48228

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИТРАТОВИМІРЮВАННЯ

Конспект

Производство и промышленные технологии

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИТРАТОВИМІРЮВАННЯ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ Для студентів спеціальності Метрологія та інформаційновимірювальна техніка Рекомендовано методичною радою університету ІваноФранківськ 2011 ІваноФранківський національний технічний університет нафти і газу С. Лекційне заняття №3 Класифікація засобів відтворення і вимірювання одиниць об’єму та об’ємної витрати газу. Газова промисловість України як окрема галузь паливноенергетичного напряму економіки держави складає сьогодні чи не...

Украинкский

2013-12-15

3.65 MB

30 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Кафедра  інформаційно-вимірювальної техніки

С.А. Чеховський, О.Є. Середюк, Н.Б.Долішня

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИТРАТОВИМІРЮВАННЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Для студентів спеціальності

"Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка "

Рекомендовано методичною радою

університету

Івано-Франківськ

2011


Івано-Франківський національний технічний універс
итет нафти і газу

С.А. Чеховський, О.Є. Середюк, Н.Б.Долішня

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ МЕТРОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИТРАТОВИМІРЮВАННЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

2011


УДК 006.91:681.121

ББК 30.10

Ч 56

Рецензент:

Н.М. Піндус, канд. техн. наук, доцент кафедри інформаційно-вимірювальної техніки ІФНТУГ

Рекомендовано методичною радою університету (протокол № 14 від 20 жовтня 2011 р.)

Чеховський С.А.

Ч56 Теоретичні основи метрологічного забезпечення витратовимірювання: конспект лекцій /  С.А. Чеховський, О.Є. Середюк, Н.Б.Долішня. – Івано-Франківськ: ІФНУНГ, 2011. - 94с.

Конспект лекцій розроблений відповідно до робочої програми навчальної дисципліни, чинного навчального плану підготовки фахівців за спеціальністю “Метрологія та вимірювальна техніка”. Може бути використаний студентами денної та заочної форм навчання, а також студентами інституту післядипломної освіти.

УДК 006.91:681.121

ББК 30.10

МВ 02070855-3577-2011р.

Голова навчально-методичного об’єднання

спеціальності «Метрологія та вимірювальна техніка»

  С.А. Чеховський

Завідувач кафедри ІВТ      С.А. Чеховський

Член експертно-рецензійної комісії    М.Й. Федорів

Нормоконтролер       Г.Я. Онуфрик

Інженер першої категорії      Л.З.Костюк

©Чеховський С.А., О.Є. Середюк, Долішня Н.Б., 2011

© ІФНТУНГ, 2011


Зміст

Вступ……………………………………………………………...4

Лекційне заняття №1

Структура галузі газової промисловості України…….…….…6

Лекційне заняття №2

Системи відтворення значень витрати ………………….……15

Лекційне заняття №3

Класифікація засобів відтворення і вимірювання одиниць об’єму та об’ємної витрати газу…………….…………...…….27

Лекційне заняття №4

Дзвонові витратомірні установки……..……………...….……37

Лекційне заняття №5

Поршневі еталонні установки….…………………...…………50

Лекційне заняття №6

Еталонні установки з ємністю під тиском ………..…...…..64

Лекційне заняття №7

Еталонні установки з робочими еталонами та установки соплового типу…………………………………..………..…….71

Лекційне заняття №8

Надійність технічних засобів витратовимірювальної

техніки………………………..………………………..…..77

Перелік рекомендованих джерел...……...…………………….92


ВСТУП

Газова промисловість України як окрема галузь паливно-енергетичного напряму економіки держави складає сьогодні чи не найдинамічнішу та інтелектуально насичену область народногосподарського комплексу яка, до того ж, у вирішальній степені визначає її енергетичну міць, адже частка природного газу у загальному обсязі споживання первинної енергії перевищує 45%.

Зазвичай, характеризуючи газову промисловість держави, вказують на наявність підземних сховищ газу, магістральних газопроводів, компресорних станцій, обсяги споживання та транспортування природного газу тощо, якось ніби ігноруючи ще одну не менш важливу сторону.

Об'єм газу, що використовується споживачами України, вимірюється на: 80 пунктах вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу (далі — вимірювальні пункти), який надходить від газодобувних підприємств і подається до єдиної газотранспортної системи; 90 вимірювальних пунктах, через які газ подається безпосередньо з магістральних газопроводів до промислових підприємств; 1600 газорозподільних станціях, через які газ подається до населених пунктів.

У сфері транспортування, видобування та зберігання газу застосовуються витратомірні пристрої, засновані на принципі змінного перепаду тиску. У більшості країн Європи для цих потреб використовуються лічильники газу з відносною похибкою від 0,5 до 1 відсотка. Впровадження таких лічильників в Україні стримується внаслідок їх високої вартості, а також відсутності робочих еталонів для повірки лічильників (витратомірів) на великі об'ємні витрати.

Для вимірювання об'єму газу, що споживається промисловими та комунально-побутовими підприємствами, бюджетними організаціями та підприємствами теплової енергетики, застосовується 71,3 тис. приладів, з яких майже 44 тис. є побутовими лічильниками газу.

У житловій сфері налічується 10,6 млн. газифікованих будинків і квартир. Об'єм спожитого газу тільки близько в третині цих будинків і квартир визначається за даними лічильників, у інших за нормами споживання.

Споживання газу населенням після встановлення лічильників у квартирах та власних будинках зменшилося з 17,1 млрд. у 1996 році до 15,7 млрд. куб. метрів у 2000 році.

Існуюча в Україні нормативна база на засоби вимірювальної техніки об'єму газу не повною мірою відповідає вимогам європейських та міжнародних стандартів. На роторні лічильники газу, а також на обчислювачі та коректори об'єму газу, що входять до складу автоматизованих комплексів, немає державних стандартів.

Вимірювання витрати та кількості газу здійснюється за реальних його умов, які відповідають параметрам стану газу при протіканні в трубопроводі. Враховуючи, що облік природного газу і, насамперед комерційний, здійснюється шляхом приведення результатів вимірювання до стандартних (нормованих) умов, то ця обставина зумовлює застосування відповідної термінології і понять. Тому спочатку конкретизують основні визначення і параметри стосовно фізичних властивостей природного газу, а також методичні основи їх вимірювання або розрахунку.


Лекція
1

СТРУКТУРА ГАЛУЗІ ГАЗОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ УКРАЇНИ

Важливе значення для газової промисловості та її розвитку мало введення в експлуатацію у 1956 р. Шебелинського газового родовища в Харківській області. В подальшому були відкриті такі великі газові родовища, як Кегичівське, Єфремівське, Глинсько-Розбишівське, Машівське, Пролетарське та Рибальське (на сході України), а також Хідновицьке, Пинянське, Битків-Бабчинське (на заході).

У межах України зараз виділяється дев'ять нафтогазоносних областей, розміщення яких дозволяє об'єднати їх в три нафтогазоносні регіони: Східний — Дніпровсько-Донецька газонафтоносна область; Західний — Перед карпатська, Складчаті Карпати, Закарпатська і Волино-Подільська та Південний — Переддобруджинська, Причорноморсько-Кримська, Індоло-Кубанська, Азово-Березанська область.

При цьому Східний регіон охоплює Сумську, Полтавську, Харківську, Дніпропетровську, Донецьку, Луганську і Чернігівську області; Західний — Волинську, Львівську, Івано-Франківську, Чернівецьку і Закарпатську області; Південний—Запорізьку і Херсонську області, а також Автономну Республіку Крим.

Найбільша частка газоспоживання в Україні припадає на промислово розвинутий Східний регіон — майже 62%, на Західний і Південний регіони — відповідно 32 та 6% загальної потреби в газі. При цьому у промисловості використовується майже половина спожитого в державі газу, близько 30% газу витрачається на потреби енергетики, 18% — в комунально-побутовому секторі Для вирішення сезонної нерівномірності газоспоживання особливе значення мають підземні газосховища (ПГС).

Сучасний  стан  галузі.  В Україні зараз експлуатуються 13 газосховищ з проектним обсягом 62,4 млрд. м3 Використовуються ці сховища для підвищення надійності забезпечення газом споживачів в екстремальних ситуаціях. При цьому  питома вага ПГС, розміщених на сході України, становить 17,3% на заході — 76,3%, на півдні — 6,4%.

Нерівномірність розміщення ПГС, а також відсутність гарантій стабільного постачання газу в Україну викликає необхідності збільшення обсягів резервування газу на сході та півдні України.

Завдяки відкриттю великих газових родовищ на сході України, в Оренбурзькій та Тюменській областях, на Північному Кавказі і в Середній Азії широкого розвитку набув магістральний трубопровідний транспорт. Газопровідний транспорт Україні розвивався як складова частина єдиної газопостачальної системі колишнього СРСР. Функціонуюча сьогодні система газопроводів України забезпечує поставку газу усім споживачам та на експорт. Загальна протяжність газопроводів у межах України досягла майже 35 тис. км. До основних магістральних газопроводів елі; віднести такі, як:

  •  Уренгой — Помари — Ужгород;
  •  Острогожськ — Шебелинка;
  •  Шебелинка — Дніпропетровськ;
  •  Кривий Ріг — Ізмаїл;
  •  Шебелинка — Полтава — Київ;
  •  Дашава — Київ;
  •  «Союз» та ряд ін.

Пропускна здатність усіх газопроводів, що входять на територію України з Росії, становить понад 2000 млрд. м3 газу. Через територію України здійснюється транзит газу на експорт з Росії у Європу (в середньому понад 100 млрд. м3 за рік).

Перспективи розвитку газової промисловості України пов'язані з розширенням геолого-пошукових робіт, збільшенням обсягів пошукового буріння та прискоренням промислового освоєнню відкритих родовищ. Поряд з цим слід широко впроваджувати досягнення науково-технічного прогресу, зокрема новітніх технологій і техніки.

Головні  напрямки  розвитку  газової промисловості  України  на  сучасному  етапі  розвитку   держави.

З метою ефективного і більш якісного використання ресурсів нафти і газу в Україні необхідне встановлення тісних контактів із західними фірмами, які займаються пошуками та розвідкою цих корисних копалин, їх видобутком та переробкою. У багатьох країнах, наприклад у Великобританії та Норвегії накопичився дуже цінний досвід освоєння шельфових ділянок морів, існують передові технології і прийоми глибокого буріння.

Розвиток газової промисловості України відбувається під впливом внутрішніх і зовнішніх чинників. До перших належить обмеженість власних ресурсів, до других - успадкована від колишнього Союзу залежність від монопольної поставки газу з Росії і Туркменистану.

Базою для подальшого розвитку газової промисловості України є як власні ресурси природного газу, так і розвинута мережа магістральних газопроводів та підземних  сховищ газу.

Розташування України на основних шляхах транспортування природного газу від таких регіонів з найбільшими у світі запасами газу, як Росія (ресурси 53 трлн  кубометрів) і Близький Схід (ресурси 33 трлн. кубометрів) до великих споживачів цього газу - країн Центральної та Західної Європи - дуже вдале. Наша держава може стати гарантом надійного газозабезпечення споживачів. Це підсилить її позиції на ринку природного газу, сприятиме створенню умов для її подальшого економічного розвитку.

Крім того, в Україні зосереджена значна кількість високо кваліфікованих кадрів газової промисловості (науковців, проектантів тощо). Розвинена металургійна і машинобудівна база, яка виробляє значну частину машин і обладнання для цієї галузі, професійно підготовлені кадри буровиків, будівельників та експлуатаційників.

Це дає можливість, як і раніше, брати активну участь у роботах по освоєнню родовищ Західного Сибіру. За цілеспрямованої соціально-економічної політики можна створити взаємовигідні для України і Росії умови для довготривалих поставок газу в нашу державу.

Щодо внутрішніх чинників забезпечення України газом, то тут основним слід вважати енерго- і ресурсозбереження. Сьогодні Україна достатньо забезпечена власними ресурсами природного газу. Падіння виробництва зменшило реальні потреби в газі. Подальший розвиток господарства в умовах реально діючої ринкової економіки включить такі механізми, як ресурсозбереження і науково-технічний прогрес.

