Badania wpływu konstrukcji tulei termometrycznej na błąd pomiaru

Badania wpływu konstrukcji tulei termometrycznej na błąd pomiaru

Badania wpływu konstrukcji tulei termometrycznej na błąd
pomiaru temperatury
Stanisław Dagil
Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo SA, oddział Centralne Laboratorium Pomiarowo Badawcze
Eliza Dyakowska
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki wstępnych badań wpływu konstrukcji tulei termometrycznej na błąd pomiaru temperatury gazu w
gazociągu. Badania przeprowadzono na zbudowanym w tym celu stanowisku laboratoryjnym. Rozpatrywane były dwie różne konstrukcje tulei,
odpowiadające wymaganiom zawartym w normach zakładowych PGNiG SA
Summary In the paper results of initial tests of the influence of thermowells design on the error of temperature measurements in the gas pipeline.
Tests were conducted on the test bench constructed for this purpose. Two different thermowells design, complying with PGNiG SA company
standards were tested,(Tests of the effects of thermowell design on the temperature measurement error)
Słowa kluczowe: pomiar temperatury, konstrukcja tulei termometrycznych, błąd pomiaru objętości, badania laboratoryjne
Key words: temperature measurement, thermowells design, volume measurement error, laboratory tests
Wstęp
Pomiar
temperatury
jest
istotnym
czynnikiem
wpływającym na dokładność wyznaczania objętości
przepływającego gazu ziemnego. Błąd pomiaru temperatury
wynoszący 1 K powoduje błąd wyznaczenia objętości
wynoszący ponad 0,3% mierzonej wielkości przy
przeliczaniu objętości gazu na warunki bazowe. Dlatego
coraz dokładniejsze pomiary objętości powinny iść w parze
ze staraniami w kierunku zmniejszenia błędów pomiaru
temperatury gazu. Najlepsze stosowane w gazownictwie
przetworniki do pomiaru temperatury z czujnikami
platynowymi, w połączeniu z odpowiednimi kalibratorami i
procedurą ich okresowego wzorcowania w miejscu
instalacji, pozwalają na utrzymanie błędu pomiaru
temperatury poniżej 0,1°C. Jest to błąd toru pomiaru
temperatury elektronicznego przelicznika gazu (czujnik,
przetwornik, przelicznik), nie uwzględniający błędu pomiaru
temperatury gazu wynikającego z wymiany ciepła w tulei
termometrycznej. W dostępnej literaturze brak jest
informacji o wpływie konstrukcji tulei i jej wymiarów na błąd
pomiaru temperatury zarówno w warunkach statycznych jak
i przy dynamicznej zmianie temperatury gazu lub otoczenia.
W związku z tym postanowiono przeprowadzić badania,
zmierzające do wyznaczenia błędu pomiaru temperatury.
Program badań
Program obejmował badania przeprowadzone na
odcinkach pomiarowych o dwóch średnicach (DN 80 i
DN150) i tulejach termometrycznych wykonanych wg norm
zakładowych ZN-G-4008 z 1995 r. [1] i ZN-G-4008 z 2001 r.
[2]. Badania wykonano dla 3 wartości strumienia objętości,
3
3
dla odcinka o średnicy DN 80 było to Q1=8m /h, Q2=80m /h
3
3
3
i Q3=160m /h, dla DN 150 było to Q1=32m /h, Q2=320m /h i
Q3=640m3/h oraz dla sześciu wartości różnicy temperatury
pomiędzy temperaturą otoczenia odcinka pomiarowego a
temperaturą
przepływającego
medium
mierzoną
bezpośrednio w rurze. Zastosowanym medium było
powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym. W czasie badań
temperatura komory klimatycznej ustawiana była tak aby
wywołać w przybliżeniu następujące różnice temperatury
pomiędzy medium i otoczeniem odcinka pomiarowego: 20°C, -15°C, -10°C, -5°C, 5°C, 10°C. Czas zadawania
temperatury wynosił co najmniej 3 godziny, przy większych
skokach temperatury czas był wydłużany o 1 do 3 godzin i
był tak dobierany, aby uzyskać statyczny rozkład
temperatur. Do obliczeń błędów brane jest ostatnie 6 minut
rejestracji przed przełączeniem temperatury.
