СПОСОБ КАЛИБРОВКИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ-СЧЕТЧИКОВ РАСХОДА И ОБЪЕМА ЖИДКИХ ОДНОФАЗНЫХ СРЕД
CALIBRATION METHOD UNDER OPERATING CONDITIONS OF ULTRASONIC FLOW METRES - COUNTERS OF FLOW RATE AND VOLUME OF LIQUID SINGLE-PHASE MEDIA

Способ калибровки в условиях эксплуатации ультразвуковых расходомеров-счетчиков (далее счетчиков) расхода и объема жидких однофазных сред относится к расходоизмерительной технике.
При выпуске из производства единственным прямым способом установить метрологические характеристики ультразвукового счетчика является процедура его калибровки, выполняемая методом сличения показаний счетчика с высокоточным эталоном объема (т.е. выполняется «проливка» ультразвукового счетчика на эталонной установке). В настоящее время ведущие производители ультразвуковых счетчиков объема жидких сред, в частности нефти, воды, природного газа, в качестве высокоточных эталонов объема используют либо колокольные пруверы, являющиеся первичными эталонами объема, либо громоздкие эталонные установки с прокачкой рабочей среды (воздух, природный газ), размещенные на заводе и обладающие прослеживаемостью к первичным эталонам - колокольным пруверам. Парк вышеуказанных эталонных средств измерений объема газообразных сред (воздуха, природного газа), применяемых при проливном методе калибровки (поверки), исчисляется единицами во всем мире.
Несмотря на явные достоинства, проведение периодических калибровок ультразвуковых счетчиков объема жидкостей (газов) (особенно больших диаметров - 300 мм и более) в процессе их эксплуатации с использованием высокоточных эталонов объема, сопряжено с большими трудозатратами и существенной потерей времени. Большие трудозатраты и потери времени связаны с тем, что счетчик необходимо снять с трубопровода, доставить до места расположения эталона объема, провести калибровку во всем диапазоне измерений, отвезти обратно и снова установить на трубопровод.
В связи с этим имитационные способы и методы калибровки (поверки), в частности, ультразвуковых счетчиков газа приобретают особую актуальность. Типичным примером имитационного метода поверки является утвержденная ФГУП «ВНИИМС» в 2004 г. и применяемая в условиях эксплуатации методика поверки ультразвуковых расходомеров-счетчиков объема газа Qsonic, Check Sonic фирмы "Elster Instromet", Бельгия. Эта методика поверки основана на измерениях скорости звука при распространении ультразвуковых сигналов вдоль акустических путей счетчика в неподвижной среде и определении скорости газового потока при нулевом усредненном объемном расходе. Полученные результаты измерений скорости звука сравнивают с ее эталонным значением в неподвижном газе, которое рассчитывают по известным компонентному составу и параметрам состояния: абсолютному давлению и абсолютной температуре; «нулевая скорость потока» также должна удовлетворять установленному критерию. Проведенные сличения позволяют вынести суждение о поверке ультразвукового счетчика объема газа (и только). Рассмотренная имитационная методика поверки не позволяет выполнить калибровку счетчика в динамическом режиме работы, т.е. в произвольной точке диапазона измерений, следовательно, невозможна калибровка счетчика во всем диапазоне измерений. Подобные «нулевые» имитационные методики поверки (без использования эталонов объема) применяют и для других типов ультразвуковых счетчиков объема жидких сред, однако ни одна из них не позволяет выполнить калибровку счетчика во всем диапазоне измерений.
Настоящее изобретение: способ калибровки ультразвуковых счетчиков объема жидких однофазных сред позволяет выполнить калибровку без прямого использования эталона объема в условиях эксплуатации во всем диапазоне измерений, или, по крайней мере, в одной точке этого диапазона, обусловленной рабочими условиями.
Согласно общедоступным сведениям, известным на текущий момент времени, аналогов этому изобретению не имеется.
Как отмечалось выше, в процессе эксплуатации ультразвуковых счетчиков часто возникает необходимость проверки их метрологических характеристик. Без такой проверки невозможно вынести суждение об исправности прибора и, следовательно, о правильности измерений объема однофазной жидкой среды.
