О метрологическом обеспечениирасходомеров большого диаметра - Содержание общие вопросы метрологического обеспечения...

^ О метрологическом обеспечении
расходомеров большого диаметра
В связи со стремительным ростом требований к качеству контроля водоснабжения, теплоснабжения и экологической обстановки крупных городов и промышленных центров в России возникла и быстро расширяется потребность в средствах измерений (СИ) расхода жидкостей в трубах большого диаметра. Причем не только увеличивается спрос на количество расходомеров, но и повышаются требования к точности, надежности и другим эксплуатационным характеристикам приборов.

По нашим данным ориентировочная потребность в расходомерах с диаметрами труб более 300 мм по стране уже в настоящее время составляет 5000–6500 шт. в год и быстро растет. Основными заказчиками рассматриваемых расходомеров являются многочисленные поставщики тепловой энергии (ТЭЦ), объекты очистных сооружений в системе Водоканала, насосные станции, водопроводные сети, оросительные системы, а также крупные промышленные предприятия (металлургические заводы, обогатительные фабрики, гидротранспорт) и т.п. На диаграмме (рис. 1) приведено приблизительное распределение потребности в России в расходомерах большого диаметра разных типов.


Рис. 1 Ориентировочный объем годовой потребности в расходомерах
с диаметрами 300-2500мм

В России наблюдается существенное отставание парка применяемых СИ расхода от количества и качества приборов, используемых в зарубежных промышленно развитых странах (США, Западной Европе, Японии и Китае). В настоящее время основными СИ расхода в стране являются трубы Вентури, сегментные диафрагмы, ультразвуковые, электромагнитные расходомеры и приборы с преобразователями местной скорости потока.

Среди перечисленных СИ расхода, наиболее точными, надежными и универсальными по совокупности эксплуатационных характеристик являются электромагнитные расходомеры.

Как известно, электромагнитные расходомеры позволяют измерять расходы в трубах от чрезвычайно малых диаметров до громад-
ных – (3000 – 4000) мм.

В канале прибора отсутствуют какие-либо элементы конструкции, препятствующие потоку и искажающие его эпюру скорости. Показания электромагнитных расходомеров практически не зависят от изменения физических свойств измеряемой среды: плотности, вязкости, электропроводности, весьма мало зависят от распределения скорости потока в канале.

Несмотря на такие высокие метрологические и эксплуатационные возможности, полнопроходные электромагнитные расходомеры с условными диаметрами более 300 мм в России никем не выпускаются. Потребность в них обеспечивается исключительно за счет импортных приборов из Западной Европы. Причем доля электромагнитных расходомеров по отношению к другим средствам измерений расхода в России существенно ниже, чем в промышленно развитых странах.

В Государственном реестре СИ зафиксировано более десятка фирм, поставляющих эти приборы в Россию. Основными зарубежными фирмами являются такие крупные и известные, как: Krohne, Endress+Hauser, Fischer Porter, Danfoss и др.

Одной из причин отставания России в области СИ расхода в трубах большого диаметра является практически полное отсутствие метрологической базы для этих приборов.

До настоящего времени традиционными средствами метрологического обеспечения электромагнитных расходомеров являются стационарные проливные расходомерные установки. В них в качестве эталонных средств используются объемные, весовые мерники или образцовые расходомеры.

Для градуировки и поверки расходомеров большого диаметра за рубежом (в США, Германии, Англии, Японии, Китае) применяют расходомерные установки класса точности (0,015 – 0,05) % с различной градацией по диаметрам мерных участков трубопроводов, вплоть до уникальных расходомерных установок с диаметрами мерных участков (2000 – 3000) мм, на расходы до (100 – 400) тыс. м3/ч. По мере возрастания диаметров мерных участков, установки представляют собой все более и более сложные и дорогостоящие сооружения.

В России подобных установок нет. Это является основной причиной, сдерживающей развитие отечественных расходомеров большого диаметра и в первую очередь наиболее точных полнопроходных электромагнитных расходомеров.

