Gazomierze miechowe. Początkowe właściwości metrologiczne

Podano podstawowe terminy oraz właściwości metrologiczne mieszkaniowych gazomierzy miechowych. Omówiono krzywe początkowych błędów wskazań, straty ciśnienia i objętości cyklicznej. Zdefiniowano szybkobieżność gazomierzy miechowych i jej związek z objętością cykliczną. Przedstawiono parametry mieszkaniowych gazomierzy miechowych obecnych na europejskim rynku. Podano dopuszczalne błędy graniczne podczas legalizacji pierwotnej i ponownej oraz w użytkowaniu.

Mgr inż. Józef Dopke
Kierownik Laboratorium Zakładowego, APATOR METRIX S. A.
83-100Tczew, ul. Piaskowa 3, jozefdopke@wp.pl

Wprowadzenie

Wszystkie parametry charakteryzujące właściwości metrologiczne gazomierzy miechowych bada się nie przy użyciu gazu, do którego są przeznaczone gazomierze, lecz przy użyciu powietrza o masie właściwej 1,2 kg/m3. Zgodnie z międzynarodowymi przepisami na tabliczce znamionowej gazomierza podaje się między innymi obciążenie maksymalne Qmax i minimalne Qmin, oznaczenie wielkości gazomierza, składające się z litery G i liczby określającej znamio-nowe obciążenie w m3/h oraz nominalną objętość cykliczną V.

Wszystkie te wielkości oraz podawany przez producenta próg rozruchu, dotyczą powietrza o masie właściwej 1,2 kg/m3. Te wartości przelicza się na wartości dotyczące konkretnego rodzaju gazu, który będzie odmierzał gazomierz. Jedyną wartością podawaną na tabliczce znamionowej gazomierza, odnoszącą się do gazu jest maksymalne nadciśnienie robocze gazu pmax wyrażane w kPa lub MPa.

Podstawowe pojęcia i terminy

Gazomierz jest przyrządem pomiarowym przeznaczonym do pomiaru i wskazań objętości gazu jaka przez niego przepłynęła. Gazomierz komorowy to gazomierz, którego organ pomiarowy tworzy komory kolejno napełniane gazem i opróżniane. Gazomierz miechowy jest gazomierzem komorowym o ruchomej przegrodzie w każdej komorze, wykonanej częściowo z wiotkiego materiału, która razem z obudową komory tworzy miech. Komora pomiarowa to przestrzeń geometryczna ograniczona przez stałe ścianki komory i ruchomą przegrodę.

Objętość komór pomiarowych jest sumą objętości pojedynczych komór. Cykl pracy gazomierza jest zespołem zjawisk zachodzących podczas napełniania i opróżniania komór pomiarowych pomiędzy kolejnymi identycznymi położeniami organu pomiarowego osiągniętymi przy tej samej fazie ruchu. Objętość cykliczna jest objętością, która przepływa przez gazomierz podczas jednego cyklu pracy gazomierza. Objętość cykliczna zależy od objętości komór pomiaro-wych i nieszczelności wewnętrznej gazomierza.

Obciążenie gazomierza jest wielkością, której całkowanie w funkcji czasu, daje wartość wielkości mierzonej – objętość. Obciążeniem gazomierza Q jest strumień objętości wyrażony stosunkiem objętości medium przepływającego przez gazomierz do czasu trwania przepływu. Tym medium może być zarówno powietrze o masie właściwej 1,2 kg/m3 jak również gaz ziemny wysokometanowy lub zaazotowany czy też propan. W badaniach obciążeniem jest strumień powietrza o masie właściwej 1,2 kg/m3. Podczas eksploatacji w instalacji obciążeniem jest strumień gazu, którego masa właściwa różni się od masy właściwej powietrza.

Zakres obciążeń pomiarowych gazomierza to zakres wartości obciążeń, dla których wskazania w warunkach normalnych użytkowania, nie powinny być obarczone błędem wskazań większym od dopuszczalnego błędu granicznego ustanowionego w krajowych przepisach metrologicznych o licznikach do gazu (gazomierzach).

