RAZVOJ LABORATORIJE ZA PREGLED PROTOČNIH MERILA

ZAPREMINE VODE

Dr. Dušan Prodanović, mr. Dragutin Pavlović, Predrag Zulević

Ključne reči: protočna merila zapremine vode, pregled merila

KRATAK SADRŽAJ

U radu se daje prikaz razvijene laboratorije u kojoj se može vršiti pregled protočnih merila zapremine vode i tečnosti sličnoj vodi. Pregledaju se merila sa posrednim načinom merenja zapremine: magnetno-induktivna, ultrazvučna kao i merila sa neposrednim merenjem zapremine, maksimalnog protoka Qmax=30 m³/h. Protok vode se obezbeđuje gravitacionim putem: voda se iz velikog podzemnog rezervoara pumpama diže do radnog rezervoara sa konstantnim nivoom i dalje, slobodnim padom teče kroz kontrolno merilo i merilo koje se pregleda i izborom jednog od serije usmerivača vodi se u jednu od tri radne etalon-posude klase tačnosti 0,05%. U radu su predstavljena iskustva stečena u dosadašnjem jednogodišnjem radu laboratorije, uglavnom u pregledu magnetno-induktivnih protočnih merila zapremine.

DEVELOPMENT OF LABORATORY FOR CERTIFICATION

OF WATER FLOW MEASURING DEVICES

Key words: flowmeter, check(ing)

ABSTRACT

The development of laboratory for checking flowmeters for volume of water and liquids similar to water, with direct and indirect method of volume measurement, is given in this paper. The laboratory is certified for electromagnetic and ultrasonic flowmeters, same as positive displacement flowmeters, with maximum flowrate Qmax=30m³/h. The basic water flow is gravity driven: water is pumped from the large underground reservoir upwards to the working reservoir with the constant head, and then it falls in the closed pipeline, flows through the control flowmeter, through the meter under test and fills one of the three working standards of 0,05% accuracy. Some experiences, gathered during one year working period are presented, mainly for electromagnetic flowmeters.

UVOD

Pre gotovo 20 godina Savezni zavod za mere i dragocene metale vršio je prvo ispitivanje tipa magnetno-induktivnog merila protoka i zapremine provodnih tečnosti, čiji je proizvođač bio Institut ²Mihailo Pupin² iz Beograda. Prednost ove nove vrste merila bila je u odsustvu mehaničkih delova, koji bi u toku mernog procesa mogli da se oštete, lako održavanje i čišćenje merila kao i zadovoljavajuća tačnost (granica dozvoljene greške merila bila je ±1%). Tokom narednih godina ispitano je više tipova magnetno-induktivnih merila, mahom zapadnoevropskih proizvođača. Osim pomenutih merila, sa zahtevom za ispitivanje tipa pojavio se i izvestan broj inostranih proizvođača, koji su proizvodili ultrazvučna i vrtložna protočna merila. Za sve pomenute tipove merila sa posrednim načinom merenja zapremine tečnosti, zajedničko je da nemaju mehaničke pokretne delove, da su jednostavni za održavanje i da imaju zadovoljavajuću tačnost (klase 0,5 i 1). Imajujući u vidu ove karakteristike, za potrebe zakonskog merenja zapremine, poslednjih godina naročito se koriste magnetno-induktivna merila i to u industriji mleka, sokova, piva, hemijskoj industriji, proizvodnji pitke vode itd.

Sve vreme prisutnosti ovih merila, mahom u proizvodnji i za industrijska merenja, postojao je problem formiranja laboratorije za njihov pregled. Kako nisu u pitanju klasična protočna merila, laboratorija je trebalo da ima posebnu opremu i uslove za pregled, uključujući i odgovarajuću stručnu spremu radnika.

Imajući u vidu složenost opreme koja zahteva specifičan prostor, hidrauličku instalaciju, odgovarajuće etalone i elektronsku opremu, Savezni zavod za mere i dragocene metale je podržao Institut za hidrotehniku Građevinskog fakulteta u Beogradu u pokretanju procedure i formiranju odgovarajuće laboratorije. Značaj laboratorije je i u tome što ona može poslužiti i za pojedine segmente postupka ispitivanja tipa merila.

