A gázmennyiség-mérés eszközei és elhelyezésük A mérés elve szerint megkülönböztetünk – a nyomásváltozás mérésének elvén, – a kiszorításos térfogatszámlálás elvén, valamint – a sebességmérés és impulzusszámlálás elvén működő gázmérőket. Az első csoportba sorolható mérőperemes, vagy Venturi-csöves mérők a fogyasztói körben nem használatosak. A térfogatszámlálás elvén működő mérők jellegzetes példája – a membrános háztartási gázmérő és – a forgódugattyús gázmérő. A sebességmérés és impulzusszámlálás elvén működnek a turbinás mérők.
Membrános háztartási gázmérők A membrános gázmérő működési elve A bal oldali csonkon érkező gáz a tolattyú bal oldali helyzetében a membrán jobb oldalára áramlik, azt kitölti, és a membránt a bal oldali szélső helyzetbe mozdítja át. A tolattyú ekkor mechanikus kapcsolat révén átvált és jobb oldali helyzetébe kerül, megnyitva a gáz útját a membrán bal oldalára. A benyomuló gáz a membránt jobb oldali szélső helyzetébe mozdítja át, és közben a membrán a jobb oldali kamrából gázt nyom a fogyasztói vezetékbe. Az egy ütem alatt kiszorított gáztérfogat a membrán két szélső helyzetének megfelelő. A mérő két leolvasása között eltelt időtartam során a számlálómű rögzíti, hogy ezt az egységnyi térfogatot a mérő hányszor bocsátotta át a fogyasztói vezetékbe, és így az áthaladt gáztérfogat összesen:
V = n · Vmérőkamra Ahol n – a mérőciklusok száma, Vmérőkamra – a membrán két szélső helyzete között kialakuló mérőkamra térfogata. (A gyakorlatban az átbocsátott gáztérfogatot gyakran Q-val jelölik.)
1
Membrános háztartási gázmérő működési elve
A hagyományos membrános gázmérő szerkezeti elemei
2
A korszerű mérők kialakításának jellemzői: – a mérő háza mélyhúzott acéllemez, amely kötéseivel és tömítéseivel biztosítja a kívánt hőálló tulajdonságokat és gázzáróságot; – a membrán anyaga a korábban – városi gáznál – használt kecskebőr helyett műanyag. A szintetikus anyagú membrán nem szárad ki, nem változtatja alakját, és ezért a mérési térfogat nem változik. A membrán alakja a korszerű mérőkben kör- vagy stadionforma (tehát erősen lekerekített, de nem kör alak); – a vezérlőmű feladata a membrán és a tolattyúk összehangolt mozgatása, mégpedig úgy, hogy a mérő hibája a lehető legkisebb maradjon. Ez azt jelenti, hogy a gáz útját egyik vagy másik kamrába korábban kell zárni, mint amit a membrán szélső helyzete meghatározna. Ennek a feltételnek a függőleges forgattyús tengely felel meg, amely lehetőleg kevés helyen csapágyazott. A mérőszerkezet és a számlálómű közötti kapcsolatot kuplung és fogaskerék áttétel biztosítja. A korszerű mérőkben visszaforgás gátló szerkezet is található; – a tolattyúk alakja négyszögletes lehet és ezek párhuzamos – lengő – mozgást végeznek, vagy bemetszett kör alakú, amely forgómozgást végez.