Согласно “Положению о Федеральном Агентстве по техническому регулированию и метрологии”, поставляемые из-за рубежа приборы должны быть обеспечены средствами поверки в России. Однако по выше указанной причине это требование практически не выполняется. Например: Кемеровский ЦСМ, Новолипецкий металлургический комбинат, завод “Северсталь”, г. Череповец и др. оказались не в состоянии обеспечить плановую поверку крупных партий расходомеров с диаметрами (300 – 800) мм, приобретенных у фирмы Endress+Hauser из-за отсутствия в России требуемых эталонов.

Несомненно, сеть расходомерных установок, аналогичных зарубежным, должна быть создана и в России. Без этого нельзя рассчитывать на какой-либо прогресс в развитии современной отечественной расходомерной техники для труб большого диаметра.

Необходимо в самые короткие сроки решить комплекс вопросов по созданию в России сети расходомерных установок для расходомеров большого диаметра. Предусмотреть закупку в США или Германии по крайней мере двух-трех трубопоршневых установок с диаметрами мерного участка до (300 – 600) мм для Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии или ГНЦ“НИИтеплоприбор”. Определить заказчиков и проектантов установок для расходомеров с Ду до 1000 мм. Необходимо выйти в Правительство Москвы, Санкт-Петербурга или иного крупного промышленного мегаполиса с инициативой “о создании, например, при Федеральном Агентстве по техническому регулированию и метрологии или при ГНЦ “НИИтеплоприбор” метрологического расходомерного центра с расходомерной установкой высокого класса точности на расходы до (100 – 400) тыс. м3/ч”. Выполнение этих мероприятий позволит приступить к радикальному решению проблемы метрологического обеспечения расходомеров больших диаметров, и в конечном итоге начать улучшать контроль водоснабжения, теплоснабжения и экологической обстановки в стране.

В качестве дополнительной меры решения вопроса о метрологическом обеспечении расходомеров большого диаметра целесообразно также развивать и применять средства, основанные на имитационном моделировании приборов.

Поскольку это частное решение не требует больших объемов финансирования и длительных сроков внедрения, остановимся на нем подробнее.

В ГНЦ “НИИтеплоприбор” разработан имитационный метод градуировки и поверки электромагнитных расходомеров, который при соответствующей его доработке может быть успешно применен к электромагнитным расходомерам большого диаметра.

Накоплен значительный экспериментальный материал по сходимости результатов проливных и беспроливных измерений на электромагнитных расходомерах с Ду до 300 мм.

Теоретические и экспериментальные исследования в области имитационного моделирования электромагнитных расходомеров, выполненные в ГНЦ “НИИтеплоприбор”, в течение ряда лет неоднократно докладывались и обсуждались на самых авторитетных международных конференциях, в том числе IMEKO, FLOMEKO, и опубликованы в различных научных и технических журналах.

Технические решения, используемые в этих работах, защищены патентами и отмечены золотой и серебряной медалями, а также дипломами на Всемирных салонах в Брюсселе и Женеве.

На основе работ ГНЦ “НИИтеплоприбор” созданы мобильные образцовые поверочные установки, основанные на методе имитационного моделирования, обеспечивающие поверку электромагнитных расходомеров и теплосчётчиков без пропускания потока жидкости через канал поверяемого прибора.

В апробации имитационного метода на разных стадиях разработки установки участвовали ведущие научно-исследовательские институты Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии. В результате этих исследований имитационные установки сертифицированы и зарегистрированы в Федеральном Агентстве по техническому регулированию и метрологии как СИ, которые применимы в качестве средств метрологического обеспечения электромагнитных расходомеров.

