Метрологическое обеспечение средств измерений расхода

Воспроизведение единиц расхода газов и жидкостей осуществляет­ся группой государственных эталонов, в основу работы которых по­ложено измерение объема или массы газа (жидкости) за опреде­ленный промежуток времени.

Передача размера единицы от эталонов к рабочим средствам измерений объемного или массового расходов газа (жидкости) осуществляется образцовыми средствами измерений, в состав ко­торых входят расходомерные установки и образцовые расходоме­ры. Поверку средств измерений расхода осуществляют поэлемент­ным методом или методом непосредственного сличения.

Поэлементный метод применяют при поверке расхо­домеров переменного пере­пада давления. В соответст­вии с этим методом сужаю­щее устройство и дифмано­метр поверяют отдельно.

Метод непосредственно­го сличения применяют при поверке ротаметров, счетчи­ков газов и счетчиков жид­костей. В процессе поверки осуществляют сличение по­казаний поверяемых расходомеров с показаниями образцовой расходомерной установки или образцовых расходомеров. Широкое распространение получили расходомерные установки.

Рис. 15.10. Схема динамической расходомерной установки

На рис. 15.10 приведена схема динамической расходомерной ус­тановки. Рабочая жидкость насосом 1 закачивается в напорный бак 4, в котором пневматической системой 2 (компрессор или бал­лон с нейтральным газом) создается определенное статическое дав­ление, контролируемое манометром 3. При поверке рабочая жид­кость выдавливается из напорного бака через открытый вентиль 5 в испытательный участок 6, выход которого подключен к мерному баку 7. Последний снабжен датчиками уровня 8 (в динамических объемных установках) или установлен на тензорезисторных преобразова­телях массы (в динамиче­ских весовых установках). В динамических объемных установках измеряют вре­мя, в течение которого ра­бочая жидкость заполня­ет объем между двумя датчиками уровня, а за­тем определяют дискрет­ные значения расхода. В динамических весовых установках получают не­прерывную запись значений массы рабочей жидкости, заполняю­щей мерный бак, и соответствующую запись времени, а затем опре­деляют непрерывные значения расхода. Относительная погрешность воспроизведения и измерения расхода — не ниже 0,2—0,3%. Для поверки счетчиков промышленных жидкостей непосредственно на технологических потоках, например на узлах учета, широко приме­няют объемные трубопоршневые расходомерные установки (рис. 15.11).

Рис. 15.11. Схема трубопоршневой расходо­мерной установки

Трубопоршневая установка работает следующим образом. Через крананипулятор 2 в калиброванный участок 4, изготовленный из стальной бесшовной трубы, на внутреннюю полость которой нанесе­но специальное стойкое покрытие, вводятся два шаровых раздели­теля. Шаровой разделитель 8 выполняет функцию запорного устрой­ства и препятствует перетоку жидкости из входного в выходной конец калиброванного участка 4, а шаровой разделитель 7 — функ­цию шарового поршня, выталкивающего жидкость из калиброван­ного участка 4 под действием напора рабочей жидкости. В момент прохождения шарового поршня мимо электромеханического детек­тора 6 включается счетное устройство 5, измеряющее количество импульсов, поступающих от датчика 1, преобразующих число обо­ротов вала поверяемого счетчика в пропорциональное число элек­трических импульсов. При прохождении шарового поршня мимо электромеханического детектора 3 счетное устройство выключается. Пройдя калиброванный участок, шаровой поршень 7 попадает в кран-манипулятор, выталкивает в поток шар-клапан 8 и занимает его положение. Далее цикл поверки повторяется. Объем V_c жидко­сти, отсчитанный по счетчику за один цикл поверки (один проход шара-поршня по калиброванному участку), равен

V_c=qn, (15.2)

где q— объем жидкости, соответствующий одному импульсу; n—число импульсов, отсчитанное счетчиком за время прохождения ша­ровым поршнем расстояния между детекторами 6 и 3.

