Исследование метрологических характеристик ультразвукового расходомера

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО РАСХОДОМЕРА

И.Ю. Еремин

Проведены теоретические исследования воздействия факторов, влияющих на точность ультразвуковых расходомеров, установленных на нефтепроводах и измеряющих объемный расход нефти. Отмечена необходимость коррекции показаний расходомеров в зависимости от параметров нефти как способ повышения точности расходомеров.

Работа акустических расходомеров основана на измерении зависящего от расхода нефти физического параметра, формирующегося в нефтяном потоке при прохождении через него акустических колебаний. Практическое применение получили измерительные приборы, действие которых основано на измерении разности времени (Дt) прохождения акустических колебаний по потоку и против потока жидкости. Результат измерения количества нефти (Qo, м3/мин) такими расходомерами определяется соотношением [1]

,

где D - внутренний диаметр поперечного сечения трубопровода, б - угол между осевой линией трубопровода и линией (обозначим эту линию символом lc), соединяющей пару (приемник - передатчик) акустических преобразователей, k - коэффициент, величина которого зависит от отношения средних скоростей жидкости, пересекающей: а) линию lc, б) диаметр сечения трубопровода; с - скорость распространения акустических колебаний в неподвижной жидкости (нефти).

При условии точной идентификации параметров D, с, k, Дt, б формула (1) используется для калибровки ультразвуковых расходомеров (УЗР). В справочнике [1] приведены метрологические характеристики УЗР и их количественные значения при стандартных значениях внешних воздействующих факторов (ВВФ). В данной работе рассмотрена зависимость систематической погрешности этого устройства при ожидаемой вариации плотности с и вязкости н нефти. Учет воздействия на УЗР температуры и давления нефти проводится путем автоматической коррекции его показаний в соответствии с величинами коэффициента термического расширения материала датчика УЗР и трубопровода, а также согласно изменениям от давления геометрических размеров УЗР и трубопровода. Если результатом исследования УЗР является формирование зависимости погрешности этого прибора от плотности с и вязкости н нефти, тогда (1) представим в виде

,

где Ко - константа [1], зависящая от конструкции УЗР и количественно определяемая при стандартных значениях ВВФ (параметры нефти - температура T= + 20 оС, вязкость н = 20 сСт, плотность с= 850 т/м3, давление Р= 0,3 МПа) по формуле

В соответствии с (1) зависит от с и н, причем эта зависимость определяется также и структурой потока нефти; экспериментально установлено, что турбулентный поток (в отличие от ламинарного) уменьшает эту зависимость, поэтому в реальных условиях УЗР дополняется устройством создания турбулентного потока.

Обычно разработчик УЗР стремится обеспечить компенсационный учет изменения с, н в процессе эксплуатации расходомера. С этой целью при разработке расходомера подбирают ориентацию каждого из зондирующих каналов УЗР в сечении трубопровода, но полной независимости показаний прибора от упомянутых факторов добиться не удается. Для определения влияния с, н на результаты измерений автором данной работы были проведены поверочные испытания партии из трех ультразвуковых 5-канальных УЗР типа Altosonic V (с устройством создания турбулентного потока) и применением в качестве образцового средства измерений трубопоршневой установки (ТПУ) 1-го разряда; методика измерений и характеристики ТПУ описаны в работе автора [2]. Для Altosonic V конструктивные параметры имели следующие значения: условный диаметр D = 250 мм (0,25 м), угол наклона акустического канала б = 45 градусов, поэтому Ко = 0,09817 (м), измерения проводились при постоянной температуре нефти: Т = + 24,5 оС - для ТПУ, Т= + 24,6 оС - для УЗР; давлении Р= 0,97 МПа - для ТПУ, Р= 0,96 МПа - для УЗР. Величина Qo измерялась ТПУ; результаты измерений, формируемые УЗР, представлены в табл. 1 в нормированном виде:

,

при этом каждое значение qузр - это среднее арифметическое пяти последовательно проведенных измерений.

Таблица 1 Экспериментальные значения qузр

При использовании полиномиальной аппроксимации для qузр , %, запишем. ультразвуковой расходомер погрешность аппроксимация

,

где b1j, b2i, - константы, численные значения которых формируются в процессе испытания УЗР при вариации с и н, R= 1 сСт-1, r = 1 м3?т -1, значение N определяется требующейся точностью аппроксимации функции q(с, н)узр. Константы b1j, b2i определяются в результате решения системы линейных (относительно b1j, b2j ) уравнений (4) при N = 5. Результаты решения представлены в табл. 2.

Таблица 2 Константы b1j, b2i, i, j = 0, 1, 3, 4, 5

Для знакопеременных рядов b1j, b2i, i, j[1; N] относительная погрешность дq аппроксимации q(с, н)узр не превышает величины

,

где нк и ск - значения вязкости и плотности нефти при калибровке УЗР.

При н [5; 35] сСт, нк= 20 сСт и с [0,8; 0,89] т/м3, ск= 0,85 т/м3 величина дq ? 0,158 %.

После определения функции q(с, н)узр калибровочная характеристика (2) имеет вид (с учетом (3) и (5))

.

Используя (6), исследуем погрешность (Q) УЗР при изменении порознь вязкости и плотности нефти. Результаты расчетов Q представлены на рис. 1, где

%

Рис. 1. Систематическая погрешность УЗР при Qo = 30,5 м3/мин, с [0,8; 0,89] т/м3, нк = 20 сСт, ск = 0,85 т/м3: линия 1 - н = 5 сСт, линия 2 - н = 10 сСт, линия 3 - н = 15 сСт, линия 4 - н = 20 сСт, линия 5 - н = 25 сСт, линия 6 - н = 30 сСт, линия 7 - н = 35 сСт

Отметим случайную дост - размах случайной погрешности УЗР, обусловленную несовершенством технологии его производства. Если факторы, формирующие dF и дост, считать статистически независимыми, то результирующая погрешность дузр составит

.

Рис. 2. Систематическая погрешность УЗР с автоматической корректировкой его показаний по текущим значениям плотности и вязкости нефти при Qo[10,5, 30,5] м3/мин, дост = 0,1%, нк = 20 сСт, ск = 0,85 т/м3: линия 1 - с = 0,8 т/м3, н = 5 сСт, линия 2 - с = 0,8 т/м3, н = 35 сСт, линия 3 - с = 0,89 т/м3, н = 5 сСт, линия 4 - с = 0,89 т/м3, н = 35 сСт

Результаты расчетов по (8) при учете (7) иллюстрируются рис. 2.

Выводы

1. В диапазоне расходов наблюдается практически линейная зависимость систематической погрешности измерений расхода ((Q)) от параметра вязкости контролируемой нефти. Это факт подтверждается семейством графиков, изображенных на рис. 1.

2. При отсутствии коррекции по вязкости и плотности погрешность измерений расхода ((Q) изменяется от минус 0,075 % до плюс 0,085 % (интервал изменений погрешности составляет 0,16 %).

3. При наличие коррекции по показателям плотности и вязкости нефти систематическая погрешность УЗР может быть снижена до значения 0,003 %, причем в основном за счет учета изменения вязкости нефти; остается случайная погрешность дост= 0,1%.

Библиографический список

1. Расходомеры и счетчики количества: Справочник / П.П. Кремлевский. Л.: Машиностроение, 1989. 701 с.

2. Еремин И.Ю. Экспериментальные исследования информационно-измерительных систем энергоносителей // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. Самара, 2006. №40. С.71-74.

Размещено на Allbest.ru