Газифікація Івано-Франківської області. Початок бурхливої газифікації Прикарпаття прийшовся на 50-ті роки XX століття, коли в 1955 році в м. Станіславі, в центрі Прикарпаття, загорівся голубий вогник природного газу. Відтоді будівництво газопроводів в населених пунктах Прикарпаття набрало широкого розмаху. Після Станіслава природний газ одержали жителі теперішнього міста хіміків – м. Калуша. У ті ж роки створені перші газові контори: “Станіславгаз” – 1955 р. та “Калушгаз” – 1957 р.

У наступному десятиріччі 1960-1970 роках газифікуються райцентри: Коломия, Надвірна, Долина, Тисмениця, Снятин, Рогатин, Тлумач, Косів, там же створюються газові господарства. У 80-х роках газ надійшов у Галич, Рожнятів, Городенку, Богородчани. Із 14 райцентрів області – 13 газифіковано. У Верховинському районі, у зв’язку із складністю проведення газопроводу – гірська місцевість та велика вартість, газифікація досі ще не проведена.

За час від 1975 року обласне газове господарство бурхливо розвивалось – набирало темпи будівництво виробничих баз і технічне переоснащення виробництва. В районних центрах нашої області було збудовано 9 експлуатаційних баз, 7 районних пунктів по наповненню балонів з резервуарами на 100 м3 скрапленого газу, база зберігання скрапленого газу на 2 тис. м3.

Для забезпечення робіт по газифікації населених пунктів області в м. Тисмениці було збудовано базу будівельно-монтажного управління, в 1995 році здано в експлуатацію цех по ізоляції труб із найсучаснішим обладнанням і створене спеціалізоване будівельно-монтажне управління в смт. Рожнятів.

На сучасному етапі до складу ВАТ “Івано-Франківськгаз” входять наступні структурні підрозділи:

  1.  Івано-Франківське управління з експлуатації газового господарства;
  2.  Коломийське управління з експлуатації газового господарства;
  3.  Долинське управління з експлуатації газового господарства;
  4.  Калуське управління з експлуатації газового господарства;
  5.  Косівське управління з експлуатації газового господарства;
  6.  Надвірнянське управління з експлуатації газового господарства;
  7.  Рогатинське управління з експлуатації газового господарства;
  8.  Снятинське управління з експлуатації газового господарства;
  9.  Тлумацьке управління з експлуатації газового господарства;
  10.  Рожнятівське управління з експлуатації газового господарства;
  11.  Галицьке управління з експлуатації газового господарства;
  12.  Городенківське управління з експлуатації газового господарства;
  13.  Богородчанське управління з експлуатації газового господарства;
  14.  ССУ “Підгір’ягазбуд”;
  15.  ДП “Міжгір’я”;
  16.  ДП “Івано-Франківськ-Пропан”;
  17.  Філія “Прикарпатенергосервіс”.

Облік природного газу в регіоні. Населення та промисловість Івано-Франківської області постачається газом через 81 газорозподільчу станцію від чотирьох постачальників: управління “Укртрансгаз” (управління магістральних газопроводів “Прикарпаттрансгаз” та “Львівтрансгаз”), газовидобувного управління “ЛьвівГазВидобування”, Надвірнянського нафтогазовидобувного управління та спільного українсько-канадського підприємства “Дельта”. На 65 ГРС вузли обліку газу працюють на принципі змінного перепаду тиску (діафрагм), 58 ГРС оснащені сучасними електронними засобами вимірювань та зведення об’єму газу до стандартних умов – вимірювальними комплексами “Суперфло” або “Флоутек”, на 8 ГРС вимірювальні параметри записуються комплексами FOXDORO і лише на 4 ГРС застосовуються диференціальні самозаписуючі пристрої ДСС. На 15 ГРС облік відпущеного газу ведеться лічильниками (в основному турбінного типу) в комплексі з коректорами “Флукор” або SEVC-D (фірми “Шлюмберже”) та обчислювачами Універсал.

Облік газу на 12 ГРС контролюється 13 дублюючими вузлами обліку газу, з них 5 вузлів на основі звужуючих пристроїв, інші 8 – на основі турбінних лічильників газу. Для зведення об’єму газу до стандартних умов застосовуються електронні коректори “Флукор” та обчислювачі (Універсал або ОЕ-22).

Дублюючі вузли обліку газу контролюють до 70% подачі газу. Два вузли обліку газу  дублюють роботу вузлів обліку газу таких підприємств, як Нафтопереробного заводу в м. Надвірна та ВАТ “Явсон”. 19 вузлів обліку газу встановлено по напрямках (після ГРС) для контролю споживання газу певним регіоном, 19 вузлів обліку газу контролюють споживання газу окремими населеними пунктами. 37 вузлів по напрямках побудовані на основі турбінних лічильників газу ЛГ і лише один на принципі звужуючого пристрою.

Елементи систем відтворення, їх конструктивні та метрологічні особливості

Характерна особливість витратовимірювальні практики полягає в тому, що відтворення і передавання значень витрати здійснюється сукупністю «несупідрядних»,   технічних комплексів (витратовимірювальні стенди та установки), кожен з яких підлягає індивідуальній атестації та відтворює, по суті, потік робочого середовища (зі своїми фізико-хімічними властивостями - температурою, в'язкістю, щільністю, складом), що володіє певним набором взаємозалежних гідродинамічних параметрів (полем швидкостей і тисків, пульсаційними  характеристиками, ступенем «завихрення»), в тому числі і витратою (середньою швидкістю).

Оскільки на сьогоднішній день не існує науково обгрунтованих методів і прийомів «управління» гідродинамічними параметрами потоків рідких і газоподібних середовищ, єдиний шлях ідентифікації умов відтворення та передачі значень витрати полягає в розробці та забезпеченні уніфікованих вимог до основних вузлів і елементів зазначених технічних комплексів, створення уніфікованих методик їх атестації та достовірних оцінок похибок, зумовлених взаємовпливом гідродинамічних параметрів відтворюваних потоків.

В загальному, будь-який витратовимірювальний стенд, будь-яка витратовимірювальна установка, призначена для відтворення значень витрати, складається з наступних технічних систем:

1)системи зберігання та підготовки робочого середовища;
2)системи відтворення потоку робочого середовища;
3)системи регулювання і вимірювання витрати.

Систему зберігання та підготовки використовують, в основному, в тих випадках, коли в якості робочих середовищ застосовують капельні рідини. Вона складається з резервуара, в якому міститься і в котрий зливається (під час роботи установки) рідина, пристроїв для її природної або штучної деаерації і забезпечення певних фізико-хімічних властивостей (температури, в'язкості, щільності, складу або частини з них). Система відтворення потоку повинна забезпечувати одномірний, симетричний відносно осі, стабілізований потік робочого середовища на заданій ділянці трубопроводу. З цією метою в систему включені пристрої (насоси, компресори, напірні баки), які забезпечують подачу робочого середовища у випробувальний трубопровід, і елементи стабілізації параметрів потоку (поля швидкостей, статичного тиску, витрат). При цьому «природна» стабілізація поля швидкостей здійснюється відповідним вибором довжини дослідної ділянки, технології її виготовлення і монтажу.

Одним зі шляхів створення стабілізованих потоків певної структури є застосування  способу формування рівномірного поля усереднених швидкостей за допомогою насадки та інших технічних засобів. Саме цим шляхом можна досягти повної ідентифікації умов відтворення та передачі значень витрати за будь-яких режимів течії робочого середовища незалежно від її властивостей, тобто суттєво підвищити точність взірцевих витратовимірювальних установок і стендів.

Система регулювання і вимірювання витрати повинна забезпечувати «уставки» будь-яких дискретних значень витрати в робочому діапазоні й точне вимірювання цих значень абсолютним методом, тобто у відповідності з фізичним визначенням витрати як кількості речовини, що протікає через поперечний переріз потоку за одиницю часу.

Конструктивні особливості вказаних систем, а також їх гідравлічне «стикування» у витратовимірювальних установках (стендах) характеризуются метрологічним призначенням останніх, властивостями робочих середовищ, номенклатурою параметрів витрати (середні або миттєві значення), що підлягають вимірюванню, прийнятими одиницями (масова або об'ємна витрата) і діапазоном вимірювання.

Контрольні питання

  1.  Нафтогазоносні області України.
    1.  Охарактеризуйте сучасний стан газулі газового господарства України.
    2.  Головні  напрямки  розвитку  газової промисловості на Україні.
    3.  Охарактеризуйте стан газифікації Івано-Франківської області.
    4.  Назвіть технічні системи, з яких складається витратомірна установка в загальному.
    5.  В чому полягає особливість системи зберігання та підготовки?
    6.  Яка система забезпечує стабілізацію потоку та яким чином?  


Лекція 2

СИСТЕМИ ВІДТВОРЕННЯ ЗНАЧЕНЬ ВИТРАТИ.

Статичні витратомірні УСТАНОВКИ

Типова схема статичної витратомірної установки, що працює на воді або інших  вибухобезпечних і нетоксичних рідинах, наведена на рис. 2.1. Вона складається з наступних основних вузлів та елементів:

зливного резервуара 8, в якому міститься і в який зливається робоча рідина. Конструкція резервуара і його обсяг розраховуються таким чином, щоб запобігти нагрівання і забезпечити природну деаерацію рідини за час її перебування в резервуарі при тривалій роботі установки. Тому обсяг резервуара повинен бути в 2-3 рази більшим, ніж сумарний обсяг усіх інших елементів і комунікацій, що заповнюються рідиною під час роботи установки. Крім того, як можна більшим повинен бути шлях, який проходить рідина в резервуарі від місць зливу до місць забору її насосом;

насоса 2, що подає рідину зі зливного резервуара 8 в напірний бак 1;

напірного бака 1, що забезпечує постійний тиск на дослідній ділянці установки. Бак забезпечений системою переливних лотків, що підтримують постійний рівень тієї рідини, що поступає в бак. Для забезпечення необхідної максимальної витрати і статичного тиску на  установці напірний бак слід або монтувати на відповідній (іноді досить значній) висоті, або заповнювати у вільному просторі над рідиною нейтральним газом відповідного тиску. В останньому випадку для стабілізації витрати на установці необхідно підтримувати постійним не тільки рівень рідини в напірному баці, а й тиск газу;

  1.  

  1.  напірний бак
  2.  насос
  3.  випробувальна ділянка
  4.  перекидний пристрій
  5.  пристрій, призначений для регулювання витрати на установці
  6.  пристрій для вимірювання кількості рідини
  7.  проміжний бак
  8.  зливний резервуар

Рисунок 2.1 – Схема статичної витратовимірювальної установки


пристрою 6
для вимірювання кількості рідини, яка протікає через установку за певний проміжок часу. Як відомо, такі пристрої бувають двох типів: об'ємні та масові (на рис. 1.1 показано масовий пристрій - ваги). Об'ємний пристрій (рис. 1.2) для вимірювання кількості рідини, яка протікає через установку і одиницях об’єму, являє собою мірний бак 1 із водомірною трубкою 2 та рейковою шкалою 4 з візиром 3. Поділки на рейковій шкалі відповідають визначеним при градуюванні об'ємам баку в даній позначці шкали.
Шкалу мірних баків градуюють за допомогою зразкових мір ємності або ваговим методом.

Рисунок 2. 2 – Об’ємний пристрій для вимірювання кількості рідини.

Рівень рідини в мірному баку встановлюють за допомогою визірного пристрою, що виключає похибку внаслідок паралаксу. У ряді випадків для зручності відліку водомірні трубки забезпечуються легкими ебонітових поплавками.

Мірні баки можуть бути виготовлені як циліндричної, так і прямокутної форми. Габаритні розміри бака (площа поперечного перерізу та висота) і ціна поділки шкали повинні відповідати необхідної точності відліку. При проектувальних розрахунках мірних баків застосовують наступне вихідне рівняння:

δд = ΔF/Vmin,     (2.1)

де δд – допустима похибка відліку;

Δ - похибка відліку, яка визначається ціною поділки шкали і конструкцією візирного пристрою (ноніусного або безноніусного);

F - площа поперечного перерізу бака;

Vmin - мінімальний робочий об'єм мірного бака, зазвичай найчастіше приймається рівним половині номінального об’єму.