По сравнению с рассмотренными ранее поверочными установка­ми трубопоршневые расходомерные установки позволяют поверять счетчики жидкостей в реальных эксплуатационных условиях на лю­бых жидкостях. Классы точности трубопоршневых расходомерных установок 0,02—0,05. Поверка расходомеров газа осуществляется на трубопоршневых расходомерных установках, принцип действия которых аналогичен рассмотренному выше. Классы точности тру­бопоршневых расходомерных установок, предназначенных для поверки расходомеров газа, 0,1—0,2.

§ 15.7. Метрологическое обеспечение средств измерений уровня жидкости

В состав образцовых средств измерений уровня входят уровнемерные установки и наборы образцовых уровнемеров. К числу образ­цовых уровнемерных установок, используемых для поверки рабо­чих уровнемеров промышленного применения, относятся установ­ки с непосредственным изменением уровня жидкости и установки с имитацией изменения уровня жидкости.

Уровнемерная образцовая установка с непосредственным изме­нением уровня. Установка предназначена для градуировки, метро­логической аттестации, испытаний и поверки уровнемеров всех ти­пов. Установка (рис. 15.12) состоит из гидравлической и измери­тельной частей. Гидравлическая часть содержит две измерительные трубы 6 и 7, которые заполняются водой. При местном измерении уровня в измерительных трубах пользуются уровнемерным стек­лом 14, снабженным образцовой рулеткой 19 и отсчетным микро­скопом 16. Для дистанционного измерения уровня и автоматиза­ции процедур поверки в измерительных трубах предусмотрены элек­троконтактные и ультразвуковые преобразователи уровня 9, под­ключенные к пульту управления 15.

Установка работает следующим образом. Поверяемые уровне­меры помещают в измерительные трубы и с пульта управления открывают клапан 4 и одновременно включают насос 20, который подает жидкость в измерительные трубы. Как только уровень жидкости доходит до предварительной отметки «—50 мм», где на­ходятся ультразвуковые преобразователи уровня, клапан 4 авто­матически закрывается и открывается клапан 5 меньшего сечения. Уровень жидкости доходит до преобразователей уровня, при сра­батывании которых автоматически устанавливается нулевая отметка. Устанавливая поверяемые отметки по ультразвуковым преобразователям уровня жидкости, проводят поверку при прямом ходе, повышая уровень жидкости. После достижения верхнего предела измерений проводят обратный ход поверки. При этом жидкость сливают через клапан 2 (быстрое снижение уровня) и клапан 3 (медленное понижение уровня). Пределы измерений установки 0 — 1; 0 —2,5; 0 — 6; 0—12 м. При дистанционном измерении уровня абсолютная погрешность измерения ± 1 мм, а при местном измерении ±0,3 мм.

Уровнемерная образ­цовая установка с имита­цией изменения уровня жидкости. Установка предназначена для гра­дуировки, метрологиче­ской аттестации, испыта­ний и поверки следящих радиоизотопных, поплав­ковых
уровнемеров и ультразвуковых уровне­меров с локацией через газовую среду.

Рис. 15.12. Схема уровнемерной установки с непосредственным изменением уровня: 1 — емкость для жидкости; 2—5 — управляемые кла­паны; 6, 1 — измерительные трубы; 8 — соединитель­ная трубка; 9—преобразователи уровня жидкости; 10—вытеснитель; 11, 13—поверяемые уровнемеры; 12 — конусообразные переходные секции; 14 — уровнемерная труба: 15 — пульт управления: 16 — отсчет­ный микроскоп; 17— стекла; 18—полые трубки; І4— образцовая рулетка; 20 — насос

Установка состоит из двух частей: имитирую­щей и измерительной. Имитирующая часть со­держит подъемный механизм, на котором установлена уровнемерная емкость. С помощью подъемного механизма осуществляют подъем и опускание уровнемерной емкости, чем имитируется изменение уровня жидкости. Измерительная часть установки содержит фотоэлектрические преобразователи уровня, образцовую рулетку 2-го разряда, отсчетный микроскоп и микропереключатели. С их помощью осуществляется установка поверяемых отметок уровнемера.

Установка полностью автоматизирована и имеет местное, дис­танционное и автоматическое управление. Диапазоны измерений установки 0 — 2,5 и 0—14 м. При дистанционном измерении уровня абсолютная погрешность измерения ±1 мм, а при местном ±0,3 мм.