Sposób
mocowania
termometru
w
odcinkach
pomiarowych
Na rysunku 1 pokazano typowe mocowanie termometru
wraz z jego elementami składowymi. Tuleja stalowa,
nazywana gniazdem termometru, jest przyspawana do rury
odcinka pomiarowego. Do niej wkręcana jest tuleja
termometryczna. Średnica tulei wykonanej wg normy [1] i
grubość jej ścianki (rys.1a) są większe o około 40% od
średnicy i grubości ścianki tulei wykonanej wg normy [2]
(rys. 1b). Wymagania co do położenia czujnika
termometrycznego oraz długości tulei są w obu normach
podobne.
Do tulei termometrycznej wkładana jest obudowa
przetwornika temperatury, wewnątrz której znajduje się
jeszcze jedna stalowa tuleja z czujnikiem temperatury.
Przepływ ciepła pomiędzy medium płynącym w odcinku
pomiarowym a otoczeniem odbywa się poprzez osłony, do
których jest wkładany czujnik termometru. Powoduje to, że
czujnik mierzy pewną wypadkową pomiędzy temperaturą
medium a temperaturą otoczenia odcinka pomiarowego .
Przestrzeń pomiędzy tuleją termometru a obudową
przetwornika powinna być wypełniona olejem. Odnośnie
wypełnienia przestrzeni pomiędzy obudową przetwornika a
tuleją czujnika normy zakładowe nie podają zaleceń. Z
obserwacji na stacjach gazowych wynika, że ta przestrzeń
pozostaje najczęściej pusta.
W zestawie pokazanym na rysunku 1b jest o jedną tuleję
wewnętrzną mniej (nie ma tulei wychodzącej z obudowy
przetwornika).
Wymagana długość tulei powinna być taka, aby czujnik
pomiarowy znalazł się w odległości nie mniejszej niż 1/3
promienia wewnętrznego rury od ścianki rury. W przypadku
gazomierzy ultradźwiękowych norma PN-ISO 17089-1
dopuszcza głębokość zanurzenia tulei tylko 1/10 D.
a)
Rys.2. Schemat stanowiska
b)
Badany odcinek pomiarowy jest częścią układu rur
przechodzących przez kabinę i połączonych ze
stanowiskiem do wzorcowania gazomierzy. Pozwala to na
wymuszenie i pomiar przepływu powietrza przy ciśnieniu
zbliżonym do atmosferycznego. W trakcie opisanych
dalej badań temperatura powietrza na wlocie do odcinka
pomiarowego była zawsze taka sama jak temperatura
wewnątrz klimatyzowanego pomieszczenia laboratorium i
wynosiła około 20°C. W jednym z gniazd odcinka
pomiarowego znajdował się badany czujnik temperatury,
w drugim gnieździe zestaw termometrów wzorcowych,
które służyły do wyznaczenia temperatury referencyjnej
medium (rys.2).
Rys.1. Zestaw termometru wg normy a) z 1995r., b) z 2001r.
Opis stanowiska do badań laboratoryjnych
Stanowisko badawcze zbudowane zostało w laboratorium
przepływowym CLPB i umożliwia wymuszanie zmiany
temperatury powietrza wokół badanego odcinka
pomiarowego
z
zamontowanymi
tulejami
termometrycznymi, w stosunku do
temperatury
przepływającego medium (tu: powietrza) o kilka do
kilkudziesięciu stopni Celsjusza.
Badany odcinek pomiarowy jest w całości umieszczony
wewnątrz dobrze izolowanej termicznie i uszczelnionej
kabiny. Jako źródło ciepłego lub zimnego powietrza
wykorzystano komorę klimatyczną o zakresie zadawania
temperatur (-40…+180)°C. W badaniach wykorzystano
zakres od –25°C do 50°C. Komora jest połączona z
kabiną
izolowanymi
termicznie
przewodami
wentylacyjnymi (rys. 2). Ruch powierza był wymuszanym
przez dwa wentylatory kanałowe umieszczone w
przewodach wentylacyjnych. W kabinie umieszczono
także dwa małe wentylatory w celu intensyfikacji
mieszania powietrza w jej wnętrzu.
Rys.3. Rozmieszczenie termometrów w kabinie pomiarowej
W trakcie badań wykonywane były pomiary temperatury w
kabinie w 8 miejscach, których rozmieszczenie pokazano
na rysunku 3:
tKB IN – temperatura powietrza zasilającego kabinę
tKB OUT – temperatura powietrza opuszczającego
kabinę
tamb1,tamb2,tamb3,tamb4 –temperatura otoczenia badanej
tulei
tamb5,tamb6 – temperatura otoczenia pod badaną tuleją.
