Метрологическое обеспечение измерительных систем (стр. 16 )

3. Вопросы влияния на показания расходомера помех механической и электромагнитной природы, например, пульсаций скорости потока, сигнала поляризации электродов, термо-эдс, помех промышленной частоты, одиночных импульсов и т. п.

Решение этих задач экспериментальным путем возможно только в том случае, если имеются соответствующие метрологические средства, позволяющие детально исследовать функции влияния каждого в отдельности из факторов, определяющих метрологические характеристики прибора.

Возможны два метода экспериментального исследования расходомеров: проливной, основанный на использовании расходомерной установки, и беспроливной, в котором применяются средства имитационного моделирования расходомеров.

Рассмотрим эти методы с точки зрения применимости их для исследований электромагнитных расходомеров в указанном выше объеме.

1. Исследования с помощью расходомерной установки

Допустим, что у нас имеется образцовая проливная расходомерная установка достаточно высокой точности. На этой установке измеряемой средой является чистая водопроводная вода в узком диапазоне температур, на мерном участке установки обеспечивается осесимметричная кинематическая структура потока жидкости, с помощью соответствующих устройств сглажены пульсации скорости и т. п. Однако нам не известно множество других факторов, определяющих структуру потока непосредственно в измерительном сечении канала расходомера. А именно: характер и распределение по сечению канала осевой и тангенциальной скорости потока, углов смачивания на различных участках поверхности канала, в особенности гидрофобных покрытий (например, типа фторопласта) и состояние пограничного слоя на этих участках, уровень и полярность эдс-поляризации, термо-эдс, амплитуд, фаз спектра гармоник помех промышленной частоты и многое другое. Все эти факторы нам количественно не известны, хотя они могут влиять на результат измерений расхода электромагнитным методом. Нам также не известны их изменения во времени. Если и можно их как-то искусственно изменять, то только в узко ограниченных пределах, и при этом опять же нам неизвестны их действительные значения.

В зависимости от состояния смоченности поверхности канала распределение скорости потока различно. При углах смачивания (более 90°) жидкость не “прилипает” к поверхности канала и скользит по ней. Выраженная гидрофобность отдельных участков поверхности канала приводит к нестабильному и существенному перекосу (асимметрии) распределения скорости потока в канале. Это приводит к значительной погрешности прибора.

Здесь следует обратить особое внимание на качество воды, значение её жесткости. Вода всегда имеет в своем составе различное количество минеральных веществ, нерастворимых солей, ржавчины (заметим, что ржавчина – Fe2O3×nH2О немагнитная, с электропроводностью водопроводной воды) и т. п. Все эти компоненты постепенно создают на поверхности канала весьма тонкий налет, существенно снижающий угол смачивания, доводя поверхность канала до гидрофильного состояния. И только когда вся поверхность становится полностью смоченной, пограничный слой формируется на всей поверхности канала, структура потока становится осесимметричной и стабильной, что в конечном итоге приводит к стабильной работе прибора. Время выхода вновь изготовленного прибора на стабильный режим составляет от нескольких часов до нескольких суток непрерывной работы на расходомерной установке. Это время зависит от многих причин: первоначальной чистоты поверхности канала, размера площади поверхности канала, состава воды, температуры, скорости потока и т. п. Эффекты, вызываемые временной гидрофобностью поверхности канала особенно существенны для расходомеров малого диаметра (10-40 мм), для которых пограничный слой составляет значительную долю поперечного сечения канала, а также потому, что распределение магнитного поля у этих приборов близко однородному. А расходомер с однородным магнитным полем, как известно, особенно чувствителен к асимметрии кинематической структуры потока. У расходомеров с Ду 50-100 мм эти эффекты проявляются в меньшей степени. Расходомеры с Ду более 200-300 мм практически не чувствительны к эффектам, связанным с гидрофобностью изоляционного покрытия трубы.

Проливная расходомерная установка по принципу своей работы не позволяет изменять условия измерений, а именно менять плотность измеряемой среды для исследований зависимости показаний прибора от числа Рейнольдса, изменять асимметрию структуры потока, вводить помехи механического и электромагнитного происхождения. Следовательно, на расходомерной установке сложно проводить в широком масштабе исследования расходомеров на определение функций влияния их характеристик таких как: изменений структуры потока и помех различного происхождения и уровня.

На расходомерной установке весьма сложно проводить испытания расходомеров с целью выявления зависимости их характеристик от изменения конструкции.

