3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метрологічні дослідження малоінерційного манометра для контролю нестаціонарних газових потоків

Долішній Б.В., Козак Ф.В., Середюк О.Є.

ІФНТУНГ

Рассмотрена конструкция малоинерционного манометра для контроля нестационарных газовых потоков. Разработана его метрологическая модель и на её базе осуществлен численный расчёт составляющих и суммарной погрешностей измерения амплитуды пульсаций давления.

Construction of small inertion manometer for the control of unstationary gas streams is considered. Metrological model is developed. The numeral calculation of errors of measuring of amplitude of pulsations of pressure making from total is carried out.

Підвищення ефективності функціонування нафтогазового і газотранспортного обладнання неможливе без детального вивчення його технологічних параметрів, які переважно характеризуються нестаціонарними процесами. Це стосується, насамперед, дослідження роботи поршневих газоперекачувальних агрегатів і спеціальних утилізаційних установок з використання теплоти нестаціонарних потоків відпрацьованих газів цих агрегатів і установок [1,2].

Порівняно із усталеними режимами роботи газотранспортного обладнання дослідження нестаціонарних умов теплообміну і руху газових потоків характеризується значно складнішим математичним описом і базується на результатах експериментального вивчення вказаних процесів як функції від параметрів досліджуваних потоків, наприклад, тиску, температури, витрати.

Аналіз літературних джерел та інформаційно-довідкових матеріалів стосовно засобів вимірювання тиску і перепаду тиску показав, що для дослідження нестаціонарних потоків застосовуються спеціальні вимірювальні засоби або перетворювачі. Прикладом можуть бути напівпровідникові тензорезисторні [3], тонкоплівкові ємнісні [4], оптичні інтерферометричні [5] або п'єзоелектричні [6] давачі тиску. Однак практичне застосування їх передбачає вузькоспеціалізовану область застосування згідно мети розроблення, а наведені та експериментально-теоретично встановлені технічні характеристики обмежуються узагальненими метрологічними характеристиками (переважно похибкою) давачів без конкретизації складових їх похибки і залежності від частотних характеристик параметрів контрольованих середовищ. Крім того, метрологічні характеристики давачів розглядаються без поєднання з метрологічними характеристиками нормуючих перетворювальних блоків або вторинних відлікових чи реєструючих приладів. Це не дає можливості оцінити їх придатність для застосування в інших сферах і умовах експлуатації. Водночас в технічних характеристиках серійних манометрів і дифманометрів [7-9] практично відсутні оцінки динамічних властивостей приладів у поєднанні з основними паспортними технічними і метрологічними характеристиками. Ця обставина внаслідок наявності методичної похибки або виникнення суттєвої додаткової похибки в багатьох випадках може звести нанівець всі результати досліджень або спричинити до виявлення цілком неприродних і навіть з протилежним ефектом стосовно фізичної суті явищ і процесів. Тому питання вивчення і кількісної оцінки метрологічних характеристик засобів вимірювання тиску є актуальним.

Метою роботи є розробка метрологічної моделі малоінерційного манометра і експериментальна оцінка складових його сумарної похибки при технічному забезпеченні дослідження нестаціонарних швидкоплинних процесів газових потоків, і зокрема відпрацьованих газів двигунів.

Первинним перетворювачем малоінерційного реєструючого манометра (рис.1) є перетворювач тиску ППТс (давач Д), технічна реалізація якого виконана на базі перетворювача тиску типу ИПД моделі 89007 з аналоговим вихідним сигналом (0 - 1) В для кожного із чотирьох діапазонів вимірювання з верхніми межами (6; 6,3; 10; 16) кПа і класом точності 0,06 [9]. Вихідний сигнал з ППТс поступає до вторинного перетворювача тиску ВПТс, який конструктивно реалізований на базі цифрового диференціального вольтметра постійного струму типу В2-34 і містить такі електронні блоки: задавач опорної напруги ЗОН, вимірювач різниці напруг ВРН, попередній підсилювач ПП. Під час вимірювання аналоговий вихідний сигнал перетворювача ППТс порівнюється з еталонним значенням напруги, яке попередньо задається за допомогою пристрою ЗОН диференціального вольтметра. Різниця напруг з ВРН підсилюється блоком ПП і поступає на один з каналів швидкодіючого самописця С типу Н3030-4, який характеризується робочим частотним діапазоном (0 - 150) Гц. Самописець С має ступеневе поканальне підсилення (підсилювач П) і блок реєстрації БР, яке змінюється вибором чутливості з ряду (0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0) мВ/мм. Швидкість паперового носія (стрічки) можна також ступенево змінювати згідно значень ? (0,2;0,5;1,0;5,0;10;25;50;100) мм/с.