В соответствии с запросами практики объектом настоящего изобретения является способ калибровки в условиях эксплуатации ультразвуковых расходомеров-счетчиков расхода и объема жидких однофазных сред. Применительно к ультразвуковому счетчику объема жидкой однофазной среды, который имеет «m» акустических путей, этот способ калибровки включает следующие действия:
- проверку правильности измерений времен распространения ультразвуковых сигналов вдоль акустических путей счетчика по результатам сравнения измеренных счетчиком для каждого акустического пути скоростей звука в покоящейся среде с эталонной скоростью звука для этой же неподвижной среды теми же параметрами состояния (в случае природного газа эталонное значение скорости звука в неподвижной среде находят с помощью компьютерной программы, реализующей алгоритм расчета термодинамических параметров природного газа, приведенный в международном стандарте ISO 20765-1 "Natural gas - Calculation of thermodynamic properties - Part 1: Gas phase properties for transmission and distribution applications".
- при обнаружении недопустимых отличий скоростей звука в неподвижной среде, характерных для каждого акустического пути, друг от друга и от эталонной скорости звука необходимо внести корректировки в процедуру измерения и регистрации времен распространения ультразвуковых сигналов вдоль акустических путей счетчика для различных точек диапазона измерений;
i
- для корректировки встроенных каналов измерения времен распространения ультразвуковых волн вдоль акустических путей счетчика задают значение усредненного объемного расхода (объема) Q в произвольной i-й точке в пределах диапазона измерений вблизи номинального значения усредненного объемного расхода, известного по результатам предыдущих измерений этой величины при существующем режиме работы трубопровода;
i
- для заданного значения объема Q определяют число Рейнольдса Re и в зависимости от значения числа Re в центральном поперечном сечении ультразвукового счетчика определяют распределение продольной массовой скорости потока, используя представления о степенном распределении скорости развитого турбулентного течения в поперечном сечении трубы, согласно [1]: Г.Шлихтинг. «Теория пограничного слоя», издательство «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1974;
- опираясь на известные: эталонную скорость звука в неподвижной среде и распределение скорости развитого турбулентного течения в поперечном сечении измерительного канала счетчика, программным путем рассчитывают времена распространения ультразвуковых волн в движущейся среде вдоль акустических путей для i-й выбранной точки по усредненному объемному расходу (объему);
- посредством запорной арматуры перекрывают поток, проходящий сквозь счетчик, сохранив в измерительном канале давление и температуру среды;
- с помощью частотомера настраивают выход генератора звуковых импульсов на частоту, соответствующую одному из вышеопределенных времен распространения ультразвуковой волны вдоль какого-либо акустического пути счетчика; далее, подсоединяя выход звукового генератора к излучателю ультразвуковых импульсов вдоль выбранного акустического пути, корректируют канал измерения времени распространения для этого пути; затем корректировку измерения времени распространения ультразвуковых сигналов выполняют для каждого из оставшихся «m-1» каналов (акустических путей счетчика);
f
- после корректировки каждого канала измерения времени прохождения ультразвуковым сигналом соответствующего акустического пути для i-й выбранной точки диапазона измерений объема открывают запорную арматуру, снова возобновляют поток среды сквозь счетчик и получают результат измерения объема среды Q по показаниям счетчика (фактический объем);
f
f
- используя сертификат калибровки ультразвукового счетчика, оформленный при его выпуске из производства, и применяя линейную интерполяцию приведенных в сертификате экспериментальных данных, полученных с помощью эталона объема, находят поправку e к фактическому усредненному объемному расходу Q однофазной текущей среды;
i
i
i
f
f
- как и в предыдущем пункте, на основании сертификата калибровки ультразвукового счетчика вычисляют поправку e для заданного усредненного объемного расхода среды Q; если эти поправки (e, e) удовлетворяют критерию соответствия, то поправка e может быть введена в программный комплекс счетчика;
f
i
- для завершения процедуры калибровки необходимо заново рассчитать с учетом полученных поправок e и e усредненный коэффициент корректировки текущих показаний ультразвукового счетчика во всех точках диапазона измерений.
Если имеется возможность изменения в условиях эксплуатации усредненного объемного расхода жидкой среды, то в случае надобности описанный способ калибровки может быть реализован в нескольких точках диапазона измерений.