Для зливу робочої рідини мірні баки устатковують зливними пристроями 5 (у більшості випадків вантажними клапанами, див. рис. 2.1). Вантажний клапан являє собою циліндричний вантаж з гумовим торцем. Під дією власної ваги вантаж притискається до сідла зливного патрубка, і гумовий торець забезпечує герметичність клапана. Вантаж піднімається й опускається або за допомогою ручного важільного механізму, або за допомогою електричних  дистанційних пристроїв.

Для вимірювання кількості робочої рідини в одиницях маси застосовують циферблатні ваги або зразкові вантажопоршневі ваги, на платформу яких встановлюють резервуар, обладнаний оглядовим склом або автоматичним поплавковим пристроєм для запобігання переливання в  резервуарі.

Об'ємні пристрою більш прості, однак, мають обмежену область застосування (тільки для малов'язких рідин) та суттєво поступаються за точністю ваговим. Так, найбільш досконалі витратомірні установки мають гранично допустиму похибку 0,15-0,20%, в той час, коли масовим притаманні похибки в розмірі 0,05-0,10%.

Крім того, в установку (див. рис. 2.1) входить проміжний бак 7, призначений приймати і відводити в зливний резервуар потік робочої рідини між вимірюванням її об'єму або маси мірним баком або ваговим пристроєм.

Іноді замість проміжний бака встановлюють другий мірний бак або ваговий пристрій. У цьому випадку установка може працювати безперервно: в той час, як один бак заповнюється, на другому знімають відповідні покази, після чого цей бак спорожняється;

пристрій 5, призначений для регулювання витрати на установці.
В якості задавача необхідного значення витрати на установках можуть застосовуватися різного виду засувки та вентилі. Про попереднє значенні витрати, яка задається (точне визначається згідно з показами самої установки), говорять або виходячи з показів встановленого в систему регулювання витратоміра, або за перепадом тиску на самому пристрої. Перший спосіб більш дорогий (в грошовому значенні) і вимагає довгих прямолінійних  ділянок; другий - складний і достатньо грубий у зв'язку з нелінійністю і змінами характеристик звичайних засувок та вентилів;

перекидний пристрій 4, що спрямовує потік робочої рідини або в мірний бак (резервуар вагового пристрою) на початку експерименту, або в «пролітний» бак на завершенні досвіду. Для «перекидання» потоку можуть застосовуватися перекидні пристрої різних типів. Наприклад, поворотні триходові крани, пневматичні або електричні клапани, гнучкі рукави, поворотні розділювальні короби;

випробувальна ділянка 3, на якій відтворюються рівномірний, симетричний відносно осі та стабілізований потік робочої рідини. Довжину випробувальної ділянки можна розраховувати за існуючою методикою.

Безпосередньо перед випробувальною ділянкою підвідний трубопровід не повинен мати складних просторових колін, що сприяють гвинтоподібному руху потоку. Регулюючий пристрій необхідно встановлювати на вихідному кінці випробувальної ділянки, щоб при всіх робочих режимах поперечний переріз випробувальної ділянки був повністю заповнений робочою рідиною і для зменшення деформацій потоку на вході в випробувальний ділянку;

прилад для вимірювання тривалості процесу наливання робочої рідини в мірний бак або резервуар вагового пристрою. Зазвичай для вимірювання тривалості процесу наливання застосовують точні електричні хронометри, електронні секундоміри або лічильники імпульсів. Про початок і кінець відліку часу на ці пристрої подають команду від контактних реле, що спрацьовують одночасно з «переброской» потоку, якузабезпечує перекидний пристрій.

До складу витратомірних установок повинні також входити ЗВ статичного тиску на випробувальній ділянці і ЗВ фізико-хімічних властивостей робочої рідини.

Основна особливість статичних витратомірного установок (що визначає їх назву) полягає в тому, що процеси відтворення потоку робочого середовища та вимірювання його витрати на цих установках ніби-то розірвані в часі. Це означає, що витрата вимірюється лише після того, як певна кількість робочого середовища протекла через випробувальну ділянку і заповнила визначенйи об’єм мірного баку. Зазвичай, для зменшення похибки пов'язаної з усередненням  значень витрати, а також для зменшення похибки, що вносяться перекидним пристроєм, і іншими елементами установик робочий об'єм мірного бака вибирають таким, щоб час його заповнення при максимальній витраті становив більше40-60 с.

Внаслідок вищесказаного статичні витратомірні установки, будучи досить точними засобами відтворення витрати, можуть відтворювати лише усереднене за досить великий проміжок часу значення. Застосування їх для відтворення миттєвих значень витрати істотно знижує їх точність внаслідок появи ряду додаткових похибок, розглянутих в наступних лекціях.


ДИНАМІЧНІ ВИТРАТОМІРНІ УСТАНОВКИ

На відміну від статичних y динамічних витратомірних установках процеси відтворення потоку та вимірювання витрат поєднані в часі, усереднення кількості робочого середовища здійснюється за досить малі проміжки часу. Внаслідок цього дані установки можуть використовуватися (в основному і використовуються) для відтворення та вимірювання миттєвих значень витрати.

1 – насос;

2 – напірний бак;

3 – пневматична система;

4 – манометр;

5 – вентиль;

6 – випробувальна ділянка;

7 – вимірювальний бак;

8 – давачі рівня.

Природно, малий час усереднення істотно знижує вимоги до стабільності витрати на випробувальному ділянці. Тому, як правило, динамічні установки працюють без системи стабілізації напору. Принцип дії динамічних установок (рис. 2.3) можна подати наступним чином. Робоча рідина насосом 1 закачується в напірний бак 2, в якому за допомогою пневматичної системи 3 (компресор або балон зі стисненим повітрям чи нейтральним газом) створюється певний статичний тиск, який контролюється манометром 4. У процесі проведення експерименту відкривається вентиль 5 і робоча рідина статичним тиском створюваним повітрям або нейтральним газом витісняється з напірного бака через випробувальний ділянку 6 у вимірювальний бак 7. Вимірювальний бак обладнаний давачами рівня 8 (об'ємні динамічні установки) або виставленим значенням рівня на тензометричних давачах (вагові динамічні установки). У першому випадку, вимірюючи об'єм рідини між двома рівнемірами й відповідний проміжок часу, визначають дискретні значення витрати. У другому випадку можна отримати безперервний запис значень вагової кількості рідини, яка наливається, відповідний запис часу і визначити неперервні (аналогові) значення витрати. Існують також і рівнеміри (наприклад, ультразвукові), які дозволяють неперервно вимірювати кількість рідини, що наливається у вимірюваний бак.

В окремих випадках, коли динамічна витратомірна установка є складовою частиною випробувального комплексу певного  приладу (теплового двигуна або гідравлічної машини), тобто коли випробувальна ділянка безпосередньо з'єднана з приладом, який підлягає випробуванням, вимірювальні системи (рівнемірні або тензометричні давачі) встановлюють у попередньо відкалібрований напірний бак. За таких умов при використанні тензометричних давачів необхідно нейтралізувати або іншими словами «усунути» жосткий зв'язок напірного бака з підвідним трубопроводом за допомогою гнучких шлангів або ін.

Динамічні установки прості у своїй конструкції (немає систем стабілізації напору, перекидних пристроїв), дозволяють відтворювати миттєві (точніше усереднені за малий проміжок часу) значення витрати, проте точність цих установок суттєво менша за точність статичних. Крім обмеженою точністю рівнемірів і тензометричних давачів це зумовлено і рядом специфічних похибок, що виникають внаслідок динамічних властивостей вимірювальних систем, коливання рівня і реакцію струменя рідини, яка наповнює вимірювальний бак, а також «розбалансом» виміряної установки і кількості робочої рідини, яка реально протікає через дослідну ділянку. Пояснимо сказане. На рис. 2.4 схематично показаний вимірювальний бак динамічної  витратомірної установки, що заповнюється робочою рідиною зі зливної труби.

Рисунок 2.4 – Схема заповнення вимірювального баку

Вимірювальний бак «починає працювати», тобто рівень рідини, що заповнює його, починає перевищувати нульову відмітку в той час, коли через будь-який поперечний переріз  випробувальної ділянки вже протікає певна  кількість рідини, що заповнює трубопровід від даного перерізу до вихідної кромки зливної труби і при цьому, ця рідина знаходиться у вільно падаючому струмені від вихідної кромки до нульової позначки бака. Позначимо цю кількість через V0. Коли рівень рідини в баці підніметься до позначки h1 і перший рівнемір y1 «видасть» сигнал, що відповідає виміряній кількості V1, через випробувальну ділянку протікає кількість рідини,  рівна . Причому  буде менше V0 на об’м ΔV1 частини струменя, обмеженою відрізком V1. При цьому виміряна витрата:

   (2.2)

де t1 – час заповнення баку до висоти h1, в той час як дійсне значення витрати:

   (2.3)

При спрацьовуванні другого рівнеміра y2 на позначці h2 виміряна кількість рідини буде відрізнятися від дійсного на значення об‘єму частини струменя, обмеженого відрізком (h2-h1), і т.п.

М. О. Данілов теоретично і експериментально обгрунтував можливість часткової компенсації зазначеної похибки динамічних установок, яка може досягати 2-3%.

При цьому ним була розглянута оптимальна конструктивна схема вимірювального бака, обладнаного давачами рівня (рис. 2.4). Робоча рідина, пройшовши випробувальну ділянку, по трубопроводу 1 надходить у кільцеву порожнину, утворену двома концентрично розташованими вертикальними стінками 2 і 3, потім через верхнє ребро внутрішньої стінки тонким рівномірно прилиплим струменем стікає в робочу порожнину 4. Великий периметр внутрішньої стінки забезпечує спокійне ламінарне стікання рідини, а отже, спокійне (без сплесків і коливань) наповнення робочої порожнини. У місцях встановлення давачів рівня 6 монтуються спеціальні обтікачі 5, які звужують потік рідини, що піднімається в робочій порожнині. Звуження потоку забезпечує зменшення похибок, пов'язаних з похибками вимірювання рівня і запізненням включення приладів для вимірювання часу, тому що ці похибки проявляються ніби-то в «зменшеному обсязі».
Отримані для цього випадку формули для обчислення поправок до вимірюваних значень кількості рідини, обумовлених наявністю шару стікаючої по стінках бака рідини, мають вигляд:

Рисунок 2.4 – Схема заповнення вимірювального баку

 при ;

при ;

при

де DВ – діаметр внутрішнього поперечного перерізу кільцевої камери;

Н1, Н2 – відповідно відстані від кромки переливу до місць установки початкового і кінцевого сигналізаторів рівня;

;

Однак, ні конструктивні «хитрощі», ні ретельна атестація відмічений нижче особливостей динамічних установок (малий час усереднення, суміщення процесів відтворення і вимірювання витрати) не дають змоги звести похибку до рівня менше ніж 0,2 – 0,3%.

Контрольні питання.

  1.  Поясніть роботу статичної витратомірної установки на основі типової схеми зображеної на рис.1.1
  2.  Конструктивні особливості зливного бака витратомірної установки.
  3.  Назвіть та опишіть пристрої, що використовуються для вимірювання кількості рідини, яка протікає через вимірну установку.
  4.  Як працюють прилади для вимірювання тривалості процесу наливання робочої рідини в мірний бак або резервуар вагового пристрою?
  5.  Перелічіть ЗВТ, які повинні входити у склад витратомірної установки.
  6.  В чому полягає особливість статичних витратомірних установок?
  7.  Поясніть принцип роботи динамічної витратомірної установки.
  8.  Опишіть конструктивні особливості динамічних установок.
  9.  Чому динамічні установки не потребують системи стабілізації напору?
  10.  Які з витратомірних установок є більш точнішими: статичні чи динамічні та чим е зумовлено?
  11.  Поясніть схему наповнення вимірного баку (рис.2.2).
  12.  Що забезпечує звуження потоку рідини у вимірювальному баці, обладнаному давачами рівня?
  13.  В чому полягає основна відмінність динамічних установок від статичних?


Лекція 3

Класифікація засобів відтворення і вимірювання одиниць об’єму та об’ємної витрати газу

ЕУ, які застосовуються для метрологічного забезпечення лічильників і витратомірів газу, відрізняються різноманітністю принципів дії, неодинакові за метрологічними і технічними характеристиками, структурою, рівнем автоматизації, габаритних розмірів, вартості, продуктивності градуювально-перевірочних робіт. Тому необхідною передумовою аналізу ЕУ є їх класифікація, яка в більшості випадків здійснюється в залежності від принципу їх дії, або в залежності від виду конструктивного виконання в межах одного типу.

