О ВЛИЯНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
НА МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВИХРЕВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ РАСХОДА
С. И. Жулинский, инженер ЗАО «ПромСервис»,
А. М. Митин, к.т.н., зам. генерального директора ЗАО «ПромСервис», г. Димитровград
Вопрос о влиянии температуры теплоносителя на метрологические характеристики преобразователей расхода жидкости долгое время дебатируется на различных семинарах и конференциях, освещается в статьях и докладах. Показания каких типов преобразователей расхода жидкости: электромагнитных, ультразвуковых или вихревых в наименьшей степени зависят от изменения температуры теплоносителя? Корректно ли использование преобразователя расхода, проградуированного и поверенного при температуре 20-25°С, для измерений расхода (объема) теплоносителя при температуре 80-100°С? Как учитывать влияние температуры теплоносителя на метрологические характеристики приборов? Рассуждения по этим и другим, связанным с данной проблемой, вопросам зачастую носят спекулятивный характер, отражающий интересы заинтересованной стороны. Отсутствие должной экспериментальной базы (водомерной установки с подогревом теплоносителя) не способствует квалифицированным ответам на вопросы о влиянии температуры теплоносителя на метрологические характеристики преобразователей расхода различных типов.
ЗАО «ПромСервис» в настоящее время производит преобразователи расхода следующих типов:
- вихревые электромагнитные (Госреестр №№ 14646-00, 24216-03);
- ультразвуковые (Госреестр № 24870-03);
- электромагнитные (Госреестр № 12763/3-02).
Поскольку в распоряжении ЗАО «ПромСервис» имеется водомерная установка с подогревом воды, то мы поставили задачу — определить зависимость метрологических характеристик различных видов преобразователей расхода от температуры жидкости. В данной работе представлены результаты исследований для вихревых электромагнитных преобразователей расхода ВЭПС модификации ВЭПС-ПБ1 (далее по тексту — ВЭПС-ПБ1). Исследования в этом направлении ведутся уже много лет, не даром преобразователи расхода ВЭПС и по настоящее время являются единственными преобразователями расхода, имеющими метрологически подтвержденное значение зависимости коэффициента преобразования от температуры жидкости.
Объем жидкости V, л, протекшей через проточную часть ВЭПС-ПБ1, определяется формулой
V = K N,
где К — коэффициент преобразования объема в число импульсов, л/имп; N — число импульсов на выходе усилителя-формирователя сигнала ВЭПС-ПБ1.
В общем случае коэффициент К зависит от параметров жидкости таких, как скорость потока, температура и т.д. В данной работе определены характер и величины этих зависимостей. Для каждого из исследуемых образцов ВЭПС-ПБ1 (они отличались типоразмерами, геометрией проточной части, формой и размерами тела обтекания, диаметром электрода) были определены значения коэффициентов преобразования при фиксированных (в процессе выполнения измерения) и дискретно меняющихся от измерения к измерению значениях температуры и расхода воды. В процессе измерений нестабильность расхода не превышала ±2%, а температура воды изменялась не более, чем на ±1°С. Для образца ВЭПС-ПБ1, имеющего внутренний диаметр проточной части 32,22 мм, тело обтекания (длина 15,70 мм, а ширина 10,88 мм) с углом раскрытия 42°, результаты эксперимента представлены в таблице 1.
Таблица 1
Значения коэффициентов преобразования K в зависимости от расхода и температуры воды, л/имп.
| Расход, м3/час | Температура воды, °С | ||
| 23 | 40 | 63 | |
| 0,5 | 0,02711 | 0,02756 | 0,02762 |
| 0,8 | 0,02758 | 0,02758 | 0,02749 |
| 1,0 | 0,02760 | 0,02756 | 0,02731 |
| 2,0 | 0,02731 | 0,02711 | 0,02703 |
| 4,0 | 0,02698 | 0,02697 | 0,02698 |
| 8,0 | 0,02704 | 0,02706 | 0,02711 |
| 16,5 | 0,02713 | 0,02718 | 0,02722 |
В ходе градуировки и поверки, выполненной при температуре жидкости, равной 23°С, получено усредненное значение коэффициента преобразования К = 0,02731 л/имп, значение основной относительной погрешности измерений объема в диапазоне расходов от 0,5 до 16 м3/час — не более ± 1,3%. Использование этого значения коэффициента преобразования при измерениях объема в случае повышенных температурах не приводит к практически заметному изменению величины погрешности. В чем нетрудно удостовериться, используя данные из таблицы 1.
В таблице 2 приведены результаты измерений для образца ВЭПС-ПБ1, выпускаемого серийно, с внутренним диаметром проточной части 20,60 мм.
Таблица 2.
Значения коэффициентов преобразования K в зависимости от расхода и температуры воды, л/имп.
| Расход, м3/час | Температура воды, °С | ||
| 20 | 50 | 80 | |
| 0,3 | 0,007990 | 0,008091 | 0,008096 |
| 0,5 | 0,008087 | 0,008091 | 0,008078 |
| 0,8 | 0,008101 | 0,008059 | >0,008055 |
| 1,0 | 0,008076 | 0,008042 | 0,008050 |
| 2,0 | 0,008059 | 0,008051 | 0,008041 |
| 5,0 | 0,008036 | 0,008044 | 0,008038 |
| 8,0 | 0,008040 | 0,008037 | 0,008042 |
В ходе градуировки и поверки, выполненной при температуре жидкости равной 20°С получено усредненное значение коэффициента преобразования К = 0,00805 л/имп, значение основной относительной погрешности измерений объема в диапазоне расходов от 0,3 до 8 м3/час — не более ±0,8%. Использование этого значения коэффициента преобразования при измерениях объема в случае повышенных температурах не приводит к практически заметному изменению величины погрешности. В этом нетрудно удостовериться, используя данные из таблицы 2. Аналогичные результаты получены и для ВЭПС-ПБ1 с типоразмерами от 20 до 80 мм. В силу технических ограничений водомерной установки исследования приборов с типоразмерами более 80 мм не проводили. Тем не менее, выполненные исследования в достаточной мере подтверждают положение об ограничении дополнительной погрешности преобразователей расхода ВЭПС значением 0,05% на каждые 10°С изменения температуры измеряемой жидкости, которая в основном обусловлена температурным расширением трубы проточной части ВЭПС. При учете поправок на температурное расширение трубы метрологические характеристики ВЭПС в диапазоне чисел Рейнольдса Re от 5×103 до 5×105 (рабочий диапазон расходов и температуры) практически не зависят от физических характеристик теплоносителя.