HIDRAULIČKA LABORATORIJA INSTITUTA ZA HIDROTEHNIKU GRAĐEVINSKOG FAKULTETA U BEOGRADU

Pored nastavne delatnosti, koja je osnovna aktivnost Građevinskog fakulteta Univerziteta u Beogradu, saradnja sa privredom čini veoma važnu oblast rada. Organizaciono, saradnja sa privredom se odvija kroz više instituta (kao na primer Institut za materijale i konstrukcije, Institut za hidrotehniku, Institut za saobraćajnice, itd.), dok su unutar instituta formirane pojedine specijalističke laboratorije (Laboratorija za sanitarnu hidrotehniku i Hidraulička laboratorija u okviru Instituta za hidrotehniku).

Hidraulička laboratorija Instituta za hidrotehniku se već duži niz godina bavi poslovima izrade fizičkih modela hidrotehničkih objekata ili delova objekata (prelivi na branama, detalji vodozahvata, brodske prevodnice, nasipi na jalovištima, itd.), merenjima odgovarajućih hidrotehničkih veličina (nivo vode, pritisak, brzina, protok, sila na zid objekta, itd.) u ustaljenim i neustaljenim režimima (hidraulički udar, dinamička sila, vibracije), kao i razvojem i poboljšanjem niza mernih uređaja (platforme za dinamičko-seizmičko opterećenje rezervoara, sonde za brzinu vode, kišomeri, itd.) samostalno ili u saradnji sa drugim Institutima i firmama.

Jedna od standardnih aktivnosti Hidrauličke laboratorije je interna kalibracija merila protoka vode korišćenjem postojećih Thompson-ovih preliva, kao radnih etalona. Ugrađene instalacije (pumpe, cevovodi i rezervoar) dozvoljavaju proveru merila do prečnika 350 mm sa proticajima do 90 L/s. Tačnost i (ne)linearnost Thompson-ovih preliva su proveravani volumetrijski i može se smatrati da su u klasi 1%, dok je ponovljivost za red veličine bolja. Ovakav način kalibracije merila uglavnom zadovoljava kada se radi o istraživačkim i razvojnim merenjima, gde je važna dobra ponovljivost merenja dok je apsolutna tačnost manje interesantna.

LABORATORIJA ZA PREGLED PROTOČNIH MERILA ZAPREMINE VODE

U nameri da proširi svoje delovanje i na oblast kalibracije i pregleda protočnih merila, pogodnih za merenje u oblasti legalne metrologije, gde merilo pored ponovljivosti mora zadovoljiti i određenu klasu tačnosti, Institut za hidrotehniku Građevinskog fakulteta je, uz pomoć Saveznog zavoda za mere i dragocene metale, izradio Elaborat o razvoju posebne Laboratorije na osnovu člana 47. Zakona o mernim jedinicama i merilima, ²Službeni list SRJ², br. 80/94, 28/96 i 12/98, koja je namenjena pregledu protočnih merila zapremine vode i tečnosti sličnih vodi. Razmotrene su mogućnosti raspoloživog prostornog smeštaja Laboratorije, sistema pumpi i rezervoara koji su bili na raspolaganju i doneta je odluka da se razvoj Laboratorije podeli u dve faze:

a) prva faza, koja je završena, obuhvata pregled merila do maskimalnog protoka od 30 m³/h (8.33 L/s), sa prečnicima merila do ND 80 i ograničena je samo na magnetno-induktivna merila, ultrazvučna i merila sa neposrednim merenjem zapremine (PID) sa vodom kao radnim fluidom, i

b) druga faza u kojoj su potrebni krupniji građevinski zahvati i gde bi se obuhvatili protoci do 500 m³/h, omogućio pregled većeg broja tipova protočnih merila uz eventualnu mogućnost promene radne tečnosti, čime bi mogla da se obuhvate i merila za naftu i benzin.