Рис. 1. Структурна схема малоінерційного манометра для вимірювання пульсацій тиску газового потоку

Виходячи з структурної схеми розробленого манометра і експериментально встановлених динамічних властивостей використаного давача тиску [10] застосовувався такий алгоритм визначення амплітуди пульсацій тиску:

малоінерційний манометр нестаціонарний газовий

, (1)

, (2)

де h_p - діапазон зміни значень тиску за осцилограмою, мм; Д, U_o - діапазон вимірювання (Па) і стандартизоване значення вихідного сигналу (мВ) давача тиску відповідно; S_p - чутливість самописця каналу реєстрації тиску, мВ/мм; K_vp - коефіцієнт підсилення вихідного сигналу диференціального вольтметра; А_p - коефіцієнт амплітудно-частотної характеристики давача, який відображає ступінь зменшення амплітуди зареєстрованих пульсацій тиску; _p ? частота зареєстрованих пульсацій тиску, Гц; Т_p - стала часу давача тиску, с.

У формулі (1) введений коефіцієнт 0,5, який вказує, що як оцінюваний параметр пульсацій тиску використовується амплітуда, як це прийнято при описі періодичних коливань.

На рис.2 зображена розроблена метрологічна модель манометра, яка відображає структурну схему формування похибки д_Дp при вимірюванні амплітуди пульсацій тиску. Основними складовими формування похибки прийняті похибки трьох блоків: первинного перетворювача тиску (давача), вимірювача пульсацій і самописця, які позначені и_Д, и_ВП, и_С відповідно. Так як ці складові формувалися технічними даними приладів, то вони відносяться до числа невилучених систематичних похибок (НСП). Враховуючи, що вимірювання амплітуди пульсацій тиску не відноситься до статичних вимірювань, то кожен з блоків манометра обтяжений динамічними похибками. Однак, так як вимірювання пульсацій конструктивно реалізоване на базі електронного диференціального вольтметра, а робочий частотний діапазон самописця обмежується 150 Гц, то при максимально можливих досліджуваних частотах 15 Гц необхідно врахувати тільки динамічну похибку и_Ap давача тиску, а аналогічними складовими похибки інших приладів можна знехтувати внаслідок їх практичної відсутності.

Для подальшого аналізу компонентів кожної із складових НСП скористаємось алгоритмом (1)-(2). Із рівняння (1) слідує, що похибка числових значень параметрів Д і U_o визначає границю основної допустимої похибки и_кp (рис.2) коефіцієнта перетворення (співвідношення до Д) давача тиску, яка згідно його метрологічних характеристик визначається вибраним діапазоном вимірювання Д і стандартизованим значенням вихідного сигналу U_o давача. Формування різницевого сигналу диференціального вольтметра, який пропорційний різниці напруг давача тиску і задавача опорної напруги, здійснюється з похибкою и_ДU, а його підсилення диференціальним вольтметром - з похибкою и_KVр. Числові значення цих складових розраховуються згідно інструкції з експлуатації диференціального вольтметра у відповідності до вибраних його параметрів налаштування. Точність отриманих осцилограм визначається похибками функціонування каскаду підсилення самописця и_Sp (визначається вибраною чутливістю самописця S_p) і механізмом реєстрації вимірюваного параметра самописцем и_hp. Крім того, на точність отриманих значень пульсацій впливає точність візуального відліку дослідником амплітуди коливань з осцилограми, яка здійснюється багаторазово вздовж її довжини і тому характеризується середнім квадратичним відхиленням (СКВ) випадкової похибки S_hp.