Впродовж років класифікацію таких ЕУ вдосконалювали з врахуванням новітніх тенденцій розвитку і досягнень в галузі витратовимірювальної техніки. Основними положеннями найбільш повної класифікації є:

  •  структура відтворюваних потоків;
  •  спосіб вимірювання кількості газу (тип застосованого пристрою);
  •  число ступенів ЕУ, спосіб наповнення зразкової ємності, вид джерела витрати і характер переміщення розділювача;  
  •  спосіб обробки і зберігання вимірювальної інформації.

Такий підхід дозволяє якнайповніше оцінити ЕУ з врахуванням їх точності, швидкодії і якості відтворення та вимірювання витрати і є актуальним на стадії їх проектування. Однак, щодо можливостей досягнення відповідних метрологічних характеристик ЕУ не всі критерії цієї класифікації є актуальними на даний час, наприклад, в залежності від обробки вимірювальної інформації (автоматизована чи неавтоматизована),  внаслідок практично відсутніх засобів з неавтоматизованою обробкою інформації.   Тому на рис.3.1 подана класифікація ЕУ за структурою відтворюваних потоків газу (неперервної  дії, пропорційно-статичних, неперервно-циклічних і дискретно-динамічних) у поєднанні з їх принципом дії, що в найбільшій мірі впливає на метрологічні та технічні значення відтворюваного контрольованого об’єму газу характеристики ЕУ.

В установках неперервної дії потік газу необмежений за тривалістю і не містить збурень як на початку, так і в кінці вимірювального циклу, а відлік показів з досліджуваного приладу (ДП) здійснюється в його робочому режимі, тобто при вимірюванні об’єму або витрати газу. У порційно-статичних ЕУ відлік показів з ДП здійснюється в статиці при нерухомому чутливому елементі  приладу.  Неперервно-циклічні ЕУ передбачають відтворення потоку газу послідовністю окремих доз (порцій), який  містить збурення під час їх стикування. У дискретно-динамічних  ЕУ здійснюють виділення із потоку газу лише одної дискретної (контрольної) дози незначного об’єму, пропуск якої через ДП здійснюють в динамічному режимі, тобто при його функціонуванні в режимі відліку об’єму чи витрати газу.

Водночас за можливостей досягнення якнайкращих результатів як бази для створення державних (первинних) і вторинних еталонів з врахуванням їх практичного використання у світовій практиці заслуговує уваги класифікація,
Таблиця 3.1 - Типи закордонних первинних еталонів та значення їх розширеної невизначеності (при коефіцієнті охоплення
k=2)

Дзвонова установка

Поршнева установка

Вагова установка

Австралія , Австрія,

Бразилія, Канада,

Китай,Німеччина, Греція,Італія,

Корея, Мехіко,

Польща, Сінгапур, Швеція,Турція, Великобританія

Франція,Німеччина,

Греція, Італія, Корея,

Польща, Сінгапур, Великобританія

Аргентина, Франція,

Японія,Корея, Тайвань, Великобританія

Інші

PVT

Витиснення рідини

Австралія (Floppy V, “плівковий”)

Бразилія (Вubble, “пухирцевий”)

Німеччина

(LDV jet, “об’ємно-рідинний” )

Туреччина

(Вubble, “пухирцевий”)

Китай, Японія, Швеція,

Великобританія,Франція США

Чеська Республіка, Нідерланди,

Словацька Республіка


застосована для аналізу можливих технічних рішень для метрологічного забезпечення витратовимірювальної техніки (табл.3.1). Із наведеної табл. 3.1 є невідомими варіант виконання ЕУ (стаціонарні чи мобільні), робоче середовище (повітря чи природний газ), діапазон відтворюваних витрат. Однак, оскільки всі вони є первинними еталонами, то очевидним є їх виконання як стаціонарних об’єктів з укомплектуванням додатковими пристроями термостабілізації приміщення, без чого не може бути досягнута належна точність вимірювання.

Поряд з цим при побудові державної повірочної схеми для засобів вимірювання об’єму та об’ємної витрати газу наведений перелік п’яти можливих видів  ЕУ (повірочні установки дзвонового типу, повірочні установки з еталонними лічильниками,  повірочні установки з еталонними критичними соплами,  повірочні установки РVТt-типу, набір еталонних витратомірів), який регламентує їх типи, сферу  застосування і допустиме значення похибки, не розкриваючи при цьому особливостей конструктивного виконання.

Зупинимося на аналізі конкретних типів ЕУ у відповідності з цим документом і класифікацією, поданою на рис.3.1, яка характеризує досягнутий  науковий  рівень у розробці державних і національних   (первинних)  еталонів і в найбільш узагальненому виді враховує можливості побудови ЕУ з врахуванням швидкодії випробовувальних циклів і у поєднанні з можливостями досягнення в них відповідної точності метрологічних характеристик. При цьому також розглянемо поршневі ЕУ, які є відомими у вітчизняній та закордонній метрологічній практиці як засоби з достатньо високими техніко-метрологічними характеристиками.    

 

Рисунок 3.1 – Класифікація ЕУ


Водночас  деякі  види ЕУ, які вказані на рис.3.1, зокрема, калориметричні, з застосуванням трубок Піто,  вантажокільцеві, міткові аналізувати не будемо внаслідок їх відсутності в деяких класифікаціях і недостатньо високих метрологічних характеристик, що відображено у наукових дослідженнях та спеціалізованих довідниках і монографіях.

Аналіз існуючих повірочних схем для засобів  вимірювань обєму та обємної витрати газу.

Основним документом в системі метрологічного забезпечення вимірювання обєму та обємної витрати газу являється державна повірочна схема, яка встановлює метрологічну ієрархію еталонів, зразкових та робочих ЗВТ[83], а також порядок передачі з їх допомогою розміру одиниці обєму та обємної витрати.

В колишньому СРСР існувала загальносоюзна повірочна схема для ЗВТ-обємної витрати газу в діапазоні від 110-6до1102 м34.

Основним недоліком цієї повірочної схеми є те, що похибки зразкових ЗВТ не забезпечують зростаючі вимоги до точності вимірювань обємної витрати газу робочими ЗВТ, допустима відносна похибка яких в багатьох випадках не перевищує 1 - 2 %.

Із зарубіжних аналогів повірочних схем для ЗВТ обємної витрати газу найбільшої уваги заслуговує повірочна схема, що діє в Нідерландах15 .  Схема багатоступенева (число ступенів 8) і передбачає відтворення обємних витрат в діапазонах від 0,0002 до 12000 м3/год для робочого середовища повітря під атмосферним  тиском.

В порівнянні з іншими схемами велике число ступенів передачі обумовлено відсутністю чіткої ієрархії у співвідношенні границь допустимих похибок зразкових та робочих ЗВТ, наприклад 1:3, як це передбачено в інших схемах. Так, наприклад, схемою передбачена передача одиниці обємної витрати від дзвонових установок з границею допустимої відносної похибки 0,09 %  поршневим (роторним) зразковим лічильником з границею допустимої відносної похибки 0,1-0,17 %.

Відтворення та передача одиниці обємної витрати для робочого середовища повітря здійснюється з допомогою набору робочих еталонів.

Відзначаючись своєю раціональністю, недоліком даної повірочної схеми, як зазначалось вище, є відсутність чіткої ієрархічної підпорядкованості для зразкових ЗВТ. Перевагою є можливість передачі одиниці обєму при тисках значно вищих від атмосферного (до 6 МПа).

Із інших зарубіжних аналогів повірочних схем для ЗВТ обєму та обємної витрати газу зупинимось на повірочній схемі 84, що являється державною в Чехії та Словаччині.

Дана повірочна схема на відміну від попередніх, характеризується чіткою ієрархією (підпорядкованістю) еталону, зразкових та робочих ЗВТ, співвідношенням границь допустимих похибок, застосуванням прямих методів передачі фізичних одиниць, яким властиві мінімальні похибки.

Відзначається своєю раціональністю локальна повірочна схема, що застосовується в компанії “Schlumberger Industries” (Франція) при  повірці побутових лічильників газу. В її основі покладений робочий еталон обєму - скляна колба з каліброваним обємом 50 л, відносна похибка якої складає 0,05 %. З допомогою  робочого еталону методом прямих вимірювань проходить передача розміру одиниці обєму зразковій дзвоновій установці із змінними мірними обємами і відносними похибками  відповідно: 200 л (0,103 %), 150 л (0,113 %), 100 л (0,124 %), 50 л (0,154 %), 20 л (0,414 %). За допомогою дзвонової установки проходить вибіркова державна повірка побутових лічильників, а для їх градуювання з метою підвищення продуктивності застосовується соплова установка, похибки якої наведені в підрозділі 1.2.

Таким чином, проведений аналіз повірочних схем показує, що розроблення державної повірочної схеми для засобів вимірювань обєму та обємної витрати газу є актуальним і повинно базуватися на таких основних принципах:

- раціонального вибору числа ступенів передачі та співвідношення границь допустимих похибок;

- обґрунтування методів передачі одиниць з метою зменшення похибок;

- оптимізації границь допустимих похибок зразкових та робочих ЗВТ.

Аналіз нормативної бази на методи випробувань та повірки лічильників газу побутових.

Складовою частиною нормативної документації по метрологічному забезпеченню вимірювань обєму та обємної витрати газу є документи, що регламентують загальні технічні вимоги, методи випробувань та повірки ЗВТ.

В Європі технічні вимоги до лічильників газу та методи їх випробувань та повірки регламентовані документами МОЗМ (Міжнародної Організації Законодавчої Метрології) у вигляді рекомендацій та настанов. Але в даних документах як побутові розглядаються тільки лічильники мембранного типу, а до інших типів (роторних, турбінних, ультразвукових) регламентовані вимоги тільки до таких, що мають найменший нижній  діапазон вимірювань обємних витрат 16 м3/год.

В колишньому СРСР діяв СТ СЭВ 5641 - 89 "Счетчики газа. Классификация, основные параметры и технические требования". Однак з розпадом СРСР всі стандарти серії  СЭВ були  відмінені. Взамін нього в частині швидкісних лічильників вийшов ГОСТ 28724-90 "Счетчики газа скоростные. Общие технические требования и методы испытаний". Однак даний стандарт не регламентує вимоги до лічильників в діапазоні витрат від 0 до 16 м3/год.

Зрозуміло, що випали з точки зору обємні (роторні та мембранні) лічильники газу.

Як і в документах колишнього СРСР, так і в стандартах серії СЕВ головним недоліком було відсутність технічних вимог, а також методів та засобів випробувань показників безпеки лічильників газу побутових. До таких показників відносяться в першу чергу: стійкість до дії надлишкового тиску за температури 120 С; витік газу з лічильника за температури 650 С; стійкість до дії згинальних та скручувальних моментів. З метрологічних характеристик при випробуваннях лічильників не визначались СКВ випадкової складової похибки, додаткова похибка, що викликана зміною температури вимірюваного середовища від нормальної. Не нормувалось, а отже, не визначалось значення циклічного обєму газових лічильників, що характеризує точність їх виготовлення.         

Що стосується нормативних документів на методи та засоби повірки лічильників газу, то діючий на Україні документ колишнього СРСР ГОСТ 8.324-78 "Счетчики газа. Методы и средства поверки." недосконалий по наступних основних причинах:

1) стандарт не поширюється на лічильники газу, що випускаються з виробництва, тобто не встановлені вимоги до їх первинної повірки;

2) повірка лічильників проводиться за витрат 5, 10, 50 та 100 % від номінальних, хоча лічильники працюють в діапазоні максимальних витрат, що значно перевищують номінальні значення, а також мінімальних витрат, що значно нижчі від 5 % номінальної   витрати (як правило, 1 % від номінальних);

3) формула для визначення відносної похибки при повірці лічильників не враховує похибки від зміни температури, що може досягати за граничних температурних умов повірки 0,34 %, а це досить суттєво. Аналогічно, значення поправки на втрати тиску вводиться тільки при втратах більше 196 Па (20 мм вод. ст.), тобто можна нехтувати величинами похибки, що складає 0,2 %.