Dodatkowo mierzono dwie temperatury w komorze
zasilającej kabinę pomiarową - temperaturę powietrza
wychodzącego z komory oraz temperaturę powietrza
powracającego z kabiny do komory. Pomiary w komorze
wykonywano w celu kontroli pracy komory oraz oceny
strat temperatury na izolowanych rurach plastikowych
łączących komorę i kabinę.
Temperatura otoczenia badanej tulei tamb obliczana była
jako średnia z tamb1, tamb2, tamb3, tamb4.
W badanej tulei umieszczono 6 miniaturowych czujników
Pt-100 SMD 1206 V Heraeus o wymiarach 3,2 x 1,6 x 0,5
mm. Ich rozmieszczenie pokazano na rys. 4. Oznaczane są
one jako ttul1 do ttul6. Miniaturowe czujniki umieszczono w
obudowie jednego z typowych czujników pomiaru
temperatury stosowanych na stacjach pomiaru gazu
ziemnego. Dzięki zastosowaniu wielu czujników w badanej
tulei wykonywane są jednocześnie pomiary dla termometru
zanurzonego płytko i głęboko. Wskazanie badanego
termometru zanurzonego głęboko przyjęto jako:
tbadan _ g
ttul1 ttul 2
2
(1)
Przykład rejestracji danych
Przykładową rejestrację temperatury wewnątrz badanej
tulei pokazano na rysunku 5, miała ona miejsce podczas
badania odcinka pomiarowego o średnicy DN150, tuleja
wykonana była wg [1], strumień objętości wynosił
Q1=32m3/h. Temperatura zadana w komorze klimatycznej
wynosiła kolejno (42, 34, 12 ,6, 0, -11) °C . W kabinie
temperatura otoczenia zmierzona w 4 miejscach wokół
badanej tulei jest przedstawiona na rysunku 6, linie są
praktycznie nałożone na siebie. Temperatury tamb są nieco
inne od temperatury zadanej w komorze klimatycznej, jest
to spowodowane stratami ciepła głównie pomiędzy komorą
klimatyczną i kabiną.
Wskazanie dla zanurzenia płytszego:
tbadan _ p
ttul 2 ttul 3
2
(2)
Średnia ze wskazań ttul3 i ttul4 odpowiadała by zanurzeniu
termometrów zgodnemu z normą dla gazomierzy
ultradźwiękowych.
W badaniach, które zostały opisane w dalszej części
referatu, przestrzenie pomiędzy tuleją termometryczną,
obudową czujnika i tuleją czujnika (rys. 1) były wypełniane
olejem silikonowym. W praktyce wypełnianie tych
przestrzeni olejem stwarza problemy związane np z
wyciekaniem nadmiaru oleju co może spowodować zalanie
części elektronicznej przetwornika.
Rys.5. Temperatury zmierzone w tulei
Rys.6. Temperatury otoczenia badanej tulei
Rys.4. Schemat rozmieszczenia czujników temperatury w badanej
tulei termometrycznej i czujników do pomiaru temperatury
odniesienia
W celu wyznaczenia wartości temperatury powietrza w
odcinku pomiarowym, określanej dalej jako temperatura
referencyjna i oznaczanej tref, użyto ośmiu miniaturowych
czujników Pt-100 SMD. Czujniki te umieszczono na
plastikowej rurce, w celu minimalizacji wymiany ciepła z
otoczeniem. Na rysunku 4 przedstawiono układ czujników
do pomiaru tref. Wartości wskazywane przez te czujniki są
oznaczane jako tref1 do tref8.
Jako wartość temperatury odniesienia tref przyjęto średnią
ważoną z wartości tref1 do tref8.
Temperatury tref1 do tref8 służące do wyznaczenia
temperatury
referencyjnej
mierzone
w
przekroju
poprzecznym odcinka pomiarowego oraz temperatury ttul1
do ttul6 nie są jednakowe. Ich przykładowe rozkłady
pokazano na rysunkach 7 i 8 dla przypadku w którym
o
temperatura otoczenia (tamb=3,3 C) była niższa od
temperatury przepływającego powietrza, dlatego na
rysunku 7 temperatury mierzone przy ściance rury (tref1,
tref8) są niższe niż w środku. Z tego samego powodu
najniższe
temperatury występują w tulei i miejscach
najbardziej oddalonych od osi rury w której płynie cieplejsze
powietrze.