Рис. 2. Метрологічна модель малоінерційного манометра

З формули (1) очевидною є залежність точності розрахунку коефіцієнта А_р від похибки визначення частоти пульсацій тиску д_fp і від похибки визначення чисельного значення постійної часу д_Tp. Ці похибки вже є результуючими, бо враховують як НСП, так і СКВ. Методика визначення похибки д_fp розглядається в [11], а складові похибки д_Tp визначалися з врахуванням застосовуваних технічних засобів і методики визначення сталої часу. Цими складовими були НСП визначення швидкості руху стрічки самописця и_V і НСП вимірювання довжини осцилограми и_l, при якій відхилення вказівника самописця досягало 0,632 свого усталеного значення. Враховуючи складність точного визначення цього відхилення вказівника, знаходження сталої Т_р здійснювалося багаторазово (згідно кількості експериментів) і тому характеризувалося СКВ випадкової похибки визначення сталої часу S_Tp.

Таким чином, похибку вимірювання амплітуди пульсацій тиску оцінено, виходячи із категорії непрямих вимірювань при нелінійній залежності вимірюваної величини від аргументів Д, S_p, h_p, U_o, A_p, K_vp, які входять в (1). При цьому, враховуючи що параметри Д і U_o характеризують ввімкнений діапазон давача тиску, а співвідношення до Д є коефіцієнтом перетворення К_р давача тиску, то вираз (1) можна подати як:

. (3)

Далі здійснюючи диференціювання виразу (3) згідно алгоритму сумування складових похибки при непрямих вимірюваннях [12] отримуємо:

(4)

де - НСП визначення амплітуди пульсацій; К - поправочний коефіцієнт, який визначається прийнятою довірчою ймовірністю і кількістю складових НСП; - НСП визначення всіх складових, що входять в (3); - НСП формування диференціальним вольтметром різницевого сигналу давача тиску і задавача опорної напруги.

В [10] обґрунтовано, що НСП давача тиску и_кр співпадає з НСП блоку реєстрації самописця и_hр і становить ± 0,06 %.

Для визначення НСП диференціального вольтметра скористаємось формулою з його технічної документації:

(5)

де Д_ДВ - границя основної допустимої похибки в режимі диференціального вольтметра, В;

U_x - вимірювана напруга, В.

Так як абсолютне значення похибки Д_ДВ визначається в залежності від значення U_х, то її відносне значення обчислене стосовно максимально можливого вихідного сигналу давача тиску (U_o =1В) визначалось за формулою:

. (6)

Це значення похибки фактично відповідає НСП диференціального вольтметра. Тому виходячи з (5) і (6) отримано таке числове значення НСП:

. (7)

Визначення похибки каскаду підсилення диференціального вольтметра здійснимо за допомогою такої формули з його технічної документації:

, мВ, (8)

де Д_вих - похибка вихідної напруги постійного струму диференціального вольтметра в межах від 0 до ±1B, яка відповідає діапазону чисел U_i від 000 до 999 індикатора нуль-органа.

Аналізуючи найбільш несприятливий випадок, тобто коли U_i = 999, відносно верхньої межі вихідного сигналу U_max = 1000 мВ аналогічно з (6) отримуємо:

(9)

що у числових значеннях становить:

. (10)

Складову похибки самописця и_Sp, яка характеризує точність функціонування каскаду підсилення визначити безпосередньо з технічної документації на цей прилад немає можливості внаслідок відсутності необхідної інформації. Тому, враховуючи відомі результати метрологічного аналізу вузлів найбільш поширених електронних підсилювачів, приймемо цю складову рівною ±1%, що спів розмірно з результатами, отриманими в (10).

Тепер враховуючи наявність в алгоритмі обробки осцилограм функціональної залежності (2), здійснимо оцінку точності визначення коефіцієнта A_p, який характеризує динамічні властивості давача тиску. Для цього необхідно застосувати методику [12], що стосується непрямих вимірювань, суть якої полягає у геометричному сумуванні часткових похідних з відповідними ваговими коефіцієнтами. Тому диференціюючи по _p і T_p вираз (2) одержимо формулу для обчислення абсолютної похибки ДA_p визначення коефіцієнта A_p:

ДA_p=[B(Д_p²+ДT_p²)^0,5], (11)

де (12)

a=2_pT_p. (13)

В (11) позначено: Д_p, ДT_p -абсолютна похибка визначення частоти пульсацій (Гц) і сталої часу (с) відповідно.

