bbk 000000

УДК 628.17.08:681.121

Лурье М. С., Лурье О. М.

Оценка случайной погрешности вихревых расходомеров в процессе эксплуатации

Аннотация

Рассматривается методика оценки случайной погрешности вихревых расходомеров и водосчетчиков в процессе их эксплуатации. Методика основана на статистической обработке измерений мгновенных значений периода вихреобразования расходомера, установленного в рабочем трубопроводе. Приведена схема подключения вихревого расходомера, выполненного в погружном варианте, что значительно удешевляет и упрощает конструкцию и делает такие приборы пригодными для измерения расхода в трубопроводах большого диаметра и открытых каналах.

Ключевые слова

водосчетчик , расходомер , трубопровод , погрешность измерения , методика оценки погрешности

Скачать статью в журнальной верстке PDF

В теплоэнергетике и системах водоснабжения для измерения расхода используются вихревые расходомеры. Некоторые из них, например преобразователи расхода ВЭПС различных модификаций или расходомеры Метран 300ПР, проходят поверку на поверочных установках, другие, например погружные водосчетчики СХВВ или «Фотон», допускают проведение периодической поверки на имитационных стендах [1].

При соблюдении правил монтажа на рабочем трубопроводе систематические погрешности поверенного прибора, зависящие от точности изготовления деталей, шероховатости трубопровода, температуры и других конструктивных факторов, не должны выходить за нормированные пределы. Поэтому погрешность расходомера в условиях эксплуатации не должна превышать значений, полученных в процессе поверки [2].

Однако случайные погрешности, которые возникают в реальных условиях эксплуатации из-за нарушения режима течения жидкости, влияния регулировочной арматуры, вибраций и помех, в процессе поверки учесть невозможно. Иногда поверенный на стенде и соответствующий паспортным характеристикам прибор при установке на реальном объекте может иметь погрешность, превосходящую допустимую, за счет появления неучтенной случайной составляющей.

Для вихревых расходомеров соответствие частоты вихреобразования и скорости потока среды носит статистический характер. Отдельные вихри могут образовываться чуть раньше или позже, но в среднем с высоким коэффициентом корреляции соблюдается пропорциональность между частотой и средней скоростью потока. К частоте вихреобразования в некоторых литературных источниках применяется термин «преобладающая», что подчеркивает ее вероятностный характер. Поэтому оценивать текущий расход по отдельному периоду частоты вихреобразования нельзя. В подтверждение данного положения на рис. 1 представлены экспериментальные данные колебаний мгновенного значения расхода, определенные по каждому периоду частоты вихреобразования для водосчетчика «Фотон» при среднем значении расхода 1,135 м³/ч на проливной установке.

При измерении частоты или периода вихреобразования необходимо производить некоторое усреднение полученных значений. Объем такого усреднения зависит от величины девиации частоты вихреобразования. При больших ее значениях усреднение производится по большему количеству периодов. По этой причине в состав измерительного тракта вихревых частотомеров входит делитель частоты.

Случайную составляющую погрешности можно снизить практически до нуля, если увеличивать количество измерений частоты вихреобразования. Однако количество измерений, т. е. коэффициент деления частоты в тракте прибора, является фиксированной величиной и определяется как значением допустимой случайной погрешности, так и требуемым весом импульса на выходе прибора, который должен соответствовать входным параметрам вторичного счетчика-индикатора, теплосчетчика или другой измерительной системы.

На реальном трубопроводе вследствие указанных выше причин флуктуация периода вихреобразования может быть больше, чем в условиях поверки. Ее измерение дает возможность оценить случайную погрешность прибора при работе в конкретных условиях эксплуатации. Согласно ГОСТ 8-009-84 [3], для аналоговых и аналого-цифровых преобразователей нормируются верхняя и нижняя границы интервала (доверительный интервал), в котором с заданной вероятностью находится основная погрешность.

Найдем при коэффициенте деления n доверительный интервал ДИ, попадание в который измеренной величины периода выходной частоты прибора T_вих составит вероятность P. Измеренное значение можно представить в виде:

где K_р – коэффициент, зависящий от вида закона распределения погрешности и от заданной вероятности; [T_i] – среднеквадратичное отклонение измеряемой величины, в нашем случае периода частоты вихреобразования, с; T_о – математическое ожидание периода вихреобразования, с.

Обычно коэффициент K_р находят по графикам, приведенным в справочной литературе, например в методических рекомендациях РД 50-453-84 [4]. При ориентировочных оценках погрешности допускается значение K_р вычислять по формуле, которая дает завышенные значения:

K_р = 5(P – 0,5).             (2)

В выражении (1) второе слагаемое является искомой дополнительной случайной погрешностью, вызванной отличием эксплуатационных условий работы прибора от условий поверки.

Таким образом, измеряя в течение некоторого времени мгновенное значение периода вихреобразования расходомера, установленного в рабочий трубопровод, можно определить его среднеквадратичное отклонение и, зная коэффициент деления, установленный в приборе, прогнозировать случайную погрешность прибора при работе в конкретных условиях эксплуатации.

Измерение периода вихреобразования можно осуществлять, обрабатывая выходные отсчеты АЦП, встроенного в микропроцессор. На рис. 2 приведена схема подключения приборов к погружному вихревому расходомеру «Фотон».

Данная методика была реализована с помощью специальной программы, написанной на языке Delphi. В программе задаются: расход Q (ориентировочное значение), по величине которого вычисляется требуемое время записи t; диаметр трубопровода D; температура жидкости t_ж; коэффициент деления n, установленный в приборе; коэффициент K_р; допустимая погрешность на данном диапазоне измерения %_доп. Кроме того, заданы конструктивные значения тела обтекания вихревого расходомера – характеристический размер d и число Струхаля Sh.

По исходным данным определяются:

скорость течения жидкости

число Рейнольдса (относительно тела обтекания расходомера)

время записи (исходя из минимального количества отсчетов 300)

где  – кинематическая вязкость (определяется по заданной температуре жидкости).

После подачи команды происходит запись отсчетов, поступающих с АЦП микропроцессора в течение требуемого времени t. Далее производится обработка записи: определяется математическое ожидание расхода и среднеквадратичное отклонение отдельных измерений [T_i].

Ожидаемая случайная погрешность прибора ∆%_сл:

Выводы

Предложенная методика оценки случайных погрешностей, возникающих в процессе эксплуатации вихревого расходомера непосредственно на рабочем трубопроводе, позволяет не только подтвердить соответствие реальной погрешности прибора заявленному значению, полученному на проливной установке в лабораторных условиях, но и оценить пригодность конкретного измерительного участка трубопровода к установке в него вихревого расходомера. Применение методики особенно актуально для погружных расходомеров, устанавливаемых непосредственно в рабочий трубопровод или открытый канал, так как влияние эксплуатационных условий на работу прибора в этом случае проявляется в наибольшей степени.

Список цитируемой литературы

1. Лурье М. С., Волынкин В. Н., Шейнин Э. М. Имитационная поверка погружных кондуктометричес­ких вихревых расходомеров // Измерительная техника. 2005. № 12.
2. Лурье О. М., Елизарьева М. Ю. Анализ погрешностей, возникающих при монтаже погружных вихревых расходомеров // Энергосбережение и водоподготовка. 2003. № 3.
3. ГОСТ 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характерис­тики средств измерений / Нормирование и использование метрологических характерис­тик средств измерений. – М.: Изд-во стандартов, 1998.
4. РД-50-453-84. Методические указания. Характеристики по­грешности средств измерения в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета. – Там же.