Rys.7. Rozkład temperatur, DN150, Q=32m 3/h, tamb=3,3°C.
różnicy temperatur dt (3) jest prostoliniowa dla wszystkich 3
wartości zadawanego strumienia (rys.10). Analogiczny
wykres dla tej samej średnicy rury, ale dla tulei wykonanej
wg [2] pokazano na rys. 11. Średnice badanych tulei różnią
się o około 40%. Gdyby istniała wprost proporcjonalna
zależność pomiędzy wymiarem średnicy a wielkością
błędów, to na wykresie z rys. 11 wartości błędów byłyby
mniejsze.
Wykresy błędów dla tych samych odcinków i tulei ale dla
czujników zanurzonych „płytko” [temperatura liczona wg
(2)] pokazano na rysunkach 12 i 13. Podobnie jak
poprzednio, linie są zbliżone do prostych, wartość błędów
jest wyraźnie większa niż dla czujników zanurzonych
„głęboko”.
Tabela 1. Wynik badań tulei wg ZN-G-4008:1995 w odcinku DN150
Rys. 8. Rozkład temperatur wzdłuż tulei, DN150, Q=32m3/h,
tamb=3,3°C.
Na podstawie tych danych oraz wzorów (1) i (2) obliczono
ttul, tamb, oraz tref z opisanych wcześniej zależności,
Widoczne na wykresie tref
(rys.9) nierównomierności
przebiegu temperatury są efektem pracy klimatyzatora w
pomieszczeniu, gdzie prowadzone były badania.
Rys. 9. Obliczone temperatury tref tamb, tbadan_g i tbadan_p
Wstępne wyniki badań
Różnica dt pomiędzy temperaturą medium a temperaturą
otoczenia
odcinka
pomiarowego
obliczana
jest
następująco:
dt = tref - tamb
(3)
Błąd bezwzględny e pomiaru temperatury w tulei:
e = ttul-tref
(4)
W tabeli 1 podano zestawienie wyników badań dla odcinka
DN150 z tuleją wykonaną wg [1] , dla termometru
zanurzonego „głęboko”, temperatura obliczona była wg
wzoru (1). Zależność błędu bezwzględnego e (4) od
Rys. 10. Błąd dla odcinka DN150 i tulei wg ZN-G-4008:1995
2. Różnica pomiędzy wynikami pomiarów temperatury za
pomocą tulei wykonanych wg norm z 1995 i 2001 roku
nie okazała się znacząca. Wyniki dotyczą jednak badań
w warunkach ustalonych, nie można wykluczyć, że
błędy dynamiczne będą różne (np. w cienkiej tulei
stabilizacja może okazać się szybsza).
3. Badania są czasochłonne, dlatego konieczne jest
opracowanie
modelu
matematycznego
uwzględniającego nie tylko różne ciśnienia i różne
media, ale także wymiary tulei termometrycznych i ich
kształt, co pozwoli na optymalizację doboru
odpowiednich tulei.
LITERATURA
Rys. 11. Błąd dla odcinka DN150 i tulei wg ZN-G-4008:2001
[1] ZN-G-4008:1995, Gazomierze turbinowe, budowa zestawów
montażowych
[2] ZN-G-4008:2001, Gazomierze turbinowe, budowa zestawów
montażowych
Stanisław Dagil
kierownik techniczny
PGNiG SA Oddział Centralne Laboratorium
Pomiarowo-Badawcze
ul. M. Kasprzaka 25 B, 01-224 Warszawa
e-mail: [email protected]
Eliza Dyakowska
Ekspert, Dział Nowych Technologii
Operator Gazociągów Przesyłowych GAZ-SYSTEM S.A.
ul. Mszczonowska 4, 02-337 Warszawa
e-mail: [email protected]
Rys. 12. Błąd dla czujnika zanurzonego „płytko”, DN150, tuleja wg
ZN-G-4008:1995
Rys. 13. Błąd dla czujnika zanurzonego „płytko”, DN150, tuleja wg
ZN-G-4008:2001
Wnioski i spostrzeżenia
1. Wykonane do tej pory badania laboratoryjne wykazały
znaczący wpływ temperatury otoczenia na błąd pomiaru
temperatury przepływającego powietrza.