Оценка погрешности результата измерения расхода при пульсациях потока тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГЗ од

п 7 ' .

{> « 1 ' 1'

На правах рукописи

Г А ПТР АХ "Л А110 В РЕНАТ РАШИТОВИЧ

ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПРИ ПУЛЬСАЦИЯХ ПОТОКА.

01.02.03 — механика жпдксстп, газа я плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация за сопс;ипае у^сасА стспона кандидата тохшпесхзз: пауз

Казань 1995

Работа выполнена в Казанком государственном технологическом университете*

Научный руководитель Официальные оппоненты:

— доктор технических паук, профессор А. В. Фафурин

— доктор технических наук, профессор Н. X. Зиннатуллин

— кандидат фнзико-математических наук, главный специалист „НИИТурбокомпрессор*

В. В. Проккоев

Ведущая организация:

— Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрин

Защита состоится ». /У' /2 _ 1995 года в. часов ва заседании диссертационного совета К 063.37.05 в Казанском государственном технологическом университете, по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослав . * ЦСиЛ'1995 г.

Ваши отзывы, заверенные печатью, в ДЕух экземплярах просьба высылать по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, 68, дне. сертацнокаый Совет К 063.37.05.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук доцент

М. Б. Хадксв

ОЕПЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность проблем«. Современные экономические отношения ыеаду предприятиям! требуют точного учета энергоносителей, з частности природного газа. В промышленности наиболее широкое распространение получили расходомеры пере!,генного перепада давления. Правила измерения расхода с помоцью суг-авздах устройств, РД 50213-80, требуют соблюдения характера движения потока турбулентным, стационзршш.

Однако, работа першкезга: машин - насосов и компрессоров, конструктивные особенности трубопроводов, в виде костных сопротивлений, и расходомеркого уела вшивают пульсации потока. Поэтому, большую важность приобретает правильность измерения, пульсирующего расхода.'

Цепь работа. На основании результатов натурных исследований динакгчсскнх характеристик узлов учета разработать методику оценки погрешности результата измерения расхода при пульсация:: потока. Для чего :

1. Разработать и создать экспериментальный стенд для исследования влияния пульсаций потока на точность измерения пульсирующего расхода при помощи сузавгщх устройств.

2. Разработать методику теоретический оценки погрешности из;,.ере-:шя пульсирующего расхода.

3. Разработать методику проведения измерения погрешности пульсирующего расхода.

4. Провести экспериментальную сценку влияния пульсаций потока на перепад давления с диафрагмы к на коэффициент раслсда диафрагма, . и оценить погрешность изкзрепжг пульсирующего расхода.

3. Результаты экешрнгггнтальшое ксслэдоаажгЯ лепользозать для проверки теоретической мэтодшеи оценки погрешности измерений расхода при пульсациях потока. ■ • б. Подобрать гаситель для снимания аишпггудн пульсаций перепада давления.

Научная повпзна. Разработана теоретическая штодика оценки погрешности измерения пульсирующего расхода, которая позволяет учипшать взаимное пзкэнеяпе среднего коэффзцшгга расхода п орэдпого квадратного горня перепада давления ,чэр«з ксгариацич при

пульсациях потока, получены выражения дли определения еол:г-явтрввасотк. Предлогсепи зшшричоскио аавкаишсти для опредолс-. •. величина дисперсии расхода и коэффициента корреляции uuzjsy ксс, -Фшцюетои расхода и перепадом давления, необходимые для вычкслепил значения погрешности пульсирующего расхода прп кацорегп:с;; сшшго перепада давлопия с доафраге-а.

На оагдату бынсжся :

1. Разработка и сооданне эксасранзнталыюго стенда и, выбор с.>\. ста дкагиостикя для проведения исследований по влиянию пульсс^о"-потока па точность измерения пульсирующего расхода при помоги су-ДОЕЗПХ устройств.

2. Методика оцонкя погрешности результата измерения пульсирующего расхода.

3. Результата экспериментального исаледоьгвия по определении вг-яичшш погрешности измерения расхода.