Полученные результаты показывают, что имитационное моделирование обладает следующими возможностями:

– неограниченным диапазоном имитируемых расходов;

– возможностью исследования приборов любых конструкций с диаметрами от 25 до 3000 мм;

– высокой точностью средств исследований и поверки;

– возможностью исследования приборов при максимально приближенных условиях испытаний к реальным условиям эксплуатации: моделирование потока жидкости в широком диапазоне физических свойств (вязкости, плотности, температуры и т.п.); моделирование неоднородности состава измеряемой среды, неполного заполнения канала измеряемой средой;

– моделирование потоков с различной кинематической структурой, при любых числах Рейнольдса, при несимметричных относительно оси канала распределениях скорости, возможностью исследования приборов в лаборатории и на месте их эксплуатации;

– высокой производительностью метрологических средств, полной автоматизацией обработки результатов исследований, протоколирования и ведения архива;

– комфортностью условий работы исследователя (отсутствием акустического шума, высокой влажности, вибраций);

– низкой стоимостью и высокой тиражируемостью установок;

– высокой надежностью и помехозащищенностью.

Установка Поток–Т (Рис. 2) состоит из набора преобразователей магнитного поля (зондов), персональной ЭВМ, интерфейсной платы (содержащей многоканальный аналого-цифровой преобразователь), согласующего блока и пакета программ. Пределы допускаемой основной погрешности установки составляют ± 0,2 %.




Рис.2 Имитационная поверочная установка Поток-Т

Установка обеспечивает поверку электромагнитных расходомеров, счетчиков-расходомеров и теплосчётчиков типа РОСТ, СТЭМ, РЭМ, SKM, ТЭРМ, ИР, ТС, SA, VA, КМ-5, ТЭМ и др. с Ду до 300 мм. Ведутся работы по расширению ее применения для электромагнитных расходомеров и теплосчётчиков других отечественных и зарубежных фирм.

Недавно существенно расширены метрологические возможности установки. Теперь установка позволяет проводить дополнительно измерение коэффициента преобразования первичного преобразователя и нормирование в единицах расхода опорного сигнала измерительного устройства расходомера.

Это позволяет пользователю без демонтажа первичного преобразователя с трубопровода и без остановки потока измеряемой жидкости через канал прибора производить его поверку, переградуировку на другой диапазон измерений, замену измерительного устройства на другое и т.п.

Если прибор снабжен калибратором, предназначенным для настройки измерительного устройства, то установка позволяет сигнал калибратора нормировать в единицах расхода. При этом калибратор приобретает дополнительные метрологические функции. С его помощью можно производить поверку комплекта расходомера, обеспечивать замену первичных преобразователей и измерительных устройств, переградуировать приборы на другой предел измерений и т.п.

Если поверяемый прибор имеет два или более первичных преобразователей расхода, подключенных к общему вычислителю, то установка позволяет имитировать нормированные значения расходов одновременно по всем каналам и определять погрешность измерения разности расходов между любыми поверяемыми каналами.

Несколько лет назад появились расходомеры для труб большого диаметра (до 4000 мм) с несколькими преобразователями локальной скорости потока, например, расходомер для труб большого диаметра, первичный преобразователь расхода которого состоит из двух или трех преобразователей локальной скорости потока. Появились электромагнитные преобразователи расхода с двумя и более парами электродов, например для измерения расхода в не полностью заполненных каналах, и для труб большего диаметра. Установка Поток-Т позволяет проводить поверку таких приборов при одновременном воспроизведении сигналов по всем каналам, что существенно упрощает процедуру измерений и повышает точность поверки.

Актуально и выгодно и покупателю и продавцу первичных преобразователей расхода поставлять их и соответственно приобретать с измеренными коэффициентами преобразования. Тогда покупатель понимает, что приобретает, и может комплектовать расходомеры без необходимости градуировки на расходомерной установке. Градуировка комплекта расходомера в этом случае выполняется с помощью калибратора.

Разработано обширное программное обеспечение установки.

Основной проблемой создания имитационной установки является проектирование преобразователя магнитного поля в виде плоской или поверхностной индукционной катушки (Рис. 3), витки которой распределены по линиям уровня поверхностной весовой функции.




