимов работы УС. Прежде всего назначают интервал осреднения расхода образцовым расходомером. Когда образцовый расходомер имеет частотный выход, минимальный интервал осреднения Tmin рассчитывают из условия
100
^min^ д^ ’ (85)
где }q min—частота электрических импульсов на выходе образцового расходомера (или его отдельного преобразователя) при нижней границе диапазона измерений; 6n — заданная погрешность счета импульсов, % (обычно задается в пределах от 0,1 до 0,01%).
Далее определяют время тв.Р выхода на режим, т. е. интервал времени между командой «пуск», по которой включается напорное устройство, и моментом стабилизации расхода. Эксперимент состоит в том, что при максимальном расходе осуществляют пуск УС и непрерывную запись сигналов образцового или специального технологического расходомеров. Критерием стабильности расхода служит относительная разность АХ/Х между двумя смежными значениями выходного
сигнала X, разделенными временным интервалом 1 с. Расход считается стабильным, если
-^100<2д, (86)
где 6 — погрешность образцового расходомера, %.
Интервал времени плюс несколько секунд, считая от момента пуска де момента, когда соблюдается условие (86), принимают за тв.Р.
Оценку максимального расхода производят экспериментально. Для этого вместо испытываемого расходомера устанавливают трубную вставку, а регулировочный вентиль полностью открывают. Расход регистрируют по образцовому и технологическому расходомерам при максимально возможном напоре. Для параллельных УС максимальный расход определяют при всех включенных линиях образцового расходомера.
Максимальный напор предварительно рассчитывают, исходя из технических возможностей напорного устройства или из соображений безопасной работы. Последнее относится к УС с вытеснительной подачей рабочей жидкости. Минимальный напор определяется возможностью его стабилизации. Для оценки минимального напора его ступенчато снижают и ведут непрерывную запись показаний манометра, установленного в испытательной магистрали. Критерием нестабильности напора служит размах колебаний давления ДР. Другими словами, за минимальный принимают напор, при котором размах колебаний начинает превышать заданные границы (обычно 1—2% напора).
В имитационных УС аналогами напора служат верхняя и нижняя границы угловой скорости траверсы или скорости ее поступательного движения.
Параметры потока на мерном участке УС определяют в целях характеристики исходных условий для испытываемых расходомеров. В отличие от влияющих величин, воздействующих на образцовый расходомер и учитываемых с помощью функций влияния УС, эти параметры потока не влияют на точность измерения расхода образцовым расходомером и поэтому отнесены в разряд эксплуатационных характеристик УС.
Обычно определяют следующие параметры: закрутку потока в месте установки первичного преобразователя испытываемого расходомера в функции расхода co(Q), распределение скорости в том же сечении су(Z)y), амплитуду и частоту пульсации расхода Qa, }q или давления Ра, fp. Закрутку измеряют при трех значениях расхода — Qmгп\ QmaX; 0^{Qmi п4-Qrrюж)—с помощью прямолопастных турбинок или трехточечных термоанемометров, позволяющих определять вектор скорости. Амплитуду и частоту пульсации расхода или давления фиксируют при тех же значениях расхода электромагнитными расходомерами, обладающими малой инерционностью, или датчиками быстропеременного давления индуктивного или тензометрического типа. Эпюру скоростей
w(Z)y) . определяют при Qmax, используя напорные трубки, многозондовые термоанемометры или лазерный допплеровский измеритель локальной скорости потока.
Для построения универсальной эксплуатационной характеристики УС, устанавливающей связь между напором и расходом при различных гидравлических сопротивлениях магистралей УС и служащей для задания расхода, проводят серию испытаний, технология которых изложена ниже.
Прежде всего градуируют регулировочный вентиль, для чего при его фиксированных положениях xb х2,..., Xt... в диапазоне от «100% открыт» до «10% открыт» при максимальном напоре технологическим расходомером измеряют расход и строят рабочую характеристику вентиля x=f(Q).
Вторым этапом является оценка гидравлического сопротивления образцового расходомера. Для этого при значениях расхода, соответствующих различным комбинациям включения преобразователей, измеряют разность давлений АР на входе и выходе образцового расходомера. В результате измерений получают совокупность пар значений
{Qhom t; M>tV (87)
где /=1, 2,..., и — индекс комбинации включения первичных преобразователей образцового расходомера, которая используется для получения совокупности
Q8hom/ 1t )
а затем и совокупности относительных коэффициентов гидравлического сопротивления образцового расходомера Ао.р t
\^о.р/^о.р/?, (89)
( реп J
где St — суммарная площадь сечения линий образцового расходомера при реализации Лй комбинации включения преобразователей; £0.р и Spen —см. раздел 6.
Автономно осуществляют градуировку мерного участка УС, для чего используют набор местных сопротивлений — имитаторов преобразователей испытываемых расходомеров. Для каждого имитатора определяют зависимость АР= удР (Q), причем разность давлений измеряют на входе и выходе мерного участка дифманометром, а расход контролируют технологическим расходомером. По результатам измерений строят семейство кривых
£M.y=Q2/AP. (90)
Аналогичный эксперимент осуществляют для определения гидравлического сопротивления испытательного участка.
В заключение производят градуировку всей испытательной магистрали в целом для определения границ min К^ и max К^ изменения эквивалентного коэффициента гидравлического сопротивления. Для этого при различных расходах, которые задают изменением напора и положения регулировочного вентиля, определяют разность давлений на входе и выходе магистрали. При каждой комбинации включенных пер-
u
вичных преобразователей величина 2 ^ном/ должна соответствовать /=1
заданному расходу, установленному вентилем и напорным устройством. Напомним, что значение mln К v оценивается при наличии трубных вставок на мерном и испытательном участках, max К^—при установке там имитаторов с наибольшим гидравлическим сопротивлением.
Вся совокупность экспериментальных данных является исходной для построения номограммы по выражению (16)."
Экспериментальную оценку потребления газа, жидкости и электроэнергии осуществляют при трех значениях расхода Qmt-n\ ^^(Qinin+ +Qn mJ; Qmax, после чего строят кривые потребления в функции расхода. Можно также рассчитать или экспериментально определить потребление газа или жидкости на одну градуировку.
Определение метрологических характеристик УС прежде всего состоит в градуировке образцового расходомера для оценки его характеристики преобразования и основной погрешности. Градуировку осуществляют известными методами [14] на исходной образцовой расходомерной установке, которую целесообразно встраивать в систему УС. Если же расходомерная установка не может быть непосредственно встроена в систему УС, то производят независимую градуировку каждого первичного преобразователя, который монтируют вместе с лийией, входными и выходными клапанами и регулятором гидравлического сопротивления.
Для каждого первичного преобразователя образцового расходомера может быть проведено несколько градуировок в смежных или перекрывающих друг друга диапазонах измерения. В этом случае преобразователь будет обладать совокупностью независимых характеристик преобразования, каждая из которых аппроксимируется своим уравнением Q(X), и соответствующей совокупностью основных погрешностей. Каждому элементу такой совокупности присваивается номер или код, по которому осуществляется поиск в процессе эксплуатации УС.
Необходимо заметить, что в параллельных проточных УС исполь- ' зование совокупности метрологических характеристик возможно только в случае применения ЭВМ в системе сбора и регистрации измерительной информации.
Остановимся кратко на основных моментах технологии градуировки. Прежде всего выбирают диапазон градуировки Qmiu-..Qmax> 72
исходя из номинального расхода через преобразователь. Обычно принимают Qmin= (0,8-^0,9) Qhom и Qrnax= (1,1-^1,2) Qhom- ЭТОТ УЗКИЙ диапазон градуировки разбивают на т—1 участков, в граничных точках которых расход воспроизводят nj-кратно. Для повышения точности определения характеристики преобразования гц и т должны быть, достаточно большими, т. е. не менее 5.
Воспроизведя расход mXnj раз и измерив при каждом воспроизведении косвенным методом расход Qn (по установке) и выходной сигнал испытываемого преобразователя образцового расходомера Xojг^ получим исходную совокупность пар значений
{Qjf, XojJ,(91)
которая подлежит дальнейшей обработке.
Предположив, что характеристика преобразования аппроксимируется уравнением вида Q=A-^BX или Q=BX, исходную совокупность (91) обрабатывают методом наименьших квадратов по алгоритмам:
тт njт nj
^2 ”/+52 2^=22 Qn;
/=1/=1 i = l/=1 1=1
(92)
т njт njт nj
>>2 2 ^о/,-+-в2 2 ^/<=2 2Q*
/=1/=1/=lz = l/=1Z = 1)
или соответственно
т njtn nj
s 2 2=2 2 Q"n <93>
/ = 1 i—;/ = 1 [—1
в целях получения числовых оценок постоянных А и В.
Предел погрешности преобразователя оценивается по выражению- '^IMW + U1^^—Г^. <94> 'I| К В, pU). fs
где |§ин|—предел относительной погрешности преобразователя, трактуемый как погрешность, известная по модулю, а с точки зрения источника возникновения классифицируемая как инструментальная погрешность преобразователя; |бо.р.у|—предел относительной погрешности образцовой расходомерной установки (паспортное значение);. I брег |—предел относительной погрешности регистратора сигналов испытываемого преобразователя; S-— относительное среднее квадратическое математического ожидания характеристики преобразования; 5— относительное среднее квадратическое отклонение экспериментальных точек от математического ожидания характеристики преобразования;.
^ст«, fs; ^а — соответственно квантиль распределения Стьюдента при
т
доверительной вероятности а и числе степеней свободы Л=2 ni—1
/ =1
и квантиль нормального распределения при той же доверительной вероятности а; Х2в,р(х),/8 — верхняя граница квантиля распределения Пирсона при доверительной вероятности р(х) = (1-{-а)/2 и числе степеней свободы fs.
Формулы для определения 5 и 5 имеют вид
где Q, X — текущие значения соответственно расхода и выходного сигнала преобразователя образцового расходомера; QPJi— ордината аппроксимирующей прямой при абсциссе, равной измеренному значению Xoj г-
Экспериментальной оценке функций влияния УС предшествуют анализ условий эксплуатации УС и экспериментальное определение диапазона изменения влияющих величин.
В процессе анализа экспертным методом устанавливают возможность (или опасность) возникновения различных факторов, влияющих на работу образцового расходомера. При этом следует подчеркнуть, что речь идет о влияющих величинах, воздействующих на образцовый расходомер, в отличие от ранее рассмотренных величин, воздействующих на испытываемый расходомер и поэтому отнесенных в разряд эксплуатационных характеристик УС.
Потенциально воздействующими на образцовый расходомер (точнее, изменяющими характеристику преобразования образцового расходомера) являются следующие величины: вибрация- трубопроводов, пульсация и закрутка потока в месте установки первичного преобра- 74
зователя образцового расходомера, изменения температуры и давления в потоке, изменения физических свойств жидкости.
