Калибровка сопел на образцовой установке

УДК 006.91

М. Л. Шустрова

КАЛИБРОВКА СОПЕЛ НА ОБРАЗЦОВОЙ УСТАНОВКЕ

Ключевые слова: газовый поток, коэффициент расхода, образцовый стенд, калибровка.

В статье приведена классификация сужающих устройств - сопел, нашедших практической применение в расходометрии. Дано описание образцового стенда высшей точности для калибровки сопел, функционирующих по методу критического перепада.

Keywords: gas flow, discharge coefficient, reference installation, calibration.

This paper describes the classification of nozzles which are widely used in practical flow metering. There is resulted description of highest accuracy reference installation for calibration of nozzles functioned by a principle of critical difference ofpressure.

В практике измерения расхода газа достаточно широкое применение имеют сопла. Анализ литературных источников показывает, что профиль внутренних каналов используемых сопел может варьироваться в достаточно широких пределах. Это приводит к тому, что газодинамические характеристики потока на выходе значительно разнятся. Коэффициенты сужения струи, скорости и расхода при этом не остаются постоянными, а принимают значения, присущие конкретной конфигурации профиля. Кроме того, в литературе, посвященной вопросам измерения расхода, имеет место подмена понятия коэффициента расхода. Классическое определение коэффициента расхода сопла - это отношение действительного расхода к теоретическому. В силу того, что на твердых стенках сопла нарастает пограничный слой, где скорость потока меняется от нуля до своего максимального значения, коэффициент расхода оказывается меньше единицы. В то же время, в правилах измерения расхода эта величина представляется больше единицы. Очевидно, что здесь мы имеем дело не с коэффициентом расхода, а с коэффициентом пропорциональности.

В практических приложениях используется нормальное, коноидальное и коническое

сопла.

Коноидальные сопла имеют форму струи, выходящей из отверстия. Коэффициент сужения этих сопел равен единице, то есть дополнительного сжатия струи после среза такого насадка не происходит. Традиционно считается, что коноидальные сопла обеспечивают наибольшее значение коэффициента расхода.

Нормально сопла представляет собой устройство, отверстие которого со стороны входа потока имеет плавную скругленную часть, а со стороны выхода - развитую цилиндрическую конфигурацию. Профильная часть сопла выполняется плавным сопряжением дуг.

Конические сходящиеся сопла имеют линейный профиль сужения. значения их коэффициентов расход, сужения струи и скорости зависит от конусности и длины сопла [1].

Соотношение размеров, которые должны быть выдержаны при изготовлении рассмотренных выше сопел, приведены в [2].

Современные требования к измерительным системам расхода и количества столь высоки, что не позволяют использовать среднестатистические газодинамические характеристики. Поэтому возникла прямая потребность в опытном определении, в частности, значений коэффициентов расхода.

С этой целью во Всероссийском научно-исследовательском институте была создана исходная расходомерная установка расхода газа [3]. Схема установки представлена на рис.1. Ее непосредственное назначение - калибровка критических сопел в диапазоне от 0,003 до 100 м3/час с среднеквадратической погрешностью измерения 0,035%. Значение неисключенной систематической погрешности составляет 0,04%.

*1 ^

Рис. 1 - Схема установки

Комплекс состоит из двух частей - установки для проведения опыта и пульта управления и вычисления.

Основными составными элементами исходной эталонной установки являются:

- весоизмерительный узел;

- испытательный участок;

- информационно-измерительный комплекс;

- вспомогательные узлы и приборы.

Весоизмерительный узел включает газосборный сосуд (далее - ГСС) с весокомпенсирующим устройством и прецизионные весы.

Весокомпенсирующее устройство, представляет собой конструкцию, состоящую из погружен в емкость с водой, которая расположена над газосборным сосудом, таким образом, что вес ГСС и выталкивающая сила, действующая на понтон в емкости, направлены диаметрально противоположно. При этом понтон и ГСС соединены металлической рамой, обеспечивающей взаимодействие сил. Объем понтона рассчитан таким образом, что действие выталкивающей силы равняется весу пустого ГСС и дополнительных элементов конструкции

(т'| ~ |АГ| • Так как направление сил противоположно, то они компенсируют друг друга и

масса ГСС на весах будет равна нулю. Это обеспечивает высокую точность измерений и упрощает сам процесс измерения массы газосборочного сосуда.

Воспроизведение единиц объемного и массового расхода осуществляется непосредственно на измерительном участке, где монтируются поверяемые эталонные критические сопла. Заканчивается он электромагнитным клапаном со встроенными фотодиодами, которые предназначены для формирования сигналов для отсчета времени открытого состояния клапана.

Информационно-измерительный комплекс включает средства измерений времени, давления, температуры и влажности рабочей среды, а также ЭВМ с необходимыми элементами сопряжения.

Вспомогательные узлы и приборы:

- вакуумный насос;

- вакуумметр, для измерения абсолютного давления в ГСС в начале работы установки;

- ручной кран на месте сопряжения ГСС с вакуумным насосом.

Поверенные сопла используют в составе рабочих эталонов, которые предназначены для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Конструкция и состав исходной эталонной установки обеспечивают воспроизведение и измерение массового расхода газа абсолютным методом, который основан на уравнении, математически выражающем понятие производной физической величины - массового расхода в данном случае, то есть масса газа, протекающего через контрольное сечение потока в единицу времени, который вычисляют по формуле:

Ят =—

X

где т- масса газа, измеренная эталонным весоизмерительным устройством, кг;

X- время заполнения ГСС, с;

Контрольное сечение - произвольное поперечное сечение проточного канала сверхзвукового сопла, которое является объектом поверки или калибровки и средством передачи размеров единиц расхода подчиненным средствам измерений [2].