Практическая значимость. Предлагаемая методика оценки по-греенсстп измерения пульсирующего расхода методом переменного парзпада давления позволит определить неучитываемую систематическую погрешность измерения расхода.

Апробация работа,- Исследованы динамические характеристики рлов учета rana па промышленных объектах "Таттрансгаза", "Кпено-каыекнефгехиыа", "Волгоградтрансгаза" и "Югтрансгаза".

Публикации. По материалам работа опубликовано 2 статьи.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литература и приложения. Полина ебьоа диссертации -211 страниц, основного текста - 170, рисунков - G3, список литературы аклзча-ст 70 источников.

• ОСЙОВНОЗ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Do пведеиии раскрыта актуальность повышения точности измерения расхода. Практическая значимость работы.

• D первой главе вьшеяаеп аналитпческпЛ обзор отечественных и оарубэтк публитздий, посвященных проблема измерения вестацио-' карнш: расходов с попощь» cysaDsurx устройств* Глава состоит кз . соыя разделов. ,-

О хагд-'J раздело рассмотрены составляй г-що факторы днишл!-. погрешности измерения нестационарных расход оз. Ештвяско, тго оспсвн1л.ш источникам! дополнительных погресшостей измерения ¡редкого расхода являются погрешности, связанные о измененной значений перепада давления и коэффициента расхода пр:г пульсациях :г,7о:са рабочей среди, от кзазистацконарных аналогов.

3 технической докладе по проблемам измерения пульсирующего заснода ISO / DTR 3313 предложено определять погрешность nsL'ope-:пя раскола, вызванная пульсациями перепада давления через ;радпеквадратическов отклонение сг. в виде :

Результат» исследований влияния пульсаций потока на яарзя-■с-р изменения коэффициента расхода икеют противоречивый характер, го виделено, что в ускоренные шаэи периода пульсаций (.33/61 > 03 'Уя;сс < 1, а в заг,:здлотше С с$/д1 < 03, а/<х,с >1.

На основании литературного обзора по проблем измерения г/льсиругцих расходов сформулировали задачи исследования.

Во второй главе дано описание зксперга.сен'кигьпого стснда, ^агностического оборудования п измерительной системы. Пригодят-я методика калибровки датчиков давления. ■

Экспериментальная установка представляет собой ггзонзнори-ельнуи струну С рис. 13. 1-з проточного тракта установки вездуи сасывался насоссп 14. Пульсатор 13 обеспечивал рзгшм: течения о ульсацияз.ш заданной частота. Частоту пульсаций раскола изменяли уте:д изменения скорости вргцепяя коллекторного электродвигателя сстоянного тока 11. Подачу расхода в и амплитуду пульсаций ротировали вентеляыи, соответсвэнво 15,16. Цилиндрический какая 18 ¡сличает в себя два прямгк участка трубопровода, о внутренний аакетрои 48мм, и работай участок 9. Длина трубопровода до рас'о-?3го участка равняется 40 калибра;?, посла - 12-калибра«. 1!а вхо-э в цилиндрический канал установлено образцовое сопло 17, спро-злировоиное по формуле Вятолинского. Сопло являлось преобразова-элбы расхода, о коэф^адиоптои расхода 0,0334420.

1

Е,

'к

1

S

Рабочий участок - есть расходомернш! узел с угловым способом отбора перепада давления с диафрагмы. До и после диафрагмы расположены отборы статического давления.

Для выполнения работ по съему и переработки информации была использована Автоматизированная система съема и переработки информации САСС1ШЗ, аттестованная во ВНИИРе. Система АССПИ вклпча-ет в сэбя : 1) олекронно-вычислительну» машину NOTE-BOOK 2200SX-, 23 аналого-цифравой преобразователь; 3) датчик давления; 43 программное обеспечение; S) кабели связи. И позволяет решать следующие задачи. 1. Измерение мгновенных значений электрических сигналов постоянного тока в диапазоне ± S вольт. 2. Статистическую обработку полученной информации. 3. Определение корреляционных характеристик сигнала. 4. Преобразование сигнала из координат сигнал-время в пространство амплитуда-частота, с целььв определения несущих частот сигнала. 5. Калибрование средств измерения, выступая в качестве образцового средства как в лабораторных уело ьиях, так и на объекте.