Концепция факторного эксперимента, применяемого для оценки функций влияния УС, была рассмотрена в разделе 6, а дифференцированная оценка осуществляется по известной схеме, которая состоит в том, что при различной интенсивности воздействия одного и того же фактора проводят серию градуировок, оценивают семейство аппроксимаций характеристики преобразования образцового расходомера и, наконец, с их помощью — дополнительную погрешность ддоп (2Т). В этой связи оценка функций влияния УС в методическом аспекте здесь не рассматривается. Укажем лишь средства воспроизведения и измерения влияющих величин, а также некоторые приемы измерений, которые в данном случае используются.
Измерение вибрации трубопроводов для оценки диапазона воздействия осуществляют в процессе опробования работоспособности УС с помощью стандартных акселерометров, чувствительные элементы которых наклеивают на поверхность преобразователя образцового расходомера в трех взаимно перпендикулярных направлениях (одним из них является ось трубопровода). Теми же средствами выполняют измерения непосредственно при оценке функций влияния, т. е. когда расходомер помещают в магистраль образцовой установки. Воспроизведение вибрации производят на вибростенде, для чего мерный участок с испытываемым преобразователем устанавливают на столе вибростенда, применяя гибкие шланги. Следует заметить, что к оценке функций влияния вибрации прибегают редко, поскольку наиболее эффекту вен путь конструктивной защиты УС от вибрации путем локализации фундаментов источников вибрации (чаще всего насосов) или введения амортизаторов магистрали.
Параметры пульсации расхода измеряют в месте установки преобразователя образцового расходомера непосредственно — малоинерционным электромагнитным расходомером или косвенно — датчиками давления с последующим пересчетом параметров пульсации напора на параметры пульсации расхода. Воспроизведение пульсации при оценке функций влияния осуществляют при помощи либо вращающихся в потоке гидросопротивлений, конструктивно выполненных в виде вала с прорезью, ориентированной перпендикулярно оси потока, либо кольцевого пульсатора, схематично показанного на рис. 17, где Q=, Q~ — постоянная и переменная составляющие расхода. Поступающий на вход пульсатора поток далее раздваивается, и каждая часть потока следует по своей линии, в которой устанавливается преобразователь испытываемого расходомера 2. Затем обе линии вновь сводятся в общий трубопровод. Возбудителем пульсации является вращающийся поршень 1 с косым срезом, который при вращении периодически изменяет отношение гидросопротивлений обеих линий. Достоинством кольцевого пульсатора является то обстоятельство, что пульсация вос-
Рис. 17. Кольцевой пульсаторРис. 17. Кольцевой пульсаторпроизводится только в кольце 3, следовательно, во-первых, экономно расходуется энергия привода, так как «раскачивается» только ограниченная масса жидкости, и, во-вторых, пульсации в выходном трубопроводе сглаживаются и таким образом исключается их потенциально негативное воздейст
Рис. 17. Кольцевой пульсатор
Рис. 17. Кольцевой пульсатор
вие на измерительные элементы образцовой расходомерной установки.
Закрутку потока измеряют прямолопастным турбинным преобразователем, устанавливаемым вместо преобразователя образцового расходомера. Воспроизведение закрутки осуществляют при помощи набора винтовых шнеков, устанавливаемых перед испытываемым преобразователем. Поскольку при оценке функции влияния закрутки на образцовой установке одновременная работа датчика закрутки и испытываемого преобразователя невозможна, все шнеки предварительно-
градуируются в магистрали установки с помощью датчика закрутки, т. е. для каждого из них определяется зависимость <о= «р^ (Q), где со — частота вращения потока.
Отметим также, что более эффективная бодьба с закруткой потока достигается конструктивными средствами.
Изменения температуры рабочей жидкости на УС обычно строго регламентируются. Однако даже в узком диапазоне при аттестации целесообразно исследовать функцию влияния температуры. Воспроиз
ведение температуры осуществляют при помощи локальных электронагревателей, путем барботажа горячего газа в расходном резервуаре^ а при вытеснительной подаче рабочей жидкости — путем ее предварительного подогрева перед заправкой. В любом случае температуру следует измерять высокоточными (погрешность йе более 0,5 °C) медными или платиновыми термометрами сопротивления, установленными в зоне преобразователей образцового расходомера.
Для оценки функций влияния давления проводят ряд градуировок преобразователей образцового расходомера при давлениях, соответствующих максимальному Нтах, минимальному НтгП и среднему Hc^^^kHmin-VHmax^ напору в УС. При этом расход регулируют только вентилями, поскольку вариация напором в данном случае исключена. Давление измеряют пружинными манометрами класса 0,5 или равноточными потенциометрическими, тензометрическими, индуктивны
ми датчиками давления.
Оценку функций влияния физических свойств рабочей жидкости при аттестации производят только в тех случаях, когда градуировка преобразователей образцового расходомера выполняется на среде- имитаторе. Трудность такой оценки заключается в подборе ряда жид-
костей-имитаторов, каждая из которых позволяет в точности воспроизвести одно из свойств рабочей среды. С точки зрения методической эти эксперименты ничем не отличаются от обычной градуировки, только сопровождаются тщательными измерениями исследуемого физического свойства жидкости.
В большинстве случаев, когда в качестве преобразователей образцового расходомера применяют, например, турбинные, вихревые расходомеры, сужающие устройства, определяющим физические свойства рабочей жидкости параметром является вязкость. Поскольку свойства упомянутых расходомеров достаточно хорошо изучены, желательно не прибегать к их испытаниям на жидкостях различной вязкости при каждой аттестации УС, а воспользоваться результатами фундаментальных исследований (см., например, [52, 53]), которые позволяют при известных свойствах рабочих жидкостей и сред-имитаторов произвести расчет поправок к показаниям образцового расходомера.
В ряде случаев, например для турбинных и вихревых расходомеров, а также для стандартных сужающих устройств, экспериментальную оценку функций влияния вязкости при аттестации производить не следует, поскольку подобие условий работы расходомеров при градуировке и эксплуатации (а следовательно, сведение функций влияния до пренебрежимо малых значений) обеспечивают путем создания потоков с определенным диапазоном чисел Рейнольдса (область автомодельности) или Струхаля (для вихревых расходомеров).
Исследования функций влияния физических свойств жидкостей на показания образцового расходомера следует проводить не в составе УС, а локально с привлечением специального испытательного оборудования и специальных сред-имитаторов. Часто такие испытания сопровождаются исследованием и табулированием зависимостей свойств жидкостей от параметров состояния (температуры, давления), сортности продукта, режимов течения (например, от скорости течения неньютоновских жидкостей). Такие исследования позволяют контролировать при эксплуатации УС не собственно физические свойства жидкостей, а параметры состояния, что технически осуществляется уверенно и со значительно более высокой точностью.
Заканчивая описание процесса аттестации УС, остановимся коротко на последней операции — оформлении результатов аттестации; эта операция не является экспериментальной, тем не менее играет важную роль с точки зрения единообразия представления характеристик УС.
По результатам аттестации формируются данные основного эксплуатационного документа УС — формуляра, который оформляется в соответствии с ГОСТ 2.601-68.
В формуляре УС приводятся следующие характеристики:
общий диапазон воспроизводимых расходов ОТ Qmin до Qmax <м3/с);
информативный параметр выходного сигнала образцового расходомера Aoi
характеристики первичных преобразователей образцового расходомера по следующей форме:
Номер преобразователя в наборе к
с ч к у н §
Характеристика преобразования
ОТ
Номинальный расход $номЛ’ м/с
Пределы измерений, М3/С
Информативный параметр
Вид, единица величины
Пределы изменения
комбинации включения первичных преобразователей по форме
Порядковый номер комбинации t
Номер преобразователя к
Совокупная характеристика преобразования Q = v, <^0),
Диапазон измерений Qtnin t***
• • 'Qmax t* м3/с
Предел изменения информативного параметра ^min • • -^тах /
Погреш- "* ность 6^ (△> (по отношению к измеряемому расходуй %
наименование рабочей жидкости с указанием диапазона рабочей температуры Tmin ... Ттах (°C), плотности pmin ... Ртах (кг/м3), вязкости pmin.-.^max (М2/с)*,
потери давления в первичных преобразователях каждой Ли комбинации от APmin до ^Ртах (МПа);
калибры мерных участков Ру (мм);
параметры каждого мерного участка: длины прямых участков на входе и выходе, общая длина, пределы компенсации длины, виды (или чертежи) соединительных фланцев; ,
число одновременно испытываемых расходомеров;
пределы интервала осреднения расхода Tmtn .. .ттах (с);
параметры структуры потока в месте установки первичных преобразователей испытываемых расходомеров;
пределы изменения статического давления в потоке;
функции влияния условий эксплуатации с указанием диапазона изменения каждой влияющей величины;
характеристики потреблений энергии, газа и рабочей жидкости;
характеристики источников питания (электрическое напряжение,, частота тока, давление газа, объемы газовых резервуаров и хранилищ жидкости и т. п.).
Кроме того, в формуляре приводятся номограмма универсальной эксплуатационной характеристики УС, перечень стандартных средств 78
измерений, входящих в состав УС, указания по консервации и расконсервации УС, гарантии и т. п. В формуляр могут быть внесены сведения о надежности элементов УС.
Глава 3
РЕАЛИЗАЦИЯ СХЕМ УС
Последовательные проточные УС
В настоящее время последовательные проточные УС почти полностью вытеснены более точными параллельными УС. Однако поскольку последовательные проточные УС явились исторически первым типом средств градуировки, в которых был реализован метод сличения, а также в связи с тем, что промышленность до сих пор успешно эксплуатирует ряд УС этого типа, целесообразно коротко рассмотреть их реализацию, тем более что многие элементы — общие для любых проточных УС (и даже вообще для расходомерных испытательных установок).
Рис. 18. Последовательная проточная УС:
/ — калиброванная петля градуировочного устройства; 2 — детекторы; 3 — плотномер; 4 — градуировочный контур; 5 — измерительный контур; 6 — насос; 7 — датчики образцового расходомера; 8 — датчик испытываемого расходомера; 9 — коллектор образцового расходомера; 10 — выходной патрубок; // — входной патрубок; 12 — регистратор измерительной информации; 13 — арифметический блок;
14 — пульт управления; 15— трубопровод отбора пробы 16 — таймер
На рис. 18 представлена схема созданной во Франции УС [54Jr которая входит составной частью в измерительную станцию нефтедобывающего комплекса.
УС предназначена для градуировки расходомеров и счетчиков жидкости для больших расходов: до 1,4 м3/с (калибр 400 мм) и да 3,8 м3/с (калибр 650 мм). Кратность диапазона воспроизводимых расходов 1 : 10. Погрешность ±0,25%.
Входной патрубок 11 сообщается со специальными резервуарами (на рисунке не показаны), заполненными жидкостями различной вязкости. Питающий насос 6 перемещает жидкость по измерительному контуру 5, в пределах которого установлены коллекторы 9 образцо-
вого расходомера с включенными в параллельные линии датчиками 7 образцового расходомера и мерный участок для установки датчика 8 испытываемого расходомера. Выходной патрубок 10 связан с резервуаром — хранилищем жидкости.
