Общая характеристика
Парциальными называются расходомеры, принцип измерения которых основан на измерении лишь небольшой доли расхода, обычно ответвляемой от основного потока измеряемой среды.
Необходимость измерения расходов с помощью парциальных расходомеров возникает тогда, когда установка чувствительных элементов расходомеров в основном потоке по каким-либо причинам нежелательна (например, большая потеря напора, большие потери давления) или конструктивное исполнение расходомера для основного потока затруднительно.
Все парциальные расходомеры можно поделить на три основные группы:
- расходомеры, у которых ответвленный поток возвращается в основной трубопровод;
- расходомеры с невозвращаемым ответвленным потоком;
- расходомеры, парциальный поток которых образуется вспомогательным веществом.
Для возможности определения расхода Q в основном трубопроводе (байпас) по измеренному парциальному расходу q необходимо знать их функциональную зависимость или иметь градуировочную характеристику q = f (Q). Проще всего обстоит дело, если эта зависимость линейная, тогда парциальный расход q является некоторой постоянной долей расхода Q в основном трубопроводе. Однако далеко не во всех случаях измерения эта зависимость является линейной. Для этого, прежде всего, необходимо, чтобы проходные сечения в обводном канале не изменялись, не было его загрязнения, а так же чтобы соблюдалось равенство или постоянство отношения плотностей среды в основной и обводной линиях.
Совершенно очевидно, что погрешность парциальных расходомеров выше, чем у расходомеров других типов. Это объясняется, в основном, двумя факторами.
Во-первых, погрешность расходомеров, предназначенных для измерения парциального расхода q, является одной из составляющих погрешности парциального расходомера в целом.
Во-вторых, погрешность градуировочной характеристики q = f (Q), являющейся второй составляющей погрешности парциального расходомера, зависит от точности ее экспериментального определения. Для уменьшения этой погрешности необходима опытная градуировка парциальных расходомеров на той среде, на которой они в дальнейшем будут эксплуатироваться.
С учетом вышесказанного, средняя квадратическая погрешность σQ парциального расходомера при измерении расхода Q в основном трубопроводе определяется следующим выражением
где σq и σград — соответственно средние квадратические погрешности измерения парциального расхода q и градуировочной характеристики q = f (Q); σQград и σqград — средние квадратические погрешности измерения расходов Q и q соответственно при градуировке.
В эксплуатации погрешности парциальных расходомеров сильно зависят от степени засорения обводного канала, которое приводит к изменению градуировочной характеристики.
Парциальные расходомеры со струйным генератором
Парциальные расходомеры могут быть построены на любом принципе измерения, например: расходомеры переменного и постоянного перепада давления; электромагнитные расходомеры; турбинные расходомеры; тепловые расходомеры; струйные расходомеры и др.
Подробнее рассмотрим парциальные расходомеры со струйным генератором. Их применение обусловлено тем фактором, что при больших величинах расхода в струйном генераторе возникают большие потери давления, поскольку сам струйный генератор расположен в канале, через который проходит весь измеряемый расход, а частота работы струйного генератора пропорциональна объемному расходу, который определяется [2, 3]:
где Q — измеряемый расход; µ — коэффициент расхода струйного генератора; S — площадь поперечного сечения; ΔP — перепад давления; ρ — плотность измеряемой среды.
На практике потери давления, в большинстве случаев, ограничены различными техническими условиями в технологических производствах, при транспортировке газа, при применении счетчиков, например, в бытовом секторе в сетях низкого давления (200 Па). Для соблюдения этих условий приходится увеличивать размеры всего устройства.
Поэтому применение парциальных струйных расходомеров связано, в первую очередь, с необходимостью измерения значительных расходов природного газа при сохранении габаритных характеристик прибора в целом и при ограничениях по создаваемому перепаду давления. При этом, в режиме парциального измерения расхода необходимо обеспечить максимально возможное совпадение характеристик течения внутри первичного измерительного устройства (струйного генератора) и байпаса, предназначенного для пропускания больших расходов, а также повышение точности определения границы по расходу для включения другого диапазона измерения [4]. Байпасный канал, чаще всего, подключается путем «открытия-закрытия» дискретного электромагнитного клапана, срабатывание которого определяется пороговой частотой измеряемого расхода, соответствующей выбранным значениям перепадов давления на струйном датчике расхода. Для уменьшения потребления энергии электромагнитный клапан может фиксироваться в конечных положениях («открыто-закрыто») с помощью постоянных магнитов.
На рисунке 1 представлена типовая диаграмма измерения расхода струйными парциальными расходомерами. Из рис. 1 видно, что существует зона «гистерезиса» Q’ - Q", определяемая моментами переключения электромагнитного клапана при увеличении и уменьшении расхода. Несовпадение границ по расходу Q’ и Q" при открытии и закрытии электромагнитного клапана на практике может привести к дополнительным погрешностям.
В таблице 1 приведены данные, полученные при продувке струйного парциального расходомера с максимальным расходом 6 м3/ч. Из таблицы видно, что при равных значениях расхода, но при различных положениях клапана («открыто-закрыто»), соответствующих прямому (увеличение расхода) или обратному (уменьшение расхода) ходу, относительная погрешность расходомера возрастает более, чем на порядок и оказывается значительно выше заявленных паспортных значений.
Q0 — расход через струйный генератор; f — текущая частота; Q1 — расход через байпас; q0, q1 — измеряемые объемы газа на один импульс через струйный генератор и байпас соответственно.
Рисунок 1 Типовая диаграмма измерения объемного расхода струйными парциальными расходомерами.
Таблица 1
|
Задаваемый расход, м³/ч |
Перепад давления на счетчике, Па |
Относительная погрешность, % |
Примечание |
|---|---|---|---|
| 0,9 (при снижении расхода) | 0 | 6,37 | клапан открыт |
| 0,9 (при увеличении расхода) | 199 | 0,37 | клапан закрыт |
| 1,06 (при снижении расхода) | 0 | 6,76 | клапан открыт |
| 1,06 (при увеличении расхода) | 280 | 0,61 | клапан закрыт |
| 1,22 (при снижении расхода) | 0 | 6,32 | клапан открыт |
| 1,22 (при увеличении расхода) | 381 | 0,58 | клапан закрыт |
Заключение
- Применение парциального принципа измерения при учете объемного расхода газа приводит к дополнительным погрешностям в сравнении с прямыми методами измерения.
- Наличие возможной зоны гистерезиса (Q’ - Q«) в струйных парциальных расходомерах приводит к значительному возрастанию относительной погрешности измерений в зоне расходов, соответствующих режиму «открытия-закрытия» байпасного канала.
- Применение исполнительных элементов, обеспечивающих режим «открытия-закрытия» байпасного канала, требует дополнительных энергозатрат и может привести к значительному снижению емкости элементов питания.
- Точность экспериментального определения градуировочной характеристики q = f (Q) в значительной степени влияет на общую погрешность измерения парциальных расходомеров.
- В эксплуатации погрешности, в особенности струйных парциальных расходомеров, сильно зависят от степени засорения обводного канала, в котором установлен струйный генератор и которое приводит к изменению градуировочной характеристики.
