На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2018     2017  |   2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.04.2010 Методические вопросы поверки расходомеров с изменяемым диапазоном вязкости жидкости

 

Методические вопросы поверки расходомеров с изменяемым диапазоном вязкости жидкости

 

В статье рассмотрены подходы к проведению исследовательских и поверочных работ, при которых необходимо использовать вязкие жидкости. Описаны основные проблемы, возникающие при разработке и проектировании поверочных установок для подобного рода задач, и возможные пути их решения. Представлены ключевые метрологические характеристики проливных установок, работающие на средах с изменяемым параметром кинематической вязкости.

 

При разработке приборов измерения расхода и объема жидкости, предназначенных для эксплуатации на ответственных объектах (например, в авиационной или нефтяной промышленности), возникает необходимость проведения испытаний на рабочей среде, отличной от воды. Эта среда должна иметь характеристики, максимально близкие к характеристикам той жидкости, объем и расход которой измеряются в реальных условиях эксплуатации приборов. В частности, в практике таких предприятий встречаются задачи, требующие измерения расходов и объемов вязких жидкостей. Приборный парк этих счетчиков и расходомеров-счетчиков поверяется, как правило, на обычной воде.

Конечно, имея под рукой таблицы для пересчета показаний или выведенные ранее эмпирические зависимости, можно получить результат, приближенный к желаемому. Но, во-первых, такие данные и формулы нужно еще где-то получить. А, во-вторых, погрешность полученного таким образом результата может оказаться неприемлемо высокой ввиду его зависимости от слишком большого числа внешних неучитываемых факторов. Получение реальных зависимостей массового и объемного расходов при различных величинах вязкости рабочей жидкости возможно только при моделировании требуемых характеристик среды и натурных испытаниях средств измерений. Таким образом, возникает необходимость изготовления испытательного и поверочного оборудования, позволяющего проводить весь комплекс работ в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.

Формулировка задачи сводится к изготовлению поверочного комплекса, имеющего практически применимые диапазоны воспроизведения вязкости и расхода. Для удовлетворения большинства задач диапазон изменения кинематической вязкости составляет от 1,5•10–6 до 50•10–6 м2/с (от 1,5 до 50 сСт), а диапазон воспроизводимых расходов – от 0,01 до 50 м3/ч. При этом достаточно, чтобы допускаемое предельное отклонение подготовленной поверочной среды по параметру кинематической вязкости от заданной находилось в пределах ±4  %, а ее измерение обеспечивалось с относительной погрешностью не более ±2  % от предела измерений. Прочие характеристики поверочной установки обычны для данного типа оборудования: относительная погрешность при измерении объема (массы) весовым методом – не более ±0,05  %, относительная погрешность при измерении объема методом сличения – не более ±0,25  %, давление на входе измерительного стола в диапазоне воспроизводимых расходов – не менее 0,63 МПа, воспроизведение расхода в процессе поверки должно обеспечиваться с нестабильностью не более ±2  %.

Естественно, основной вопрос, возникающий при проработке данной темы, – это выбор поверочной жидкости. От него во многом будут зависеть схема работы и конструкция поверочной установки, применяемое оборудование, удобство и безопасность работы, наличие или отсутствие негативных воздействий на рабочие средства измерений и поверителя. Поверочная жидкость должна наиболее полно моделировать рабочую жидкость по параметрам кинематической вязко­сти, электрической проводимости, плотности и т. д., быть безопасной (т. е. соответствовать четвертому классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76), удобной в хранении и применении.

Классическим решением считается использование в качестве поверочной жидкости водно-масляной смеси с добавлением различного вида реагентов, улучшающих ее свойства. Такие жидкости представляют собой эмульсию, стабилизируемую от расслаивания поверхностно-активными веществами, с добавлением присадок, улучшающих эксплуатационные качества смеси. Этот способ хорошо известен, но известны также и его недостатки. Например, процесс приготовления подобных жидкостей связан с необходимостью интенсивного перемешивания составляющих его компонентов, чтобы получить пригодную для работы однородную смесь со «сроком жизни», превышающим хотя бы несколько десятков минут. Кроме того, полученная жидкость имеет строго определенное значение кинематической вязкости, и изменение этого параметра связано с серьезными технологическими сложностями, а порой и вовсе невозможно. Таким образом, для проведения программы испытаний (или поверки) в полном объеме и во всех контрольных точках требуется приготовление нескольких смесей с разными, заранее определенными характеристиками. Очевидно, что и этот вариант не лишен недостатков.

Существует альтернативный подход к решению проблемы получения поверочной жидкости, не имеющий описанных ограничений. Он основан на известном факте, что вязкость большинства ньютоновских жидкостей изменяется в соответствии с экспоненциальной зависимостью при изменении их температуры, т. е. без манипуляций с ее составом. Этот способ гораздо удобнее в применении, однако ограничен рамками изменения температуры, предельно допустимыми для работы используемого в поверочной установке оборудования и поверяемых средств измерений.

При подготовке технико-экономического обоснования на разработку и изготовление поверочной установки, удовлетворяющей приведенным выше требованиям, специалистами ООО «ОКБ «Гидродинамика» был предложен синтетический вариант обеспечения требуемого диапазона кинетической вязкости. Вместо водно-масляной эмульсии, сложной в приготовлении и подверженной расслоению со временем на составляющие ее компоненты, предложено использовать химический раствор, не имеющий подобного недостатка. Одновременно с этим должен реализовываться и второй подход – корректировка вязкости до необходимой посредством изменения температуры поверочной среды.

