Еталонна база України в галузі об'ємної витрати газів за тиску від 1 МПа до 5 МПа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Еталонна база України в галузі об'ємної витрати газів за тиску від 1 МПа до 5 МПа

Рожнов М.C.¹, Мельник Д.М.², Левбарг О.С.³

Анотація

еталон витрати газу за високого тиску

Розглянуто характеристики первинних еталонів одиниці об'ємної витрати газу за високого тиску, розроблених у різних країнах. Представлено ієрархічну схему для засобів вимірювання витрати газу та відповідний ланцюг метрологічної простежності. Описано метод PVTt, на якому ґрунтуються первинні еталони витрати газу, що їх застосовують у США, Франції, Японії, на Тайвані. Обґрунтовано потребу створити в Україні первинні еталони витрати газу за високого тиску, що охоплюватимуть різні частини загального діапазону витрати від 0,3 м³/ год до 1800 м³/ год за тиску від 1 МПа до 5 МПа. Метрологічну простежність результатів вимірювання витрати газів реалізують через послідовність сопел критичного витікання Вентурі, що відіграють роль еталонних мір витрати. На еталонах можна буде калібрувати первинні еталонні сопла Вентурі з найбільш уживаними діаметрами в діапазоні від 0,1 мм до 8 мм. Визначено характеристики та параметри еталонів. За метрологічними та технічними характеристиками створювані еталони відповідатимуть сучасному світовому рівню. Згідно з програмою створення еталонної бази в Україні у 2019 р. закінчено роботи зі створення первинного еталона PVTt-65 та розпочато роботи зі створення первинного еталона PVTt-1800 та робочого еталона РЕ-5400. Детальне дослідження метрологічних характеристик еталонів буде темою подальшої роботи.

Ключові слова: витрата газу, первинний еталон, сопло Вентурі, ланцюг простежності, метод PVTt.

Основна частина

Єдність вимірювання витрати газів за високого тиску заснована на метрологічній простежності результатів вимірювання, яку реалізують через послідовність сопел критичного витікання Вентурі, що відіграють роль еталонних мір витрати ^[1].

Первинні еталонні сопла калібрують на первинних еталонах витрати газів, заснованих на застосуванні трьох методів: PVTt, об'ємометричного та гравіметричного. Характеристики деяких первинних еталонів одиниці об'ємної витрати газу за високого тиску, у яких застосовано ці методи, подано в Таблиці 1.

Загальноприйняту ієрархічну схему для засобів вимірювання витрати газів та відповідний ланцюг метрологічної простежності результатів вимірювання об'ємної витрати газів за тиску до 5 МПа показано в Таблиці 2.

У загальному випадку систему метрологічної простежності утворюють: еталонна база, комплекс вимірювальних систем та комплекс методик ви- мірювання^[2]. Головна складова -- еталонна база. В Україні роботи зі створення системи метрологічної простежності результатів вимірювання об'ємної витрати газів за високого тиску в діапазоні 1--5 МПа на основі сопел критичного витікання Вентурі, що їх застосовують як міри витрати, розпочато в 2016 році.

Для первинних еталонів одиниць об'єму та об'ємної витрати газів у діапазоні тиску від 1 МПа до 5 МПа прийнято метод PVTt, що забезпечує незалежність витрати від коливань тиску за соплом у разі критичного режиму витікання та можливість чітко визначити границі об'єму, який потрібно враховувати. Газ, що проходить крізь сопло під час калібрування, заповнює звакуумований п'єзометр, розміщений за соплом, протягом виміряного інтервалу часу. Масову витрату розраховують множенням об'єму п'єзометра на зміну густини газу і діленням на час пропускання газу.

Зміну густини визначають через рівняння стану та виміряш початкові й кінцеві значення тиску та температури.

Більшість наявних пер винних еталонів, заснованих на використанні метода PVTE, забезпечумоть відтворювання одиниці об'ємної витрати газів за високого тиску в діапазоні витрати від 0,5 м³/ год до 10000 м³/ год та калібрування первинних еталонних сопел критичного витікання з діамемаом горловини від 0,1 мм до 20 мм (Таблиці 1 і 3).

Таблиця 1. Первинні еталони одиниці об'ємної витрати газу за високого тиску

Табьпцп2. Система забезпечення єдності вимірювання витрати газу за тиску до 5 МПа

Таблиця 3. Об'ємна витрата повітря, що її відтворюють первинні сопла з різним діаметром горловини за тиску на вході 5 МПа і температури 20 °С

Значення витрати в Таблиці 3 обчислено згідно з ISO9300:2005 ^[1].