В качестве датчиков 7 образцового расходомера применяют турбинные расходомеры калибров 400 и 650 мм, обладающие малым гидравлическим сопротивлением (0,02—0,05 МПа при номинальном расходе). Несмотря на то что датчики образцового расходомера включены параллельно друг другу, эта УС относится к последовательным, поскольку каждая линия работает независимо и при градуировке расход измеряют только по одному датчику образцового расходомера. Другими словами, в УС имеется два сменных образцовых расходомера, попеременное применение которых позволяет расширить общий диапазон воспроизводимых на УС расходов.
Образцовые расходомеры периодически сличают с трубопоршневой установкой, калиброванная петля 1 которой расположена в градуировочном контуре 4. Сигналы с замыкаемых поршнем детекторов 2, ограничивающих калиброванный участок, объем V которого известен, управляют таймером 16, подключенным к арифметическому блоку 13. В процессе поверки выход образцового расходомера подключается на другой вход блока 13, а в «память» блока вводятся значения калиброванного объема V и вязкости v рабочей жидкости, которая измеряется по пробе, отобранной через трубопровод 15. В градуировочном контуре установлен также плотномер 3 для измерения плотности р рабочей жидкости.
Поверку образцового расходомера проводят на жидкостях различной вязкости. По ее результатам устанавливают номинальную градуировочную характеристику Q=Bf, где Q — объемный расход; В — коэффициент; / — частота выходного сигнала при фиксированной вязкости Vhom, а также поправочный коэффициент АВ— ip(Av) на изменение вязкости Av. Расчет обеих характеристик осуществляют по программе, заложенной в блок 13, путем обработки исходных совокупностей {Q, f, v}, элементы Q и / которых получены на основании косвенных измерений Q=Vh и f=Nh, a v — на основании прямых измерений (здесь т — время движения поршня между детекторами; N— суммарное за время т число импульсов, поступивших с выхода расходомера).
Управление арифметическим блоком осуществляется с пульта 14, а регистрация (сбор) измерительной информации — устройством 12. Предварительная градуировка расходомеров на жидкостях разной вязкости позволяет представить погрешность расходомера как двухпараметрическую функцию 6=6 (Q/v) в аналитической или графической форме.
В процессе эксплуатации УС, т. е. при работе контура 5, поправка на изменение вязкости вносится по температуре жидкости, измеренной вблизи образцового расходомера. При поверке массовых рас- 50
ходомеров 8 поток жидкости направляется через градуировочный контур с тем, чтобы производить измерения плотности, а затем и массового расхода QM=Qp.
Для измерения плотности используют, например, поплавковые или вибрационные плотномеры. Вязкость измеряют вискозиметрами, в которых использован принцип передачи вращательного момента от одного вращающегося цилиндра к другому, коаксиальному, через кольцевой зазор, заполненный жидкостью;
Калиброванный объем трубопоршневой петли составляет 20—25 м3; скорость неопренового заполненного водой шарового поршня не превышает 3 м/с. Градуировка расходомеров на жидкости одной вязкости длится 4—6 ч.
Существует проект модернизации рассмотренной УС в целях превращения ее в параллельную. При этом предполагается доведение кратности диапазона измерений до 1:22, а погрешности — до +0,1% с учетом введения поправок на изменение вязкости среды. Одновременно намечается некоторое изменение технологии поверки образцовых расходомеров: для повышения точности она будет проводиться перед каждым циклом эксплуатации. ■
Несмотря на некоторый архаизм последовательных проточных УС, существует область, в которой они еще конкурируют с параллельными УС, — оперативная поверка на агрессивных жидкостях. Здесь используют два важных свойства УС — малое по сравнению с параллельными УС гидравлическое сопротивление и простота управления расходом. -
Относительно малое гидравлическое сопротивление обеспечивает создание двухсредовых УС, где напор «тратится» не только на преодоление сопротивления магистралей и создание требуемого расхода, но и на перемещение разделителя, а следовательно, используется экономно.
Простота .управления расходом обусловлена наличием одного широкодиапазонного образцового расходомера, вероятность выхода показаний которого за границы диапазона измерений пренебрежимо мала. Его выходной сигнал можно непосредственно использовать для сравнения с опорным при выработке сигнала управления органом, регулирующим расход. Поясним сказанное путем сравнения с параллельными УС. Во-первых, изменение расхода в параллельных УС связано с изменением числа включаемых в работу первичных преобразователей, что не позволяет получить моносигнал для подачи его в устройство сравнения, а промежуточное преобразование совокупности выходных сигналов в моносигнал обусловливает существенное усложнение системы автоматического управления регулирующими органами УС. Во-вторых, каждое подключение нового преобразователя связано с опасностью выхода его показаний за границы диапазона измерений, который обычно устанавливается узким, так что вероятность такого выхода при перераспределении расходов между включенными линиями достаточно 6—3150 81
велика. Указанный выход ведет к потере информации о расходе, а синхронное управление гидравлическими сопротивлениями линий чрезмерно усложняет и без того не простую схему управления.
Кратко рассмотрим технические способы использования описанных двух позитивных свойств последовательных проточных УС.
На рис. 19 представлены наиболее употребительные схемы разделителей двухжидкостных последовательных УС. Простейшим способом является разделение по поверхности контакта градуировочной и рабочей жидкостей в вертикальном сосуде. Применение этого способа (рис. 19,а) ограничено несмешивающимися и химически не реагирующими одна с другой жидкостями. (На рис. 19,а белая стрелка после вентиля 12 указывает поток жидкости.) .
Устройство разделителя достаточно просто. В вертикальный сосуд 1 сверху поступает по входному трубопроводу 6, где установлен испытываемый расходомер 5, рабочая жидкость 4 (обычно более легкая). Нижняя часть сосуда заполнена градуировочной жидкостью 3» которая вытесняется через выгодной трубопровод 10 с установленным в нем образцовым расходомером 11. Расход регулируется вентилем 12. Полость сосуда должна быть заправлена жидкостью полностью. Газовая фаза удаляется через дренажную линию 8. Контроль положения поверхности раздела осуществляется по уровнемеру 9. Крайнее положение поверхности раздела индицируется чувствительным элементом сигнализатора 2, который формирует команды управления запорными клапанами и напорным устройством УС. Опорожнение и очистка сосуда 1 производятся через газовый трубопровод 7.
Схема разделителя может быть обратной, если рабочая жидкость тяжелее градуировочной. Тогда на входе находится образцовый расходомер, а на выходе — испытываемый. Регулировочный вентиль обычно размещается в градуировочной жидкости.
Разделение по поверхности контакта жидкостей обычно не ограничивает верхнего предела воспроизводимого расхода.
Все прочие виды разделителей предполагают наличие подвижного элемента, контактирующего с обеими жидкостями.
На рис. 19,6 приведена схема разделителя с пленочным подвижным элементом 14, выполненным в виде эластичного мешка, внутрь которого поступает рабочая жидкость, увеличивая его объем и вытесняя из сосуда 1 градуировочную жидкость. Пленочные разделители применяют для УС малой производительности (верхний предел воспроизводимых расходов порядка 10-5 м3/с).
При эксплуатации таких разделителей возникает опасность прорыва пленки. Это усугубляется тем обстоятельством, что контролировать степень заполнения мешка в процессе испытания не представляется возможным. Для предотвращения разрыва мешок выполняют большего объема сравнительно с вместимостью сосуда 1. Кроме того, с помощью контактного устройства 13 фиксируется условное крайнее по» 82
Рис. 19. Схема разделителей двухжидкостных УС с поверхностью раздела (а), пленочных (б), гофрированных (в), поршневых (г) и поршневых с жидкостным затвором (б):
— coc^jx; 2 — сигнализатор предельного положения; 3 — градуировочная жидкость; 4 — рабочая жидкость; 5 — испытываемый расходомер; 6 — входной трубопровод; 7— трубопровод очистного газа; 8 — дренажная линия; 9 — уровнемер;
— выходной трубопровод; 11— образцовый расходомер; /2 — регулировочный вентиль; 113 — контактное устройство; 14 — разделительный элемент; 15 — визуальная камера; 16 — заправочный трубопровод; 17 — шаровой поршень; 18 — сдвоенный уплотненный поршень; 19— затворная жидкость; 20 — источник питания затворной жидкостью
ложение, по достижении которого сигнализатор 2 формирует команду прекращения испытания.
Модификация пленочного разделителя с гофрированным подвижным элементом показана на рис. 19,5. Такие разделители позволяют воспроизводить расход до 10~2 м3/с. Сосуд обычно располагают горизонтально, а конец гофрированного чехла снабжают жестким днищем, скользящим по внутренней поверхности сосуда как по направляющей. Во избежание заклинивания подвижного элемента на днище установлены подшипники. Для исключения возможности попадания газа полости разделителя снабжают дренажной линией 8 и автономным трубопроводом заправки 16. Кроме того, в выходном трубопроводе предусматривается камера 15 со смотровым окном и окулярами для визуального контроля наличия пузырьков газа в градуировочной жидкости.
Разделитель на рис. 19,г снабжен свободно перемещающимся в сосуде 1 эластичным шаровым поршнем 17. Верхний предел воспроизводимых расходов порядка 0,1 м3/с. Однако для использования таких разделителей, подобных применяемым в известных трубопоршневых установках, требуется тщательная обработка внутренней поверхности сосуда (/?а=0,32ч-0,16 мкм); необходимо также, чтобы жидкости обладали достаточными смазывающими свойствами. Несмотря на то что диаметр поршня выполняется несколько большим, чем внутренний диаметр сосуда, и в целях обеспечения герметичности по поверхности его верхняя полость заполняется жидкостью под давлением, на стенке сосуда остается пленка градуировочной жидкости, которая при контакте с рабочей жидкостью может «подгорать», нарушая чистоту поверхности. В этой связи поршневые разделители не применяют для химически взаимодействующих жидкостей.
Материалом для изготовления поршней служат специальные сорта резины, фторопласт, тефлон.
Для работы с парами жидкостей, активно друг с другом взаимодействующих, применяют специальные поршни с жидкостным затвором (рис. 19,д). Обе головки поршня 18 снабжены кольцевыми уплотнениями и подшипниками качения. Между собой головки связаны штоком, а полость между ними заполнена специальной затворной жидкостью 19, нейтральной по отношению к рабочей и градуировочной жидкостям и обладающей хорошими смазывающими свойствами. В процессе испытания затворная жидкость находится под давлением, несколько превышающим статическое давление в потоке. Целесообразно обеспечить истечение затворной жидкости через уплотнения в головках поршня во входную и выходную полости сосуда /. Компенсация расхода затворной жидкости через уплотнения и требуемый уровень давления обеспечиваются источником 20.
Рассмотрение схем последовательных проточных УС закончим примером использования второго позитивного свойства их — простоты управления. На рис. 20 показана схема УС, в которой полностью 84 ’
автоматизированы как процесс управления сливом, так и процесс сбора и регистрации измерительной информации.
Вытеснительным способом жидкость из резервуара 1 подается в магистраль 12, где последовательно установлены первичные преобразователи образцового турбинного расходомера 11 и испытываемого расходомера 9. Стабилизация расхода осуществляется автоматически регулятором 2, в состав которого входит «гребенка» из десяти электропневмоклапанов с диафрагмами различного диаметра на входе.
