Измерение температуры в нефтегазовой промышленности

Сегодня автоматизация предприятий НГК – не только вопрос технологий, но и важное средство повышения эффективности бизнес-процессов. После первичного преобразования информация с датчиков может использоваться непосредственно для принятия решений (в автоматическом режиме или через диалог с оператором).

Шаг к интеграции

Государственные первичные эталоны - единицы температуры в диапазоне 0-3000ºС, теплопроводности, поверхностной плотности тепловых потоков утверждены Коллегией Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии два года назад.

Коллегией утверждены не только первичные эталоны – по сути дела были обновлены все схемы передачи размера единиц, т.е. были разработаны все необходимые рабочие эталоны поверочной схемы, в отдельных случаях даже разрабатывались специальные рабочие средства.

Особенность российских эталонов - это их комплексность. Одновременно с первичными эталонами были разработаны вторичные - для передачи размера единиц, и целый ряд рабочих средств измерений (СИ). Наши эталоны абсолютно конкурентоспособны с зарубежными, а некоторые даже превосходят их по своим характеристикам.

Внедрение новых эталонов обеспечивает интеграцию экономики России в мировую экономику, решает одну из проблем вступления России во Всемирную торговую организацию в части метрологии.

Единство измерений в термометрии

В 1992 г. в результате распада СССР Россия потеряла все производство рабочих средств измерения температуры (в СССР это была специализация за Львовским регионом Украины), ее метрологическое обеспечение (Украина и Казахстан). Освободившуюся нишу в приборостроении средств измерения температуры мы начали занимать вместе с другими предприятиями-конкурентами, а их более 10, не считая зарубежных.

В течение двух последних десятилетий наблюдается интенсивное развитие термометрии и ее метрологического обеспечения. Можно выделить два основных фактора, определяющих необходимость совершенствования государственных первичных эталонов, средств передачи единицы температуры и ее измерения:
- постоянно растущие требования к точности измерений в науке и промышленности;
- глобализация метрологии, целью которой является обеспечение взаимного доверия национальным эталонам и измерительным возможностям национальных метрологических институтов.

Как известно, измерение температуры - один из наиболее востребованных в науке и промышленности видов измерений. Причем возрастает не только количество и номенклатура используемых средств измерений температуры, но и неуклонно увеличиваются требования к их точности.

Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние два десятилетия достигнут преимущественно за счет развития электроники.

Измерительная информация о температуре необходима в любых разработках, осуществляемых на приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники. Измерения сопротивления и напряжения позволили в значительной степени реализовать возможности термометров сопротивления и термопар. При этом положительный эффект достигается также за счет статистической обработки результатов измерений и повышения точности расчета температуры по измеренным электрическим параметрам.

Развитие электроники послужило основой существенного прогресса в области радиационной термометрии измерительного тепловидения. Современные пирометры намного превосходят по своим метрологическим и эксплуатационным характеристикам радиационные термометры начала 1990-х годов.

Важной проблемой развития системы метрологического обеспечения температурных измерений является совершенствование методов и средств передачи размера единицы температуры от эталона рабочим средствам измерений. Прослеживаемость передачи размера единицы от эталона к рабочему средству измерений в нашей стране решается поверочной схемой для средств измерений, которая регламентирует порядок передачи единицы, методы и средства передачи, а также их погрешности.

Поверочная схема, как и предшествующая, возглавляемая двумя государственными первичными эталонами, охватывает весь диапазон Международной температурной шкалы МТШ-90 и регламентирует передачу размера единицы температуры для всех существующих и перспективных средств измерений этой физической величины и обеспечивает точность передачи размера единицы, необходимую в настоящее время, а также точность, прогнозируемую на ближайшие 10-15 лет.

Новыми, более точными средствами передачи размера единицы температуры являются:
- платино-палладиевые и золото-платиновые термопары, точность которых на порядок выше точности платинородий-платиновых и платинородий-платинородиевых термопар;
- меры температуры, в качестве которых используются как аппаратура для реализации температур фазовых переходов чистых веществ и различных эвтектичских сплавов (металлических, органических), так и калибраторы температуры, использующиеся прецизионные термометры в качестве носителей температурной шкалы;
- новые излучатели «черное тело» и эталонные пирометры, используемые для передачи размера единицы температуры в области радиационной термометрии.

Кроме того, новая поверочная схема допускает использование термоэлектрических преобразователей из неблагородных металлов в качестве образцовых средств низких разрядов, что позволяет снизить стоимость средств поверки без потери точности.

Нормативы и перспективы

ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» были разработаны следующие основополагающие стандарты системы передачи размера единицы температуры в диапазоне выше 0°С:
- ГОСТ 8.625-2006 «ГСИ. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний»;
- ГОСТ 8.624-2006 «ГСИ. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля. Методика поверки»;
- ГОСТ Р 8.51233-98 «ГСИ. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Общие технические требования»;
- ГОСТ 8.571-98 «ГСИ. Термометры сопротивления платиновые эталонные 1-го и 2-го разрядов. Методика поверки»;

- ГОСТ 8.155-2001 «ГСИ. Лампы температурные эталонные (образцовые) 1-го и 2-го разрядов для диапазона температур от 800 до 2800ºС. Методика метрологической аттестации и поверки»;
- ГОСТ Р 8.619-2006 «ГСИ. Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки».