A tolattyúmozgást létrehozó erők és nyomatékok
Az ábra jelöléseivel a gáz munkavégző képességének csökkenéséből eredő hajtónyomaték: Mh = ∆p · A · m A tolattyúk mozgását fékező súrlódási erőből – ellenálláserő – származó nyomaték: Me = Fe · R = µ · FN · R 3
Állandósult állapotban a két nyomaték egyenlő. RPF tényező: (Resistance Power Factor):
RPF =
Me Mh
A hajtóerő nyomatéka arányos a mérő által kiszorított egységnyi térfogattal (mérőtérfogat, Vm): Mh ≈ ∆p · A · s · m = ∆p · Vm · m Ha a szolgáltatott gáz folyékony halmazállapotú szennyezőanyagokat is tartalmaz, akkor a mozgó tolattyúfelület és a tolattyú tükör között folyadéksúrlódás alakul ki, amelynek ellenállásereje a τ csúsztatófeszültség és a tolattyúfelület (At) segítségével: Ffe = τ · At Az ellenálláserő nyomatéka arányossá tehető a tolattyú két szélső helyzete közötti távolsággal (S), és így Me = τ · At · R · S Kiemelve a csúsztatófeszültséget, illetve a ∆p nyomáskülönbséget, valamint a mérőkonstrukcióra jellemző nyomatéki karokat (m, R), az RPF tényező az alábbi geometriai jellemzőkkel is felírható:
RPF =
At ⋅ S Vm
azaz a tolattyúfelület (At) és lökethossz szorzatának (S), illetve a mérési térfogatnak (Vm) a hányadosa. Az alapvető cél, hogy a mérőkonstrukció során az RPF értéket a lehető legkisebb értéken tartsák. A száraz, szennyeződésektől mentes földgáz mérése esetén a bemutatott RPF elméletnek nincs, vagy alig van jelentősége, ezért egyes, nagy RPF értékkel jellemezhető, korszerű mérők értékelésére nem használható.
4
A membrános háztartási gázmérők jellemző adatai Méretsor és jellemző térfogatáram-értékek Legnagyobb térfogatáram Qmax [m3/h]
Legkisebb térfogatáram felső
Korábbi
értéke
gázmérőjelölés
Qmin [m3/h]
2,5
0,016
G1.6
4
0,025
G2.5
6
0,040
G4
10
0,060
G6
16
0,100
G10
25
0,160
G16
40
0,250
G25
65
0,400
G40
100
0,650
G65
160
1,000
G100
Megjegyzés: A membrános mérők nagyságának megnevezéséhez szokásos a „G” betű használata. Az utána következő szám a legkisebb megengedett térfogatáram százszorosa, m3/h mértékegységben.
5
Pontossági követelmények Az elszámolással kapcsolatos igények miatt a mérők pontosságának nagy jelentősége van. A nemzetközi mérésügyi szervezet előírásokat ad azokra a határokra, amelyen a hibának belül kell lennie. A mérési hiba: Mérési hiba =
mért érték - tényleges érték ⋅ 100 , % tényleges érték
Példa egy membrános háztartási mérő hiba- és ellenállásgörbéjére (Rombach G4-RF1)
6
A megengedett hiba értéke Hőmérséklet-kompenzátor nélküli mérők Térfogatáram
Legnagyobb megengedett hiba
Qmin ≤ Q < 0,1 Qmax
± 3%
0,1 Qmax < Q ≤ Qmax
± 1,5%
Hőmérséklet-kompenzátorral szerelt gázmérők Térfogatáram Qmin ≤ Q < 0,1Qmax
0,1 Qmax < Q ≤ Qmax
Környezeti hőmérséklet
Legnagyobb megengedett hiba
+20 ± 5 °C +10 ± 5 °C és +30 ± 5 °C + 5 °C alatt és +35 °C felett +20 ± 5 °C +10 ± 5 °C és +30 ± 5 °C + 5 °C alatt és +35 °C felett
± 3% ± 3,5% ± 4% ± 1,5% ± 2% ± 2,5%
Üzemi nyomás, megengedett nyomásveszteség A névleges üzemi nyomás legkisebb értéke 0,1 bar legyen. A gázmérő működése során mérhető nyomásveszteség megengedett értékei (1,2 kg/m3 sűrűségű levegővel mérve) Qmax [m3/h] 2,5 4 6 10 16 25 40 65 100 160
Nyomásveszteség legnagyobb megengedett értéke
Korábbi
első hitelesítésnél [Pa]
gázmérő-
Qmax értéknél
Qmin < Q < 2 Qmin
200 60
300 100
jelölés G1.6 G2.5 G4 G6 G10 G16 G25 G40 G65 G100
7
A membrános mérők jellemző tulajdonságai Előnyök: – igen nagy az átfogható mérési tartomány, tehát a már elfogadható hibával mérhető térfogatáramnak (Vmin, illetve a katalógusokban gyakran Qmin) és a legnagyobb, még mérhető térfogatáramnak (Vmax, Qmax) az aránya: 1:160; – a mérő pontossága megfelel az elszámolási mérés követelményeinek; – a működés a gáz nyomásváltozása révén megoldott, segédenergiára nincs szükség; – egyszerű szerkezet, olcsó kivitel; – hosszú élettartam; – kis nyomásveszteség; – a gázszivárgás és tűzállóság szempontjából megfelelő kialakítás. Hátrányok: – érzékeny a gázban található szennyeződésekre, különösen a cseppfolyós szennyeződésekre; – a modern mérőeszközökhöz képest nagy méret; – távleolvasása nehezen oldható meg.