Рис. 20. Схема автоматизированной УС
Набор электропневмоклапанов для каждого испытания устанавливается при помощи коммутатора пульта управления 3. УС имеет три независимых мерных участка (на рисунке показан только один) калибром 25, 40 и 80 мм, рассчитанных на расход соответственно 0,8-10-3—4-10-3, З-Ю*3— 15-Ю-3 и 8-Ю-3—40-10-3 м3/с.
В процессе испытания выходные сигналы образцового и испытываемых расходомеров (одновременно могут испытываться два расходомера) -через формирователь 10 и преобразователь 6 непрерывно поступают на магнитный регистратор 5. Туда же с пульта управления 3 непрерывно поступают метки времени и сигналы управления (последние показаны штрихпунктирными линиями).
После проведения подготовительных операций (монтажа испытываемых расходомеров, заполнения резервуара 1 жидкостью, подключения источника вытесняющего газа и т. п.) по команде «пуск», задаваемой оператором, включается привод вентиля 8. При установлении минимального расхода, который контролируется по образцовому расходомеру, электронный блок 4 выдает команду на прекращение движения дросселя. Отклик на выполнение команды поступает в шаговое устройство 7. С этого момента производится отсчет времени тСт, не-
обходимого для стабилизации расхода. По истечении времени тст на регистратор 5 выдается команда «запись» и начинается собственно период измерений ть контролируемый схемой пульта управления. По истечении периода п формируется команда на переход к последующим режимам т2, Тз,..., Тю при фиксированных расходах соответственно Q2, Q3,.Qio (при этом Qi<Q2< ... <Qio).
После десятого режима осуществляется «обратный» ход Тю, т9) ..., ть и, наконец, после режима Ti подается команда на остановку регистратора 5 и закрытие дросселя. Длительность рабочего цикла такого испытания 120—150 с.
Магнитная лента после испытания переносится на стойку воспроизведения для ввода данных в ЭВМ.
Параллельные проточные УС
В состав измерительного расходомерного комплекса фирмы Kent Instruments, эксплуатируемого в Северном море, входит параллельная проточная УС, схема которой показана на рис. 21. УС предназначена для испытаний и периодической поверки расходомеров и счетчиков нефти непосредственно в рабочей магистрали, к которой УС периодически подключается [20, 38].
Рис. 21. Схема параллельной проточной УС для нефтепродуктов
УС позволяет производить поверку при максимальном расходе 1,4 м3/с с погрешностью ±0,5%. Кратность диапазона измерений 1 : 50. УС содержит пять параллельных первичных преобразователей 6 турбинного типа, в совокупности составляющих образцовый расходомер (на рисунке показаны только три параллельные линии, но технология испытаний с пятью линиями отличается от рассматриваемой лишь количественно). Каждая параллельная линия отключается от входного
трубопровода 10 клапаном 9, а от системы распределительных трубопроводов 14, соединяющих образцовый расходомер либо непосредственно с выходным трубопроводом 13, либо с мерным участком 1 исходного образцового средства (трубопоршневой установки), — клапаном 3.
Входной и выходной трубопроводы УС устанавливаются в байпас эксплуатационной магистрали расходомерного комплекса. На входе каждой линии образцового расходомера помещен фильтр 8, а на выходе — термометры 4 и датчики 5 наличия воды и осадков. Перераспределение потоков в системе распределительных трубопроводов осуществляется клапанами 11 и 15.
Для получения скорости потока, при которой преобразователи образцового расходомера работают с наибольшей точностью (обеспечение автомодельности по числу Рейнольдса), на входе и выходе преобразователя установлены соответственно диффузор и конфузор. Закрутка потока минимизируется струевыпрямляющим устройством 7.
Преобразователи образцового расходомера (калибр 200 мм, кратность диапазона измерений 1 : 10) периодически поверяют при помощи встроенной в УС трубопоршневой установки с калиброванным петлевым мерным участком 1 (внутренний диаметр 600 мм), поршнем 12, последовательно замыкающим два концевых выключателя 2, реверсом 16, выполненным в виде двухходового крана, и пружинным уловителем 17 поршня. Возбуждающиеся в момент прохождения поршня концевые выключатели 2 формируют команды включения и выключения таймера и счетчиков импульсов, генерируемых первичными преобразователями.
Управление всеми операциями, включая поверку образцового расходомера, дублировано: оно осуществляется параллельно вручную (оператором) и автоматическим программным устройством. Сбор и обработка измерительной информации выполняются ЭВМ. Все операции управляются дистанционно.
Схема отечественной параллельной проточной УС [55, 56], предназначенной для проведения приемо-сдаточных испытаний при выпуске из производства и периодической поверки электромагнитных расходомеров, имеющих погрешность ±1%, показана на рис. 22.
Установка состоит из двух контуров. Первьш контур обеспечивает измерение расхода от 0,1 до 0,5 м3/с при испытании расходомера 7 и содержит набор из пяти электромагнитных расходомеров 3 с верхним пределом измерений каждого 0,1 м3/с и внутренним диаметром преобразователя расхода 150 мм. Расходомеры установлены на горизонтальных участках трубопроводов с длиной прямого участка, равной десяти диаметрам до расходомера и пяти диаметрам после него. Все трубопроводы объединены цилиндрическими коллекторами внутренним диаметром 400 мм. Для удобства монтажа каждый трубопровод снабжен цилиндрическим компенсатором длины. На общем трубопроводе
до и после коллекторов имеются запорные задвижки диаметром условного прохода 300 мм.
Объем запаса воды 60 м3 в резервуаре 1 выбран минимально возможным из условий нагрева (не более 1 °C за 1 ч при непрерывной работе). Расход задается насосом 2 с номинальной производительностью 2000 м3/ч. Регулирование расхода осуществляется задвижками. Особенностью расходомера 3 является то, что внутри его электромагнитной системы отсутствует металлическая труба, а электромагнитная система выполнена на напряжение 10 В. Кроме того, в канале расхо-
Рис. 22. Схема комбинированной параллельной проточной УС
домера расположены заземляющие поток кольцевые электроды. Такая конструкция преобразователя позволяет снизить помехи и повысить стабильность его характеристики.- В качестве вторичных преобразователей применены отобранные по стабильности и линейности измерительные узлы расходомера ИР-51 в комплекте с преобразователями ток — частота, что обеспечивает выходной сигнал как по постоянному току, так и по частоте.
Настройка каждого комплекта расходомера проведена так, что один импульс на выходе соответствует 1 л прошедшей через канал жидкости. Все пять частотных сигналов введены в сумматор импульсов 9, выход которого фиксируется частотомером. Таким образом, зафиксированное за определенный промежуток времени число импульсов соответствует сумме объемов, измеренных образцовым расходомером.
Второй контур, обеспечивающий измерение расхода до 0,1 м3/с объемно-временным способом, предназначен для аттестации расходомеров первого контура, а также для поверки рабочих расходомеров 4 88
с верхним пределом измерений расхода до 0,1 м3/с при помощи образцового мерника первого разряда 6 вместимостью 2 м3 и переключателя потока 5. Измерение объема в мернике выполняется по уровню жидкости в узкой градуированной горловине с погрешностью до 0,05%, определяемой возможностью аттестации мерниками первого разряда.
Установка позволяет испытывать и расходомеры 8 для открытых
потоков.
Рис. 23. Схема универсальной параллельной УС
Несомненный интерес представляют параллельные проточные УС, эксплуатируемые на ряде отечественных предприятий [8] и отличающиеся универсальностью по отношению к рабочей среде, т. е. позволяющие испытывать как жидкостные, так и газовые расходомеры. Эта УС (рис. 23) содержит следующие основные элементы: резервуар 14 для хранения рабочей жидкости и поддержания заданного температурного режима; систему создания и стабилизации расхода, состоящую из насоса 11 и напорного устройства (напорного резервуара 6 и резервуара 7— источника сжатого газа); измерительный резервуар 1 с уровнемерной системой 16 и 17, размещенной внутри резервуара / и служащей для измерения объема истекающей жидкости; устройство для измерения массы жидкости, в которое входят весы 4, переключатель потока 3 и вспомогательный резервуар 2; образцовый расходомер 13, выполненный в виде параллельного набора первичных преобразователей; испытательную магистраль, на мерном участке которой устанавливается первичный преобразователь 12 испытываемого расходомера.
Резервуар 11 представляет собой цилиндрический сосуд, установленный горизонтально и соединенный с насосом 11, резервуаром 1, весовым устройством и источником сжатого газа.
Напорный резервуар 6 выполнен в виде вертикального цилиндрического сосуда со сферическим днищем, на котором соосно размещено два цилиндра, образующих три камеры. Резервуар 6 трубопроводами 5, 8, 9 и 10 соединен соответственно с источником сжатого газа, ресивером 7, резервуаром 14, насосом 11 и испытательной магистралью.
Измерительный резервуар 1 — это вертикальный цилиндрический сосуд, внутри которого на днище установлен открытый сверху цилиндр меньшего диаметра. В цилиндре размещены вытеснители 17, обеспечивающие сужение потока в зоне установки сигнализаторов уровня 16. Периферийная камера, образованная стенками цилиндра и резервуара, соединена с выходом испытательной магистрали, что позволяет минимизировать деформации объема, заключенного между плоскостями сигнализаторов уровня, а также обеспечить постоянное противодавление в испытательной магистрали.
Образцовый расходомер состоит из набора низкопредельных первичных преобразователей, каждый из которых при помощи одного из описанных выше (объемного или весового) устройств аттестован в одной точке шкалы, близкой к верхнему пределу измерений. При этом используют серийные электромагнитные расходомеры типа ИР.
При испытаниях расходомера 12 УС работает при отключенных устройствах 1—4, так что жидкость из резервуара 6 поступает в резервуар 14 через испытываемый и образцовый расходомеры.
Действительное значение расхода определяется как сумма показаний первичных преобразователей образцового расходомера. При этом возможны любые комбинации их включения. Расход регулируется и задается вентилем 15. Результаты измерений регистрируются цифропечатающим устройством и могут быть непосредственно введены в ЭВМ.
Ввиду замкнутости системы УС можно использовать при работе с агрессивными и токсичными жидкостями. Для испытаний расходомеров газа служит магистраль 18.
Предел погрешности воспроизведения и измерения расхода составляет для массовой системы +0,1%, для объемной +0,2%, для УС ±0,3%. '
В СССР параллельные проточные УС предусмотрены в поверочных схемах [1, 2] в качестве образцовых средств передачи размера единицы расхода.
Для передачи больших размеров единицы расхода НПО «Интер- эталонприбор» создана комплектная лаборатория, в которой в качестве исходного образцового средства используется расходомерная установка с малым верхним пределом измерения, а увеличение воспроизводимых расходов без существенной потери точности осуществляется 90
с помощью наборов параллельно устанавливаемых расходомеров, т. е. параллельной проточной УС.