При практической реализации вышеописанного изобретения проверку правильности измерения времен распространения ультразвуковых сигналов в движущейся среде вдоль акустических путей счетчика, например в случае измерения объема природного газа проводят следующим образом:
- с помощью соответствующей компьютерной программы по известным параметрам состояния: абсолютным температуре и давлению и компонентному составу газа, рассчитывают эталонную скорость звука в неподвижном природном газе того же состава и находящегося при тех же параметрах состояния; для вычисления эталонной скорости звука в неподвижном газе используется фундаментальное уравнение состояния природного газа AGA8, которое в форме свободной энергии Гельмгольца приводится в ISO 20765-1, аутентичный перевод ГОСТ Р 8.662-2009;
- сравнивают между собой значения скорости звука в неподвижной среде, полученные по результатам измерения времен распространения ультразвуковых волн по - и против - потока вдоль каждого акустического пути счетчика; эти же значения скорости звука сравнивают с эталонной скоростью звука в неподвижной среде; скорости звука, полученные экспериментальным путем, в случае природного газа, не должны отличаться друг от друга более чем на 0,2% и от эталонной скорости звука более чем на 0,4%.
Для экспериментального определения скорости звука в неподвижной среде в вычислителе счетчика используется выражение, полученное из уравнений задачи измерения объема жидкой однофазной среды, которые отражают принцип измерений, положенный в основу работы ультразвукового счетчика; эти уравнения измерительной задачи приводят к следующей формуле для скорости звука в неподвижной среде:
,
где
k
l - длина k-го акустического пути счетчика;
fk
k
t - время прохождения ультразвуковой волной расстояния l при распространении по потоку;
rk
k
t - время прохождения ультразвуковой волной расстояния l при распространении против потока.
fk
rk
k
Подставляя в приведенную формулу результаты измерений времен t и t при заданной длине l, экспериментальным путем найдем скорость звука в неподвижной среде. Эти вычисления, как обработка первичных экспериментальных данных, проводятся вычислителем счетчика автоматически для каждого акустического пути.
i
При необходимости корректировки встроенных каналов измерения времен распространения ультразвуковых сигналов вдоль акустических путей для заданного усредненного объемного расхода Q рассчитывают число Рейнольдса, используя его определение:
,
z
где ν - среднемассовая продольная скорость потока (далее для сокращения записи будем применять название «средняя скорость», имея в виду среднюю по поперечному сечению скорость жидкой среды, она же среднемассовая скорость);
d - диаметр трубы (измерительного канала счетчика);
ρ, µ - плотность и динамическая вязкость однофазной жидкой среды в рабочих условиях.
В зависимости от полученного значения числа Рейнольдса в соответствии с экспериментальными результатами, приведенными в [1], выстраивают степенное распределение продольной скорости потока в центральном поперечном сечении измерительного канала счетчика:
где u=u(r) - текущее значение продольной скорости потока при перемещении наблюдателя вдоль оси координат поперек потока (трубы);
- радиус-вектор точки в поперечном сечении трубы; (ось z цилиндрической системы координат ориентирована вдоль центральной продольной оси трубы в направлении потока):
R - радиус поперечного сечения трубы; d=2R;
n - целое число (6, 7, 8, 9, 10), входящее в показатель степени распределения скорости потока.
Вышеприведенное распределение скорости потока отвечает всем требованиям, предъявляемым к турбулентному течению вязкой жидкости (хотя вязкость среды может быть очень мала). В центре поперечного сечения трубы скорость потока достигает своего максимального значения, т.е. u(0)=U при r=0. На стенке трубы имеет место условие прилипания вязкой жидкости, которое выполняется как при ламинарном, так и при турбулентном режимах течения, т.е. u(R)=0 при r=R.
Показатель степени в формуле распределения скорости в поперечном сечении трубы выбирают в соответствии с неравенствами:
3
4
если 4,0·10≤Re≤5,0·10, то n=6;
4
5
если 5,0·10≤Re≤5,5·10, то n=7;
5
6
если 5,5·10≤Re≤1,5·10, то n=8;
6
6
если l,5·10≤Re≤2,8·10, то n=9;
6
6
если 2,8·10≤Re≤3,24·10, то n=10;
6
если Re≥3,8·10, то n=j, j - открытый параметр, вещественное число.