Próg rozruchu gazomierza to najmniejsze obciążenie wprawiające w ruch liczydło. Ga-zomierze zliczają objętość dla obciążeń mniejszych niż górna granica progu rozruchu, którego wartość ustanowiono w przepisach metrologicznych, np. jako nie większą niż 5 dm3/h dla ga-zomierza G4 i 8 dm3/h dla gazomierza G6 (tabela 1).


Tabela 1. Próg rozruchu, dolna i górna granica obciążeń pomiarowych oraz obciążenie nominalne gazomierzy miechowych dla powietrza o masie właściwej 1,2 kg/m3 według 71/318/ECC [1-4] i PN-EN 1359 [5, 6], zarządzenia Prezesa GUM [7, 8]. Zalecana objętość cykliczna według 71/318/ECC i zarządzenia nr 16 Prezesa GUM [8]

Obciążenie minimalne Qmin to najmniejsze obciążenie Q zakresu obciążeń pomiarowych, przy którym błędy wskazań gazomierza, pracującego w warunkach normalnych użytkowania nie przekraczają dopuszczalnych błędów granicznych. W zakresie obciążeń od progu rozruchu do Qmin gazomierze miechowe odmierzają objętość. Nie jest jednak w przepisach określony dopuszczalny błąd graniczny dla tych obciążeń. Obecnie produkowane gazomierze miechowe z syntetycznymi przeponami cechuje bardzo wysoka szczelność wewnętrzna. Dla tego ich błąd dla Qmin dla większości gazomierzy jest dodatni a dla obciążeń od Qmin do 0,2Qmax jest prawie stały. Powoduje to, że gazomierze odmierzają objętość z błędem ±6% dla progu rozruchu.

Obciążeniem przejściowym Qt jest obciążenie, przy którym zmieniają się dopuszczalne błędy graniczne. W starszych przepisach metrologicznych Qt=2Qmin a w nowszych Qt=0,1Qmax. Obciążenie maksymalne Qmax jest największym obciążeniem Q zakresu obciążeń pomiarowych, przy którym błędy wskazań gazomierza pracującego w warunkach normalnych użytkowania, nie przekraczają dopuszczalnych błędów granicznych, a gazomierz może działać w sposób ciągły bez szkody dla jego trwałości.

Obciążenie nominalne gazomierza Qn jest obciążeniem strumieniem objętości powietrza o masie właściwej 1,2 kg/m3 określającym wielkość gazomierza i podawanym na tabliczce znamionowej w oznaczeniu wielkości gazomierza. Np. oznaczenie gazomierza G4 określa gazomierz o nominalnym obciążeniu Qn=4 m3/h. Ciąg wartości obciążeń nominalnych jest określony przepisami metrologicznymi. Względne obciążenie gazomierza określone jest ilorazem mierzonego strumienia objętości i obciążenia maksymalnego – Q/Qmax. Względne obciążenie często określa się również terminem „stopień obciążenia”.

Ciśnienie robocze jest to nadciśnienie na wlocie gazomierza zmierzone podczas przepływu gazu. Maksymalne ciśnienie robocze jest to określone przez producenta największe dopuszczalne ciśnienie robocze, przy którym gazomierz może działać w sposób ciągły w zakresie temperatur określonych dla danego gazomierza.

Wielkość wpływowa jest wielkością nie będącą przedmiotem pomiaru, ale wpływająca na wartość wielkości mierzonej lub wskazania gazomierza. Wielkość wpływowa może pochodzić z otoczenia lub z samego gazomierza. Wartość odniesienia to wartość wielkości wpływowej, dla której zostały określone graniczne dopuszczalne błędy podstawowe. OIML R6 określa wartość odniesienia dla temperatury jako wartość z przedziału od 15oC do 25oC a dla wilgotności względnej wartość z przedziału od 40% do 60%. Zakres odniesienia jest zakresem wartości wielkości wpływowej, dla której zostały określone graniczne dopuszczalne błędy podstawowe. Warunki odniesienia to zbiór wartości lub zakresu odniesienia różnych wielkości wpływających na działanie gazomierza. Zakres nominalny użytkowania to wartości jakie może przybrać wielkość wpływowa, w zakresie których odpowiadające im błędy dodatkowe nie przekraczają granicznych wartości dopuszczalnych.