Значення Д_p можна було розрахувати виходячи з означення відносної похибки д_fp вимірювання:

, (14)

де _p - вимірювана частота пульсацій тиску.

Із (14) отримуємо:

. (15)

В [11] показано, що значення похибки д_p може не перевищувати ±0,6%. Це забезпечує можливість обчислення Д_p для будь-яких значень _p.

При визначенні складової дT_p скористаємось результатами експериментальних досліджень динамічних властивостей манометра [10]. Враховуючи, що постійна T_p визначалася із експериментально отриманого графіка перехідної функції як частка від ділення довжини l зафіксованого відрізка до швидкості V руху діаграмної стрічки (це - також непрямі вимірювання), то можна записати, використовуючи формулу сумування НСП при непрямих вимірюваннях [13]:

. (16)

В (16) значення коефіцієнта 1,1 відповідає вибраній довірливій ймовірності Р = 0,95. Враховуючи паспортні дані самописця, отримуємо и_v=1,5%, а застосовуючи відлік довжини l з абсолютною похибкою 0,5мм (півподілки міліметрової шкали діаграми) на довжині близько 50мм діаграми (довжину можна змінювати перемиканням швидкості руху стрічки), отримуємо:

(17)

Крім того, за результатами обробки багаторазового визначення T_p встановлено, що СКВ випадкової похибки його визначення згідно обробки даних за відомими залежностями [12] не перевищує S_Tp = ±0,5%. Похибку визначення постійної часу манометра д_Tp будемо розраховувати за формулою [12]

, (18)

де - СКВ випадкової похибки і НСП визначення постійної часу манометра відповідно; - коефіцієнт Стьюдента при ймовірності 0,95 і числі спостережень n;- коефіцієнт який визначає особливість сумування складових похибки і залежність від довірливої ймовірності та співвідношення .

Тому використовуючи (18), похибка визначення постійної часу д_Tp буде становити

. (19)

В (19) значення коефіцієнта вибрано згідно [13] з врахуванням умови:

 (20)

Аналогічно з (15) запишемо вираз для обчислення абсолютної похибки ДT_p:

. (21)

Відносна похибка визначення сталої часу обчислювалася за формулою:

. (22)

Таким чином, вирази (11), (15), (21), (22) дають можливість кількісно оцінити похибку визначення сталої часу манометра. Цей аналіз здійснений на ПЕОМ стосовно діапазону досліджуваних частот пульсацій тиску, які визначалися частотою обертання колінчастого вала двигуна [14].

Моделювання показало, що більш як двократне зростання частоти для досліджуваного діапазону (5 - 15) Гц зумовлює незначне зростання похибки дA_p, яке не перевищує 2,42%. Тому з достатньою для практики точністю цю похибку можна взяти з деяким запасом, виходячи з її максимального значення.

Похибку дA_p приймаємо рівною НСП и_Ap визначення коефіцієнта A_p, яка чисельно становить ±2,42%.

Таким чином, підставляння розрахованих числових значень складових НСП приводить до результату:

. (23)

Для обчислення СКВ випадкової похибки точності відліку амплітуди пульсацій тиску з осцилограми S_hp скористаємось результатами досліджень, наведених в [10]. Вони вказують, що відхилення вказівника самописця на 3мм зумовлює виникнення похибки, рівної похибці застосовуваного давача тиску (±0,06%). Тому приймаючи точність відліку в межах півподілки міліметрової шкали діаграмної стрічки отримуємо пропорційне зменшення значення похибки, тобто:

(24)

Обчислене відношення вказує, що воно перевищує значення 8, тому згідно [13] за похибку вимірювань амплітуди пульсацій тиску приймаємо невилучену систематичну похибку и_Дp, яка розрахована в (23), і її чисельне значення становить и_Дp= ±3,0%.