Na osnovu Elaborata, Institut za hidrotehniku je sopstvenim sredstvima izradio svu neophodnu infrastrukturu (cevi, priključke za merila, posude za prihvat vode, spoj na postojeće rezervoare i pumpe), nabavio potrebnu prateću mernu opremu (kontrolno protočno merilo, manometre, termometre, sekundomer, higrometar itd. zahtevanih klasa tačnosti), projektovao i izradio tri radne etalon-posude i obezbedio radne uslove, u svemu prema Pravilniku o uslovima za obrazovanje laboratorija za pregled protočnih merila zapremine tečnosti (Sl. SFRJ 30/86) i prema Uputstvu za obrazovanje laboratorija u kojima pregled merila obavljaju organi kontrole Saveznog zavoda za mere i dragocene metale (Glasnik 1/96). Rešenjem o ispunjavanju uslova za pregled merila, broj 2/1-03-1042 od 25.11.1999. godine, Laboratorija je počela sa radom.

Instalacija za pregled merila zapremine protekle vode

Osnovna instalacija za pregled merila se nalazi na prvom spratu Laboratorije (slika 1). Tok vode kroz instalaciju je gravitacioni: iz velikog rezervoara vode, koji se nalazi u podrumu i ima zapreminu od 100 m³ vode, pumpama se voda diže u prelivni rezervoar, u kome se održava konstantna kota preliva. Iz rezervoara se gravitaciono voda upušta u instalaciju kroz sifonski preliv, čime je onemogućen ulaz vazduha.

Na ulazu u instalaciju se nalazi kontrolno magnetno-induktivno protočno merilo prečnika
ND 125 mm. Do ispitne linije voda dolazi cevovodom prečnika 125 mm, koji se na početku ispitne linije redukuje na prečnik 100 mm. Na ovom delu instalacije nalaze se dva ventila za odzračivanje. Na ispitnu liniju se postavljaju potrebne redukcije prečnika i pravolinijske deonice i to ispred merila koje se ispituje (uzvodno) uobičajeno 20 D (dužina unutrašnjeg prečnika merila) i oko 10 D iza (nizvodno) .

Neposredno iza merila se nalazi deonica sa prozirnim cevovodom, radi vizuelne kontrole eventualno prisutnog vazduha. Iza ovog dela instalacije voda se ventilima usmerava na etalon posude nazivnih zapremina 100 L ili 200 L, koje se nalaze na nivou ispitne linija (na slici 1. je prikazana samo jedna posuda), ili u posudu od 1000 L koja se nalazi sprat niže, u prizemlju Laboratorije. Dislociranjem velike etalon posude na niži nivo postižu se veće vrednosti protoka kroz instalaciju.

Na slici 2 data je i fotografija dela Laboratorije, sa ispitnom linijom. Umesto merila, na fotografiji se vidi FF komad, prečnika 50 mm, sto za kontrolora pregleda merila, dok se na samom levom kraju fotografije vidi deo etalon-posude nazivne zapremine V_n=100 L sa providnim dovodnim crevom.

Slika 1: Osnova Laboratorije za pregled protočnih merila zapremine vode

Slika 2: Fotografija dela Laboratorije za pregled protočnih merila zapremine vode, sa linijom na koju se postavlja merilo (na mestu prohronskog FF komada)

Radne etalon posude

Radne etalon-posude je projektovao i izradio Institut za hidrotehniku, uz konsultacije i pomoć stručnjaka Saveznog zavoda za mere i dragocene metale. Nazivne zapremine posuda, V_n, su 100 L (slika 3), 200 L i 1000 L. Posude od 100 L i 200 L su izrađene od prohroma, a posuda od 1000 L od zaštićenog čeličnog lima. Na slici 4. je prikazan detalj ulaza u posudu zapremine 1000 L, sa očitavanjem trenutnog protoka i zapremine protekle vode kroz kontrolno merilo. Sve radne etalon-posude su merne nesigurnosti 0,05%.

Posude su projektovane tako da se punjenje i pražnjenje posude vodom vrši sa donje strane, čime se smanjuje efekat apsorpcije vazduha usled slobodnog pada vode u posudu kao u slučaju da se punjenje vrši kroz grlo posude slobodnim padom. Na ulazu u svaku od posuda postoje dva ventila, uzvodnim se zadaje maksimalan protok vode, dok je drugi On/Off ventil. Posuda se prazni slobodno otičući, gravitaciono, po otvaranju ventila za pražnjenje i to tako da se vizuelno može uočiti trenutak kada prestaje mlaz vode koja ističe. Pored sistema za ulaz – izlaz vode, sa donje strane posude se nalazi preliv sa fiksiranom kotom (slika 4), koji omogućuje postavljanje istog početnog nivoa vode u donjem grlu posude pre svakog pojedinačnog merenja.