Таким чином, введення граничних умов по різниці температур в процесі повірки на 1 С та втратах тиску не більше 196 Па може привести до сумарної похибки методу більше 0,5 %, що не припустимо з точки зору метрології;

4) не регламентуються методи та засоби повірки лічильників, що вкомплектовані перетворювачами обєму у вихідні електричні сигнали, де значення коефіцієнта перетворень може бути обєктом внесення додаткової похибки;

5) не контролюються параметри електробезпеки лічильників, що мають електричне джерело живлення.

Таким чином, проаналізувавши стан нормативного забезпечення вимірювань обєму та обємної витрати газу, стає актуальним і першочерговим питання розроблення документів, що регламентують технічні вимоги до побутових лічильників, методів та засобів їх випробувань  і повірки.

Контрольні питання.

  1.  На основі яких положень проводиться класифікація витратовимірювальної техніки?
  2.   Особливості роботи ЕУ неперервної дії, їх види.
  3.   Основна особливість порційно-статичних  ЕУ, види таких установок?
  4.  Неперервно-циклічні та дискретно-динамічні ЕУ та їх різновиди.
  5.  Які типи закордонних первинних еталонів вам відомі?
  6.  Які види витратомірих установок були запропоновані при побудові державної повірочної схеми?


Л
екція 4

Дзвонові витратомірні установки

Еталонні установки на базі дзвонових мірників є загальновизнаним метрологічним засобом для вимірювання об’єму і витрати газу. Основним вузлом дзвонових еталонних установок є мірник, що містить дзвін, який своєю нижньою частиною занурений в ємність з рідиною, що має назву  витіснювача. У підготовчий період випробування здійснюється подача газу під дзвін від стороннього джерела витрати, завдяки чому дзвін підіймається. Після наповнення мірника до необхідного об'єму трубопровід  подачі газу перекривають. При відкритті запірного пристрою в трубопроводі, що сполучає піддзвоновий простір з досліджуваним пристроєм, починається витіснення газу з-під дзвона через досліджуваний прилад. Об'єм газу, що витісняється, відлічується за показами контрольної лінійки. Після цього запірний пристрій закривають. За різницею показів відлікового пристрою досліджуваного приладу і відомому об'єму газу  який переданий від еталонної установки до досліджуваного приладу, визначають відносну похибку лічильника  за формулою:

,   (4.1)

де – об’єм повітря, відміряний лічильником.

При випробуванні витратомірів пропущений об'єм газу усереднюється за час його відтворення і порівнюється з показами витратоміра . Похибку останнього  розраховують за однією із наступних формул:

, %,   (4.2)

, %,   (4.3)

де   – миттєва відтворювана витрата газу;

– усереднене за інтервал часу значення відтворюваної витрати.

В Україні дзвонові еталонні установки набули широкого застосування, загальна кількість яких за даними ДП «Івано-Франківськстандартметрологія» перевищує 20. Діапазони мірних об’ємів дзвонових установок, що експлуатуються, складають від 0,05 до 28 м3, а відтворювані ними об’ємні витрати знаходяться в діапазоні від 0,01 до 10000 м3/год

В основному, робочим середовищем у дзвонових еталонних установок є повітря, однак за  їх принципом дії може застосовуватися будь-який газ, зокрема природний.

Основним джерелом похибок відтворення об’єму дзвоновими еталонних установок є похибки визначення об’єму дзвона і похибки від нестабільності тиску під час вимірювального циклу внаслідок дії механічних і гідродинамічних сил опору, а також неточності компенсації виштовхувальної сили дзвона. Суттєвою може бути похибка від непостійності температури в приміщенні, внаслідок зміни лінійних розмірів деталей дзвонового мірника. Ще одним джерелом похибки є похибка від випаровування в піддзвоновий простір замкової рідини, яка залежить від тривалості вимірювального циклу, площі змоченої поверхні дзвону і дзеркала рідини, а також вологості повітря, що подається під дзвін. Для зменшення похибок сучасні дзвонові еталонні установки, витіснювачi заповнюються мастилом, а установки обладнуються спеціальними пристроями для забезпечення стабільності тиску під дзвоном і коректорами температурної похибки та похибки від зміни рівня рідини витіснювача при занурюванні в неї дзвона.

Принципова схема і метрологічні характеристики дзвонових еталонних установок

Використовується для градуювання та повірки витратомірів та лічильників газу, для точного відтворення і вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу, а також для проведення випробувань витратомірів і лічильників газу різних типів.

Основні технічні характеристики:

  •  межі вимірювання витрати:

від 0.16 до 10000 м /год.;

  •  робоче середовище: повітря;
  •  значення контрольних об'ємів:

від 0.02 до 14 м3;

  •  надлишковий тиск середовища в установці: від 1.1 до 6 кПа;
  •  межі основної похибки по об'єму: від 0.10 до 0.3%;
  •  межі основної похибки по витраті: від 0.15 до 0.3%.

1— витіснювач; 2— дзвоновий мірник; 3-9 — засоби контролю та пристрої керування роботою; 10,11,17 — система обробки даних;12-16 — пристрій індикації лінійного переміщення дзвонового мірника;20 — пристрій, що атестується; 19, 21, 22, 25 — регулювальні засувки; 18, 23 — трубопроводи; 24 — нагнітальний пристрій.

Установка складається з дзвону 2, який своєю нижньою частиною занурюється в резервуар з рідиною 1, шо називається витіснювачем. В початковий період випробувань лічильників чи витратомірів здійснюється подача газу (повітря) під дзвін при відкритому запірному органові 22 від стороннього джерела витрати 24, завдяки чому дзвін піднімається. По закінченні наповнення мірника до необхідного об'єму запірний орган в трубопроводі подачі газу закривають, далі дзвоновий мірник витримують в такому положенні для стабілізації характеристик робочого середовища. При відкритті запірного органу 21 в трубопроводі, що з'єднує піддзвоновий простір з приладом 20, що повіряється, починається витіснення газу з-під дзвону через цей прилад. Об'єм витісненого газу відраховується за контрольною лінійкою 12-16. Після цього запірний орган 21 закривають. За різницею показів відлікового пристрою приладу та відомим значенням контрольного об'єму, що пройшов через прилад, визначають похибку приладу. При випробуванні витратомірів пропущений об'єм газу осереднюють за час його витіснення і зрівнюють з показами витратоміра.

Доцільно зазначити, що при опусканні дзвонового мірника в рідину за рахунок того, що сам дзвін має певний об'єм, проходить підняття рівня рідини як в піддзвоновому, так і позадзво- новому просторі (див. рис.). Причому сума об'ємів рідини, що викликає зміну рівня, дорівнює об'єму стінки дзвона, що опустилась в рідину, тобто:

Така зміна рівня призводить до зміни відтворюваного об'єму. Тому при вимірюваннях приходиться вводити поправки або обладнати мірник пристроєм, який автоматично компенсував би їх. На практиці застосовуються різні методи компенсації рівня рідини в дзвонових установках.

Основним недоліком дзвонових установок є те, що з їхнього вимірювального циклу не вилучений неусталений режим роботи як засобу вимірювальної техніки (ЗВТ), що повіряється, так і самої дзвонової установки. З метою зменшення впливу даного фактора на точність таких установок приходиться збільшувати протяжність вимірювального циклу. Це, в свою чергу, вимагає створення громіздких і дорогих за ціною установок із значним об'ємом мірника, до 60 м3. Тому в останній час дзвонові установки знаходять застосування тільки для повірки витратомірів і лічильників газу на порівняно невеликих витратах, в тому числі при градуюванні та повірці побутових лічильників газу.

Особливості:

  •  Робота по дискретно-динамічному методу.
  •     Підвищена точність.

Широкий діапазон відтворюваних об'ємів та об'ємних витрат газу (до 1:1000).

Метрологічна атестація  дзвонової витратомірної установки

Метрологічна атестація установки передбачає проведення зовнішнього огляду а після цього знаходження таких складових похибки:

- визначення похибки атестації об’єму дзвону;

- визначення похибки атестації каналів вимірювання тиску;

- визначення похибки атестації каналів вимірювань температури;

- визначення похибки атестації лінійки;

- визначення сумарної похибки атестації діагностування.

При проведенні зовнішнього огляду перевіряють відповідність установки наступним вимогам:

- склад і комплектність установки повинна відповідати вимогам технічної документації на установку;

- відсутність механічних пошкоджень та інших дефектів, які перешкоджають роботі установки;

- маркування та пломбування згідно технічної документації на установку.

- Визначення похибки атестації об’єму дзвону.

Моделювання фізичних процесів робочих еталонів на базі дзвонових еталонних установок

Нові наукові спрямування  досліджень стосовно моделювання фізичних процесів  дзвонових ЕУ стосуються вдосконалення математичних моделей відтворення і задання  контрольного об’єму газу, дослідження в них фізичних процесів, зокрема перехідних процесів, компенсації виштовхувальної сили  і впливу зміни рівня замкової рідини у витіснювачі,  а також моделювання автором якісно інформативних процесів в установках. Однак вказаний перелік напрямків моделювання потребує розвитку щодо вдосконалення відомих моделей, а також проведення моделювання згідно нових спрямувань досліджень.

Математичне моделювання алгоритму функціонування вагових компенсаторів дзвонових еталонних установок

Під час відтворення об’єму та витрати дзвоновими ЕУ опускання дзвона 1  (рис. 4.2) під своєю вагою забезпечує витіснення необхідного значення контрольного об’єму і порівняння його з об’ємом газу, відліченого за цей інтервал часу ДП. При цьому стабільність відтворюваних витрат забезпечують спеціальні пристрої стабілізації тиску під дзвоном, наприклад, важковий ваговий компенсатор 2, який компенсує зменшення ваги дзвона при зростанні глибини його занурення у замкову рідину витіснювача 3 шляхом пропорційного довантаження дзвона. Однак відомі алгоритми функціонування цих компенсаторів не враховують впливу зростання рівня замкової рідини в залежності від глибини

Рисунок 4.2 –  Спрощена принципова схема дзвонової ЕУ

1 – дзвін;

2 – важковий ваговий компенсатор;

3 – витіснювач;

4, 7 – запірні клапани;

5, 6 – підвідний і відвідний трубопроводи


занурення дзвона і потребують коригування їх конструкцій за результатами метрологічних досліджень при метрологічній атестації.

Виходячи з рівності приросту об’єму замкової рідини витіснювача до приросту об’єму зануреної частини стінки дзвона, при моделюванні застосовувалася запропонована тотожність: 

,   (4.4)

де  – приріст рівня замкової рідини при збільшенні занурення дзвона на величину  (рис. 4.2);

– площа поперечного перерізу стінки дзвона;

– площі кільцевих перерізів замкової рідини, утворених поверхнями стінок дзвона та внутнішньою і зовнішньою стінкою витіснювача відповідно.

Права частина (4.4) кількісно характеризує значення коефіцієнта корекції компенсатора , що дає можливість алгоритм для розрахунку вагового компенсатора подати у вигляді:

,  (4.5)

У (4.5) використані позначення: – маса довантаження дзвона на одиницю його лінійного переміщення ; – густина замкової рідини витіснювача; – прискорення вільного падіння.

Для кількісної оцінки похибки, що виникає від неточності  розрахунку вагового компенсатора, застосовувався такий вираз для визначення зміни рівня замкової рідини витіснювача  внаслідок зміни тиску під дзвоном

  (4.6)

З врахуванням того, що робочий надлишковий тиск  установки визначається відомою залежністю:

      (4.7)

де  – вага дзвона з урахуванням дії архімедової сили і ваги противаги;

–  площа внутрішнього перерізу дзвона на межі його занурення в рідину.

За умови постійності площі , що витікає з принципу дії дзвонових ЕУ і задається технологічними  вимогами при виготовленні дзвона, виходячи з (4.7) можна записати

              (4.8)

Так як зміна ваги дзвона визначається зміною виштовхувальної сили при його зануренні і вагою вагового компенсатора, яка уточнюється за допомогою коефіцієнта корекції  отримуємо

 (4.9)

З врахуванням (4.7) і (4.8) вираз (4.6) набуває вигляду

         (4.10)

У свою чергу зміна рівня  у витіснювачі зумовить додаткове витіснення об’єму газу:

    (4.11)

Співставляючи значення  відносно значення відтвореного контрольного об’єму газу (), отримуємо таку формулу для визначення похибки  (відносне значення при відтворенні 1м3 газу) від неточності проектування вагового компенсатора:

                                             (4.12)

Чисельний аналіз отриманих виразів при зміні товщини стінки дзвона в діапазоні (2…10)мм і ширини кільцевих перерізів замкової рідини у витіснювачі (20…500)мм показав, що в залежності від співвідношення геометричних розмірів дзвона і витіснювача ЕУ похибка розрахунку компенсатора без врахування коефіцієнта може сягати 25%. При цьому стосовно параметрів відомих раніше створених еталонів [73, 74] вона знаходиться в межах (1,5…4,0)% і, як наслідок, може зумовити зростання НСП еталона на (0,02…0,03)%, що для сучасного технічного рівня витратовимірювальної техніки є недопустимим.