В Україні є нагальна потреба створити первинні еталони, що відтворюватимуть одиницю об'ємної витрати газів в діапазоні 0,3--18СО0 м³/ год за тиску від 1 МПа до 5 МПа, і це дасть змогу калібрувати иврвин- ні еталоині сопла критичноги витікання з найбільш уживаним и діаметрами в діапазоні від 0,1 мм до 8 мм (Таблиця 3). Для цього треба визначитися з діаметрами тр б, пропускальна здатність яких забезпечить потрібну кількість газу. Дані щодо пропускальної здатності газових труб діаметром від 6 мм до 200 мм на вході в еталон за тиску 0,1 МПа, 1 МПа і 5 МПа для повітря за швидкості потоку 15 м/с подано в Таблиці 4.

Щоб калібрувати сопла з діаметрами горловини від 0,1 мм до 8 мм, треба створити потік газу в діапазоні витрати від 0,3 м³/ год до 1800 м³/ год за тиску від 1 МПа до 5 МПа та забезпечити розширену непевність результату 0,15 %.

Створити потрібний потік газу для всього діапазону витрати від 0,3 м³/ год до 1800 м³/ год тими самими технічними засобами практично неможливо. Тому доцільно всі сопла в діапазоні діаметрів від 0,1 мм до 8 мм поділити на дві частини: перша частина -- сопла з діаметром горловини від 0,1 мм до 1,5 мм (витрата від 0,3 м³/ год до 65 м³/ год/ та друга частина --- сопла a діаметром від, 2 мм до 8 мм (витрата від, 114 м³/ год до 1828 м³/ год). Відповідно до розподілу сопел доцільно створити два первинні еталони, і для першого еталона використати трубу з внутрішнім діаметром 6 мм, а для другого --- трубу з внутрішнім діаметром 28 мм.

Більшісзь метрологічних: характеристик первинних еталонів одиниць об'ємної витрати газів (середньоквадратичний відхил, невилучену систематичну похибку, стандартну та розширену непевність) визначаю ть за результатами експериментальних досліджень. Під час проектування еталонів задають лише об'ємну витрату, що дає змогу визначити діаметр труб, потрібних для монтажу комунікацій (Таблиця 4), та діаметри сопел, які будуть підлягати калібруванню (Таблиця 3).

Таблеця4. Пропускна здатність труб різного діаметра для повітря за швидкості потоку v = 15м/с

Водночас такі важливі характеристики еталонів, як об'єм п'єзометрів, об'єм ємностей джерела газу та газгольдерів, що залежать від максимальної витрати газу та пов'язані між собою, можна визначити лише розглянувши в цілому еталони як системи та на основі досвіду створення аналогічних еталонів інших країн. Було розглянуто еталони, створені за принципом PVTtу США та Франції, що постійно беруть участь у міжнародних звіреннях, а останній також -- у процесі гармонізації європейського еталона кубічного метра природного газу.

Варто звернути увагу на такі характерні співвідношення:

• відношення максимальної витрати газу, що її може відтворити еталон, Q_max, до місткості джерела газу V_s, з якої подають газ -- Q_max/ V_s;

• відношення Q_maxдо місткості п'єзометра V_coU-- Qmњ !V_coU^;

• відношення місткостей джерела газу та ^п'^єзометр^{а --}V_s^/V_coU.

Від відношення Q_max IV_Sзалежить можливість забезпечити потрібну тривалість експерименту, достатню не лише для вимірювання як такого, а й для продування всієї газової схеми еталона та встановлення в ній стаціонарного потоку газу. ВідношенняQ_max/ V_collвизначає час власне 8имірювання під час калібрування сопла, і цей час має бути достатнім, щоб сумарна непевність вимірів не перевищувала цільового значення. Відношення V_s/ V_collпоєднує ці два критерії.

У результаті дослідження було встановлено, що відношення Q_max/ V_sдля всіх розглянутих еталонів становить (108 -- 109) год^-1. Відношення Qmax/ V_coUстановить для еталонів Франції 4320 год^-1, для еталонів США -- 177 год^-1. Відношення місткостей V_s/ V_collдля еталонів Франції становить 40 і еталонів США -- 1,6.

Згідно з програмою створення еталонної бази в Україні у 2019 р. закінчено роботи зі створенняпервинного еталона PVTt-65 ^[11] та розпочато роботи зі створення первинного еталона PVTt-1800 та робочого еталона РЕ-5400. Місткість п'єзометрів та джерел газу первинних еталонів України визначали через зазначені вище співвідношення, значення яких є близькі до відповідних характеристик первинних еталонів PVTtФранції.

Характеристики еталонів США й Франції, а також установлені їх значення для еталонів України подано в Таблиці 5.

Детальніше характеристики еталонів України подано в Таблиці 6. Детальний технічний опис первинного еталона можна знайти в статті ^[11].