Максимальная скорость развитого турбулентного течения на центральной продольной оси трубы и средняя скорость потока связаны соотношением
,
Соответственно, для усредненного объемного расхода имеет место выражение
i
Последнее равенство используют для вычисления максимальной скорости потока U в центре поперечного сечения трубы при построении распределения скорости потока в этом сечении при заданном усредненном объемном расходе (объеме) среды Q.
k
k
0
i
0
После того как построено распределение скорости потока в поперечном сечении, обладающее радиальной симметрией, и определены его параметры, методами аналитической геометрии находят точки пересечения E акустических путей l с плоскостью z=z, для которой поверхность u(x, y, z) задана уравнением
0
, z=z
0
k
k
i
ik
Эта поверхность соответствует поперечному сечению счетчика z=0, которое совпадает с поперечной плоскостью симметрии его фланцев. Точки пересечения акустических путей l, k=1, 2, …, m с поверхностью распределения скорости дают значения скорости потока, отвечающие путям l и выбранной точке усредненного объемного расхода Q, т.е. именно те скорости потока v, которые должны быть измерены при распространении ультразвуковых импульсов вдоль заданных путей. Задача определения точек пересечения путей с поверхностью распределения скорости должна быть решена с учетом геометрии и количества акустических путей конкретного типа ультразвуковых счетчиков.
ik
k
i
fik
rik
Известные значения скоростей потока v для каждого k-го акустического пути и известная эталонная скорость звука «c» в неподвижном газе известного состава с заданными термодинамическими параметрами состояния позволяют рассчитать времена распространения ультразвуковых волн вдоль каждого акустического пути на расстояние l по- и против- потока. Время распространения ультразвука вдоль k-го пути на его длину по потоку при заданном объеме Q обозначим t против - t. Для этих времен в рамках рассматриваемой измерительной задачи существуют выражения
fik
fik
rik
rik
Этим временам распространения ультразвуковых сигналов вдоль k-го пути соответствуют частоты ν=1/t и ν=1/t. Подавая эти частоты с помощью генератора звуковых сигналов и частотомера на выходы излучателей (или приемников) ультразвуковых волн, проверяют правильность работы каналов измерения времен ультразвукового счетчика и в случае выявленных несоответствий настраивают их на измерение вышенайденных частот.
i
Настройка (корректировка) каналов измерения времен распространения ультразвуковых сигналов по акустическим путям счетчика отвечает априори заданному усредненному объемному расходу Q.
f
i
f
После корректировки каналов измерения времен распространения ультразвука в движущейся среде открывают запорную арматуру, возобновляют поток среды сквозь счетчик и получают результат измерения Q объема движущейся среды по показаниям счетчика (фактический объем). На основании сертификата о калибровке счетчика, оформленного при выпуске из производства, с помощью линейной интерполяции приведенных данных вычисляют поправки к заданному и фактическому объемам среды e и e. Для вычисления поправок в % к показаниям счетчика используют формулу
,
w
f
i
где Q, w=f, i - фактически измеренный Q или заданный Q объем;
ref
Q - действительное значение объема, воспроизводимое эталоном.
Вычисленные значения поправок сравнивают между собой. Если выполняется неравенство
,
f
то поправка e может быть введена в программный комплекс счетчика.
f
Завершающий шаг процедуры калибровки ультразвукового счетчика объема - это вычисление общего поправочного коэффициента к показаниям счетчика во всем диапазоне измерений. Поправочный коэффициент K вычисляют через средневзвешенную поправку следующим образом:
wt
- вначале рассчитывают средневзвешенную поправку e по формуле
,
где
- весовой коэффициент;
k
Q - объем, измеренный счетчиком; индекс k пробегает значения от 1 до N+2;
i
f
k
N точек - это данные заводского сертификата калибровки счетчика, к которым добавляются точки Q и Q, определенные в ходе реализации настоящего способа калибровки; e - поправки к показаниям счетчика, содержащиеся в сертификате его калибровки и полученные при осуществлении настоящего способа калибровки;
max
Q - максимальное значение объема, указанное в заводском сертификате о калибровке счетчика;
f
- общий поправочный коэффициент K находят согласно соотношению
Вычисленный поправочный коэффициент также вводят в программный комплекс калибруемого ультразвукового счетчика.
После введения в программный комплекс поправки к показаниям счетчика в рабочей точке и общего поправочного коэффициента в пределах диапазона измерений настоящий способ калибровки следует считать законченным. Если имеется возможность изменения усредненного объемного расхода в трубопроводе, настоящий способ калибровки может быть осуществлен для рабочих условий в нескольких точках диапазона измерений счетчика, при этом в качестве общего поправочного коэффициента берется его среднеарифметическое значение по точкам калибровки счетчика в рабочих условиях.