Такий алгоритм функціонування вагового компенсатора забезпечує підвищення точності його розрахунку на стадії проектування еталонів, що дає можливість підвищити їх точність і водночас зменшити затрати на проведення їх метрологічних досліджень.

Контрольні питання

  1.  Опишіть принцип роботи дзвонових витратомірних установок.
  2.  Джерела виникнення похибок у дзвонових витратомірних установках.
  3.  Основні принцими, покладені в основу моделювання фізичних процесів  дзвонових еталонних установок.
  4.  Методика розрахунку похибки вагового  компенсатора.


Лекція 5

Поршневі еталонні установки

Перспективним напрямком в рішенні проблеми точного відтворення і вимірювання витрати газу є використання в установках в якості  зразкових змінних ємностей каліброваних  труб з  поршневим розділювачем. В цьому напрямку в останні роки ведуться інтенсивні пошуково – досліджувальні роботи як в нас , так і за кордоном. У порівнянні з дзвоновими  такі установки більш компактні, і коефіцієнт  використання об'єму контрольної ємності ще вище.

Принцип дії установки заключається в виділенні з допомогою каліброваної труби і поршневого розділювача із  рухомого до досліджуваного пристрою потоку газу фіксованого об'єму і синхронної регістрації «на ходу» показів приладу за час проходження через нього цього об'єму.

За конструктивними особливостями і принципом дії розрізняють  установки з примусовим переміщенням поршневого поршневого розділювача (ПР) і з вільним його рухом під дією потоку газу, а за конструкцією – установки із замкнутою системою руху потоку газу і з розімкнутою системою.

Відома експериментальна установка для тестування витратомірів газу з примусовим переміщенням в циліндричній ємності витискувача поршневого типу, створена в Японії. Хоч установка і володіє високою точністю, але застосування її для великих витрат утруднено.

Установка із замкнутою системою  представляє собою замкнуту кільцеву систему з стальною каліброваною трубою і ПР з манжетним ущільненням, що переміщається в ній під дією потоку газу. витрата в установці створюється повітродувкою. Для переключення (реверсування) потоку в каліброваному трубопроводі розроблені спеціальні клапани і система допоміжних трубопроводів. Достойністю таких установок є можливість реверсування потоку газу у випадку використання в  якості джерела витрати магістрального трубопроводу. Поряд з таким застосуванням в існуючих установках конструкції ПР з ущільнюючими манжетами робить їх важко застосовуваними при високих тисках внаслідок великої інерційності ПР.

Більш досконалими, позбавленими цього недоліку є установки, розроблені ІФНТУНГ. В цих установках застосовані  нові типи ПР – сферичний, циліндричний і типу «дисковий пакет». Було показано, що найбільш високою точністю володіють установки з  розділювачами типу «дисковий пакет» в неущільненому і квазіущільненому варіантах.

Отримані результати експериментальних досліджень, а також розроблені теоретичні основи аеродинаміки неущільненого і квазіущільненого розділювачів виявились основою для розробки поршневої автоматизованої установки на витрати до 1200 м3/год.

Варто відмітити, що ПР типу «дисковий пакет», особливо в неущільненому варіанті, забезпечив високу чутливість і точність установки, так як на його переміщення при максимальній витраті потребується дуже малий перепад тиску (5,5 Па). Крім цього, до установки розроблений квазіущільнений варіант розділювача – слабоущільнений поршень типу «дисковий пакет»  з плівковим ущільненням. Перепад тиску на його переміщення також дуже незначний, що дає можливість  внаслідок малої  інерційності застосовувати його в розробленій витратомірній установці на великі витрати і великі статичні тиски.

На основі вище викладеного розглядаємо установку об'ємно-динамічного методу вимірювання, а технічною реалізацією методу є поршнева витратомірна установка на великі витрати і високі статичні тиски.

Дана об’ємно-динамічна установка РПДУ-41 пг призначена для  повірки лічильників, дифманометрів-витратомірів, градуювання діафрагм для газопроводів діаметром до 400 мм, що працюють при статичному тиску до 1,47 МПа (15 кгс/см2) і максимальній витраті 41,66 м3/с (150 тис.м3/год)[14].

Розробка поршневої об'ємно-динамічної градуювально-повірочної витратомірної установки проводиться на базі магістрального газопроводу на витрати до 41,66 м3/с (150 тис.м3/год) з метою застосування в промислових умовах.

Метою розробки установки є  створення промислової витратомірної установки для випробування витратомірів змінного перепаду тиску.

Областю застосування установки є лабораторії метрологічного нагляду за засобами вимірювання витрати газу, великі газові господарства, які займаються споживанням і збутом природного газу.

Перспективність розробки витратомірної установки зумовлюється використанням об'ємно-динамічного методу точного відтворення і вимірювання витрати газу. В установці в якості зразкових змінних ємностей використовуються калібровані труби з поршневим розділювачем.

Принцип дії установки базується у виділенні з допомогою каліброваного трубопроводу і поршневого розділювача фіксованого об'єму із потоку газу, що рухається до досліджуваного пристрою і синхронної регістрації «на ходу» показів приладу за час проходження через нього такого об'єму.

Конструктивні вимоги установки наступні:

Установка повинна складатися із вимірювального трубопроводу з поршневим розділювачем і лазерними детекторами положення поршневого розділювача, двох пускоприймаючих пристроїв, прямолінійний участків трубопроводу, градуйованого або повіряючого пристрою, дистанційних засувок і регулятора тиску, електронної апаратури для збору і обробки вимірювальної інформації.

Поршнева об'ємно-динамічна витратомірна установка повинна мати регулювання меж вимірювання.

Оптичні лезерні детектори положення поршневого розділювача, змонтовані на вимірювальному трубопроводі, повинні бути виготовленні  у вибухозахищеному виконанні.

Установка повинна проводити періодичне градуювання і повірку кожного із трьох дифманометрів-витратомірів в окремих вітках ГРС без їх демонтажу.

Установка  дозволяє проводити градуювання або повірку будь-яккого витратоміра із індивідуальними прямолінійними  ділянками, доставленого на градуювальну станцію із інших об'єктів газової мережі.

В установці забезпечується градуювання діафрагм для газопроводів діаметром до 400 мм при статичному тиску до 1,47 МПа (15 кгс/см2) і максимальній витраті 44,67 м3/с (150 тис.м3/год).

В установці повинен бути передбачений контроль тиску в лініях низького і високого тиску, на початку і в кінці прямолінійних ділянок тестуючого звужуючого пристрою, перепаду тиску на поршневому розділювачі, а також контроль температури на вході в вимірювальний трубопровід і  прямолінійний участок тестуючого пристрою.

Основні показники установки наведені у таблиці 5.1.

Умови експлуатації установки повинні відповідати даним приведеним у таблиці 5.2:

Таблиця 5.1 – Основні показники установки

Найменування показників

Допустиме значення

Метод вимірювання

Об'ємно-динамічний

Максимальне значення витрати, приведене до нормальних умов, м3

41,66

(150000 м3/год.)

Максимальний статичний тиск газу в установці, кгс/см2

15  (1,47 МПа)

Робоче середовище

Природний газ

Гранична погрішність установки в режимі вимірювання витрати газу

0,30

Режим роботи установки

Автоматичний і ручний

Напруга живлення

220 В, 3х360 В

Частота

50 Гц

Межі допустимих температур експлуатації установки

Від мінус 10 до плюс

30 0С

Теоретичні основи принципу дії установки

В основу роботи установки покладений об'ємно-динамічний метод точного відтворення і вимірювання витрати газу.

Об'ємно-динамічний метод точного відтворення і вимірювання витрати і кількості  газу був запропонований і вперше реалізований в дзвонових установках. Його суть заключається у виділенні із загального потоку газу, що протікає через ВТ до працюючого у режимі що встановився ВП (випробувального пристрою) фіксованого об'єму і реєстрації його показів «на ходу» , синхронно з початком входу і виходу з нього цього об'єму. Цей метод дозволив на базі існуючих дзвонових зразкових змінних ємностей (ЗПЄ) порівняно невеликого об'єму досягнути збільшення випробувальної витрати більше ніж в 10 раз.

Таблиця 5.2 – Умови експлуатації установки

Найменування показників

Допустиме значення

Наявність вібрації

Частота 25 Гц.

Амплітуда 1 мм,

(ГОСТ 12997-76)

Барометричний тиск, мм рт.ст.

600..800

(ГОСТ 15150-69.гр.Ц4.)

Відносна вологість повітря

Не обмежена

Температура повітря

-10… +30 0С

Час неперервної роботи установки, год.

8

Монтаж вимірювального трубопроводу, а також наземних трубопровідних комунікацій проводиться на бетонних опорах на висоті 700 мм над рівнем землі. Пускоприймальні прилади повинні бути виконані на нерухомих опорах і підключені до установки з допомогою фланців для забезпечення можливості їх розмонтажування і проведення ремонтних робіт.

Порівнюючи дзвонову ЗПЄ(зразкова перемінна ємність) з вимірювальним трубопроводом поршневої установки можна замітити, що за характером виконуваних функцій між ними простежується деяка аналогія, яка полягає в тому, що як перша, так і друга придатні для виділення і точного вимірювання контрольного об'єму газу. Дзвін ЗПЄ має циліндричну частину, яка по призначенню близька до ВТ. Виходячи із цього дзвін ЗПЄ можна представити як рухомий рідинний поршень, що переміщається по вертикалі ВТ. Як дзвін ЗПЄ, так і ВТ містять рухомі елементи – носій інформації про виміряний об’єм. В першому випадку це сам дзвін, а у другому – ПР.

Джерело – магістральний газопровід – витрата газу поступає в ВТ, переміщуючи ПР. Витіснений ПР об’єм газу усереднюється за певний інтервал часу  , рівний часу проходження ПР відстані між осями двох оптичних лазерних детекторів. Тому процес відтворення і вимірювання витрати газу в поршневій установці може бути описаний наступним виразом:

  (5.1)

де Qд і Vд - дійсні значення витрати і кількості газу, відтворювані і вимірювані установкою.

Процес вимірювання витрати випробовуваним пристроєм описується наступним виразом:

  (5.2)

де: Qu  і Vu  - витрата і об’єм газу, вимірювані випробовуваним пристроєм.

Оскільки лінія магістрального газопроводу є високостабільним джерелом витрати, а випадкові відхилення, які можуть виникнути контролюються флуктуометром, то вирази (3.1) і (3.2) можна записати у вигляді:

    (5.3)

    (5.4)

Відносна похибка ВП(вимірювального пристрою) визначається виразом:

 (5.5)

Принципова схема установки

Поршнева витратовимірювальна установка розробляється на базі джерела витрати газопроводу високого тиску.

Принципової схема установки зображена на рисунку 5.1. У вихідному положенні поршневий розділювач (ПР) виведений із вимірювального трубопроводу 5 і знаходиться у внутрішній ємності 6 лівого пускоприймаючого пристрою (ППП) 7. Після встановлення і герметичного приєднання з допомогою фланців 8 і 9 тестуючого пристрою 10 з  прямолінійними ділянками 11 і 12 відкриваються засувки 13, 14, 15, і  16 (засувки 17, 18, 19 і 20 при цьому залишаються закритими) і закривається байпасна засувка 21. Потік газу проходить послідовно із газопроводу високого тиску і через засувку 13, фільтр 22, засувку 14 і дроселюючу засувку 23 в  зовнішню ємність 24 лівого ППП 7, і потім через поздовжні прорізи 25 в вимірювальний трубопровід (ВТ) 5. При цьому газ обтікає  ПР 4, що знаходиться в ємності 6. В трубопровід низького тиску потік газу подається через поздовжні прорізи 26, проходить послідовно через  зовнішню ємність 27 правого ППП, дроселюючу засувку 28, засувку 15, тестуючий прилад 10, засувку 16 і регулятор тиску 3. З допомогою регулятора тиску 3 і засувки 13 встановлюється необхідне значення витрати і статичного тиску.