A gázmérők elhelyezésének és beépítésének általános követelményei a GMBSZ szerint A gázmérő elé (mérőkötésébe) elzáró szerelvény beépítése kötelező. Az elzáró szerelvényt úgy kell beépíteni, hogy vele a gázmérő és a fogyasztói berendezés is kizárható legyen. Ha a háztartási nyomásszabályozó és a legfeljebb 6 m3/h névleges térfogatáramú gázmérő közvetlenül, együtt kerül elhelyezésre, akkor elegendő a nyomásszabályozó előtt közvetlenül elhelyezett elzáró, az épületen belül elhelyezett esetre vonatkozó kitételektől eltérően. 100 m3/h összes névleges térfogatáramnál kisebb gázmérők A helyiség tűzveszélyességi besorolása: „Mérsékelten tűzveszélyes” (jele: D) Gázmérő lakószobában nem helyezhető el, helyisége lakószobával nem szellőztethető össze. Gázmérő nem szerelhető: fürdőszobába, WC-be, garázsba, gépkocsitárolóba, kazánházba, 400 V-nál nagyobb feszültségű villamos berendezéseket tartalmazó helyiségbe, „A” és „B” tűzveszélyességi osztályba sorolt helyiségbe.
8
140 kW-nál nagyobb összhőterhelésű gázfogyasztó készülék helyiségében gázmérő nem helyezhető el. A gázmérő és a legközelebbi gázfogyasztó berendezés között vízszintes vetületben mért távolság legalább 1 m legyen. Szigetelőfallal ez 0,5 m-ig csökkenthető. A gázmérő legközelebbi éle és füstcső, meleg víz vagy gőzvezeték legközelebbi alkotója között a távolság legalább 0,5 m legyen. Gázmérő könnyen éghető falszerkezetre, éghető, vagy hőre lágyuló burkolatú falra nem szerelhető. Gázmérő szabadban, külső falon csak megfelelő mechanikai és káros hőhatás elleni védelemmel szerelhető. Külső falon, lépcsőházban, közös használatú térben a gázmérőt zárható ajtajú fülkében vagy szekrényben kell elhelyezni. Pincében, alagsorban gázmérő csak akkor helyezhető el, ha a helyiség vagy fülke nem korrózióveszélyes, a pince vakolt, a pince talajvíz ellen szigetelt és szilárd padlóburkolattal rendelkezik, a pince belmagassága, illetve szabad űrszelvénye legalább 1,7 x 0,8 m. 100 m3/h-nál nagyobb névleges térfogatáramú gázmérők A gázfogyasztó berendezéssel azonos helyiségben nem helyezhetők el. Külön gázmérő helyiséget kell létesíteni. Ez a helyiség „Fokozottan tűz- és robbanás-veszélyes” (jele: A). A gázmérő helyiséget a külső fal mentén, a gázszolgáltató és a létesítmény kezelője által könnyen elérhető helyen kell létesíteni. Bejárata a szabadból, vagy az épület közös, jól szellőzött, jól megközelíthető teréből nyíljon. A gázmérő helyiség szellőzése: alsó-felső szellőzővel, ezek együttes területe a helyiség alapterület 1%-át érje el. A szellőző alsó éle min. 300 mm-re legyen a külső szinttől. A szellőzők más nyílászáróktól legalább 1 m-re legyenek. Gázmérő helyiség szellőztetésére szükség esetén csak önálló szellőzőtükröt, szellőzőcsatornát szabad alkalmazni.