Podstawowy błąd wskazań gazomierza to błąd wskazań gazomierza, gdy gazomierz jest zastosowany w warunkach odniesienia. Początkowy błąd wskazań to błąd wskazań gazomierza wyznaczony przed próbami działania i oceną trwałości (stabilności) błędu wskazań. Dodatkowy błąd wskazań gazomierza to błąd wskazań pochodzący stąd, że wartości wielkości wpływowych różnią się od tych, które odpowiadają warunkom odniesienia. Każda wielkość wpływowa, gdy wartość jej odbiega od jej wartości odniesienia lub od jej zakresu odniesienia powoduje błąd dodatkowy. Temperaturowy błąd wskazań to błąd wskazań pochodzący stąd, że temperatura otoczenia i gazu nie zachowuje wartości przewidzianych w warunkach odniesienia.

Warunki normalne użytkowania gazomierza to warunki, które powinny być przestrzegane w celu poprawnego stosowania gazomierza i które uwzględniają jego budowę, wykonanie i przeznaczenie. Warunki normalne użytkowania mogą odnosić się między innymi do: stanu mierzonego medium, wartości obciążenia, wartości wielkości wpływowych i warunków obserwacji wskazań. Za warunki normalne użytkowania gazomierzy miechowych norma PN-EN 1359:2004 przyjmuje następujące warunki:

- ciśnienie robocze mniejsze od maksymalnego ciśnienia roboczego (przy obciążeniu jak i bez obciążenie strumieniem gazu);
- wilgotność względna do 93% (OIML R6);
- obciążenie w zakresie obciążeń pomiarowych;
- temperatura otoczenia i mierzonego gazu w przedziale co najmniej od -5oC do 35oC, chyba że producent deklaruje szerszy przedział temperatury wg PN-EN 1359:2004 [5];
- temperatura otoczenia i mierzonego gazu w przedziale co najmniej od -10oC do 40oC, chyba że producent deklaruje szerszy przedział temperatury wg PN-EN 1359:2004/A1:2006 (U) [6];
- minimalny zakres temperatury magazynowania od -20oC do 60oC;
- obciążenie gazem dopuszczonym przez producenta.

Warunki pomiaru to stan gazu, którego objętość trzeba zmierzyć w punkcie pomiaru (np. temperatura i ciśnienie mierzonego gazu).

Warunki bazowe to stan gazu, do którego przelicza się objętość mierzonego gazu (np. temperatura i ciśnienie bazowe). Jako warunki bazowe przyjmuje się temperaturę bazową wybieraną z następujących wartości: 0oC, 15oC albo 20oC lub ciśnienie bazowe o wartości 101,325 kPa, do których przelicza się objętość gazu zmierzoną w warunkach pomiarowych.

Przelicznik objętości to urządzenie, które zamienia objętość zmierzoną w warunkach pomiarowych na objętość w warunkach bazowych. Rozróżnia się następujące przeliczniki objętości:
- przeliczające objętość gazu tylko z temperatury pomiarowej na objętość w temperaturze bazowej (temperaturowe przeliczniki objętości);
- przeliczające objętość gazu z temperatury i ciśnienia pomiarowego na objętość w temperaturze i ciśnieniu bazowym (temperaturowe i ciśnieniowe przeliczniki objętości);
- przeliczające objętość gazu tylko z ciśnienia pomiarowej na objętość w ciśnieniu bazowym (ciśnieniowe przeliczniki objętości).

Mechaniczny temperaturowy przelicznik objętości to urządzenie, które przetwarza mierzoną wartość objętości gazu V w temperaturze T na jej wartość Vb w temperaturze bazowej tb (Tb =tb+273,15) według wzoru; Vb =V(Tb/T).