Таблиця 5. Характеристики первинних еталонів витрати PVTtФранції, США та України

Таблиця 6. Характеристики еталонів України для об'ємної витрати газів за тиску від 1 МПа до 5 МПа

Висновки

1. В Україні тривають розпочаті в 2016 році роботи зі створення системи метрологічної простежності результатів вимірювання об'ємної витрати газів за високого тиску в діапазоні від 1 МПа до 5 МПа на основі сопел критичного витікання Вентурі, що їх застосовують як міри витрати.

2. Щоб охопити діапазон об'ємної витрати газів від 0,3 м³/ год до 5400 м³/ год за тиску від 1 МПа до 5 МПа, потрібно створити два первинні еталони на основі методу PVTt, на одному з яких калібруватимуть сопла критичного витікання діаметром від 0,1 мм до 1,5 мм, а на іншому -- діаметром від 1,5 мм до 8 мм, а також робочий еталон для калібрування робочих еталонних сопел діаметром від 0,1 мм до 14 мм.

3. За метрологічними та технічними характеристиками створювані еталони відповідатимуть сучасному світовому рівню.

4. Детальне дослідження метрологічних характеристик еталонів буде темою подальшої роботи.

Посилання

еталон витрати газу за високого тиску

1. ISO9300:2005 Вимірювання газового потоку за допомогою сопел критичного витікання Вентурі[MeasurementofgasflowbymeansofcriticalflowVenturinozzles]. [Англійською]

2. Поль де Бівр, РенеДибкер, АлесФайджелі і Д. Брин Хі- берт 2011 Метрологічна простежність результатів ви- мірень в хімії: поняття та реалізація(IUPACТехнічний Звіт)[Metrologicaltraceabilityofmeasurementresultsinchemistry: conceptsandimplementation (IUPACTechnicalReport)]. Теорет. та прикл. хімія. Т 83, no10, cc. 1873-1935. [Англійською]

3. Джон Д. Райт, Аарон Н. Джонсон і Майкл Р. МолдоверСі- чень-Лютий 2003 Проектування та аналіз непевності для стандарту потоку газу PVTt [DesignandUncertaintyAnalysisforaPVTtGasFlowStandard]. Дослідницький журнал Національного інституту стандартів і технологій. Т. 108, no. 1, cc. 21-47. [Англійською]

4. LNE-LADG. Відділ досліджень і розвитку. Центр метрології та мережевого обладнання 2005 Інформаційний буклет [Informationbooklet]. [Англійською]

5. Валет Дж. П., Міо Г., ВінденбергерС., Манрот П., Кервеван П. 2012 Концепція та будівництво нової первинної газової установки високого тиску[TheconceptionandtheconstructionofanewHighPressurePrimaryFacilityforGas]. Матеріали Восьмого міжнародного симпозіуму з вимірювання витрат рідини. Колорадо-Спрінгс. Колорадо. [Англійською]

6. Чін-І Куо, Ві-ЛінТТо, Вень-Ті Лінь та Чун-Мін Су 14 - 17 квітня 2015 Новий первинний еталон витрат газу PVTtв CMS[ANewPVTtPrimaryGasFlowStandardatCMS]. 9thISFFM. Арлінгтон, Вірджинія. [Англійською]

7. Сін-ічіНакао, МасакіТакамото 2001 Дослідження коефіцієнта звукового перетворення сопел Вентурі[AStudyontheConversionFactorofSonicVenturiNozzles]. Матеріали 2001. Міжнародний семінар та симпозіум NCSL. [Англійською]

8. Доктор БодоМіккан 2017 ГазовіPTBвисокого тиску та офіційно визнані випробувальні установки є ключовим фактором забезпечення правильного вимірювання витрати природного газу[HighPressureGasPTBandofficiallyrecognizedtestingfacilitiesasakeyfactorinensuringofcorrectnaturalgasflowmeasurement]. Підрозділ PTB 1.4. Робоча група 1.43. [Англійською]

9. CESAME. Об'єднана лабораторія для вимірювання потоку газу 2005 Інформаційний буклет[Informationbooklet]. [Англійською]

10. КрасавінB. M., РаінчикC. B., Івшин В. П., КрасавінA. B., Буков И. А., ЛобарєвС. С. 2013 Первинна еталонна установка державного первинного еталону одиниць об'ємних та масових витрат газу ТЭТ 118-2006. Процедура калібрування критичних сопел[Исходная эталонная установка государственного первичного эталона единиц объемного и массового расходов газа. ТЭТ 118-2006. Процедура калибровки критических сопел].Вісник Казанськоготехнологічного університету. Т. 16, № 10, са 285-288. [Російською]

11. Рожнов М., Кузьменко Ю., Мельник Д., Левбарг О., Рак А., Пашун В., Погрібна Л. 2020 Державний первинний еталон одиниць об'єму та об'ємної витрати газів у діапазоні тиску від 1 МПа до 5 МПа(PVTt-15). Метрологія та прилади. №2, сс. 3-12. DOI: 10.33955/2307-2180(2)2020.3-12

Размещено на Allbest.ru