Отримане значення похибки хоча і є на перший погляд суттєвим, але воно не перевищує 5%, і кількісно характеризує метрологічні характеристики конкретного несерійного спеціалізованого манометра [10]. Згідно поставлених умов при його розробленні такий результат проведеного метрологічного аналізу в повній мірі задовольняє умовам якісного контролю технологічних параметрів нестаціонарних процесів, які необхідні, наприклад, для побудови розрахунково-експериментальних математичних моделей процесу теплообміну пульсуючих газових потоків [14, 15]. Розроблена метрологічна модель і алгоритм розрахунку похибки можуть бути застосовані для оцінювання метрологічних характеристик будь-яких засобів вимірювання тиску і перепаду тиску за умови нестаціонарності контрольованих параметрів. Практичне впровадження отриманих результатів є актуальним при експериментальних дослідженнях стабільності тиску і відтворюваних витрат газу в еталонних дзвонових витратовимірювальних установках [16] під час їх метрологічних досліджень і атестації, а також при дослідженнях установок для градуювання та повірки лічильників і витратомірів газу з функціонуванням згідно нового способу [17], який передбачає вимірювання миттєвих значень змінного тиску в еталонній ємності фіксованого об'єму.

Література

Захаров В.П., Патыченко А.С., Шелковский Б.И. Разработка и внедрение теплоутилизаци-онного оборудования для газоперекачивающих агрегатов. - М.: ВНИИЭгазпром, 1988. - С.21- 23.

Долішній Б.В., Козак Ф.В.Про утилізацію теплоти відхідних газів двигуна внутрішнього згорання // Вісник держ. у-ту "Львів.політехніка".- Львів, 1998.- С. 92-94.

Скуба Б.Н., Голик В.В., Шульга К.В. Полупроводниковые датчики пульсаций давления // Приборы и системы управления. - 1982. - № 6. - С. 27-28.

Тонкопленочные емкостные датчики для измерения пульсаций давления/А.А.Казарян и др.// Приборы и системы управления.- 1988.- № 7.- С.25-26.

Костюкевич Е.А. Оптические датчики импульсного давления // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - №5. - С. 209-212.

. Пьезоэлектрический преобразователь для измерения больших переменных давлений / Н.Н.Баулин и др. // Приборы и техника эксперимента. - 1978. - № 5. - С. 247-254.

Каталог продукції на 1999 рік ВАТ «Промприлад». ? Надвірна: ЗАТ «Надвірнянська друкарня», 1999. ? 48 с.

Номенклатурный каталог на 2001 год АООТ «Теплоприбор». - Рязань: АООТ «Теплоприбор», 2001. - 288 с.

Преобразователи давления измерительные электрические ИПД. Техническое описание и инструкция по эксплуатации: 3.9026.269 ТО. ? М.: МПО «Манометр», 1991. ? 32 с.

Долішній Б.В., Середюк О.Є. Підвищення точності вимірювання пульсацій тиску нестаціонарних газових потоків // Методи та прилади контролю якості.?2003.?№ 11.?С.97-101.

Долішній Б.В., Козак Ф.В., Середюк О.Є. Аналіз точності визначення частоти нестаціонарних коливань пульсуючих газових потоків // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ: Державний міжвідомчий наук.-техн. зб. - 2001. - Т.6 - № 37. - С.135-140.

Метрологія та вимірювальна техніка / Є.С. Поліщук та ін. - Л.: Бескид БіТ, 2003. - 554 с.

Рабинович С.Г. Погрешности измерений. - Л.: Энергия, 1978. - 262 с.

Дослідження якісних параметрів дизельних двигунів / Б.В.Долішній, Ф.В.Козак, О.Є.Середюк, С.А.Чеховський. // Методи та прилади контролю якості. - 2000.- №5. - С. 79 - 83.

Долішній Б.В. Дослідження тепловіддачі пульсуючого газового потоку // Науковий Вісник Івано-Франківського національного університету нафти і газу. - Івано-Франківськ: Факел. - 2002. - №2 (3). - С.57-61.

Середюк О.Є. Математичне моделювання похибки від непостійності тиску в дзвонових витратовимірювальних установках // Методи та прилади контролю якості. ? 1998. ? № 2. ? С.23-27.

Пат. 54463 Україна, МКВ G01F25/00. Спосіб градуювання та перевірки витратомірів і лічильників газу / В.О. Козак, Б.І. Прудников, О.Є. Середюк, І.С. Петришин, Я.С. Федоришин (Україна). - № 99052563; Заявл. 06.05.99; Опубл. 17.03.03. - 3 с.

Размещено на Allbest.ru