9
A mérőbeépítés méretei
10
A mérőválasztás alapelvei – a mértékadó gázfogyasztás ne haladja meg a gázmérőn átvihető maximális térfogatáram értékét, mely • legfeljebb 6 m3/h névleges terhelésű membrános mérőknél a névleges mérő térfogatáram kétszerese:
V&mértékadó ≤ 2 ⋅ V&névl • 6 m3/h-nál nagyobb névleges terhelésű membrános mérőknél a névleges mérő térfogatáram másfélszerese:
V&mértékadó ≤ 1,5 ⋅ V&névl – a fogyasztócsoporthoz tartozó legnagyobb, tartós üzemű készülék gázfogyasztása ne haladja meg a névleges mérő térfogatáramot:
V&1,max ≤ V&névl – a fogyasztócsoporthoz tartozó készülékek közül a legkisebb fogyasztású, vagy a csökkentett fokozatban működő készülék gázfogyasztása legyen nagyobb, mint a mérő alsó méréshatára. Egyéb adat hiányában ez a névleges mérő térfogatáram 1%-a, tehát
V&1, min ≥ 0,01 ⋅ V&névl
11
Forgódugattyús mérők A mérés elve A térfogatszámlálás elvén működnek. A mérő működése négy ütemre osztható. Az első ütemben a mérőbe áramló gáz kitölti a bal oldali forgódugattyú és a ház közötti teret. Mivel a gáz nyomási energiája révén a dugattyúk a bejelölt irányban forgómozgást végeznek, a bal oldali dugattyú a gázt a fogyasztói oldalra továbbítja, majd a harmadik és negyedik ütemben a jobb oldali dugattyú mérőkamrája is megtelik gázzal, ami azután a fogyasztói oldalra áramlik.
A mért térfogat a mérőkamra térfogatból számítható, mégpedig annak figyelembe vételével, hogy a dugattyúk egy teljes fordulatukkal ennek a térfogatnak a négyszeresét továbbítják a fogyasztói oldalra. Így a mért gáztérfogat V = n · 4 · Vmérőkamra ahol n – a fordulatok száma. A forgódugattyúk mozgását mágneskuplung viszi át a számlálóműre. A szivárgási veszteségek csökkentése érdekében a mérő ház és a dugattyúk közötti illeszkedés jelentősége nagy.
12
A forgódugattyús mérő hibája
A forgódugattyús mérők jellemző tulajdonságai Régebbi mérők: – nagy gáztérfogatok mérésére alkalmas; – meglehetősen rugalmatlan működésű készülék és nem terhelhető túl; – indítási nyomásszükséglete nagy, ezért a Vmin : Vmax (Qmin : Qmax) arány rossz (1:10, 1:20) Új mérőkonstrukciók: – nagy mérési pontosság; – igen nagy az átfogható mérési tartomány: Vmin : Vmax, Qmin : Qmax arány: 1:80…1 : 200; – igen csekély indulási érzékenység; – a mérők kalibrálási jelleggörbéje lapos, a nulla vonalhoz tart; – a mérő hosszú távon megtartja pontosságát (stabilitás); – nagyfokú ismételhetőség, több mérés pontossági eltérése kicsi; – könnyűfém ház és tűzállóság szempontjából megfelelő kialakítás.