§ 15.8. Метрологическое обеспечение средств измерений физикохимических свойств веществ

Основу метрологического обеспечения большинства средств изме­рений физико-химических свойств веществ составляют стандарт­ные образцы, физико-химического свойства и поверочные смеси, аттестованные органами метрологических служб. Для некоторых средств измерений, рассматриваемых далее, разработаны эталоны и образцовые средства измерений.

Воспроизведение единицы плотности жидкости (кг/м³) осущест­вляется государственным первичным эталоном, в основу работы которого положено измерение плотности эталонных жидкостей, имеющих плотности 650—2000 кг/м³, стеклянными пикнометрами или методом гидростатического взвешивания. В качестве образцо­вых средств измерений применяются наборы денситометров с диа­пазоном измерений 650—2000 кг/м³ и основной погрешностью ±1 кг/м3; наборы денситометров с диапазоном измерений 650— 2000 кг/м³ с основной абсолютной погрешностью ±0,3 кг/м³, а так­же наборы стеклянных спиртометров с диапазоном измерений 0—100% и основными погрешностями, лежащими в диапазоне ±(0,01-0,06)%.

Поверку автоматических плотномеров, к числу которых относят­ся поплавковые, вибрационные, ультразвуковые и динамические, осуществляют в статическом режиме, используя при этом наборы поверочных жидкостей, аттестованных образцовыми денситометра­ми, гидростатическими весами или пикнометрами.

Поверку весовых плотномеров проводят путем нагружения изме­рительного преобразователя гирями, а гидростатических плотноме­ров—измерением высоты гидростатического столба поверочной жидкости.

Воспроизведение единицы кинематической вязкости (м²/с) осу­ществляется государственным первичным эталоном, в основу кото­рого положено измерение времени истечения эталонной жидкости (дистиллированной воды или специальной жидкости с вязкостью, большей или меньшей, чем вязкость дистиллированной воды) через стеклянный капилляр с висячим уровнем.

В качестве образцовых средств измерений применяют набор из девяти образцовых капиллярных вискозиметров с диапазоном измерений (4·10^-7—3,5·10^-2) м²/с и набор из четырех образцовых вискозиметров с диапазоном. (1·10⁶—1·10^-2) м²/с. Относительные погрешности образцовых средств измерений не превышают ±3 ·10^-1%.

Воспроизведение единицы количества теплоты (Дж) осуществля­ется государственным первичным эталоном.

Передача размера единицы рабочим средствам измерений осу­ществляется образцовыми калориметрами, относительная погреш­ность которых не превышает ±0,2%.

§ 15.9. Метрологическое обеспечение средств измерений показателей качества

В настоящее время существует более 50 видов показателей каче­ства продуктов нефтепереработки и нефтехимии, различающихся по физической природе.

В большинстве случаев показатели качества — условные харак­теристики, единицы измерения которых воспроизводятся строго в детерминированных по конструкции средствах измерений и режи­мах их эксплуатации.

Отмеченные обстоятельства определили методы и средства обес­печения единства измерений показателей качества. В настоящее время основным средством поверки средств измерений показателей качества продуктов нефтехимии и нефтепереработки являются стан­дартные образцы условных характеристик нефти и нефтепродуктов и стандартизованные методы испытаний нефти и нефтепродуктов.

Например, при поверке средств измерений фракционного соста­ва в качестве образцовых средств измерений применяют лаборатор­ные установки, реализующие стандартные методы определения фракционного состава.

Для поверки средств измерений некоторых условных характе­ристик нефтепродуктов, к числу которых относится температура вспышки, разработаны образцовые средства измерений. Образцо­вые средства измерений температуры вспышки конструктивно ана­логичны лабораторным средствам измерений, но более тщательно выполнены. Это позволяет измерять температуру вспышки с более высокой точностью. В диапазоне 20—110°С среднеквадратическое отклонение составляет ±0,10°С, а в диапазоне 110—300°С— ±0,22°С. Максимальная систематическая погрешность аттестован­ных термометров, которыми оснащаются образцовые приборы в диапазоне 20—110°С,— не более 0,25°С, а в диапазоне 110—300°С— не более 0,5°С.