Рис.3 Печатные платы индукционных катушек
для приборов с Ду от 25 до 800 мм

Как правило, изготовители расходомеров пока, т.е. в настоящее время, не обладают необходимым научным потенциалом, позволяющим самостоятельно выполнить такую работу. Можно показать, что значительное количество исследований электромагнитных расходомеров можно выполнить имитационным методом и без применения преобразователя магнитного поля в виде уникальной индукционной катушки, а с помощью калибратора.

Калибратор чрезвычайно прост по конструкции и схеме, может быть изготовлен практически любой лабораторией, занимающейся обслуживанием электромагнитных расходомеров. Его метрологическая аттестация также не представляет труда. Особенно высокой защиты калибратора от электромагнитных помех не требуется т.к. поверяемый расходомер успешно сам справляется с отделением информативной компоненты сигнала калибратора от помех различной природы, ведь в реальных условиях эксплуатации прибора уровень помеховой обстановки несоизмеримо выше, чем при работе с калибратором.

Первоначально может показаться, что с помощью калибратора можно исследовать метрологические характеристики только измерительного устройства, а не комплекта расходомера в целом. Но это не совсем так.

Анализируя современную конструкцию электромагнитного расходомера, во многих случаях можно прийти к выводу, что наиболее высокой надежностью обладает узел электромагнитного расходомера, которым является его индуктор. Индуктор находится внутри корпуса прибора, индуктор не контактирует ни с измеряемой средой, ни с окружающим прибор воздушным пространством, корпус, как правило, надежно защищает индуктор от внешних повреждений. Работоспособность и номинальные технические характеристики индуктора во многих типах электромагнитных расходомеров практически могут гарантироваться изготовителем на весь срок службы прибора. Если это так, то метрологические операции по определению величины и распределения магнитного поля в канале расходомера можно выполнять только один раз при изготовлении и градуировке расходомера. Причем градуировка расходомера может быть выполнена любым способом, как с помощью проливной расходомерной установки, так и беспроливным способом, например с помощью установки Поток-Т.

Метрологическая характеристика измерительного устройства отградуированного расходомера несет в себе информацию о коэффициенте преобразования первичного преобразователя. Для измерения этого коэффициента преобразования достаточно подсоединить к измерительному устройству калибратор, установить на нем параметры, соответствующее расходу, и по этим данным провести вычисление.

Как известно, коэффициент преобразования первичного преобразователя определяется не только значением и распределением магнитного поля, но и некоторыми характерными геометрическими параметрами: диаметром канала и расстоянием между электродами. Эти параметры в процессе эксплуатации могут изменяться.

Поэтому необходимо выделить из коэффициента преобразования первичного преобразователя ту составляющую, которая определяется только характеристикой магнитного поля индуктора, что просто осуществить при первичной поверке прибора.

Некоторые западные зарубежные фирмы гарантируют неизменность параметров индуктора на весь срок службы прибора и рекомендуют проводить вторичную поверку приборов этим способом.

В заключение следует отметить, что в настоящее время имитационные средства находятся на начальном пути своего развития. Создание имитационных методов исследования должно опережать разработку электромагнитных расходомеров. Новые модели расходомеров должны разрабатываться с учетом применения к ним имитационных методов и средств поверки.

Темпы развития методов моделирования не соответствуют современным задачам. Развивать имитационные методы моделирования необходимо сообща, всем организациям и фирмам, разрабатывающим электромагнитные расходомеры. В разработку имитационных методов вкладывать больше финансовых средств и привлекать наиболее подготовленных и перспективных специалистов.

Автор

Вельт Иван Дмитриевич, зав. лабораторией, ГНЦ “НИИтеплопри-бор”, д.т.н.

Россия, Москва, 129085, пр. Мира, 95

Тел/факс. (095) 215-78-00.

E-mail: vellt@rol.ru

3661734302491413.html
3661882454217150.html
3662093456882921.html
3662261651424533.html
3662300921177859.html