Например, нас интересует функция влияния зависимости градуировочной характеристики прибора от неточности установки электрода. Для этого необходимо изготовить два, а может быть и большее количество образцов приборов, у которых электроды установлены на разные расстояния. Элементарные расчеты могут показать, что смещение электродов вызывает незначительные изменения сигналов. Поэтому полученные различия показаний этих приборов на проливной расходомерной установке вовсе не означают, что они вызваны только изменением смещения электродов. Выше было сказано, что у проливной расходомерной установки имеется ряд не учитываемых факторов, которые могут быть различными при испытаниях даже одного и того же прибора в разное время. Изменения сигналов того же уровня возможны также за счет неточности изготовления остальных элементов конструкции прибора, которые по постановке эксперимента у всех приборов должны быть строго одинаковыми.

Следовательно, испытания приборов на проливной расходомерной установке с целью определения зависимости их характеристик от изменения конструктивных параметров, требуют с одной стороны трудоемких работ по изготовлению многочисленных макетов приборов, а с другой стороны не позволяют получить необходимой точности измерений, несмотря на то, что сама проливная расходомерная установка имеет сколь угодно малую погрешность измерений расхода.

Проливная расходомерная установка по своему принципу действия консервативна, она не предназначена для проведения разносторонних исследований расходомеров, она чрезвычайно мало информативна, единственным информативным параметром проливной расходомерной установки, представляемым в численном выражении, является значение расхода воды, пропущенного через канал прибора и измеренная соответствующими средствами.

Проливные расходомерные установки совершенствуются. Однако их развитие ведётся исключительно в направлении повышения точности, автоматизации измерений, программной обработки результатов измерений и упрощения монтажа испытуемых приборов. Из-за чрезвычайной сложности и высокой стоимости, практически не ведется развитие проливных установок в направлениях:

– измерений многофазных потоков: песковых, угольных пульп, рудных хвостов, суспензий;

– создания установок для безнапорных потоков сточных жидкостей (с изменяющимся уровнем заполнения канала в трубопроводе);

– создания установок, позволяющих изменять плотность измеряемой среды с целью исследования влияния числа Рейнольдса;

– создания установок, которые позволяют изменять структуру распределения скорости потока в канале с целью определения зависимости влияния этого фактора на показания прибора и определения минимально допустимого прямого участка трубопровода до и после электромагнитного расходомера.

Именно такие установки необходимы для развития электромагнитных расходомеров.

Стационарные проливные установки дороги в изготовлении и эксплуатации, металлоемки, для их размещения требуется специальное помещение. Какая-либо их модернизация в направлении расширения диапазона измерений, перевода на другие рабочие среды и др. весьма трудоемка и дорогостояща. По этим причинам количество стационарных установок весьма ограничено и явно недостаточно для метрологического обслуживания всего парка эксплуатируемых средств измерений расхода.

Возможно, именно поэтому большинство разработчиков приборов не проводят масштабных исследований электромагнитных расходомеров, отсутствуют об этом соответствующие публикации, а изменения конструкции приборов производится интуитивно, в меру своего понимания физики процесса.

Исследователь, слепо доверяющий проливной расходомерной установке, весьма часто попадает в тупик, получив например, различные показания одного и того же прибора на разных высокоточных расходомерных установках.

2. Исследования с помощью имитационных методов моделирования

Имитационный метод как бы специально предназначен для проведения испытаний приборов в самых широких масштабах изменения условий измерений. С помощью имитационного моделирования можно нормировать и воспроизводить, и в большинстве случаев весьма просто, практически все интересующие нас факторы, определяющие как конструкцию расходомера, структуру потока, так и помехи различной природы.

Имитационное моделирование электромагнитного расходомера предусматривает два основных элемента:

– устройства для моделирования конструктивных параметров расходомера и структуры потока в его канале;

– устройства, моделирующего помехи электромагнитного и механического содержания.

Основным элементом первого из выше упомянутых устройств является преобразователь магнитного поля, выполненный в виде индукционной катушки, витки которой распределены по так называемой поверхностной весовой функции. Поскольку поверхностная весовая функция зависит от конструкции электродов, геометрии канала, кинематической структуры потока, распределения фазового состава измеряемой среды в канале, уровня заполнения жидкостью канала при безнапорном потоке, то с помощью её можно исследовать метрологические характеристики расходомера при изменении каждого из выше перечисленных факторов в отдельности или их всех вместе. Для этого достаточно применить катушку, выполненную с учетом той поверхностной весовой функции, которая отражает какой-либо исследуемый фактор или их совокупность. Поверхностная весовая функция поддаётся точному расчету, преобразователи магнитного поля технологичны, они изготовляются с высокой точностью автоматизированным способом с применением фотопечати и просто тиражируются.