Slika 4: Radna etalon posuda od 1000 L, detalj ulaza (regulacioni i On/Off ventil), izlaza iz posude (ventil za ispust sa slobodnim izlivom radi kontrole) i sistemom za zadavanje početne dubine punjenja posude

Sa gornje strane, etalon-posuda se završava suženim grlom, čija je zapremina 2% V_n. Iznad ovog dela je proširenje u koje može da se smesti višak vode u slučaju prepunjavanja posude, kako ne bi došlo do prelivanja. Na posudama od 100 L i 200 L predviđeno je po jedno mesto za uranjanje odgovarajućih termometara, a na posudi od 1000 L merenje temperature se vrši na dva mesta. Temperatura vode u posudama se meri radi vršenja temperaturne korekcije tokom etaloniranja posude kao i tokom pregleda merila.

Procedura pregleda merila

Pre dolaska radnika Kontrole mera i dragocenih metala u Laboratoriju, merilo koje se pregleda prolazi kroz pripremni postupak. Svako merilo dobija svoj evidencioni karton u koje se unose bitni podaci o samom merilu i njegovom imaocu. Pre postavljanja na ispitnu instalaciju merilo se perem mlakom vodom i, po potrebi, blagim deterdžentom. Merilo se postavlja na ispitnu liniju i uspostavlja se protok Q_sr, u trajanju od najmanje 30 minuta, radi temperaturne stabilizacije merila i izjednačavanja elektrohemijskog potencijala na elektrodama. Posebna pažnja posvećuje se odstranjivanju vazduha iz merne instalacije, što se postiže pomoću nekoliko ventila za odvazdušenje, a kao kontrolno sredstvo služi i kraći deo prozirnog cevovoda. Imajući u vidu zapremine radnih etalon-posuda, pre početka merenja potrebno je izvršiti podešavanje merila, tako da se na pokaznom uređaju mogu očitati vrednosti sa rezolucijom od 0,1L. Takođe je potrebno izvršiti podešavanje izlaznih signala, strujnog za protok i impulsnog ili frekventnog za zapreminu, koji se proveravaju odgovarajućim elektronskim instrumentom i brojačem.

Faza pregleda merila, koju obavlja radnik Kontrole mera i dragocenih metala, obuhvata dovođenje merila u radni režim i seriju merenja na tri vrednosti protoka: Q_min= 0,1Q_max, Q_sr = 0,5Q_max i Q_max . Za svaku vrednost protoka vrše se po tri merenja, pri čemu se za svako merenje izračunava greška upređivanjem vrednosti očitane na merilu i vrednosti očitane na etalon-posudi, u skladu sa odgovarajućom procedurom izračunavanja. Granice dozvoljene greške, Gdg, merila klase 0,5 pri prvom pregledu su ±0,3%, a na periodičnom ili vanrednom pregledu su ±0,5%. U slučaju da je greška merila koje se pregleda veća od granica dozvoljene greške, a rezultati merenja pokazuju zadovoljavajuću ponovljivost i malo međusobno odstupanje, pristupa se rekalibraciji merila, prema uputstvu koje je propisao proizvođač.

Iskustva u dosadašnjem radu Laboratorije

U Laboratoriji je do sada pregledano je 26 magnetno-induktivnih merila, proizvođača Endress+Hauser, Danfoss i Svet Instrumenata. Polovina ukupnog broja merila bila je nova, a druga polovina je već bila korišćena. Stečena iskustva ograničena su na ovaj tip merila.

Nepoznavanje radnog opsega protoka

Čest problem pri pregledu merila je kako odrediti maksimalni protok za koji se pregleda merilo, pre svega imajući u vidu potrebe imaoca merila. Magnetno-induktivna merila imaju veliki opseg mogućih maksimalnih protoka, odnosno brzina strujanja vode u cevovodu kao veličine koja se meri. Proizvođač često isporučuje merilo koje je kalibrisano za veliku brzinu strujanja vode (uobičajeno za 5 m/s). Ako su radne brzine kod imaoca merila znatno manje, može se desiti da merilo već na prvom pregledu ima grešku veću od Gdg. Dešavalo se, takođe, da imaoci merila ne mogu sami da odrede Q_max.