Методика проведения экспериментов била следующая : 13 калибровали датчики давления; 2) определяли максимально воз-uozayu частоту съека информации, обеспечивающую некоррелированность двух последовательных измерений; 33 определяли количество точек в измерении, обеспечивающих постоянство оценки среднего аначешш перепада давления и квазипостоянство среднеквадратичес-кого отклонения; 43 сигналы с датчиков, для заданных режимов течений пульсаций воздуха, подавали на вход АССПИ и записывали в память персонального компьютера; 53 повторяли калибровку датчиков давления.

Проведены экспериментальные исследования на участке диафраг шрованпя.

1. Экспериментальные исследования по определение влияния пульсаций потока на распределение статического, давления по длине рабо-чого участка.

Датчиками ДМИ-0,3-2 измерены сигналы перепада давления, ста тпчэского давления относительно атмосферного, до и после диафрагмы по длине рабочего участка. Датчик ДНИ, по паспорту, имеет равиомернув полосу пропускания сигнала (без фазовых и аыплитуд-

ныч искажений) по частоте 100Гц и по амплитуде 90'-;.

Получени распрэдолэшгя амплитуд пульсаций статического давления по длине рабочего участка, в зависимости от частоты вынужденных колебаний. Результаты эксперимента показали, что в местах отбора статических давлений, при угловом способе отбора перепада давления, амплитуда пульсаций не равна максимальным значениям. Это может привести к дополнительной неучитываемой погрешности. 2. Экспериментальные исследования влияния скорости пульсирующего потока на перепад давления с диафрагмы.

Измерены перепад давления с диафрагмы датчиком ДШ-0,3-2 п скорость на оси потока за диафрагмой термоанемсметром постоянного тока при различных рентах пульсаций воздуха.

При пульсирующей природе, перепад давления и скорость являются случайными величинами. Нерой взаимной связи мегду случайными величинами кояет слугигь коэффициент корреляции

' СОУС V/, Ар) ■ ^Р = ^Др ' который меняется от нуля, для независимый случайных величии, до единицы, если они связаны линейной функциональной зависимостью.

Получено, что сродиеквадратическке отклонения скорости и перепада давления при пульсациях потока связаны /шейной фушецио-пальной зависимостью Срис.2). Значение коэффициента корреляции меняется от нуля, при минимальных значениях амплитуды пульсаций перепада давления, до единицы.

. Предложена методика оценка измерения среднего значения пульсирующего расхода, основанная на зависимости среднего коэффициента расхода и среднего квадратного корня перепада давления при пульсациях потока через козффацпепт корреляции.

Среднее значение измеренного расхода согласно правил РД 30213-80 рассчитывают как,

0!!эг, = а-/лГ « «-/¿¡Г С1),

которое является некорректным, так пак : • .

1. среднее значение пульсирующего расхода рассчнтапиоэ через осреднетгай квадратный корень перепада давления будет равпо

Vc4.1 = + Pa,VZp ^VSp]

C23;

2. сроднее значение пульсирующего расхода рассчитанное через средний перепад давления -

брасч.2 =

1 + g« + 2Pa.¿pg¿gb 1

1 + с-1

J í3)-

Тогда, погрешность измерения пульсирующего расхода будат

равна

б = Gnau ~ 6расч .

(43.

расч

чорзз -/V "» "V

чорзз / £р ' dg =

1 + pa,Tïïp ff¿aVSp

100?í ,

1 » С + 2Pq. ¿pq^Án

i + gGa

/1 + a'ct * ZpgjMu / 1 + a*а

■100*

Внрашша для вычисления o'a получено ra решения систеш уравнений С23, СЗЗ б виде а-о£г + в-с^ + с = 0 , где

а = 1 - K<VEp '

ь в ^а,АраДр - ж'Ра,У2р аУ2р i о » 1 - К ;

Cl-vcr'3 3

К »

2а

3. Экспериментальные исследования оценки погрешности измерения, расхода при пульсациях потока.

