Зачем нужна калибровка расходомеров на реальном газе?

Рубрика: Технологии и решения

Далеко не всегда расходомеры поставляются откалиброванными, и термально-массовые расходомеры не исключение. Приборы могут обладать отличными техническими характеристиками, иметь на бумаге хорошие показатели, связанные с обеспечением высокого уровня безопасности, в их разработке могут быть использованы лучшие доступные технологии. Но если калибровка датчика сделана недостаточно точно или если условия калибровки не соответствуют условиям эксплуатации, а среда измерения заменена на эквивалентную (воздух или воду), то в реальных условиях прибор будет проводить измерения гораздо хуже, чем заявлено производителем, вплоть до полностью некорректной работы.

В результате в случаях, когда калибровка сделана без воспроизведения условий эксплуатации или вообще отсутствует, возникают риски неэффективного производственного процесса и снижения уровня безопасности. Причем эти риски могут оставаться незамеченными до самого запуска процесса или до возникновения нештатной ситуации.

Низкоэффективный технологический процесс также часто сказывается на качестве продукции, сопровождается повышенными экономическими издержками и в итоге негативно влияет на показатели работы и конкурентоспособность всего предприятия.

Калибровка

Термально-массовый расходомер

Принцип работы термально-массовых расходомеров основан на рассеивании тепла потоком газа. Возникающий охлаждающий эффект зависит от свойств газа: теплопроводность, удельная теплоёмкость, плотность и вязкость.

Несмотря на то что серийно выпускаемые расходомеры идентичны с технической точки зрения, их поведение на всём диапазоне расхода, температур и давления при измерении расхода разных газов может различаться.

Heated sensor

Изменение теплопередачи

Производители термально-массовых расходомеров при разработке приборов должны брать в расчет не только уравнения теплопереноса, но и учитывать все пути теплопередачи. Сложность состоит в том, что количество этих путей, как отпечаток пальца, свое для каждого прибора. Даже несмотря на запредельно жёсткий контроль качества, высокоточные методы изготовления, полностью автоматизированное производство, каждый датчик уникален. Незначительная разница в теплопроводящих свойствах приводит к совершенно разному поведению расходомеров в реальных условиях.

Калибровочная лаборатория с высокоточными эталонами

Для установок, построенных на базе эталонов высокого разряда с хорошей прослеживаемостью и возможностью создания сложных газовых смесей (в том числе имеющих в составе опасные и легко воспламеняющиеся газы), требуются гигантские капитальные затраты. Также крайне сложно и затратно воспроизвести необходимые давления и температуры реального технологического процесса. Поэтому многие производители термально-массовых расходомеров просто не вкладывают эти инвестиции в производство и избегают высоких затрат на реальную калибровку газом, выполняя квази-калибровку по воздуху с моделированием и «эквивалентностью».

Эквивалентная калибровка ≠ реальная калибровка

Производители, выполняющие эквивалентную калибровку, используют эталонный или суррогатный газ (обычно воздух) в условиях окружающей среды. К воздушному потоку применяются эмпирические коэффициенты и параметры калибровки, которые основаны на теоретическом расчете на базе общих формул для настройки калибровки газа. В лучшем случае эта процедура просто определяет охлаждающее воздействие газа, его вязкость, плотность, удельную теплоемкость, теплопроводность и диапазоны чисел Рейнольдса.

В отличие от реальной калибровки, в рамках метода эквивалентной калибровки невозможно точно воспроизвести тепловое рассеяние тепла реального газа. Поправки, необходимые для того, чтобы учесть изменения условий процесса, такие как изменения давления и температуры, вносят еще большую неопределенность в измерения. Обратимся к тому, что написано в международном стандарте ISO 14511, разделе 8:

«… Наилучшей практикой для калибровки термально-массовых расходомеров является выполнение калибровки на реальном газе и при реальных условиях процесса, когда это возможно».

Любое ответственное применение, где важно учитывать стехиометрию газа, когда измерение расхода газа обеспечивает безопасность процесса или контролирует его эффективность, не следует использовать расходомеры, откалиброванные эквивалентным методом. Рекомендуется использовать только датчики, имеющие калибровку на реальной среде измерения.