Podešavanje merila

Savremena magnetno-induktivna merila, kao i ostala merila sa posrednim načinom merenja zapremine tečnosti, podrazumevaju procesorski vođene uređaje, koji preko softvera kontrolišu sve radne parametre. Takvi uređaji imaju dva nivoa pristupa: korisnički, u kome se menja format prikaza mernih rezultata i servisni u kome se može vršiti podešavanja. Za podešavanje nekih merila neophodan je i poseban hardverski dodatak.

Problemi u postupku podešavanja nastaju kod onih merila, kod kojih proizvođač ne isporučuje potreban hardver, ili ne dostavlja zaštitnu šifru (password). U takvim situacijama, kada je potrebno izvršiti podešavanje merila, mora se ugovoriti vreme za dolazak servisnog radnika. U međuvremenu merilo se skida sa linije, pregledaju se druga merila, a po dolasku servisnog radnika, najčešće nekog drugog dana, merilo se vraća na liniju, vrše se sve pripremne radnje, ponovo se poziva se radnik Kontrole mera i dragocenih metala, vrši se podešavanje, a zatim ponovni pregled merila. Ovakav postupak značajno usporava pregled merila i osetno poskupljuje cenu pregleda.

S obzirom na relativno česte potrebe za podešavanjem merila, nameće se stav da proizvođač treba da bude zakonski obavezan da Saveznom zavodu za mere i dragocene metale, pre dobijanja Rešenja o odobrenju tipa merila, pored dostavljenog uzorka merila dostavi i hardver i softver za podešavanje merila. Time bi se obezbedili uslovi da pregled merila bude brži i jeftiniji, a servisni radnik bi se pozivao kada je merilo funkcionalno neispravno.

Osetljivost merila na uslove montaže

Pri prvom pregledu određenog broja merila, koja su u postupku fabričke kalibracije imala grešku ne veću od ±0.2% tipično, primećeno je značajno odstupanje grešaka od ovih vrednosti. Znak odstupanja pri tome nije ukazivao na eventualne probleme u određivanju merne nesigurnosti radnih etalona-posuda.

Jedan od mogućih uzroka odstupanja greške merenja pri prvom pregledu merila u odnosu na vrednosti greške dobijene pri fabričkoj kalibraciji leži u činjenici da se razlikuju prostorni profili brzina na mestima ugradnje. U Laboratoriji se težilo ka što kvalitetnijem, osno simetričnom profilu, tako da je pravolinijski deo cevovoda ispred merila barem 20D (odnosno 20ND), što je znatno više od minimalne deonice koju propisuje proizvođač (5D). Na interno sprovedenim istraživanjima koja su obuhvatila merila različitih prečnika pokazalo se da su neki tipovi merila osetljivi na ugao montaže, odnosno ugao koji horizontalna ravan zaklapa sa osom mernih elektroda. Osetljivost je, prema očekivanjima, veća kod većih prečnika merila, pri čemu ta merila ne zadovoljavaju uslove pregleda ako se ugao ose elektroda promeni za 30^o u odnosu na horizontalu. Takođe, ispitivan je i uticaj izlazne prave deonice i dobijeno je da su po pravilu sva merila znatno manje osetljiva na tu dužinu.

Na osnovu dobijenih rezultata može se zaključiti da su kod nekih imaoca merila uslovi montaže izuzetno važni i da mogu značajno uticati na tačnost merenja. U nepovoljnim uslovima montaže, tamo gde prilazna prava deonica ne zadovoljava dužinu od 20D, neophodno je izvršiti geometrijsko simuliranje tih uslova u Laboratoriji, pa zatim pristupiti podešavanju i prvom pregledu merila. Ovakav postupak značajno podiže troškove pregleda, što je razumljivo imajući u vidu probleme vezane za svako pojedinačno merilo.