13
Turbinakerekes gázmérők A sebességmérés és impulzusszámlálás elvén működő turbinakerekes mérők működése azon alapul, hogy az ismert keresztmetszeten áthaladó gázáram sebességével arányos az itt elhelyezett turbinakerék szögsebessége. A turbinakerekes gázmérők három fő egységből állnak: – a cső alakú mérőtestből (mérőházból), – az áramlásterelőt, a mérőturbinát és a csapágyazást magában foglaló mérőbetétből, és – a számlálóműből. A gázt az áramlásterelő tereli a turbinakerékre. A könnyen forgó, dinamikusan kiegyensúlyozott járókerék csapágyazott tengelyéről a mozgás egy mágneses tengelykapcsoló és hitelesített fogaskerék-pár révén a nyomásmentes számlálóműbe jut. A lapátok és a csapágyazás konstrukciója az egyes gyártóknál eltérő. Ha a turbinakerék forgástengelye a gáz áramlási irányával párhuzamos, akkor axiális mérőről beszélünk. A turbinás mérők felépítése
14
A turbinakerekes gázmérők érzékenysége függ − a gáz sűrűségétől, viszkozitásától, hőmérsékletétől, − a járókeréken fellépő axiális erőtől, − a csapágyazás súrlódási nyomatékától, − a járókeréken kialakuló nyomásveszteségtől, tehát a közeg sebességének négyzetétől. A turbinakerék fordulatszáma arányos az átáramló gáztérfogattal, bár ez az arányosság nem állandó a teljes mérési tartományban. A turbinakerekes mérők fontos jellemzője az egységnyi gáztérfogatra eső impulzusszám:
ν=
n V
ahol
− n a turbinakerék fordulatszáma, − V az átáramló összes gáztérfogat, ami két részből tevődik össze: a turbinakeréken átáramló gáztérfogatból, valamint a turbinakerék külső és a mérőtest belső átmérője közötti résen – körgyűrűn – átáramló térfogatból. A gáz térfogatáram a turbinakerék fordulatszámával (n) és az átömlési keresztmetszettel (A) arányos:
V=k·n·A ahol k arányossági tényező. 15
A turbinakerekes mérő hibája
A jól tervezett és kiegyensúlyozott turbinakerekes mérők mérési pontossága a leolvasott érték 0,1%-a lehet, míg ipari mérőknél, 1:20 mérési tartományban ±0,25%-a. A mérők gyenge pontja a csapágyazás, és érzékenységük a gázsűrűség változására (a hitelesítéstől eltérő gáznyomásra). A turbinakerekes mérők mérési terjedelme (Vmin / Vmax) 1:10 és 1:50 sőt akár 1:100 közötti, tehát a membrános és a forgódugattyús készülékeké között helyezkedik el.
16
A mért értékek korrekciója A szolgáltatási gyakorlatban alkalmazott mérőfajták mindegyike gáz térfogatot mér, ezért szükség van arra, hogy a mért értéket a kívánt állapotra átszámítsuk. A fizikai normál állapot paraméterei: 0 °C (273,15 K) és 101325 Pa. A gáztechnikai normál állapot paraméterei: 15 °C (288,15 K) és 101325 Pa Az általános gáztörvényből: p m ⋅Vm p ⋅V = 0 0 Tm T0
ahol p – a nyomás abszolút értéke, V – a térfogat, T – az abszolút hőmérséklet, m index: mérési körülmények, 0 index: normál állapot. Átrendezve:
T V0 = V m 0 ⋅ Tm
pm = Vm ⋅ K t ⋅ K p p0
A korrekció során tehát a következő értékeket kell helyettesíteni: T0 = 288,15 K, illetve p0 = 101325 Pa = 1013,25 mbar Tm – a mérési időszakra vonatkozó átlaghőmérséklet abszolút értéke, K, pm = pb + ∆p – ϕ · pvt , Pa, Mivel a földgáz száraz gáz, a gáz abszolút nyomása általában: pm = pb + ∆p
17