Схема системы передачи размеров больших расходов представлена на рис. 11, причем в качестве исходного образцового средства применена объемно-весовая расходомерная установка, позволяющая воспроизводить расход до 14-Ю-3 м3/с с погрешностью ±(0,1—0,2)%. Каждый из элементов набора первой ступени по исходному образцовому средству градуируется в узком диапазоне (0,8—1)QO, где Qo — номинальный расход, воспроизводимый исходной установкой. Таким образом, в совокупности УС первая ступень позволяет воспроизводить расход Qi=(5-r-10)Qo при 5—10 параллельно установленных преобразователях образцового расходомера. Погрешность воспроизведения ±0,3%. Обычно применяются пять преобразователей на общий расход 70-10"3 м3/с.
Рис. 24. Принципиальная схема ступени передачи размера единицы расхода
Вторая ступень параллельной УС также выполняется из 5—10 преобразователей образцового расходомера, но большего калибра; воспроизводимый расход увеличивается в 25—100 раз по сравнению с исходным расходом Qo, следовательно, номинальный расход Q2=0,35-t- 1,4 м3/с. Каждый преобразователь второй ступени градуируется по 5—10 преобразователям второй ступени, при этом погрешность второй ступени приблизительно удерживается на уровне ±(0,3—0,4)%. И, наконец, применение третьей ступени позволяет увеличить исходный расход в 125—1000 раз, при этом погрешность увеличивается весьма незначительно— она составляет около ±0,5%.
Все три ступени параллельной УС выполняются по единой схеме, представленной на рис. 24.
Во входном трубопроводе 1 устанавливается испытываемый расходомер 2, причем это может быть либо рабочий расходомер, либо преобразователь образцового расходомера последующей ступени. Измерительные линии 4, объединенные общими входным 3 и выходным 8 кдллекторами, снабжены запорными устройствами, отключающими на входе преобразователь 5 от потока, и регуляторами 6 гидравлического сопротивления линии, применяемыми для юстировки образцового расходомера. Регулирующий расход вентиль 7 расположен на выходе магистрали.
Сбор и обработка измерительной информации полностью автоматизированы. Сигналы испытываемого расходомера поступают на формирователь 14, а оттуда на вход блока сравнения 11. На другой вход блока поступает сигнал с образцового расходомера, предварительно умноженный на масштабный коэффициент в масштабном преобразователе 13. Цифровое регистрирующее устройство 12 фиксирует показания образцового расходомера в единицах расхода до блока сравнения. На выходе блока сравнения формируется разностный сигнал, являющийся мерой погрешности, которая, таким образом, регистрируется автоматически устройством 10. В схему УС может быть введена ЭВМ 9, которая используется как для обработки результатов испытаний в темпе испытания, так и для управления расходом.
Для измерений плотности жидкости, температуры и давления, что необходимо, во-первых, для формирования совокупности исходных условий, в которых получены основные метрологические характеристики испытываемого расходомера, и,. во-вторых, для пересчета объемного расхода в массовый при испытаниях массовых расходомеров, применяются набор денсиметров 1-го разряда (диапазон измерений 800—1100 кг/м3), образцовые термометры 2-го разряда типа ТЛ-4 (О—50 °C) и образцовые манометры МО-1226 с диапазоном измерения 0-0,6 МПа.
Первая ступень выполняется в стационарном и передвижном вариантах, которые используются для оснащения государственных и ведомственных метрологических служб.
В рассмотренных параллельных УС число воспроизводимых дискретных значений расхода ограничено и определяется количеством первичных преобразователей в одной ступени образцового расходомера. Увеличение числа воспроизводимых значений расхода обеспечивает параллельная УС [57], схема которой (на примере трехступенчатой установки) показана на рис. 25.
В комплект установки входят наборы преобразователей, представляющие собой самостоятельные коллекторы, соединенные параллельно-последовательно, причем вход каждого коллектора подключен к выходу напорного устройства как непосредственно, так и через испытательный участок с поверяемым расходомером, а также к входам коллекторов предыдущих ступеней. Выход каждого коллектора, подключенный к входам и выходам коллекторов предыдущих ступеней, 92
соединен со сливным резервуаром 5 и образцовым средством измерения 4. Верхние пределы измерений поверяемых приборов и коллекторов возрастают соответственно от расходомера 2(/) к расходомеру 2(5) и от 3(1) к 3(3).
Расходомеры с небольшими верхними пределами измерений поверяются по набору первой ступени при отключенном образцовом средстве измерения 4, при этом выход набора подключен к сливному резервуару. Если значения поверяемых точек не превышают верхнего предела измерений образцового средства, то его можно использовать непосредственно для поверки расходомеров. Для приборов, верхний предел измерений которых не позволяет ограничиться применением
Рис. 25. Усовершенствованная параллельная УС:
/ — напорное устройство; 2(/) — 2(3) — поверяемые расходомеры; 3(/)—3(3) — наборы первичных преобразователей соответственно первой, второй и третьей ступеней образцового расходомера; 4 — исходное образцовое средство измерения расхода; 5 — резервуар для хранения жидкости; 6 — магистраль для подключения (в случае необходимости) четвертой ступени
только первой ступени, используются сочетания преобразователей из наборов двух или всех трех ступеней, что, с одной стороны, увеличивает число'дискретных измеряемых значений расхода при поверке, а с другой — повышает точность измерений. Повышение точности достигается путем использования нескольких преобразователей из коллекторов предыдущих ступеней вместо одного преобразователя в наборе последующей ступени. Достоинством данной схемы является также то, что при аттестации набора в каждой ступени возможно направление потока в обход испытательных участков.
Рассматриваемая схема благодаря блочному исполнению позволяет в процессе эксплуатации конкретной установки увеличивать верхний предел измерений путем подключения дополнительных коллекто-
ров с верхним пределом измерений каждого расходомера в коллекторе, равным максимальному расходу предыдущего набора.
Каждый прибор набора первой ступени аттестуется при помощи исходного образцового средства, при этом жидкость поступает из напорной системы в обход испытательного участка. Аттестация расходомеров в наборах последующих ступеней производится по наборам предыдущих ступеней при отключенном образцовом средстве. Вход аттестуемого набора подключается к выходу напорной системы в обход испытательного участка, а выход — к входам наборов предыдущих ступеней.
Высокая точность и увеличенный предел измерений позволили применить данную схему в разработанном в рамках «Интерэталонпри- бора» универсальном поверочном расходомерном комплексе для жидкостей и газов. Этот комплекс, являющийся высшей формой реализации параллельных проточных УС, предназначен для использования в национальных метрологических службах стран СЭВ, в различных отраслях промышленности, на транспорте, в системах коммунального хозяйства и торговле.
Универсальный расходомерный комплекс — это многоцелевая высокопроизводительная измерительная система, обеспечивающая аттестацию, поверку, градуировку и испытания средств измерений расхода жидкости в пределах от 1,4-10-3 до 350-10~3 м3/с и газа (приведенного к нормальному состоянию) от 0,1 10~3 до 350-10~3 м3/с в стационарных (лабораторных) условиях, а также на местах эксплуатации при помощи передвижных поверочных лабораторий.
Расходомерный комплекс позволяет решать практически все метрологические задачи в области измерения расхода жидкости и газа:
хранение, воспроизведение и передачу единицы расхода и количества;
исследование метрологических и эксплуатационно-технических средств измерений расхода;
отработку программ и методик аттестации и поверки средств измерений в целях создания единых нормативных документов;
поверку и аттестацию образцовых и рабочих средств измерений расхода;
поверку приборов в рабочих условиях или в условиях, максимально к ним приближенных, путем применения специальных жидкостей- заменителей.
Состав расходомерного комплекса и выполняемые им функции иллюстрируются схемой, представленной на рис. 26. В зависимости от целей применения комплекс можно использовать как полностью, так и в виде отдельных технологических компоновок.
На рис. 27 показана принципиальная схема комплекса. Конструктивно комплекс выполнен в виде технологических компоновок трех типов. Технологическая компоновка типа I включает исходную уни- 94
версальную образцовую установку для воспроизведения и измерения расхода жидкости и газа с пределом до 14-10-3 м3/с. Технологическая компоновка типа II содержит ту же исходную установку и УС 1-й ступени для измерения расхода жидкости и газа с пределами от 14-10“3 до 70-10“3 м3/с. Технологическая компоновка типа III включает исходную установку и УС 1-й и 2-й ступеней на расход до 350-10-3 м3/с.
В каждой ступени применен образцовый расходомер в виде набора из пяти турбинных расходомеров.
Рис. 26. Схема поверочного расходомерного комплекса «Интерэталон- прибора»'
Управление процессом испытаний, контроль, регистрация и сбор измерительной информации осуществляются как со специальных пультов, так и от управляющего вычислительного комплекса на базе микропроцессорной техники.
Управляющий вычислительный комплекс содержит 200 каналов контроля и 300 каналов управления.
Основные характеристики комплекса следующие:
Диапазон воспроизведения расхода, м8/с: по жидкости (1,4—350). 10-3
по газу(0,14—350) • 10-3 (в
нормальном состоянии)
Погрешность измерения расхода, %: по жидкости и газу в диапазоне (1,4—350)Х ХЮ-3 м3/с неболее 0,2
по газу в диапазоне (0,14—1,4)-10"3 м3/с . . не более 0,3 .Характеристики рабочей жидкости: температура, ®С 15— 80
вязкость, м2/с До36-10-6
давление, МПа До 1,6
Диа.па.зон измерений. (70-^350) 10"3м3/с
Рис. 27. Принципиальная схема поверочного расходомерпого комплекса: 1 — приемный измерительный резервуар массовой статической расходомерной установки; 2 — расходный измерительный резервуар объемной динамической установки; 3— система стабилизации температуры жидкости; 4 — резервуар-хранилище рабочей жидкости; 5 — система регулирования давления вытесняющего газа; 6 — напорное устройство; 7 — ресивер; 8 — испытываемый расходомер; 9—- образцовый расходомер; 10 — резервуар-хранилище вытесняющего газа; 11 — газовая трубопоршневая установка; 12 — устройство реверсирования поршня
Диапазон измерении. (14 v 70) 10" 3м3/с
Характеристики газа: температура, °C 20+ 2
давление, МПа•До 1,6
Производительность поверочного комплекса . . . 90 приборов в смену
Площадь, занимаемая комплексом, м2 . . • . . .3200
Общее энергопотребление, кВт 1500
Дальнейшим развитием параллельных проточных УС является создание комбинированных систем, позволяющих производить испытания как жидкостных, так и газовых расходомеров по одним и тем же образцовым расходомерам жидкости в отличие, например, от комплекса «Интерэталонприбор», где для газа и жидкости применены по существу две раздельные УС, в одной из которых установлен об-
9G
Диапазон измерений Диапазон (1,4-т1Ч)Ю'3м3/с, “5«^н““,.
(14 " 10)10~3П3!с
Диапазон измерений (70^350)Ю"Мс
разцовый расходомер жидкости, а в другой — Образцовы?! расходомер газа.
Принципиальная схема комбинированной параллельной УС представлена на рис. 28 [58]. Установка состоит из п одинаковых по структуре автономных гидравлических модулей, соединенных параллельно-последовательно, причем каждый последующий модуль обеспечивает увеличенный по сравнению с предыдущим предел воспроизведения и измерения расхода жидкости и газа.