Коли в системі встановляться необхідний тиск і витрата відкривається засувка 20 і частина потоку газу починає поступати через трубопровід 29 у внутрішню ємкість 6 лівого ППП до ПР. Внаслідок того, що обтікаюча ПР частина потоку газу проходить через дроселюючу засувку 23, а підходяча до нього по трубопроводу 29 частина потоку не дросельована, то тиск в лівій частині внутрішньої ємності 6 ППП буде більше тиску в просторі між внутрішньою і зовнішньою ємностями. Під дією цієї різниці тисків ПР вводиться в ВТ 5. Проходячи мимо поздовжніх прорізів 25 ПР захоплюється основним потоком і проходить вздовж ВТ 5. Степінь дроселювання засувкою 23 вибирається так, щоб до моменту входу ПР в ВТ його швидкість була близькою до швидкості основного потоку.

У вимірювальному трубопроводі ПР проходить послідовно повз оптичного лазерного детектора 30. При цьому включається електронний хронометр, розташований на пульті управління 31 в приміщенні 32. Одночасно фіксується положення стрілки вторинного приладу 33 тестованого витратоміра. При проходженні ПР повз детектор 34 електронний хронометр виключається. За часом проходження ПР участку ВТ, між детекторами 30 і 34, а також по відомому об’єму цієї ділянки визначається значення витрати газу через установку і порівнюється з показниками тестуючого приладу 33.

Праве ППП 35 при цьому працює в режимі  вловлювання ПР. при проходженні ПР 4 поздовжніх прорізів 26 потік газу починає обтікати його, поступаючи через прорізи у зовнішню ємність 27 і далі по описаному вище шляху на вихід установки. Внаслідок інерційності ПР продовжує поступати у внутрішню ємність 36 ППП 35. При закритій засувці 37 ємність 36 являється пневматичним демпфером для ПР і зменшує його швидкість до нульового значення. Всі засувки при цьому закриваються і відкривається байпасна засувка 21.

Система трубопроводів і засувок дозволяє реверсувати напрям потоку газу в ВТ 5, завдяки чому вимірювальний цикл як при прямому ході ПР (зліва-направо) так і в зворотному ході є робочим.

При русі ПР справа-наліво установка працює аналогічно, тільки при цьому відкриваються засувки 17 і 18 (засувки 14 і 15 при цьому залишаються закритими), запуск ПР здійснюється із правого ППП 35 безпосередньо відкриттям


 

Рисунок 3.1 – Принципова схема поршневої витратовимірювальної установки


засувки 37, електронний хронометр включається при проходженні ПР мимо детектора 34, а в режимі вловлювання ПР працює лівий ППП 7.

Установка обладнана пристроєм для вимірювання і сигналізації непостійності витрати – флуктуометром. Він представляє собою два перетворювача витрати 38 і 39, що встановлені в трубопроводах обв'язки (перший для вимірювання флуктації при русі ПР зліва-направо, другий – при зворотному його русі), а також малоінерційного вторинного приладу, встановленого на пульті управління 31. Під час проведення градуювально – повірочного циклу можлива випадкова пульсація витрати, яка може привести до значної похибки відтворення і вимірювання витрати газу. флуктуометр призначений для вимірювання і  сигналізації  пульсації флуктуації витрати, що перевищує допустиму, щоб виключити такий вимірювальний цикл із загального градуювально-повірочного процесу.

В установці передбачений контроль тиску в лініях високого і низького тиску, на початку і вкінці прямолінійних ділянок тестуючого звужуючого пристрою, перепад тиску на поршневому розділювачі, а також контроль температури на вході в вимірювальний трубопровід і прямолінійні ділянці. Всі ці прилади виведені на пульт приладів контролю і регулювання 31. Біля пульта управління розміщаються дифманометр-витратомір, який градуюється чи повіряється 33, а також прилад для вимірювання флуктації витрати для вивчення впливу перехідних процесів під час повірочного циклу.

Метрологічні характеристики поршневих еталонних установок

Використовується для градуювання та повірки витратомірів та лічильників газу, для точного відтворення і вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу при низьких та високих тисках газу, а також для проведення випробувань витратомірів і лічильників газу різних типів.

Основні технічні характеристики:

- межі вимірювання витрати:

від 4 до 150000 м3/год.;

- робоче середовище: повітря, природний газ;

- значення контрольних об'ємів: від 0.3 до 9.0 м ;

- надлишковий тиск середовища в установці:

від 0.3 до 1500 кПа;

- межі основної похибки по об'єму: від 0.12 до 0.5 %

- межі основної похибки по витраті: від 0.3 до 0.6 %

Висока точність забезпечується високою точністю внутрішньої поверхні вимірювального трубопроводу, завдяки чому досягається рівномірний рух розділювача, та використанням безконтактних детекторів положення розділювача.

Весь процес повірки автоматизований, збір та обробка інформації проводиться за допомогою ЕОМ. Замість повітря в установках такого типу можуть використовуватися реальні гази. Відносна похибка відтровення обємних витрат даною установкою становить 0,1-0,2%. Головна перевага трубо-поршневих установок в мінімальній межі діапазону відтворених витрат, а також можливість повірки засобів вимірювальної техніки при високих тисках до 10 МПа. До переваг рідинних установок можна віднести відсутність поршневого розділювача, що механічно переміщується.

Недоліками таких установок є вузький діапазон витрат газу, а також незгладжувані пульсації тиску та його великі втрати на поршнях, що приводить до нерівномірності ходу, що відповідно впливає на стабільність відтворення витрати. Іншим недоліком таких установок є низька ефективність використання об'єму каліброваного резервуара, а також необхідність застосування спеціальних пристроїв для виключення розчинення газу в рідині.

Особливості установки:

  •  Робота за дискретно-динамічним методом.
  •  Підвищена точність.
  •  Широкий діапазон відтворюваних об'ємів та об'ємних витрат газу (1:500).
  •  Можливість оптимізації градуювально-повірочного циклу шляхом використання реверсивності установки.
  •  Можливість функціонування на природному газі

Контрольні питання

  1.  Поясніть на чому грунтується принцип дії поршневих установок.
  2.  Що забезпечує високу точність поршневих ЕУ?
  3.  Охарактеризуйте діапазон відтворюваних витрат поршевими ЕУ та їх точність.
  4.  Обгрунтуйте переваги поршневих ЕУ.
  5.  Яким чином досягають підвищення точності поршневих витратомірних установок?
  6.  Поясніть принципову схему поршневої ЕУ типу РПДУ-0,5.
  7.  


Тип установки

РПДУ-0.5

РПДУ-0.4

ПРУ-1

РПДУ-41пг

Границі вимірювання витрати, м3/с (м3/год)

0,001…0,5 (4…1800)

0,003…0,35 (10…1250)

0,001…0,33 (4…1200)

0,14…2,78(500…10000) (за робочих умов)

Повірочне середовище

Повітря

Повітря

Повітря

Природний газ

Контрольний об’єм,м3

- перший

- другий

0,3

2,5

0,29

2,47

0,3

1,3

8,99

-

Надлишковий тиск робочого середовища в установці, кПа

0,3…4,0

0,3…1,1

0,3…1,0

300…1500

Габаритні розміри, м

14,32,31,9

14,52,01,8

13,21,91,8

32х27х4,5

Границя допустимої похибки вимірювання об’єму, %

±0,12

±0,2

±0,24

±0,6 (в режимі вимірювання об’єму за нормальних умов)

Міце впровадження

ВО «Львівгаз»

(м. Львів)

ВО «Пермоблгаз» (м. Краснокамск)

Управління газового господарства (м. Дніпропетровськ)

Управління газового господарства (м. Дніпропетровськ)

Таблиця 5. 1 – Технічні і метрологічні характеристики поршневих еталонних установок


Лекція 6

Еталонні установки з ємністю під тиском (PVTt - типу)

Ці установки відносяться до порційно-статичних і їх принцип дії ґрунтується на витіканні газу із ємності через ДП. Опосередковане (шляхом вимірювання тиску і температури) контролювання витікання газу із ємності впродовж певного проміжку часу через випробувальну ділянку з ДП забезпечує формування контрольного об’єму газу, який можна використовувати як еталонний для визначення похибки лічильників і витратомірів газу. Такого типу установки вже набули застосування за кордоном.

Дослідженню цих установок останнім часом надається велика увага як за кордоном так і в Україні. Їх перевагою є можливість працювати на повітрі і реальному природному газі. Водночас особливості їх конструкції і перш за все відсутність механічних рухомих вузлів при функціонуванні установки дозволяють досягти найвищої точності – 0,02%. Так як на сьогоднішній день відсутній алгоритм метрологічного аналізу, то можливість досягнення такої точності є дещо сумнівною або під цим числовим значенням розуміють одну зі складових похибки, наприклад, повторюваність чи відтворюваність. Поряд з цим декларується розширена невизначеність цього типу установок в США у межах (0,02-0,05) % і 0,13%, а в Японії і Швейції 0,1% і 0,15% відповідно.

Відома інформація про два еталони PVTt – типу створені у Франції [113] в Національному метрологічному інституті BNM на витрати до 5000 м3/год при тисках до 5,5 МПа у м. Альфортвілле і на витрати до 5500 м3/год при тисках до 4,5 МПа у м. Пойтерс. Інформації щодо метрологічних характеристик не подається, однак вони застосовувалися для гармонізації з еталонами Німеччини та Нідерландів при створенні гармонізованого європейського кубічного метра природного газу. Ці еталони також застосовуються для градуювання критичних сопел установок вимірювання масової витрати газу.

Відомі перші вітчизняні напрацювання щодо розроблення цього типу установок, які створені у ВАТ «Івано-Франківськгаз» з діапазоном витрат (0.016-10) м3/год і похибкою до 0.5% для повірки побутових лічильників газу

Серед закордонних рішень відомий патент, який передбачає застосування ємності в режимі її наповнення, а не витікання газу з неї. Крім того, актуальною в цих установках є необхідність стабілізації теплообмінних процесів, що може здійснюватися із застосуванням додаткових факторів стабілізації і прискорення теплообмінних процесів, а також зменшення градієнта температури всередині ємності.

Тенденції розвитку цих установок  стосуються розроблення нових більш досконалих алгоритмів їх функціонування при визначенні витрати газу і реалізації нових принципів побудови з метою обмеження впливу порційно-статичного алгоритму їх функціонування Крім того, застосування природного газу як робочого середовища, потребує доопрацювання їх математичної і метрологічної моделей з метою більш точного опису газодинамічних процесів заповнення ємності і витікання газу з неї, а також необхідні алгоритми більш точного визначення фактора стисливості робочого середовища за його параметрів в ємності і перед ДП


Метрологічна модель повірочної установки pvtt-типу

З метою оцінки МХ РЕ, які реалізують даний спосіб, що є необхідною передумовою обґрунтування їх області застосування, проведено вивчення впливових факторів на точність їх функціонування і здійснена систематизація складових  допустимої похибки. Це дало можливість розробити метрологічну модель. Основними складовими, які формують основну допустиму похибку установки δ будуть:

– похибка визначення об’єму резервуара, яка складається з НСП Θr0 і СКВ  випадкової похибки δ r0;

– НСП визначення абсолютного тиску, абсолютної температури, коефіцієнта стисливості на початку витікання контрольного об’єму газу із резервуара відповідно;

– НСП визначення абсолютного тиску, абсолютної температури, коефіцієнта стисливості в кінці витікання контрольного об’єму газу із резервуара відповідно;

– НСП визначення абсолютного тиску, абсолютної температури, коефіцієнта стисливості на досліджуваному приладі під час протікання через нього контрольного об’єму газу відповідно;

– НСП від нестабільності тиску і температури перед досліджуваним приладом під час вимірювального циклу;

– НСП від наявності водяної пари у повітрі чи робочому газі установки;

– НСП системи збору і обробки вимірювальної інформації, яка складається із похибки ΘДІ дискретності відліку інформації з досліджуваних приладів і похибки ΘОІ ПЕОМ при реалізації обчислювального алгоритму.