Полный цикл измерений включает следующие операции[3]:

- вакуумирование ГСС;

- взвешивание «пустого» сосуда;

- заполнение ГСС через критическое сопло рабочей средой с одновременной регистрацией ее давления, температуры, влажности;

- измерение времени заполнения ГСС;

- взвешивание заполненного ГСС.

По результатам измерений рассчитывают пропускную способность поверяемого сопла по объемному ЯУст и по массовому Ядст расходам для воздуха при стандартных условиях.

Поверенные сопла используют в составе рабочих эталонов, предназначенных для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.

Каждому конкретному критическому соплу свойственны свои индивидуальные, сохраняющиеся во времени и в пространстве значения объемного ЯУсс и массового расхода

Ядсс .

Таким образом, критические эталонные сопла являются беспрецедентно точными, стабильными и надежными средствами хранения, воспроизведения и передачи размеров единиц расхода газа.

При проведении калибровки эталонных критических сопел должны выполняются требования СТП2567988-07 [4], а также дополнительные условия, приведенные в МК 2567988-03-2009[3].

Проведение калибровки критических сопел на данной исходной установке производится в следующем порядке.

Эталонное критическое сопло устанавливают и закрепляют в разъеме испытательного участка установки. Вакуумнасосом откачивают воздух из ГСС до достижения значения абсолютного давления в диапазоне от 0,05 до 0,1 кгс/см2, давление в ГСС при этом измеряется вакуумметром. Затем закрывают кран и отстыковывают от него соединительный шланг насоса. Для обеспечения большей точности и меньшего влияния возмущающих воздействий, на весы помещаются эталонные гири, играющие роль балластного груза, манипулируя которыми добиваются такого состояния, чтобы показание весов соответствовало от 200 до 300 г. Это масса «пустого» ГСС.

На рис.2 приведена компьютерная запись сигнала при балластном взвешивании (Участок 1).

Далее помещение, в котором находится установка, изолируют - занавешивают штору, для уменьшения движения воздуха, что влияет на точность измерения.

Перед непосредственным началом калибровки оператор регистрирует исходные результаты измерений:

- атмосферного давления Од, Па;

- температуры воздуха в помещении tв

- относительной влажности воздуха в помещении ф, %;

- показания весов т1, г.

1100

1000

900

800

700

600

500

400

Участок 1

300

200

10 20 30 40 50 60 70 80 90 I. С

-10

Рис. 2 - График результата измерения веса системы, участок 1 - на этапе контрольного взвешивания ГСС (без наполнения воздухом), участок 2 - период заполнения системы

После этого выдается электрический сигнал на открытие клапана на линии установки сопла нажатием кнопки управляющего устройства клапана и запуск таймерного устройства. Начинается засасывание воздуха из окружающей среды через калибруемое эталонное критическое сопло в ГСС и отсчет времени заполнения сосуда т.

По истечении расчетного времени трасч выдается команда (электрический сигнал) на закрытие клапана., после чего заполнение ГСС и отсчет времени заполнения т прекращаются (рис.2 участок 2).

Регистрация результата измерений неуравновешенной массы ГСС после его заполнения воздухом т2 производится после затухания колебаний подвижной части весоизмерительного узла, после чего процесс калибровки считается завершенным.

С целью повышения надежности результатов калибровки, данную процедуру проводят не менее 11 раз.

Таким образом, точность измерений зависит от:

- соблюдения требований стандарта предприятий при проведении калибровки;

- точности средств измерений;

- параметров рабочей среды (окружающего воздуха);

- изменения параметров рабочей среды во времени, т.е. от качества поддержания их постоянными во времени.

Обработка экспериментальной информации на втором участке позволяет определить действительный расход. Значение теоретического расхода при этом вычисляется по зависимости [5]

Здесь

к = - показатель адиабаты

Су

Ратм, Татм - атмосферная температура и давление Гкр -радиус критического сечения

Вычисленные значения действительного и теоретического расхода позволяют

непосредственно рассчитать значение коэффициента расхода сопла как а = ——

—о

Литература

1. Фафурин, А. В. Пульсации параметров энергоустановок как средство управления и экономики / А.В. Фафурин, Я.З. Гузельбаев //Вестник Казан. технол. ун-та - 2011. - Т. 14, №15. - С.256-259.

2. Справочник машиностроителя. Том 2. Под ред. Н.С. Ачеркана М.: МАШГИЗ,1960-740с

3. МК 2567988-03-2009. Методика калибровки эталонных критических сопел при атмосферном давлении на исходной эталонной установке Государственного первичного эталона единиц объемного и массового расходов газа ГЭТ 118-2006. - Казань: ФГУП ВНИИР, 2009. - 22 с.

4. СТП 2567988-07. Стандарты предприятия. Требования к поверочным и калибровочным подразделениям. Общие положения. - Казань: ФГУП ВНИИР, 2007. - 8 с.

5. Виноградов, Б.С. Прикладная газовая динамика / Б.С. Виноградов. - М.: Университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы, 1965. - 348 с.

© М. Л. Шустрова - асс. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КНИТУ, marishu@inbox.ru.