Установка включает: напорные системы для подачи и стабилизации расхода жидкости /(1), /(2), ..., /(/г); испытательные участки 7—3150 9?
2(Л> 2(2),..., 2(п) для расходомеров жидкости; образцовые расходомеры жидкости 3(7), 3(2),..., 3(п) в виде наборов параллельно соединенных приборов; исходное образцовое средство измерения расхода жидкости 4, подключенное к первому модулю; резервуары хранения жидкости и газа 5(7), 5(2),..., 5(п), разделенные перегородками 5(7), 5(2),..., 6(п) на герметичные одинаковые по объему камеры; испытательные участки 7(7), 7(2),..., 7(п) для расходомеров
Рис. 28. Схема комбинированной газожидкостной параллельной УС
газа; переключатели потока жидкости 3(7), 3(2),..., 3(п) и 5(7), 5(2),..., 9(п); переключатели потока газа 10(1), 10(2),..., 10(п) и 77(7), 77(2),..., 11(п); вентили 72(7), 72(2),..., 12(п), 13(1), 13(2),..., 13(п) и 14(1), 14(2),..., 14(п) для подключения последующих модулей к соответствующим предыдущим при градуировке (поверке) образцовых расходомеров второго и последующих модулей; вентили 75 и 75 для подключения исходного образцового средства измерения 4 при градуировке образцового расходомера первого модуля.
Рассмотрим работу первого модуля. При пуске установки переключатели потока 8(1) и 9(1) с помощью устройств автоматики устанавливают на перепуск жидкости из камеры А в камеру Б через си- 98
стему подачи и стабилизации расхода 1(1), испытательный участок 2(7), образцовый расходомер 3(7) и вентиль 12(1). Перекачка продолжается до тех пор, пока жидкость не достигнет датчиков сигнализаторов уровня (на рисунке не показаны), указывающих на опорожнение камеры А и заполнение камеры Б. Далее по команде сигнализаторов уровня переключатели 8(1) и 9(1) направляют жидкость обратно из камеры Б в камеру А. Процесс поочередной перекачки происходит непрерывно, поэтому направление потока жидкости в испытательном участке 2(1) и образцовом расходомере 3(1) не изменяется.
Продолжительность переходных процессов в системе стабилизации расхода незначительна благодаря высокому быстродействию переключателей потока.
Одновременно с включением переключателей 8(1) и 9(1) переключатели потока газа 10(1) и 11(1) включаются таким образом, что при наполнении жидкостью камеры Б вытесняемый ею газ через переключатель 10(1) поступает в испытательный участок 7(1) с поверяемым расходомером газа и далее через переключатель 11(1) в газовую полость камеры А. При обратной перекачке жидкости из камеры Б в камеру А переключатели 10(1) и 11 (1) направляют газ из камеры А в камеру Б, причем направление потока газа через участок 7(1) остается неизменным.
В установившемся режиме объемный расход жидкости и газа одинаков, благодаря чему расход газа можно измерить по показанию образцового расходомера жидкости с учетом параметров состояния газа в камерах А, Б и в испытательном участке 7(1), определяемых датчиками давления и температуры.
Второй и последующие модули с более высокими пределами измерений работают аналогично.
Весь процесс поверки и обработки результатов измерений можно автоматизировать с применением вычислительной техники [59].
Показанная на рис. 28 проточная УС позволяет одновременно измерять расход жидкости и газа, используя только образцовые расходомеры жидкости, что обеспечивает значительное сокращение количества потребных установок, длительности испытаний, необходимого обслуживающего персонала, трудозатрат и потребных производственных площадей. Существенное преимущество этой установки состоит в обеспечении метрологической соподчиненности систем измерения расхода жидкости и газа.
Имитационные УС
В Берлинском политехническом институте (ГДР) эксплуатируется имитационная установка для испытаний различных средств измерений скорости потока [18], которая послужила прототипом для создания имитационных УС. Схема установки представлена на рис. 29.
7* 99
Рис. 29. Схема имитационной установки для испытаний средств измеРис. 29. Схема имитационной установки для испытаний средств измеВ плоскости верхнего среза резервуара 1, заполненного жидкостью 2, вращается траверса 7, снабженная катками 6, перемещающимися по борту резервуара как по направляющей. Привод траверсы осуществляется электродвигателем 11 через двухступенчатый редуктор 10. На траверсе в фиксированных точках устанавливают кронштейны 8, в которых крепят испытываемые скоростемеры 9. Угловую скорость траверсы измеряют тахометром 5, сигналы с которого поступают на
Рис. 29. Схема имитационной установки для испытаний средств изме
Рис. 29. Схема имитационной установки для испытаний средств изме
рения скорости жидкости
регистратор 3. Туда же подаются выходные сигналы испытываемых приборов и метки времени- с генератора 4.
Исходная совокупность имеет вид
Vw^ ^J, (97)
где X— выходной сигнал испытываемого скоростемера; w— линейная -скорость в точке установки кронштейна, причем w=mL; со — угловая скорость траверсы; L — длина плеча вращения.
Установка позволяет воспроизводить скорость в диапазоне 0,2— 2,8 м/с с погрешностью ±(1—2) %. Низкая точность обусловлена погрешностями измерения скорости и длины плеча L.
Такая точность, безусловно, недостаточна при использовании установки для испытаний расходомеров жидкости. Поэтому, оставляя незыблемым принцип имитации расхода перемещением объекта испытаний в неподвижной жидкости, который при реализации в установках дает ряд неоспоримых преимуществ (компактность, оперативность, широкий диапазон воспроизведения), косвенные измерения расхода по скорости заменяют прямыми измерениями образцовым расходомером. Такая модернизация, реализованная в отечественных установках, схематично показана на рис. 30,а.
Вертикальный торообразный резервуар 1 заполнен жидкостью 2. В плоскости верхнего среза резервуара на катках вращается траверса 5. Привод траверсы — электродвигатель 16 и редуктор 15 — размещен в центральной, «сухой» части резервуара. На траверсе (на двух симметричных подвесках) закреплены кронштейны 6 для установки ис- 100
пытываемого 4 и образцового 13 расходомеров. Расстояние точки закрепления кронштейна от оси вращения измеряется оптической системой 7. Кабельные линии выводов с расходомеров стыкуются со штекерами коробки 8 съема сигналов. Сигналы образцового и испытываемого расходомеров фиксируются регистратором 9, на который также поступают метки времени от генератора 10, сигналы управления с пульта И и показания тахометра 12. Для уменьшения сопротивления движению преобразователи образцового и испытываемого расходоме-
Рис. 30. Схема вращательной имитационной УС: а — схема УС; б — узел крепления расходомера
ров (см. рис. 30,6) вынесены из жидкости, которая подается при движении системы через изогнутую трубу 14 с обтекаемым насадком, опущенным в жидкость. Кроме того, для предотвращения вращения жидкости в резервуаре установлены гасители 3 скорости жидкости в виде эластичных флажков.
В качестве образцовых расходомеров используется набор сменных турбинных расходомеров калибром 14, 20, ‘28, 40 мм с частотным выходным сигналом 50—800 Гц. Некоторые характеристики элементов набора приведены в табл. 10.
Угловая скорость траверсы регулируется ступенчато: со=10; 20; 40 с-1. На траверсе фиксированы следующие расстояния от оси вращения: Л=0,5; 0,4; 0,3 и 0,2 м.
Таблица 1^
Калибр Dy, мм
Расход, 10s м’/с
Скорзсть жидкости, м/с
^min
^тах
wmin
wmax
14
0,3
3,0
2
20
20
0,6
6,0
2
20
28
1,2
9,6
2
16
40
2,4
14,4
2
12
В соответствии с этим в табл. 11 приведены дискретные вначения воспроизводимой скорости линейного перемещения расходомеров и соответствующие ей значения со и L.
Таблица И
to, c‘i
Скорость перемещения (м/с) при L, м
0,5
0,4
0,3|
0,2
10
5
4
3
2
20
10
8
6
4
40
20
16
12
8
Испытания (градуировку) на такой УС осуществляются следующим образом.
На этапе планирования испытания устанавливают диапазон градуировки по расходу и фиксированные значения расхода внутри диапазона— сечения характеристики преобразования испытываемого расходомера. Пусть, например, градуировке подвергается электромагнитный расходомер калибром 20 мм с предполагаемым диапазоном расходов Qmin ... Qmax=(0,4-7-4) • 10-3 м3/с. Внутри диапазона измерений выделяем пять фиксированных расходов: (0,4; 1; 2; 3; 4)-10“3м3/с.
Таблица 12
Номер воспроизведения расхода
Расход, 10s м3/с
to, с*1
L, м
1
0,6
10
0,2
2
0,9
10
0,3
3
1,8
20
0,3
4
3,0
20
0,5
5
4,8
40■
0,4
(3,6)*
(40)*
(0,3)»
♦ Вариант.
Средняя скорость линейного перемещения испытываемого расходомера соответственно должна быть 10=1,3; 3,3; 6,6; 10; 13 м/с. В соответствии с возможностями УС выбираем из табл. 11 ближайшие дискретные значения воспроизводимой скорости, после чего режим работы УС будут характеризовать данные, приведенные в табл. 12.
По данным табл. 10 выбираем калибр образцового расходомера; очевидно, что им должен быть расходомер с Z)y=20 мм. Этот выбор является напрашивающимся, но вовсе необязательным, так как в принципе расход, например, Q=l,8-10~3 м3/с может быть измерен образцовыми расходомерами с Z)y=14; 20 и 28 мм. Но желательно калибр образцового расходомера выбирать близким к калибру испытываемого расходомера. Тогда испытываемый и образцовый расходомеры помещаются на одинаковых плечах и траверса оказывается нагружейной .приблизительно симметрично.
После установки расходомеров на траверсе с помощью оптического устройства 7 (см. рис. 30) определяют точный размер -плеча L.
Рабочий цикл испытания заключается в том, что по команде с пульта управления включается привод траверсы и после времени, необходимого для разгона и стабилизации траверсы, осуществляется ряд измерений сигналов образцового и испытываемого расходомеров. Команды на включение регистратора или выделение на оси времени участков интегрирования подаются с пульта управления. Затем происходят остановка траверсы и переход на следующий режим.
Здесь следует сделать одно существенное замечание относительно методики проведения испытаний.
Если осуществлять испытание так, как описано выше, то по совокупности
{Qjt, Хил}, (98.)
определенной для всех сечений характеристики преобразования испытываемого расходомера, строго говоря, невозможно определить искомую зависимость Q=(p(Xn), поскольку Qjt не является расходом через испытываемый расходомер, а служит лишь мерой скорости его перемещения, да и то установленной косвенно как
ши = к- (fo//, L„, о,) (99)
где w(fOji, Lo, (о) — экспериментальная функция, полученная при аттестации УС; Lo и Lu — соответственно расстояния от оси вращения до точки закрепления образцового и испытываемого расходомеров.