§ 15.10. Метрологическое обеспечение средств измерений концентрации и состава

Основу метрологического обеспечения средств измерений концен­трации газов — газоанализаторов — составляют смеси, стандарт­ные образцы состава (поверочные газовые смеси — смеси, аттесто­ванные органами метрологической службы), стандартизованные методики поверки и образцовые газоанализаторы. В настоящее время широкое распространение получили методы поверки газо­анализаторов путем анализа поверочных газовых смесей и методом физических эквивалентов газовых смесей.

При поверке по газовым смесям известного состава сличают по­казания газоанализатора со значением концентрации анализируе­мого компонента в поверочной газовой смеси.

При поверке методом физических эквивалентов вместо аттестованной газовой смеси используют имитатор —физический эквива­лент того или иного физико-химического свойства анализируемой газовой смеси. Для приготовления поверочных газовых смесей при­меняют манометрические, статические и динамические газосмеси­тельные установки.

Манометрическая газосмесительная установка предназначена для приготовления поверочных газовых смесей в диапазоне 0,1— 99%. Принцип работы установки состоит в заполнении при постоян­ной температуре газового баллона до давления Р₁ измеряемым га­зом, а затем до давления Р₂ газом-разбавителем. При заполнении давление в газовом баллоне определяют по показаниям образцово­го манометра. Концентрацию С измеряемого газа в поверочной га­зовой смеси, заполняющей баллон, вычисляют по формуле

. (15.3)

Погрешность приготовления поверочной газовой смеси ±(1—4)%. Статическая газосмесительная установка предназначена для приготовления поверочных газовых смесей на основе взрывоопас­ных компонентов, например водород — воздух, метан — воздух и других, с концентрацией измеряемого компонента в диапазоне 0,001—0,5%. Принцип работы установки состоит в смешении при постоянной температуре Т измеряемого газа объемом V₁ с газом-разбавителем объемом V₂ и последующего определения концен­трации С измеряемого газа в поверочной газовой смеси, заполняю­щей объем V₁ + V₂:

. (15.4)

Погрешность приготовления поверочной газовой смеси ±(1—5)%. Динамические газосмесительные установки предназначены для создания микроконцентраций веществ в газах и подразделяются на реометрические и диффузионные. Отличительной особенностью рас­сматриваемых установок является формирование поверочной газо­вой смеси путем смешения потока измеряемого газа расходом Q₁ с потоком газа-разбавителя расходом Q₂, т. е. формирование повероч­ной газовой смеси осуществляется в динамическом режиме. В реометрических газосмесительных установках контроль за расходом газовых потоков осуществляется по показаниям реометров — ка­пиллярных расходомеров. Концентрацию С измеряемого газа в поверочной газовой смеси определяют по формуле

. (15.5)

В диффузионных газосмесительных установках подачу измеря­емого вещества в поток газа-разбавителя осуществляют через диф­фузионный барьер. Расход измеряемого вещества определяют путем измерения объема, прошедшего через диффузионный барьер, изме­ряемого вещества в паровой фазе за определенный интервал вре­мени. Контроль за расходом Q₂ газа-разбавителя осуществляется капиллярным расходомером. Концентрацию измеряемого вещества в газе-разбавителе определяют по формуле (15.5). Погрешность приготовления поверочной газовой смеси на динамических газосме­сительных установках ± (2—8) %.

Для приготовления поверочных газовых смесей, содержащих в качестве измеряемого компонента влагу, применяют смесительные установки, именуемые генераторами парогазовой смеси — гигроста­тами. Гигростаты являются основным средством поверки влагоме­ров газов. Разработаны гигростаты, основанные на принципах: двух температур, двух давлений и смешения. Формирование газовой сме­си заданной относительной влажности в гигростате, основанном на принципе двух температур, достигается путем увлажнения газа до давления насыщения Р при температуре t₁. Далее температуру ув­лажненного газа повышают до значения t₂, при котором давление насыщения паров становится равным Р₂. В результате в рабочей камере устанавливается относительная влажность φ = P₁/P₂. Воспроизводимость относительной влажности гигростатами этого типа ±(0,5-1)%.