Особо следует отметить, что в России действуют новые национальные стандарты ГОСТ Р 8.625-2006 и ГОСТ Р 8.624-2006, устанавливающие технические требования и методику поверки для рабочих термометров сопротивления (ТС). Сложность внедрения данных стандартов обусловлена тем, что в стандарте ГОСТ Р 8.624 появился термин «неопределенность измерений», который требует больших математических расчетов и более осмысленного применения, чем старый термин «погрешность измерений». Математические расчеты на современном уровне развития вычислительной техники не вызывают особых проблем.

ГОСТ Р 8.624 формулирует требования как к отдельным видам средств поверки (п. 6.3 - эталонные термометры сопротивления, п. 6.4 - термостаты и калибраторы, п. 6.5 - аппаратура для реперных точек, п. 6.6 - измерительная аппаратура), так и к всему комплексу поверочного оборудования – п.6.8.

Серийный выпуск средств передачи размера единицы температуры отечественными предприятиями полностью решает проблему метрологического обеспечения температурных измерений в нашей стране. За 15 лет создан инновационный комплекс средств воспроизведения единицы температуры (градус), ее передачи, измерения, преобразования, регулирования в диапазоне температур -200÷2500°С. Он решает проблему метрологического обеспечения измерений температуры в нашей стране в настоящее время и в перспективе на 10-15 лет, обеспечиваем передачу размера единицы с необходимой точностью.

Выбор типа датчика температуры в зависимости от диапазона

Дальнейшее совершенствование метрологического обеспечения промышленности включает в себя много задач, наиболее реальными из которых представляются:
- повышение точности измерения, передачи и поддержания размеров единицы в технологических процессах;
- сокращение затрат времени на проведение поверки и калибровки, совершенствование методик поверки, возможное увеличение межповерочных интервалов;
- переход на цифровой интерфейс систем управления, возможность создания простых в обслуживании систем регулирования и сигнализации;
- разработка методической и технической документации, обеспечивающей оптимальное применение средств и методов измерения температуры, теплопроводности, тепловых потоков, расчеты точностных характеристик результатов измерений и контроля технологических процессов.

От стандарта – к практике

Для контроля процессов используются различные виды датчиков с разными принципами преобразования физической величины в электрический сигнал. Наиболее распространены датчики полевого уровня – измерители температуры. Физико-химические свойства нефти определяют важнейшее требование к датчикам – их взрывозащищенность. Согласно принятым стандартам применимы два вида взрывозащиты - 0ExiaIICT6 и 0ExiaIICT4.

Датчики температуры контролируют температуру технологических сред и узлов оборудования при транспортировке и переработке. Чаще всего используются резистивные датчики - принцип их действия заключается в преобразовании изменения сопротивления проводника под действием температуры. Для формирования сигналов предельных значений используют биметаллические датчики дискретных сигналов.

Сергей Невидимов, инженер-конструктор, Группа предприятий «Теплоприбор» (Челябинск):
- Современный рынок датчиков температуры насыщен изделиями с обычным выходным сигналом (термометры сопротивления медные и платиновые), термопарами различных номинальных статических характеристик. Наряду с ними широкое распространение получили изделия с унифицированным выходным сигналом.

До недавнего времени «Теплоприбор» предлагал предприятиям нефтегазовой отрасли изделия серии -0595 (ТСМ/ТСП-0595 и ТХА/ТХК-0595), сейчас также производим изделия с унифицированным выходным сигналом ТСМУ-Л, ТСПУ-Л, ТХАУ-Л. В этих моделях применены трансмиттеры ТМТ 180L и ТМТ 181L, термопарный и RTD кабели и др. Алюминиевый корпус имеет повышенную степень защиты от влаги и пыли (IP66).

Нами (впервые в мировой практике) созданы напыленные чувствительные элементы, имеющие отечественный коэффициент α по ГОСТ Р 8.625-2006, а именно 0,00391 для платиновых чувствительных элементов и 0,00428 для элементов с медной градуировкой.

Владимир Никоненко, Генеральный директор ОАО НПП «Эталон», к.т.н.
Олег Никитин, EnergyLand.info
На первой фотографии: датчик температуры в составе комплекса «КВАНТОР-4Рэцн» (фото НПФ «Квантор-Т»)

Ссылки по теме:
Государственная поверочная схема для средств измерений температуры
Обеспечение единства измерений в теплометрии
О нормировании температурной погрешности тензорезисторных полупроводниковых датчиков
Новые методы измерения физических величин в условиях производства
Многоканальные измерители и регуляторы температуры
Датчики в современных измерениях
ГОСТ 6651-94. Термопреобразователи сопротивления
ГОСТ Р 8.625-2006. Термометры сопротивления из платины, меди и никеля