Для перехода к расходу измеренные значения Wnjt необходимо умножить на площадь проходного сечения испытываемого расходомера, что ведет к дополнительным погрешностям.
В этой связи более точным является метод замещения испытываемого расходомера образцовым, при котором воспроизведение каждого расхода осуществляется дважды при одних и тех же значениях L и со.
Дальнейшим шагом на пути модернизации вращательных имитационных УС является последовательная установка испытываемого и образцового расходомеров в одной трубе 14 (см. рис. 30,6).
В настоящее время существует тенденция к расширению функций вращательных имитационных УС. В первую очередь это относится к применению их для оценки функций влияния, к чему имеются существенные положительные предпосылки.
Рис. 31. Схема вращательной имитационной УС для малых расходовРис. 31. Схема вращательной имитационной УС для малых расходовДействительно, в имитационных УС легко воспроизводится влияние физических свойств жидкости и е‘е температуры. Для этого следует заполнять резервуар различными жидкостями либо жидкостями, нагретыми до определенной температуры. При этом термостатировать жидкость в резервуаре намного легче, чем в трубопроводе проточных
Рис. 31. Схема вращательной имитационной УС для малых расходов
Рис. 31. Схема вращательной имитационной УС для малых расходов
Рис. 32. Схема УС для воспроизведения пульсирующего расхода
УС. Примером таких испытаний служит градуировка на силиконовом масле в диапазоне скоростей 0,132—131 м/с [17]. Другой часто встречающейся влияющей величиной, которая оригинально и технически более просто воспроизводится в имитационных УС, является пульсация расхода.
Рассмотрим возможности воспроизведения пульсаций расхода в условиях имитационных УС.
Одной из первых попыток осуществить градуировку расходомеров при пульсирующих расходах, воспроизводимых методом имитации, является использование имитационной УС для градуировки расходомеров крови [16]. На поворотном столе / (рис. 31) установлен кольцевой резервуар 2 с жидкостью. Испытываемый расходомер 6 расположен на рычаге 5, ось которого совпадает с вертикальной осью резервуара. Рычаг закреплен шарнирно на кронштейне 4 и способен поворачиваться относительно оси. Образцовый расходомер 3 жестко закреплен на кронштейне 4. Образцовый и испытываемый расходомеры могут перемещаться соответственно вдоль кронштейна 4 и ры- 104
чага, 5. Рычаг 5 связан со штоком 7 генератора периодических колебаний 8. В процессе испытания поворотный стол приводится во вращение с фиксированной скоростью (16—80 об/мин). Вращательное движение резервуара с жидкостью имитирует постоянную составляющую расхода, которая воспринимается образцовым и испытываемым расходомерами. Воспроизведение пульсаций расхода (точнее, имитация их возвратно-поступательным движением испытываемого расходомера) осуществляется генератором через шток и рычаг, на котором крепится испытываемый расходомер. Диапазон воспроизводимой частоты пульсации расхода составляет 0—12 Гц при амплитуде 0,5—3 см.
Более эффективен другой способ воспроизведения частоты пульсаций расхода [60], позволяющий расширить частотный диапазон пульсаций до 100 Гц в УС на значительные расходы.
Схема такой УС показана на рис. 32. Вертикальный резервуар 2 заполнен жидкостью. На уровне верхнего среза резервуара вращается траверса 6, опирающаяся на бурт резервуара катками 5. Привод траверсы — электродвигатель 14 — расположен в центральной, «сухой» части резервуара. Чаще всего двигатель выполняется асинхронным с регулируемой частотой вращения вала. На траверсе закреплены кронштейны 4 и 15 для установки датчиков испытываемого 1 и образцового 16 расходомеров, погруженных в жидкость. Сигналы расходомеров по кабельным линиям 8 через контактную коробку 9 поступают на регистратор 10, управляемый с пульта //. Метки времени вырабатываются генератором 12. Преобразователь 13 связан с тахометром, измеряющим угловую скорость траверсы. Датчик 1 испытываемого расходомера закреплен в захвате 3 кронштейна 4 шарнирно и способен поворачиваться на угол а при движении штока толкателя 7. Механизм толкателя закреплен на траверсе, а шток связан с датчиком испытываемого расходомера посредством поводков.
Для воспроизведения расхода включается привод 14, который начинает вращать траверсу с заданной угловой скоростью со. Датчик 1, закрепленный с помощью кронштейна 4 на фиксированном расстоянии Ln от оси вращения, передвигается в неподвижной жидкости со скоростью w=(oLH. Через датчик, таким образом, протекает постоянный расход Q=StoL^, где S — площадь проходного сечения датчика. • Этот же расход воспринимается датчиком образцового расходомера и преобразуется в выходной сигнал, регистрируемый устройством 10.
При установившемся движении траверсы, т. е. по достижении постоянства скорости вращения траверсы, включается механизм толкателя, периодически перемещающий посредством штока консольный конец датчика испытываемого расходомера на переменный угол а, при этом расход через датчик испытываемого расходомера Q=S cos скоЛи. Переменная составляющая расхода, воспроизводимая периодическим смещением оси датчика на угол а с частотой <оп, изменяется по закону Q(t)=SH cos Mat, где Н — ход штока толкателя. Закон воспроизве-
дения суммарного расхода при одностороннем смещении на угол а имеет вид Qz (t)=Q—Q(/)=SVtoLH—H cos соц/].
Для измерения co и соп используют тахометры с электрическим выходом или фотоэлектрические дискретные датчики положения траверсы или штока толкателя.
Переменная составляющая расхода может быть воспроизведена и без применения специального толкателя.
Рис. 33. Способы создания колебательного движения расходомера
На рис. 33 показаны способы автоматического создания колебательного движения датчика испытываемого расходомера. Во всех случаях действующей силой является усилие скобообразной пружины 1, двусторонне воздействующей на консоль датчика. В первом случае (рис. 33,а) датчик перемещается по днищу резервуара 4 на тележке.
Таблица 13
п, об/с
Частота пульсаций (Гц) при L^ м
0,1
0,25
|0,5
0,2
2,5
6,25
12,5
0,6
7,5
18,7
37,5
1,0
12,5
31,7
62,5
1,4
17,0
42,5
85,0
1,8
22,2
56,2
111,0
на ось катков 3 которой насажены кулачки 2, при вращении возбуждающие колебательное движение датчика. Во втором (рис. 33,б) консоль связана посредством вилки 6 с профилированным кольцом 5, по которому вилка скользит как по копиру, вызывая колебательные движения датчика, и в третьем случае (рис. 33,в) роль такого копира выполняет профильное кольцо 8, в которое упирается ролик 7, закрепленный на консоли датчика.
Частота пульсаций имитируемого расхода определяется шагом профиля направляющей, а амплитуда — высотой выступов.
В табл. 13 приведены значения воспроизводимой частоты пульсаций в зависимости от значений Ьи и частоты вращения /г траверсы при шаге выступов профиля 5 мм.
Рассмотрев перспективы развития нового принципа построения испытательных установок сличения и ряд их конкретных реализаций, остановимся на важном вопросе, который определяет одну из конечных целей проведения испытаний расходоизмерительной техники. Речь идет о современных подходах к нормированию характеристик расходомеров как к специфическому случаю применения основополагающего ГОСТ 8.009—72 [13]. Необходимо подчеркнуть, что такое нормирование возможно лишь по результатам экспериментальной оценки свойств расходомеров с использованием высокопроизводительных автоматизированных установок сличения, обеспечивающих практически неограниченный верхний предел измерений расхода.
В приложении к расходомерам следует учитывать требуемые два весьма важных дополнения к ГОСТ 8.009—72. Первое, связанное с наличием априорной фазы процесса нормирования, заключается в необходимости нормировать требования к характеристикам, которые приводятся в техническом задании, техническом предложении, программах и методиках испытаний (ГОСТ 2.102—68.ЕСКД). Виды и комплектность конструкторских документов). Форма представления характеристик в этих документах должна обеспечить возможность сопоставления требуемых характеристик с характеристиками в апостериорных документах: технических условиях, паспортах (формулярах), стандартах общих технических требований и технический условий.
Второе дополнение обусловлено тем, что различают индивидуальные и типовые характеристики. Это вызывает необходимость проведения двух видов нормирования — индивидуального и типового, — различающихся видом и объемом исходных данных, методами аппроксимации и степенью распространения результатов нормирования. Выбор вида нормирования обусловлен степенью «отработанности» расходоме-. ра. Типовое нормирование является высшим видом нормирования и осуществляется по совокупности индивидуально нормированных характеристик.
Процесс нормирования предполагает следующие операции: ограничение номенклатуры нормируемых характеристик в соответствии с конкретной задачей; выбор и реализацию способа нормирования; установление формы представления (записи) характеристик в технической документации (ГОСТ 8.011—72. ГСП. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений).
Ограничение номенклатуры осуществляют на базе единого для данного вида средств измерений перечня характеристик, формирующегося по результатам анализа универсальной модели свойств расходомера, которая отображает реакции расходомера на внешние воздействия: расход (полезное воздействие), время, условия эксплуатации в виде совокупности независимых влияющих величин, конструктивные решения.
Способ нормирования предполагает установление требований к виду исходной информации о данной характеристике и правил ее аппроксимации.
Форма представления характеристик во многом определяется способом нормирования. Так, для индивидуального нормирования свойственно представление числами или уравнениями, аппроксимирующими изменение числового значения параметра характеристики в функции расхода или влияющей величины; такая форма отображает непосредственно процесс экспериментальной оценки. Для типового нормирования характерна форма представления нормированного параметра в виде области, ограниченной номинальными и предельными значениями, которые чаще всего аппроксимируют уравнениями, где аргументом является расход или влияющая величина. Таким образом, в форме представления находят отражение статистические методы оценки типовых характеристик по выборке, элементы которой представляют собой совокупность индивидуальных характеристик расходомеров, подвергшихся испытаниям.
Приведем перечень нормируемых характеристик расходомеров жидкостей, содержащий как метрологические, так и эксплуатационные характеристики.
Статическая характеристика преобразования. Нормируемым параметром является уравнение связи Q=F(a, b, с, ..., х), где Q — расход; F—оператор связи; а, Ь, с — постоянные; х— информативная характеристика выходного сигнала расходомера. При типовом нормировании уравнение связи отображают шкалой, для которой указывают вид (например, линейная) и цену деления.
Диапазон измерений расхода включает два нормируемых параметра: нижнюю Qmtn и верхнюю Qmax границы измерений. Для обоих видов нормирования применяют единую форму представления указанных параметров — числовые значения границ.
Информативная характеристика выходного сигнала х также содержит два параметра — нижний xmin и верхний хтах пределы изменения; оба они всегда представляются числовыми значениями. При индивидуальном нормировании их рассчитывают по уравнению связи для Q = Q т г п и Q=Qmax, а при типовом они соответствуют экстремальным элементам выборки (minxmin) maxxmaxY
Неинформативные характеристики выходного сигнала представляют собой совокупность свойств выходного сигнала расходомера, не являющихся мерой расхода (т. е. информативными характеристиками): амплитуды напряжения или тока частотного сигнала, уровня помех аналогового сигнала, вида кода (при кодовом сигнале) и т. п. Нормируемые параметры неинформативной характеристики — ее наименование, нижнее и верхнее предельное значения — представляются словесно и числовыми значениями.