Кроме того, имитация калибровки по воздушному эквиваленту не рекомендуется, если условия процесса нестабильны; где профиль скорости потока может меняться, или где существует потенциальная нелинейная связь между калибровочным газом и фактической рабочей средой. Так, например, при динамическом диапазоне более 1:10 наблюдается нелинейность свойств эквивалентного газа и среды, что не позволяет использовать расходомеры в широком динамическом диапазоне. Поэтому теоретические калибровки или эквивалентные калибровки делают расходомер очень ограниченным в возможности применения.

 FCI

Основная проблема эквивалентной калибровки

Чтобы наглядно проиллюстрировать точность измерения эквивалентной калибровки, рассмотрим графики зависимости погрешности измерения от расхода, показанные на рисунке 1. Эти кривые были получены с помощью термально-массового расходомера, изготовленного ведущим мультипродуктовым производителем расходомеров, в чей счетчик встроено пользовательское меню с выбором компонентов газа. Тревожно видеть масштабы полученной на стенде погрешности. Очевидно, что этот прибор не калибруется непосредственно каждым из этих основных компонентов газа, а вместо этого используется поправочный коэффициент.

Термально массовый расходомер с калибровкой по воздушному эквиваленту в реальных условиях эксплуатации

Рисунок 1 – Термально массовый расходомер с калибровкой по воздушному эквиваленту в реальных условиях эксплуатации

Большие ошибки указывают на простую линейную коррекцию, при этом производитель не использует полиномиальную коррекцию для учёта нелинейностей. Как и ожидалось, кривые воздуха и азота на рисунке 2 относительно близки к реальным измерениям, поскольку базовая калибровка выполняется на воздухе. Однако если в приборе выбран газ, отличный от воздуха, дополнительная погрешность измерения после применения теоретически рассчитанного поправочного коэффициента может достигать ± 100%!

Также наблюдается, что с помощью алгоритмов не удаётся исправить нелинейности для большинства газов даже при небольшом изменении температуры. Дополнительные погрешности, как показывают эксперименты, могут достигать 30%. Таким образом, даже если удалось рассчитать правильные коэффициенты, диапазон применения расходомеров очень ограниченный.

Термально-массовый расходомер FCI с калибровкой для природного газа в реальных условиях эксплуатации

Рисунок 2 – Термально-массовый расходомер FCI с калибровкой для природного газа в реальных условиях эксплуатации

Чтобы продемонстрировать разницу эксплуатационных характеристик расходомеров, прошедших калибровку на реальном газе, был проведен аналогичный эксперимент, результаты которого приведены на рисунке 2. На нём показана погрешность модели ST100 компании FCI с использованием реальной калибровки для природного газа в зависимости от расхода. Сравните этот результат с линией графика для природного газа на рисунке 1, где использовалась эквивалентная калибровка. Разница оказывается реально существенной.

О чем вам следует спрашивать, и что вам нужно знать

Если Вы несете ответственность за работу расходомеров в опасных процессах, за безопасность работы установок или соблюдение экологических норм, у Вас есть право спросить производителей об их процедурах калибровки датчиков. Они должны быть в состоянии объяснить и продемонстрировать, как следует калибровать новые счетчики, какое эталонное оборудование необходимо использовать, какие методы калибровки должны быть задействованы и в каких условиях проводить калибровку, а также какими стандартами следует руководствоваться.

Также Вам следует обратиться в калибровочную лабораторию, где будет выполняться эта работа, и встретиться с инженерами и техниками, ответственными за неё. Кроме того, представитель завода-изготовителя расходомера должен оказать поддержку, чтобы проанализировать условия применения и проверить фактическое место установки расходомера для обеспечения корректной работы.

Заключение

В течение многих десятилетий компания Fluid Components International (FCI) является лидером на рынке термально-массовых расходомеров, обеспечивая достоверность измеренных данных, демонстрируя надёжную и предсказуемую работу, так как все приборы проходят калибровку на реальном газе. FCI инвестировала средства в постройку более 20 калибровочных установок, расположенных на трех континентах. Они рассчитаны на различные диаметры труб, которые могут пропускать потоки воздуха, чистых инертных газов, углеводородных газов и различных многокомпонентных газовых смесей, содержащие до 20 реальных составляющих газовых компонентов. Все эти стенды имеют возможность калибровки расходомеров при фактических температурах до 454 °C и в фактических диапазонах давления от 0 до 34 бар.

Fluid Components International (FCI)