Измерены датчиком ДМИ-0,3-2 перепад давления с образцового сспла, датчиком д1<И-0,3-2 - перепад давления с диафрагм! и датчиком "Сапфир" - статическое давление в "шшусовой" камере рабочего участка.

Получены аппроксишрупщно функции для вычисления значения величии, в виде :

„ 0,0556351 -а',

< --¡з—^ - '

Ра,Лр = 5-19236 + 17,1112-и - 17,0446-т23-а£р. + •

+ СО,01334-33 - 1,11202-га + 1,22816-вФ ,

для Ра^р - при ра др = ра у^ . Результат!! аппроксимации хорошо

сопоставляется с экспериментальными значениями (рис.3-33.

Результаты исследования позволяют рассчитать по методике величину погрешности измерения пульсирующего расхода, предварительно определив и ст^ , Од® и а'^ измеренного сигнала перепада давления с рабочего модуля диафрапш.

Проведены ¡экспериментальные исследования по лниэгтш амплитуды пульсация перепада давления на измерительной! линии. Рассмотрена методика проведения 1! обработки эксперимента.

Источником систематической потребности измерения пульсирующего расхода является амплитуда пульсаций перепада давления, Ка-турнкэ исследования по диагностика динамических характеристик узлов учета газа показали, что газ пульсирует в измерительной лиши с определенной несущей частотой.

Для снпгения ашлптуды пульсаций перепада давления продяонш пптерферепциошшЗ гаситель. Действие гасителя основано на агоер-фзрепцгш волн давления. Длина ответвления от измерительной лилии

зависит от основной частота Г и равна I = » б " ^ кКГ1. Получена заадсЕмасть дяикн гашзншг от посудой-частота пульоацпя

83,0361

перепада дазсзяня, в впдо ашшокскзяздш I ~ -=»«—4—»сотовая

-

позволяет определять длину гасителя при известной посудой частота

пульсаций перепада давления.

Р тротьой глава представлены результаты исследования динамических характеристик натурных узлов учета газа на газокомпрессорных станция): "Югтраногаза" С рис. 63.

■ Определили, что в измерительной линии ашлитуда пульсаций полного давления и температуры намного меньше амплитуды пульсаций перепада давления, и их значения практически не влияют на измерение пульсирующего расхода.

Рассчитаны значения погрешности намерения пульсирующего расхода по измеренному сигналу перепада давления согласно методике оценки, используя аппроксимирующие функции (рис.7-10).

Предложена методика оценки погрешности измерения пульсируа-цего расхода на узлах учета газа.

Основные результата и выводы.

1. Создала газодинамическая установка для исследования влияния пульсаций потока на точность измерения пульсирующего расхода при помощи оугаидих устройств.

2. Предложена и рассмотрена методика оценки погрешности измерения пульсирующего расхода. Получены выражения для определения величины погрешности.

3. Получены экспериментальные зависимости величины дисперсии расхода от дисперсии перепада давления и коэффициента корреляции от среднеквадратического отклонения перепада давления.

4. Предложены эмпирические зависимости, для нахождения значений величины дисперсии расхода и коэффициента корреляции в зависимости от модуля диафрагмы, позволяющие удовлетворительно аппроксимировать опытные данные для расчета погрешности измерения рас-ло да.

3. При увеличении амплитуды пульсаций перепада давления увеличивается погрешность измерения пульсирующего расхода.

6. Для снижения амплитуды пульсаций перепада давления предложено использовать интэрференциональный гаситель.

7. Предловена методика оценки погрешности измерения пульсирующего расхода на узлах учета газа.

Условные обозначения

G - расход; W - скорость; Р - давление; Ар - перепад давления; а - коэффициент расхода; а2 - дисперсия; а - средпеквадратачес-кое отклонение; р - коэффициент корреляции; б - погрешность; п -модуль диафрагмы; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура; с - скорость звука; L - длина.