Систематическая составляющая погрешности включает два параметра: предел и вероятность попадания в интервал между номинальным и максимальным значениями. Предел и границы интервала представляются числовыми значениями в относительной форме.
Случайная составляющая погрешности определяется тремя параметрами: средним квадратическим отклонением, законом распределения» 108
вероятностью попадания в интервал между номинальным и максимальным значениями в выборке.
Суммарная погрешность включает предел, доверительную вероятность определения предела случайной составляющей и вероятность попадания в интервал между номинальной и максимальной погрешностями. Форма представления предела зависит от форм представления случайной и систематической составляющих.
Функции влияния — совокупность независимых изменений статической характеристики преобразования расходомера под действием влияющих величин. Для каждого элемента совокупности нормируемыми параметрами являются уравнения изменения характеристики преобразования.
Инерционность характеризуют временем установления показаний, указывая его номинальное и минимальное значения. Форма представления— числовое значение с обозначением индекса уровня, т. е. отношения измеренного расхода к заданному максимальному при испытаниях.
Воздействие на поток характеризуется потерей давления в первичном преобразователе.
Надежность является комплексной характеристикой и включает ряд- параметров: вероятность безотказной работы, межповерочный интервал, технический ресурс и др.
К другим нормируемым характеристикам относятся: остаточные реакции на внешние воздействия, габаритно-массовые и энергетические параметры, область резонанса конструктивных элементов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ГОСТ 8.145-75. ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений объемного расхода жидкости в диапазоне 3-10“6—10 м3/с.
ГОСТ 8.142-75. ГСИ. Государственный первичный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений массового расхода жидкости в диапазоне ЫО”3 — 2-Ю3 кг/с.
Бирюков Б. В., Данилов М. А., Кивилис С. С. Испытательные расходомерные установки. — М.: Энергия, 1976. — 145 с.
Бирюков Б. В., Данилов М. А., Кивилис С. С. Точные измерения расхода жидкостей. — М.: Машиностроение, 1977. — 144 с.
Данилов М. А. О возможном методе испытания расходомеров большой производительности. — В кн.: Метрологические исследования в области измерения расхода и количества веществ. Труды метрологических институтов СССР, 1972, вып. 135(195), с. 40—45.
Evans Н. Е. A new look at turbine meters. — Pipe Line Ind., 1974, vol. 40, № 1, p. 40—42.
Wszelaczynski A. Wielozwezkowe urzadzenie do pomiaru nat^ze- nia przeplywu. — Pom., Aut., Kont., 1971, vol. 17, № 5, p. 193—195.
Установка для градиуровки и поверки расходомеров/ Б. В. Бирюков, М. Я. Гаммерман, М. А. Данилов, С. С. Кивилис. — Измерительная техника, 1973, № 9, с. 37—39.
Методы передачи размера единицы расхода жидкости/ Б. В. Бирюков, М. А. Данилов, С. С. Кивилис, В. Г. Цейтлин. — Измерения, контроль, автоматизация, 1976, вып. 3 (7), с. 12—18.
Система испытаний расходомеров/ Б. В. Бирюков, М. А. Данилов, М Ф. Железникова, С. С. Кивилис. — Измерительная техника, 1979, № i0, с. 29—31.
ГОСТ 2.103-68. ЕСКД. Стадии разработки.
ГОСТ 16504-81. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения.
ГОСТ 8.009-72. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.
Бирюков Б. В., Данилов М. А., Кивилис С. С. Градуировка расходомеров. — Измерительная техника, 1980, № 12, с. 41—45.
ГОСТ 8.407-80. ГСИ. Расходомеры несжимаемых жидкостей. Нормируемые метрологические характеристики.
Seed W. A., Wood N. В. An apparatus for calibrating velocity probes in liquids. —J. Phys. (J. Scient. Instrum.), 1962, vol. E2, № 10, p. 896—898.
Dring R. P., Gebhart B. Hot-wire anemometer calibration for measurements at very low velocity. — Paper Amer. Soc. Meeh. Eng., 1969, N 1, p. 14—17.
Emsmann S., Kongeter J. Geschwindigkeits — Eichanlage fur Thermistorsonden. — Fortschr.— Ber. VDIZ, 1975, Reihe 8, № 18, S. 43—56.
Bellinga H. Het ijken van turbinemeters met gas onder bed- rij'fscondities. — Gas (Ned.), 1975, vol. 95, № 11, p. 316—323.
Lomas D. Metering North Sea oil. — Kent Techn. Rev., 1975, № 13, p. 3—8.
Barriol J. Mise en oeuvre des ensembles de mesurage pour pet- rolcs bruts.— Rev. Assoc, franc, techn. petrole, 1975, № 231, p. 62—68.
Kun S., Pinter K-, Salomon P. Der systemtechnische Aufbau und die Erfahrungen im Versuchbetrieb der Erdol — Mes-Stationen. — Tele- kontrol (ВНР), 1978, № 2, S. 25—29.
Хосака Миудзи. Градуировка расходомеров.— Кэйсо, Instrumentation, 1968, vol. 11, № 3, р. 18—22.
Пат. 50—16945 (Япония). Поверка расходомеров/Вада Итиро.
Balmer Т. Remotely actuated quarter turn zeros d/p cell. — Des News, 1972, vol. 27, № 8, p. 21—24.
Close D. L. Cryogenic flowmeter today. — Cryog. and Ind. Gases, 1969, vol. 4, № 8, p. 19, 21—23..
Пат. 3271994 (США). Flowmeter testing/ D. B. Faurnier, Strang U. A.
Whitener M. C. Computerized gas measurement. — IEEE Trans. Ind. Appl., 1976, vol. 12, № 3, p. 284—287.
Пат. 1573044 (ФРГ). Viskositatskompensiertes Durchflussmes- sgerat nach dem Wirkdruckverfahren/ H. Nikolaus.
Huthloff E. Stand und Entwicklungstendenzen in der Volumen- und Durchflussmesstechnik.— Chern. Ind., 1977, Bd 29, № 9, S. 535—537.
Brown G. W., Whalley L. C. Some aspects of flow calibration of pipeline differential pressure producers. Part 2. — Instrum. Practice, 1968, vol. 22, № 8, p. 687—692.
Schilder K. Gbersicht zur Durchflussmesstechnik. — Mess.— Steurn — Regeln, 1974, Bd 17, № 8, S. 273—27 5.
Galley R. L. Turbine flowmeters. — Adv. Instrum., Pittsburg, Pa, 1968, vol. 23, pt 1, p. 867/1—867/6.’
Brennan J. A., Stokes R. W., Mann D. B. An evaluation of several cryogenic turbine flowmeters. — U. S. Dep. Commer. Nat. Bur. Stand. Tech. Note, 1972, № 624, p. 587—592.
Jepson P., Bean P. G. Effect of upstream velocity profiles on turbine flowmeter registration. — J. Meeh. Engng Sci., 1969, vol. 11, No 5, p. 47—53.
Nicholl A. J. Konstruktion von Turbinen — Durchflussmessern. Fine Untersuchung der Einflussgrossen.— Brown B. Mitt., 1977, Bd 64, № 11, S. 668—676.
Evans H. J. Application of the turbine meter to natural gas measurement. — Pipe Line News, 1970, vol. 36, № 2, p. 29—31, 43.
Measuring money. — Proceessing, 1975, vol. 21, № 7, p. 37.
A. c. 243858 (СССР). Метрологический расходомерный стенд для градуировки электромагнитных расходомеров/ И. А. Кузнецов, А. А. Петренко, В. Д. Таранин. Опубл, в Б. И., 1969, № 30.
Бирюков Б. В., Данилов М. А., Кивилис С. С. Универсальная гидравлическая характеристика испытательных расходомерных установок.— Измерительная техника, 1982, № 2, с. 33—36.
Маркова Е. В., Лисенков А. Н. Планирование эксперимента в условиях неоднородностей.—М.: Наука, 1973. — 219 с.
Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. — М.: Наука, 1965. — 340 с.
Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с нем. — М.: Мир, 1972.-381 с.
Немировский А. С. Вероятностные методы в измерительной технике. — М.: Изд-во стандартов, 1964. — 216 с.
Земельман М. А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств.—М.: Изд-во стандартов, 1972. — 200 с.
Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1977. — 831 с.
Айвазян С. А. Статистическое исследование зависимостей. — М.: Металлургия, 1968. — 227 с,
Долинский Е. Ф. Обработка результатов измерений. — М.: Изд-во стандартов, 1973. — 192 с.
Поверка расходомеров методом сличения/ Б. В. Бирюков, М. А. Данилов, С. С. Кивилис, В. Г. Цейтлин. — Измерительная техника, 1976, № 6, с. 58—60.
Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1978. —736 с.
Цейтлин В. Г. Расходоизмерительная техника. — М.: Изд-во -стандартов, 1977.—240 с.
Расчет и конструирование расходомеров. Под ред. П. П. Кремлевского. — Л.: Машиностроение, 1978. — 224 с.
Бошняк Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.— Л.: Машиностроение, 1974. — 448 с.
Salmon J.-L. Technologic des instruments et systemes. — Rev. Assoc, frang. techn. petrole, 1975, № 231, p. 54—62.
Данилов M. А., Зарецкий Л. И. Образцовая установка для поверки расходомеров с верхним пределом 1000 м3/ч. — Контрольноизмерительные приборы для гидрошахт. Сборник № 8. Новокузнецк; 1968, с. 39—45. .
Зарецкий Л. И., Гартман А. К. Расходомерная установка с набором образцовых электромагнитных расходомеров. — Измерительная техника, 1980, № 12, с. 34, 35.
А. с. 853407 (СССР). Испытательная расходомерная установка/ М. А. Данилов, С. С. Кивилис, К. П. Подкопаев и др. Опубл, в Б. И., 1981, № 29.
А. с. 805743 (СССР). Испытательная расходомерная установка с воспроизведением и передачей единицы расхода жидкости и газа/ К. П. Подкопаев, М. А. Данилов, С. С. Кивилис и др. Опубл, в Б. И., 1983, № 20.
Игнатьев Ю. П. Перспективы развития измерительно-вычислительных комплексов для автоматизации образцовых расходомерных установок. — Измерительная техника, 1979, № 8, с. 34, 35.
А. с. 836531 (СССР). Способ испытаний расходомеров жидкости и устройство для его осуществления/ Б. В. Бирюков, М. А. Данилов, С. С. Кивилис и др. Опубл, в Б. И., 1981, № 21.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
Глава 1. Принципы построенияУС 7
Испытания расходомеров 7
Структура и классификацияУС10
Проточные УС15
Имитационные УС23
Образцовые расходомеры26
Глава 2. Экспериментальная оценка характеристик УС ...32
Характеристики УС32
Экспериментальные исследования УС55
Аттестация УС65
Глава 3. Реализация схем УС79
Последовательные проточные УС79
Параллельные проточные УС86
Имитационные УС99
Список литературы 110