В гигростатах, основанных на принципе двух давлений, газ на­сыщают влагой при температуре t₁и давлении Р₁, а затем давление увлажненного газа уменьшают до значения Р₂. При постоянной температуре t₁ уменьшение давления Р₁ до значения Р₂ приводит к уменьшению влажности газа. Гигростаты, основанные на принципе двух давлений, позволяют получать парогазовые смеси с абсолют­ной влажностью 0,78—69 г/м³ при относительной погрешности ±(1-2)%.

В гигростате, основанном на принципе смешения, формирование газа заданной влажности достигается путем смешения двух потоков газа, один из которых увлажнен до насыщения, а другой предельно осушен. Путем изменения соотношения расходов указанных потоков заданная влажность достигается в пределах от 10 до 100% с абсо­лютной погрешностью ± (0,5—1) %.

Для поверки влагомеров газа с пределами измерений от 2·10^-8 до 2·10^-2%об. применяют диффузионные гигростаты, представля­ющие собой пористую цилиндрическую трубку или мембрану, соз­дающую диффузионный барьер. С одной стороны барьер омывается водой, а с другой осушенным газом. Количество диффундирующей влаги определяется температурой и поверхностью диффузионного барьера. Относительная погрешность поверочной газовой среды, формируемой диффузионным гигростатом, ± (2—5) %.

Основу метрологического обеспечения средств измерений кон­центраций жидких сред кондуктометров, рН-метров и влагомеров нефти и нефтепродуктов составляют образцовые средства измере­ний и стандартные образцы состава.

Образцовые средства измерений, применяемые для передачи размера единицы удельной электрической проводимости (См/м) рабочим средствам измерений, подразделяют на два разряда.

Образцовые кондуктометры с пределами измерений от 0—10^-4 до 0—10² См/м и пределом допускаемой относительной погрешно­сти ±(0,25—1)% используют для поверки кондуктометрических анализаторов общепромышленного применения с пределом допу­скаемой относительной погрешности ±(0,5—6)%.

Основную погрешность, кондуктометрических анализаторов оп­ределяют комплектным или поэлементным методом.

При комплектном методе производят сличение показаний пове­ряемого анализатора с показаниями образцового кондуктометра. В качестве рабочих жидкостей использую поверочные растворы.

При поэлементном методе определяют основную погрешность измерительного блока анализатора и постоянную первичного пре­образователя. Поверку проводят на поверочных установках с пре­делами измерений 0—10; 0—100; О— 10^-4; 0—0,1 См/м.

Передача размера единицы рН от эталона рабочим средствам измерений рН осуществляется образцовыми средствами, подразде­ляемыми на четыре разряда, а также образцовыми средствами из­мерений массы, объема и ЭДС постоянного тока. Поверку рН-метров проводят поэлементным или комплектным методом. Поверка рН-метра поэлементным методом включает раздельную поверку измерительного преобразователя и электродов.

Основную погрешность измерительного преобразователя опре­деляют методом сличения с показаниями образцового потенцио­метра.

Измерительные электроды поверяют по образцовым буферным растворам, а поверку вспомогательных электродов осуществляют методом сличения с образцовыми электродами с помощью компа­ратора.

Поверку рН-метра комплектным методом проводят путем сли­чения показаний рН-метра со значением рН-образцового буферно­го раствора.

Поверку рабочих средств измерений влажности нефти и нефте­продуктов осуществляют образцовыми установками для воспроиз­ведения образцовых эмульсий со значением объемного влагосодержания от 0,05 до 60% с пределом допускаемой приведенной погрешности ±(0,8—2)% и образцовыми средствами измерений, заимствованными из других поверочных схем. К их числу относят­ся меры тангенса угла потерь, меры емкости, а также образцо­вые жидкости с диэлектрической проницаемостью от 2 до 6. Мет­рологическое обеспечение средств измерений состава многокомпо­нентных веществ базируется на образцовых средствах измерений времени, объема, массы, ЭДС и напряжения постоянного тока, а также на поверочных смесях, аттестованных органами метрологи­ческой службы, или стандартных образцах состава.