Серией проведенных экспериментов было установлено, что для перекрытия заданного условиями диапазона кинетической вязкости (от 1,5•10–6 до 50•10–6 м2/с) достаточно иметь пять заранее подготовленных растворов разной концентрации входящих в ее состав компонентов и возможность изменения их температуры в пределах 30 °С. По сути, известную зависимость между кинематической вязкостью, напрямую связанную с концентрацией компонентов в растворе при нормальных условиях и температурой, мы используем, задаваясь процентным соотношением составляющих смеси как константой. Существенным достоинством такого метода является отсутствие необходимости постоянного приготовления смесей с различными требуемыми параметрами, т. е. расходования исходных компонентов.

При этом процесс задания любого значения вязкости внутри требуемого диапазона будет происходить по следующей схеме. Рабочая емкость поверочной установки по указанию оператора в автоматическом режиме заполняется из одного из резервуаров готовой поверочной жидкостью в зависимости от поставленных задач. После этого данная среда выводится на нужное значение кинематической вязкости корректированием температуры по одному из алгоритмов, сформированных на экспериментальных результатах исследования характеристик каждого конкретного раствора. При достижении раствором требуемых параметров поверочная установка считается готовой к работе, а дальнейшие операции не отличаются от обычно проводимых и соответствуют методике поверки на каждый конкретный тип средств измерений. Немаловажными достоинствами подобной схемы являются полная автоматизация процесса замены поверочной жидкости и короткое время подготовки стенда к эксплуатации, которое не должно превышать одного часа. Стоит отметить и то, что в процессе работы характеристики поверочной среды (вязкость, температура, плотность и др.) контролируются в режиме реального времени и могут в автоматическом режиме поддерживаться в рамках заданной погрешности, что невозможно при использовании других схем моделирования.

Вторая сложность, которую предстоит решить разработчику подобного комплекса, связана с физическими свойствами вязкой среды, с которой предстоит работать. Один из основных аспектов заключается в пониженной способности такой жидкости выделять содержащийся в ней воздух без образования пены. При проектировании следует предпринять исключающие пенообразование меры, которые должны касаться не только используемого в составе поверочной установки оборудования (в первую очередь насосов), но и конструкции всего канала прохождения жидкости в процессе работы в целом. Насосное оборудование должно применяться специализированное, допускающее перекачивание вязких сред, не вызывающее кавитационные процессы и вихреобразование. Трубная обвязка и другие элементы гидравлического тракта также не должны способствовать образованию вихрей в жидкости в процессе работы, не должны иметь острых кромок срыва потока, возмущающих поток элементов и зон критического падения давления. Учет особенностей поверочной среды и выполнение этих рекомендаций во многом исключит возможность «запенивания» жидкости. В случае необходимости способность противостоять пенообразованию можно дополнительно усилить добавлением антипенной присадки, механизм действия которой состоит в понижении поверхностного натяжения жидкости.

В составе поверочной установки для сохранения неизменных параметров заранее подготовленных растворов должна быть предусмотрена возможность полного слива жидкости из рабочей емкости с последующей ее промывкой. Данными мерами можно значительно увеличить количество циклов использования поверочной жидкости, увеличить срок ее использования и снизить эксплуатационные затраты на приобретение компонентов этих растворов. Однако полностью исключить поглощение влаги и газов из окружающего воздуха и «старение» раствора в целом невозможно, и его характеристики с течением времени могут незначительно меняться. Для их корректировки можно применять те же полученные эмпирические зависимости, связывающие концентрацию компонентов растворов, их кинематическую вязкость и температуру. Зная текущие значения вязкости, температуры и объема готовых смесей, можно с высокой степенью достоверности рассчитать концентрацию компонентов в растворе и их необходимое количество для добавления. Дозированно вводя одну или несколько составляющих раствора и создавая условия для их взаимодействия, можно предельно точно довести величину кинематической вязкости до первоначально заданной. Эту операцию легко автоматизировать, включив соответ­ствующую функциональную возможность в имеющееся программное обеспечение, существенно упростив и облегчив тем самым работу оператора.

Из вышеизложенного можно сделать вывод о «жизнеспособности» и практической применимости описанного метода моделирования параметров рабочих сред. Совмещая в себе достоинства обоих подходов задания требуемой вязко­сти поверочной жидкости, он лишен сопутствующих им недостатков. Выявленные сложности в разработке подобных поверочных комплексов некритичны и достаточно легко устранимы еще на этапе проектирования. Кроме того, применение данного способа моделирования эксплуатационных условий расходомеров (в части имитации параметров рабочей среды) позволяет существенно расширить функциональные и сервисные возможности поверочной установки, сократить текущие затраты на расходные материалы, максимально сократить время подготовительных операций и, следовательно, иметь возможность проводить на установке весь спектр исследовательских и поверочных работ.

 

Василий КАРГАПОЛЬЦЕВ, заместитель директора ООО «ОКБ «Гидродинамика»,
Андрей СИДЕНКО, начальник конструкторского отдела ООО «ОКБ «Гидродинамика» (РФ)

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком