При разработке средств измерения расхода и объема жидких углеводородов и других вязких жидкостей возникает необходимость проведения их испытаний в среде, имеющей характеристики, максимально близкие к измеряемой. Парк этих расходомеров и счетчиков можно поверять на обычной воде и, имея под рукой таблицы для пересчета показаний или эмпирические зависимости, получать результаты, приближенные по точности к требуемой.
Но, во-первых, такие данные и формулы нужно еще получить. А, во-вторых, погрешность полученного таким образом результата может оказаться неприемлемо высокой, ввиду его зависимости от большого числа внешних, не учитываемых, факторов. Поэтому возникает необходимость изготовления испытательного и поверочного оборудования с испытательной жидкостью, позволяющего проводить весь комплекс работ в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.
Диапазон изменения кинематической вязкости измеряемых углеводородных жидкостей в большинстве случаев составляет от 1,5·10-6 до 50·10-6 м2/с, а расходов – от 0,01 до 50 м3/ч. При этом достаточно, чтобы допускаемое предельное отклонение подготовленной поверочной среды по кинематической вязкости находилось от реальной, измерямой в рабочих условиях, в пределах ± 4%, а ее измерение обеспечивалось с относительной погрешностью не более ±2% от предела.
Прочие характеристики поверочной установки обычны для данного типа оборудования: относительная погрешность при измерении объема (массы) весовым методом — не более ± 0,05%, относительная погрешность при измерении объема методом сличения — не более ± 0,25%, давление на входе измерительного стола в диапазоне воспроизводимых расходов — не менее 0,63 МПа, воспроизведение расхода в процессе поверки должно обеспечиваться с нестабильностью не более ± 2%.
Основной вопрос — это выбор поверочной жидкости. От нее во многом будет зависеть схема и конструкция поверочной установки, применяемое в ней оборудование, удобство и безопасность работы, наличие или отсутствие негативных воздействий на рабочие средства измерений и поверителя.
Поверочная жидкость должна наиболее полно моделировать рабочую жидкость по параметрам кинематической вязкости, электрической проводимости, плотности и так далее, быть безопасна (соответствовать четвертому классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76), удобна в хранении и применении.
В качестве поверочной жидкости обычно используется водно-масляная смесь. Такие жидкости представляют собой эмульсию, стабилизируемую от расслаивания поверхностно-активными веществами, с добавлением присадок, улучшающих ее эксплуатационные качества. Однако приготовление подобных жидкостей связано с необходимостью интенсивного перемешивания составляющих компонентов, чтобы получить пригодную для работы однородную смесь со «сроком жизни», превышающим хотя бы несколько десятков минут.
Кроме того, полученная жидкость имеет строго определенное значение кинематической вязкости, и его изменение связано с серьезными технологическими сложностями, а порой и вовсе невозможно. Поэтому для проведения метрологических испытаний в полном объеме и во всех контрольных точках требуется приготовление нескольких смесей с разными, заранее определенными характеристиками.
Существует альтернативная возможность получения поверочной жидкости без описанных ограничений. Она основана на том, что вязкость большинства ньютоновских жидкостей изменяется экспоненциально при изменении их температуры, то есть без манипуляций с их составом. Этот способ гораздо удобнее в применении, однако ограничен рамками изменения температуры, предельно допустимыми для работы используемого в поверочной установке оборудования и поверяемых средств измерений.
В ОКБ «Гидродинамика» был предложен синтетический вариант обеспечения требуемого диапазона кинетической вязкости. Вместо водно-масляной эмульсии, сложной в приготовлении и подверженной расслоению со временем на составляющие ее компоненты, предложено использовать химический раствор, не имеющий подобного недостатка, с корректировкой его вязкости до необходимой изменением температуры раствора.
Экспериментально было установлено, что для требуемого диапазона кинетической вязкости (от 1,5·10-6 до 50·10-6 м2/с) достаточно иметь пять растворов разной концентрации входящих в их состав компонентов и изменять их температуру в пределах 30 ºС. Экспоненциальную зависимость между кинематической вязкостью (напрямую связанную с концентрацией компонентов в растворе при нормальных условиях) и температурой получают, задаваясь процентным соотношением составляющих смеси.
В поверочной установке замена такой поверочной жидкости автоматизирована, в процессе работы ее характеристики (вязкость, температура, плотность и другие) контролируются в режиме реального времени и могут в автоматическом режиме поддерживаться в рамках заданной погрешности, что в других случаях невозможно.
Характеристики раствора с течением времени могут незначительно меняться. Для их корректировки, зная текущие значения вязкости, температуры и объема готовых смесей, можно с высокой степенью точности рассчитать концентрацию компонентов в растворе и их необходимое количество для добавления.
Дозированно вводя одну или несколько составляющих раствора и создавая условия для их взаимодействия, можно предельно точно довести значение кинематической вязкости до первоначально заданной. Эту операцию легко автоматизировать, включив соответствующую функциональную процедуру в имеющееся программное обеспечение, существенно упростив и облегчив тем самым работу оператора.
Применение предложенного способа моделирования параметров рабочей среды расходомеров позволяет существенно расширить функциональные и сервисные возможности поверочной установки, сократить текущие затраты на расходные материалы, максимально сократить время подготовительных операций и, следовательно, иметь возможность проводить на установке весь спектр исследовательских и поверочных работ.
Василий Каргапольцев, заместитель директора по маркетингу
Александр Косолапов, заместитель директора по метрологии и развитию
Андрей Сиденко, начальник конструкторского отдела
ООО «Опытно-конструкторское бюро «Гидродинамика». На фото: установка «ОКБ «Гидродинамика» для поверки расхода нефти в «Ноябрьскнефтегазе»