Если результаты из таблиц 1 и 2 представить в виде зависимостей К=f(Re) (рисунки 1, 2), то видно, что определенные при различных значениях температуры теплоносителя значения коэффициентов преобразования в зависимости от числа Re хорошо описываются кривой (погрешность аппроксимации не более ± 0,2 %) характерной для данного прибора.
Рисунок 1
Рисунок 2
Такая кривая может быть получена на водомерной установке, не имеющей подогрева жидкости. Необходимо лишь достаточно подробно исследовать экспериментальную кривую К=f(Re) (рисунки 1 и 2). Отсюда следует, что значение коэффициента преобразования для ВЭПС-ПБ1 с типоразмером 32 мм при расходе жидкости 0,5 м3/час и температуре 63°С с погрешностью, не более ±0,2%, может быть определено при расходе 1 м3/час и температуре 23°С.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности достоверной интерпретации полученных на водомерной установке без подогрева жидкости метрологических характеристик приборов ВЭПС на случай их использования при температурах теплоносителя, отличных от температуры жидкости при метрологической аттестации.
Реализация полученной экспериментальной зависимости К=f(Re) в вычислительном комплексе позволяет с высокой точностью измерять объем жидкости, протекшей через проточную часть преобразователя расхода ВЭПС с учетом конкретных значений физических характеристик жидкости (расход, температура) и изменением геометрических размеров проточной части прибора. Следствием этого является — улучшение точности измерений объема и расширение динамического диапазона расходов, в котором измеряемая характеристика определяется с метрологически обоснованной погрешностью для вихревых электромагнитных преобразователей расхода ВЭПС.
Указанный выше подход был реализован в теплосчетчиках ВЭПС-ДОКАР, которые зарегистрированы в Госреестре средств измерений РФ под номером 24216-03 решением Коллегии Госстандарта РФ от 14.01.03 (Сертификат RU.C.32.004.A № 14043 от 06.02.03) и допущены к применению на узлах коммерческого учета тепла в соответствии с экспертным заключением Госэнергонадзора при Минэнерго РФ под номером 272-ТС от 16.04.03 г. Теплосчетчики соответствуют требованиям ГОСТ Р 51649, международной рекомендации МОЗМ МР 75 и технических условий ТУ 4218-007-12560879-2002. В качестве преобразователей расхода в теплосчетчикахе ВЭПС-ДОКАР используются вихревые электромагнитные преобразователи расхода ВЭПС-М, имеющие динамический диапазон измеряемых расходов до 1:80 с относительной погрешностью не более ±1,0%. В целом теплосчетчик представляет собой многофункциональную, многоканальную систему, которая выполняет измерения, регистрацию, хранение и передачу результатов измерений (через последовательный интерфейс) параметров и количества теплоносителя, количества тепловой энергии в одной, двух или трех системах теплопотребления, или на одном источнике тепла. Каналы теплосчетчика для измерений расхода (до 6 каналов), температуры (до 6 каналов) и давления (до 2 каналов) состоят из преобразователя, линии связи и канала тепловычислителя для измерений соответствующего параметра теплоносителя. Более подробное описание теплосчетчика ВЭПС-ДОКАР приведено в [1].
Выполненные исследования по изучению влияния температуры теплоносителя (в измеряемом диапазоне температур от +15°С до +100°С) на метрологические характеристики вихревых электромагнитных преобразователей расхода ВЭПС-ПБ1 позволяют сформулировать следующие выводы:
- дополнительная погрешность измерений объема преобразователями расхода жидкости ВЭПС от изменения температуры измеряемой жидкости не превышает 0,05% на каждые 10°С изменения и в основном обусловлена температурным расширением трубы проточной части прибора;
- при учете поправок на температурное расширение трубы метрологические характеристики ВЭПС в декларируемом диапазоне расходов теплоносителя 1:32 практически не зависят от физических характеристик теплоносителя;
- результаты метрологической аттестации преобразователей расхода ВЭПС, полученные на водомерных установках без подогрева воды, достоверно (погрешность не более 0,2%) распространяются на случаи эксплуатации приборов ВЭПС при температурах теплоносителя, существенно отличающихся от температуры жидкости при метрологической аттестации.
Для вихревых электромагнитных преобразователей расхода ВЭПС предложен алгоритм учета зависимости коэффициента преобразования К от физических характеристик измеряемой жидкости. Его реализация позволила расширить динамический диапазон измеряемых расходов и повысить точность измерений объема вихревыми электромагнитными преобразователями расхода. Данный подход реализован в теплосчетчиках ВЭПС-ДОКАР.
ЛИТЕРАТУРА
- Теплосчетчик ВЭПС-ДОКАР. Руководство по эксплуатации 4218-007-12560879 РЭ, Димитровград, 2003 г.
Контакты: psv@vinf.ru