Много­позиционные испытательные стенды для газовых счётчиков: почему один и тот же счётчик может давать разные результаты

Оборудование для поверки газовых счетчиков на нескольких позициях позволяет одновременно поверять несколько газовых счетчиков, подключенных последовательно, что повышает эффективность испытаний. Однако различия, зависящие от позиции, могут влиять на точность результатов поверки. Опираясь на практический опыт, авторы объединили теоретический анализ и эксперименты для исследования трех источников различий, зависящих от позиции: потери давления, характеристики погрешности счетчика и распределение потока. Полученные результаты определяют меры, которые могут уменьшить эти различия и повысить надежность поверки газовых счетчиков при последовательном подключении.

Ключевые слова: газовый счётчик; поверочное оборудование; разброс позиций; точность

Природный газ играет важную роль в энергетической системе. По мере расширения городов и газораспределительных сетей Китая рос спрос на газовые счётчики и соответствующий объём поверочных работ. Последовательное подключение счётчиков позволяет испытывать несколько единиц за один прогон на многопозиционном стенде. Авторы отметили, что один и тот же счётчик может давать различные результаты поверки на разных позициях стенда. Такие различия могут влиять на оценку метрологических характеристик счётчика. В исследовании рассматриваются их причины и возможные способы устранения, чтобы предоставить информацию для использования и проектирования многопозиционных стендов.

В исследовании использовался шестипозиционный стенд с соплами критического течения (сонсоплами) с диапазоном расхода 0,04–65 м³/ч и относительной расширенной неопределённостью Uᵣ = 0,36% (k = 2). Он включал в себя эталонную систему сонсопел, средства измерения температуры и давления, трубопроводы и приводную систему, монтажные позиции и систему отбора проб, а также систему компьютерного управления. Когда отношение статического давления в горловине сопла к давлению торможения вверх по потоку достигает критического значения, массовый расход через сопло достигает максимума для заданных условий вверх по потоку. Дальнейшее снижение отношения противодавления не изменяет расход через сопло. Система отбора проб регистрирует объёмы, накопленные поверяемым счётчиком и эталонным соплом. Погрешность показаний получают путём сравнения объёма счётчика с эталонным объёмом, приведённым к температуре и давлению. Поверяемые счётчики представляли собой ультразвуковые газовые счётчики класса 1,5 G25 с диапазоном расхода 0,25–40 м³/ч.

Может ли один газовый счётчик давать разные погрешности показаний при установке в разных позициях на одном и том же серийном поверочном стенде? В исследовании рассматривается, как потеря давления, характеристики погрешности счётчика и распределение входного потока способствуют наблюдаемому разбросу, и может ли изменение трубопровода уменьшить его в испытанных условиях.

Авторы объединили анализ входного давления и расхода с двумя экспериментальными сравнениями. Для сравнения погрешностей показаний по позициям для шести счётчиков класса 1,5 использовался стенд с шестью соплами (звуковыми). Отдельный трёхпозиционный стенд использовался для сравнения одного и того же ультразвукового счётчика при 40 м³/ч до и после добавления прямого участка трубы при сохранении заявленных условий окружающей среды неизменными. Три механизма и соответствующие тестовые данные представлены ниже в порядке, соответствующем исходной статье.

Потеря давления — это средняя разность давлений между входом и выходом газового счётчика при заданном расходе. В статье она связывается с трением внутри счётчика, включая трение, обусловленное его проточными каналами и движущимися компонентами. Авторы ссылаются на действовавшее на тот момент правило провинции Цзянсу JJG (Su) 206–2018, которое устанавливало максимальную потерю давления 300 Па для счётчиков с 16 м³/ч ≤ Qₘₐₓ ≤ 65 м³/ч. Они оценивают, что разность давлений на входе между первой и шестой позициями шестипозиционного стенда может превышать 1 000 Па и влиять на сравнение.

В анализе предполагается, что входы счётчика находятся на одной высоте, а воздух приближённо рассматривается как идеальный газ. В работе применяется следующее соотношение Бернулли на входах:

p + ½ρv² + ρgh = C　(1)

p — давление на входе (Па); ρ — плотность газа (кг/м³); v — скорость (м/с); g — ускорение свободного падения (м/с²); h — высота входа (м); C — постоянная.

v = √[2(C − p − ρgh)/ρ]　(2)

В анализе авторов, при условии, что C рассматривается как постоянная величина, уравнение (2) связывает более низкое входное давление p с более высокой входной скоростью v. Для фиксированной площади поперечного сечения s, Q = v × s, поэтому изменения скорости изменяют локальный объёмный расход. Авторы утверждают, что потери давления в счётчиках, соединённых последовательно, могут, следовательно, изменять условия потока в различных положениях и влиять на результаты их поверки. Они предлагают снизить трение внутри счётчика, улучшить трубопроводы между позициями и оценивать суммарные потери давления при установлении допустимой разности позиций и выборе количества испытательных позиций.