Osetljivost magnetno-induktivnih merila na radni medijum

Radna tečnost u Laboratoriji je pitka voda, čija provodnost iznosi oko 300mS/cm. Koristeći ovu vrstu vode, vrši se pregled merila kojima će se meriti zapremine drugih vrsta tečnosti, na primer slabije provodne vode, piva, mleka, sokova, hemijskih provodnih tečnosti itd. Raspon realnih elektroprovodnosti tečnosti kreće se u granicama od 100mS/cm do 100mS/cm. Za male vrednosti provodnosti ulazna impedansa merila postaje kritična, a veliki opseg promene provodnosti takođe utiče na formiranje magnetnog polja unutar merila.

U Laboratoriji su vršena ispitivanja uticaja elektroprovodnosti vode na tačnost merenja. Ispitivanja su vršena na tri provodnosti: voda male provodnosti, 50mS/cm, što je u granicama koje dozvoljavaju svi proizvođači), obična pitka voda provodnosti oko 300mS/cm i veoma provodna voda (dobijena dodavanjem male količine kuhinjske soli). Rezultati pokazuju da se tačnost merenja menja i do 1% i da promena u značajnoj meri zavisi od same konstrukcije merila. Na osnovu ovih ispitivanja može se zaključiti da pojedine tipove merila treba kalibrisati i pregledati pomoću vode čija je provodnost slična provodnosti tečnosti čija se zapremina meri merilom.

Zaključak

Početak rada Laboratorije za pregled protočnih merila zapremine tečnosti omogućio je proveru kalibracionih podataka, koje inostrani i domaći proizvođači prilažu u kalibracionim listama i koji su dobijeni na sertifikovanim mernim instalacijama. Osim pregleda merila, u Laboratoriji se mogu obavljati i neka merenja u okviru ispitivanja tipa merila. Dosadašnja ispitivanja i pregledi merila pokazali su da je u više od 50% slučajeva, kako novih tako i korišćenih merila bilo potrebno da se izvrši postupak kalibracije merila. Takođe su uočeni i problemi vezani za radne uslove merila: dužinu pravolinijskog dela cevovoda ispred i iza merila, ugla montaže i elektroprovodnosti merne tečnosti.

Laboratorija je, za sada, ograničena na pregled manjih nazivnih prečnika merila. Potrebna su značajna sredstva da bi se laboratorija osposobila da zadovolji najveći deo potreba jugoslovenske privrede. U okviru zgrade Instituta za hidrotehniku postoje pumpe i rezervoari, kao i prostor za postavljanje ispitnog cevovoda za merila nazivnog prečnika ND300, odnosno protoke do 500 m³/h (približno 140 L/s). Institut, međutim, nema mogućnosti da finansira razvoj takve Laboratorije, a s obzirom na značaj, sredstva za ovaj projekat trebalo bi da obezbedi država. U tom smislu, početkom ove godine poslati su dopisi odgovarajućim ministarstvima, ali do sada nisu dobijeni nikakvi pozitivni signali.

Literatura

Benard C.J. (1990): Handbook of Fluid Flowmetering, Trade and Technical Press Ltd.

Endress+Hauser (1999): General Specification Catalogue

Miller R.W. (1983): Flow Measuremet Engineering Handbook, McGraw-Hill

Svet Instrumentata (1999): Elektromagnetni protokomeri END-EMV07 i logomer18-EMV07, Tehničko uputstvo

Zakon o mernim jedinicama i merilima (²Službeni list SRJ², br. 80/94, 28/96 i 12/98)

Pravilniku o uslovima za obrazovanje laboratorija za pregled protočnih merila zapremine tečnosti (²Službeni list SRJ², br. 30/86)

Uputstvo za obrazovanje laboratorija u kojima pregled merila obavljaju organi kontrole Saveznog zavoda za mere i dragocene metale (²Glasnik² 1/96)
PODACI O AUTORIMA:

Dr Dušan Prodanović, dipl. inž.

Građevinski fakultet Beograd

Institut za hidrotehniku

11000 Beograd

Bulevar revolucije 73

tel/fax: (011) 337-0206, tel: (011) 3218-530

e-mail: eprodano@hikom.grf.bg.ac.yu

Mr Dragutin Pavlović, dipl. inž.

Građevinski fakultet Beograd

Institut za hidrotehniku

11000 Beograd

Bulevar revolucije 73