Na tabliczce znamionowej gazomierzy miechowych wyposażonych w temperaturowy przelicznik objętości podaje się temperaturę bazową w postaci tb=… oC, np. tb=15oC. Większość gazomierzy miechowych nie posiada przelicznika objętości. Przeliczenie zmierzonej objętości do warunków bazowych lub normalnych można przeprowadzać również na drodze rachunkowej (Niemcy, Kanada). Warunki pomiaru i warunki bazowe odnoszą się tylko do gazu, którego objętość należy zmierzyć. Nie należy ich mylić z warunkami użytkowania i warunkami odniesienia, które odnoszą się do wielkości wpływu.

Warunki normalne to stan gazu odpowiadający temperaturze normalnej 0oC ciśnieniu normalnemu 101,325 kPa, do których przelicza się objętość gazu zmierzoną w warunkach pomiarowych. Polskie i europejskie przepisy definiują „normalny metr sześcienny gazu (m3)” jako ilość suchego gazu zawartą w objętości 1 m3 przy ciśnieniu 101325 Pa i temperaturze 0oC. Taki normalny metr sześcienny gazu (w warunkach normalnych) powinien być używany do rozliczeń dostaw gazu do odbiorcy.

Krzywa objętości cyklicznej

Objętość cykliczna jest objętością przepływającą przez gazomierz podczas jednego cyklu pracy gazomierza. Zmienia się ona z obciążeniem gazomierza. Krzywa objętości cyklicznej V=f(Q/Qmax) lub V=f(Q) jest wykresem objętości cyklicznej w funkcji obciążenia względnego Q/Qmax (rys. 1) lub obciążenia Q. Nominalna objętość cykliczna V jest objętością cykliczną gazomierza odpowiadającą obciążeniu nominalnemu Qn strumieniem powietrza o masie właściwej 1,2 kg/m3.

Nominalna objętość cykliczna V każdego gazomierza tego samego typu ma inną losową wartość. Można ją określić z przełożenia liczydła gazomierza i błędu wskazań odpowiadającego obciążeniu nominalnemu [9]:


Rys. 1. Wykres krzywej objętości cyklicznej w funkcji obciążenia względnego gazomierza miechowego G4 nr 009928 2005. Maksymalne obciążenie dla powietrza 6 m3/h, dla gazu ziemnego E - 7,8 m3/h, nominalna objętość cykliczna V=2,217 dm3 dla nominalnego obciążenia powietrzem 4 m3/h

(1)

gdzie:
k – objętość powietrza przepływającego przez gazomierz w czasie jednego obrotu elementu kontrolnego (bębenka liczydła o największej prędkości obrotowej) w dm3;
i – przełożenie między mechanizmem pomiarowym gazomierza i elementem kontrolnym;
e – błąd wskazań w %.

Przepisy [1, 5, 10] wymagają, aby nominalna objętość cykliczna dowolnego pojedynczego gazomierza nie różniła się więcej niż ±5% od nominalnej objętości cyklicznej deklarowanej na tabliczce znamionowej gazomierza.

Przykład 1

Dla gazomierza miechowego G4 nr 125122 2005 o deklarowanej na tabliczce znamionowej objętości cyklicznej 2,2 dm3 i kołach zmianowych z1=29, z2=59, z3=45, z4=52 wyznaczono błąd wskazań przy obciążeniu nominalnym 4 m3/h równy -0,081%.
Przełożenie obliczamy ze wzoru i=i1· i2· i3=1· (29/59) · (45/52) · (1/2)=0,212679269, gdzie i1 – przełożenie wewnątrz gazomierza w mechanizmie pomiarowym, i2 – przełożenie kół zmianowych justujących gazomierz, i3 – przełożenie stałe w liczydle gazomierza.
Objętość powietrza przepływająca przez gazomierz w czasie jednego obrotu elementu kontrolnego wynosi k=10 dm3. Nominalna objętość cykliczna gazomierza dla błędu wskazań -0,081% wynosi [9]:



UWAGA! To tylko fragment artykułu. Cały można przeczytać po otwarciu pliku pdf.