Счётчики могут различаться по погрешности показаний, стабильности и повторяемости из-за различий в изготовлении. Авторы определяют такие различия как важный фактор, влияющий на результаты, полученные на разных позициях стенда. Они определяют разброс позиций Δ следующим образом:

Δ = |Eₘₐₓ − Eₘᵢₙ|　(3)

Eₘₐₓ и Eₘᵢₙ — это наибольшая и наименьшая погрешности показаний, измеренные для одного и того же испытуемого счётчика на разных позициях стенда.

Используя критерий, приведённый в статье, разброс положений был ограничен одной четвертью класса числовой точности поверяемого счётчика. Авторы испытали шесть счётчиков класса 1,5 в одинаковых условиях окружающей среды на шестипозиционном стенде, применив порог 0,375%. Данные воспроизведены в таблице 1.

Два из шести счётчиков превысили порог 0,375%, использованный в исследовании. Это демонстрирует, что измеренный разброс положений может различаться у счётчиков, испытанных на одном и том же стенде. Авторы рекомендуют повышать стабильность и надёжность счётчиков. Для оценки согласованности положений на эталоне измерения они рекомендуют выбирать испытательный счётчик со стабильными метрологическими характеристиками.

Изгибы распространены на испытательных стендах газовых счётчиков и при монтаже в полевых условиях. В статье объясняется, что различия скорости и центробежной силы на изгибе могут создавать вторичный поток, увеличивая возмущение и снижая равномерность профиля скорости. Это может влиять на результаты в разных позициях стенда, особенно для счётчиков, чувствительных к профилю входного потока, таких как ультразвуковые и термальные газовые счётчики.

Чтобы исследовать влияние добавленного прямого участка трубы, авторы использовали трёхпозиционный стенд с звуковым соплом, включающий колена. Он имел диапазон расхода 0,04–65 м³/ч и относительную расширенную неопределённость Uᵣ = 0,34% (k = 2). Они испытали один и тот же ультразвуковой расходомер, серийный номер 35180824128, при 40 м³/ч с добавленным участком и без него, сохраняя неизменными условия окружающей среды. Сообщённый результат испытания на стабильность расходомера составил 0,23%. См. исходную таблицу 3 для измерений.

После добавления прямого участка разброс измеренных положений снизился с 0,70% до 0,28%. Авторы интерпретируют результат как доказательство того, что добавленный прямой участок улучшил распределение потока и согласованность положений в их установке. Они предлагают длины прямых участков 8D–15D, где D — внутренний диаметр трубы, и предлагают направляющие потока там, где доступное пространство ограничено. Они также рекомендуют уменьшить количество колен в трубопроводе стенда.

Результаты по шести позициям показывают, что выбор испытательного расходомера имеет значение при оценке согласованности показаний в зависимости от положения на стенде. Два расходомера превысили установленный в исследовании критерий 0,375%, а остальные четыре — нет. На отдельном трёхпозиционном стенде добавление прямого участка уменьшило разброс с 0,70% до 0,28% для испытанного расходомера, то есть на 0,42 процентных пункта. В совокупности эксперименты подтверждают необходимость проверки как стабильности расходомера, так и конфигурации входного трубопровода при диагностике результата, зависящего от положения. Сравнение с прямым участком охватывает один расходомер в одной точке расхода.

Опираясь на практический опыт проверки, теоретический анализ и эксперименты, в статье рассматриваются причины различий, зависящих от положения, и возможные способы их устранения с точки зрения потерь давления, характеристик погрешности счётчика и распределения поля потока. Авторы надеются, что эти результаты помогут поверочным лабораториям и производителям газовых счётчиков повысить точность и надёжность испытаний в нескольких положениях.

Повторное исследование могло бы повторить сравнение прямых участков на нескольких точках потока, технологиях счётчиков и конфигурациях входного отверстия. Запись давления и температуры в конкретных позициях, повторные показания и неопределённость измерений помогли бы отделить влияние трубопровода от изменчивости счётчика и установить, насколько наблюдаемое улучшение переносится на другие стенды.

Уравнения (1)–(3) воспроизводят исходный анализ. На реальном стенде потери между позициями должны быть учтены до использования соотношения Бернулли для предсказания разности скоростей. Исторические критерии исследования, выборочные показания и длины прямых труб следует интерпретировать в контексте исходных испытаний.

Xu Z., Zhao Z., Zhou Y. Анализ причин и меры противодействия различиям позиций в многопозиционном оборудовании для поверки газовых счётчиков [перевод названия]. 2022, 32(2), стр. 34–36. Запись DOI.

Редакционное фото обложки: Бетти Кэррелл, Министерство энергетики США. Работа правительства США согласно исходной записи. Обрезано для макета обложки с наложением заголовка. Фотография иллюстрирует инженерную работу.