Черта над параметром обозначает усреднение по времени, существенно большем периода наложенных пульсаций, штрих указывает на безразмерную величину.

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Нуслимов Р.А., Гаптрахманов P.P., Фафурин D.Л. Характеристика натурных сигналов перепада давления при измерении расхода природного газа. // Тепло - и массообмен в химической технологии: Hos-вуз. сб. / Казан.' Гсс. Технолог. Униз. Казапь, 1GS5. С. 114-119.

2. Гаптрахманов P.P. Влияние геометрии опытной измерительной струны на еэ акустические характеристики. // Тепло - и массообмен в химической технологии: Мэавуз. сб. / Казан. Гос. Технолог. Унив. Казань, 1SS3. С.119-124

И

1,2 - образцовый напоромэр; 3 - вольтметр Щ31; 4,12 - блох питания; 5 - Н00ТЕ-В00К 2200гх; 6 - АЦП; 7 - вторичный преобразователь УГ-УМ; 8 - датчик ДМИ-0.1-2; 9 - расходомерный узел; 10 - интерференционный гаситель; 11 - электродвигатель; 13 - пульсатор; 14 - насос; 13,16 -вентиль; 17 - образцовое сопло; 18 - измерительная линия.

4.0 -3,0 -2.0 -1.0 -0.0 -

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 O.ß 0.7 O.B Рис. 3. Зависимость паиапеим a¡? от воличкн с'Л л.

-0.8 -i

-1.2-

-1.6 -

-2.0

-2.4

tga*Cbp

tgo>C&p=-5.19256+17.1112*m-17.0446*nv

_m

0.1

"o2 o5 d^ aS об оУ o.8

Рис. 4. Зависимость изшношш угла наклона прямой

вида ра ¿р = -а -Сдр - Ь' ii Од® от величины и.

-0.10

-0.15 -

-0.20 -

-0.25 -

-0.30

const

const=0.0138439—1.11202*m+1.22816* -i2

ОЛ 0.2 ' О.'З СЙ 0.5 . 0.6 ОУ

0.8

Рис. 5.. , Зависимость изменения постоянного коэффициента в функции Ра,др = -а'°др " ь от величины т.

20.0

15.0 -

10.0 :

5.0 -

Ат,(йР1-йРз)/ЬРз*100^

0.0

ПЕТРОВСК БЛД-З .17 N=»1100 ГПСМ'ЬоНг

I I' М I I | I I I I I I I I

1~| I I I М' I I I I II I I I I I I I I I II I 1 Г I I I II 'I I I I I' I I | I I I I I I | | I I

0.0 10.0 20.0 30.0 ' 40.0 50.0

Г.Нг

Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика сигнала перепада давления.

г Петровок. Замерный узел БЛД-3. Модуль диафрагмы Ц521

4-

2-

* Я*

О-!--,-----ОЩ

0.00 005 0И0 0.15 0.20 • . 0.25

рис. 7. Изменения погрешности измерения пульсирующего расхода от величины а'^щ .

г Покров ок. Запорный уашх ЕЛД-3. Подута днафрапш 0,521

в-1

6-

4-

2-

<5г

да:!«**

ТГ

¿¡с

Ом

0.0

0.1

0.3

0.4

0.5

Рис. 3. Изменение погрешности измерения пульсирующего расхода б2 от ьолпчинн сгдр.

г Петровен. ¡Замерный уасл ВДЦ-3. Модуль диафрагмы 0,521

6п

2-

6i.se

т

¡М.

* #*

"2З0 • 24о 280 з5о~

в.кг,

Й

60

360

400

Рпс. 9. Изменение погрешности измерения пульсирующего расхода 6^ от величины 6.

•лгзрльт упап стш 0,521

1' '

о-

4-

0

:к **

(у\ С.ИГ/С

160 200 240 280 320 360 400

Рис. 10. Езиспешго погсаапостя измерения пульсирующего расхода бп 'от' золичшш в.

Сопскате

Р. ?. Гйлтражадов