В залежності від призначення установки і вибраного режиму роботи перераховані складові формують похибки δq, δ, δr, які визначають її метрологічні характеристики при вимірюванні миттєвої витрати, усередненої витрати і об’єму газу відповідно. При цьому похибка δq буде визначатися систематичною Θq і випадковою Sq складовими, які оцінюють нестабільність відтворювання миттєвих витрат. Похибка δ буде визначатися складовою δr і НСП Θτ відліку тривалості осереднення миттєвої витрати.

Кількісна оцінка похибок метрологічної моделі визначається окремо для кожного режиму роботи установки (відтворення миттєвої витрати, осередненої витрати чи об’єму газу) в залежності від фізичної природи похибок, особливостей їх виникнення при функціонуванні установки, а також за результатами метрологічних досліджень. Все це є підставою для вибору методики сумування складових похибки, тобто розрахунку і способу вираження допустимої похибки установки згідно нормативного документа.

Варто зауважити, що останнім часом все більш актуальним стає питання застосування теорії невизначеності для вирішення прикладних питань в науці, тому доцільною є розробка метрологічної моделі повірочної установки PVTt-типу з використанням теорії невизначеності. Метрологічна модель установки  PVTt-типу на базі теорії похибок приводилась вище. Однак вивчення питання метрологічного аналізу установок PVTt-типу потребує подальшого розвитку в зв’язку з достатньо високою точністю цих установок (похибка може бути меншою за 0,3%) та інтеграцією України в міжнародний метрологічний простір. Тому актуальним є розроблення ММ цих установок з використанням теорії невизначеності.

Розроблення здійснимо на базі запропонованої узагальненої ММ еталонів об’єму і об’ємної витрати газу і конкретизуємо стосовно алгоритму, який вибраний за основу для функціонування установки PVTt-типу. Із цього алгоритму слідує, що ММ на базі теорії невизначеності буде містити стандартні невизначеності типу А і В, які в своїй комбінації будуть формувати сумарну і розширену невизначеності установки.

Невизначеності типу А будуть визначатися параметрами, які підлягають експериментальному вивченню під час метрологічних досліджень. Це, зокрема, такі невизначеності: визначення об’єму ємності високого тиску; вимірювання тиску, температури; від нестабільності тиску і температури перед ДП; від градієнта температури в ємності. Для їх обчислення можна застосувати такі формули:

  (6.1)

   (6.2)

  (6.3)

де UA(V0), UA(Pj), UA(Tj) – стандартні невизначеності визначення об’єму ємності і вимірювання параметрів p, T  j-тих вимірювальних каналів;

– результати прямих і-тих вимірювань і середнього значення об’єму ємності при її калібруванні;

pij, Tij – результати і-тих вимірювань абсолютного тиску і абсолютної температури j-тих вимірювальних каналів відповідно.

– середнє значення вимірювань тиску і температури j-тих вимірювальних каналів за результатами n-вимірювань.        

Невизначеності типу В будуть формуватися стандартними невизначеностями використаних в установці і для її метрологічних досліджень ЗВТ, а також невизначеністю параметрів, які визначаються розрахунковим методом, зокрема, ФС робочого середовища. Крім того, перелік невизначеностей типу В будуть доповнювати невизначеності, які можуть вносити додаткову методичну похибку: від наявності водяної пари в робочому середовищі; від наявності осаду в ємності; від дискретності пристрою збору вимірювальної інформації з ДП.

Розширену невизначеність при функціонуванні РЕ в режимі відтворення об’єму Up(V) витрати Up(q)з врахуванням основних положень теорії невизначеності у вимірюваннях згідно чинного нормативного документа [19] можна обчислити за формулами:

   (6.4)

   (6.5)

де  – невизначеності типу В k-тих складових, які формують стандартну невизначеність ЕП;

– невизначеності типу А, зумовлені відтворюваністю результатів визначення градуювального коефіцієнта ЕП;

k0 – коефіцієнт охоплення, який формує числове значення розширеної невизначеності для відповідної довірчої ймовірності;

N – кількість k-тих складових невизначеності типу В.

За результатами проведеного чисельного імітаційного моделювання встановлено, що розширена невизначеність для цього типу установок при правильному виборі вимірювальних перетворювачів і еталонних засобів може знаходитися в межах ±(0.25…0.45) %, чим обґрунтовується можливість їх застосування як РЕ.

Наведена ММ дає можливість правильніше сформувати складові похибки установок PVTt-типу і з більшою точністю обчислити стандартну і розширену невзначеності цих установок, завдяки чому досягається розвиток теорії побудови ММ еталонних установок з використанням теорії невизначеності у вимірюваннях.  

Контрольні питання.

  1.  Які принципи лежать в основі роботи ЕУ з емністю під тиском?
  2.  Які приклади існуючих ЕУ з ємністю під тиском вам відомі?
  3.  Назвіть переваги та недоліки таких установок. Чим вони зумовлені?
  4.  Основні положення побудови ММ PVTt-типу із застосуванням теорії похибок.
  5.  В чому полягає особливість побудови ММ із застосуванням теорії невизначеності? 


Лекція
7

Еталонні установки З РОБОЧИМИ ЕТАЛОНАМИ та установки соплового типу

Еталонні установки соплового типу використовуються для градуювання та повірки витратомірів та лічильників газу, для точного відтворення і вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу, а також для проведения випробувань витратомірів і лічильників газу різних типів.

Основні технічні характеристики:

  •  межі вимірювання витрати: від 0.025 до 1000 м3/год.;
  •  робоче середовище: повітря, газ;
  •  значення контрольних об'ємів: від 0.02 до 14 м3;
  •  межі основної похибки по об'єму: від 0.25 до 0.5%
  •  межі основної похибки по витраті: від 0.15 до 0.5%

  1.  - пристрій, що атестується; 2 - сопло; 3 - джерело витрати; 4 - дросель.

Принцип дії соплових еталонних установок полягає у створенні за допомогою сопла 2, через яке протікає потік газу (повітря), що задається генератором витрати 3, надкритичного перепаду тиску. В такому випадку швидкість потоку в найвужчому місці сопла встановлюється рівною до швидкості звуку, що забезпечує надзвичайно високу стабільність витрати. Характерною особливістю установок із застосуванням сопел є відтворення об'ємної витрати протягом довгого періоду часу. Сопла також можна використовувати і для вимірювань масової витрати газу.

Контрольний об'єм газу обчислюється як добуток поточної витрати газу, що протікає через сопло на час вимірювань. За різницею показів відлікового пристрою приладу 1 та відомим значенням контрольного об'єму, що пройшов через прилад, визначають похибку приладу.

Для отримання різних величин витрат при повірці використовують відповідну кількість різних сопел. Ця кількість може бути значно зменшена, якщо встановлювати паралельно два або більше сопел. Якщо, крім того, між відліковим пристроєм і соплом передбачена можливість дроселювання, можна при відносно невеликій кількості сопел одержувати необхідну величину витрати в майже безперервному інтервалі.

Ще одну можливість застосування сопел передбачає поодинока або паралельна їх експлуатація з паралельно підключеним зразковим лічильником газу. Основний потік грубо настроюється у відповідності з параметрами сопел, а його друга частина проходить через підібраний у відповідності з діапазоном зразковий лічильник. При цілеспрямованому підборі зразкового лічильника і сопел можна отримати будь-яке значення витрати в широкому діапазоні витрат.

В цих типах установок засіб вимірювань часу виступає як зразковий, тому що час проходження об'єму суттєво впливає на похибку установки. Соплові установки бажано застосовувати при повірці, яка проходить в режимі витягу повітря вентилятором, оскільки проти течії повітря, яке переміщується з швидкістю звуку, тобто через сопло, не можуть поширюватись ніякі збурення, і робота вентилятора не може вплинути на результати вимірювань.

Недоліками таких установок є вузький діапазон витрат газу, для кожної витрати окреме сопло, крім того, основними джерелами похибок соплових установок є значний градієнт тиску, а також масообмінні процеси в застійних зонах між соплом і трубопроводом та невстановленими течіями повітря в цих зонах, що викликають пульсації вимірюваного сигналу. Величина похибки залежить також від точності вимірювань температури і тиску на вході в сопло, а також часу.

Особливості установок:

  1.  Підвищена точність.
  2.  Звужений діапазон відтворюваних об'ємних витрат газу.
  3.  Можливість функціонування на природному газі.

ЕТАЛОННІ УСТАНОВКИ З РОБОЧИМИ ЕТАЛОНАМИ

Використовуються для градуювання та повірки витратомірів та лічильників газу, для точного відтворення і вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу.

Основні технічні характеристики:

  •  межі вимірювання витрати: від 0.02 до 2500 м3/год.;
  •  робоче середовище: повітря;
  •  значення контрольних об'ємів: від 0.02 до 14 м ;
  •  надлишковий тиск середовища в установці: від 0.1 до 5 кПа;
  •  межі основної похибки по об'єму: від 0.25 до 0.5 %
  •  межі основної похибки по витраті: від 0.15 до 0.5 %

1, 2, 3 — пристрій, що повіряється; 4 — зразковий пристрій; 5 — регулювальний клапан; 6 — джерело витрати; 7 — дросель.

Принцип дії еталонних установок з обертовими взірцевими пристроями полягає у виділенні із потоку газу (повітря), що задається ротаційним генератором витрати 6, за допомогою зразкового пристрою 4, контрольного об'єму газу. При передачі одиниці об'єму та об'ємної витрати здійснюється збір інформації з приладів 1,2,3, що випробовуються, та зразкового пристрою 4, а також значення температур та тисків робочого середовища на кожному з досліджуваних

пристроїв. При цьому вимірюваний контрольний обТєм газу визначається як об'єм, що пройшов через взірцевий пристрій. За різницею показів відлікових пристроїв 1-3 та 4 з врахуванням відповідних поправок щодо температури та тиску визначають похибки пристроїв, які повіряються.

Застосовуються два типи повірочних установок з використанням зразкових лічильників газу:

  •  установки, в яких зразковий пристрій знаходиться після пристроїв, що випробовуються чи повіряються;
  •  установки, в яких зразковий пристрій знаходиться перед пристроями, що випробовуються чи повіряються.

До зразкових пристроїв належать особливим способом відібрані роторні та барабанні лічильники газу, що випускаються як робочі засоби вимірювань, але спеціально підготовані та атестовані до використання як зразкові.

Для покращання умов та впровадження автоматизації процесу повірки вони забезпечуються спеціальними відліковими пристроями і (або) перетворювачами об'ємів, що протікають через них, в електричні імпульсні сигнали. Діапазон вимірювань таких лічильників залежить від характеру зміни кривої похибок від витрати. Похибка вимірювань зразкових лічильників в більшості випадків не перевищують ±0,5%.

Похибка, як правило, зумовлена перетоками в щілинах між роторами та між роторами і корпусом. Значною мірою на похибку вимірювань роторних лічильників газу має вплив тертя в синхронізуючих шестернях та в підшипниках. Це особливо позначається на мінімальних витратах. Зі збільшенням витрат крива залежності похибки роторних лічильників від витрати зростає до витрат (0,2-0,5)0тах і стабілізується в діапазоні витрат від 0,50тах до 0тах- Зміна кривої похибок пояснюється тим, що, з одного боку, перетоки повітря в щілинах непостійні і зростають внаслідок збільшення різниці тиску в них при зростанні витрат, а з другого, потік в щілинах при збільшенні швидкості обертання роторів все більше залежить від відносної швидкості обертання їх відносно корпусу. За рахунок цього частина вимірюваного повітря повертається на вхід лічильника і вимірюється повторно. Величина витрат в щілинах та кількість повітря, що повертається на вхід лічильника, значною мірою залежить від величини щілини, густини вимірюваного середовища та характеру потоку в щілині (ламінарний чи турбулентний).

Недоліком таких установок є невисока точність відтворення об'єму та об'ємних витрат.

Особливості установок:

  1.  Широкий діапазон відтворюваних об'ємів та об'ємних витрат газу.
  2.  Можливість оптимізації градуювально-повірочного циклу.


Контрольні питання.

  1.  В чому полягає призначення та основні технічні характеристики установок соплового типу?
    1.  Поясніть принцип дії установок соплового типу.
      1.  Переваги, недоліки та особливості установок соплового типу.
      2.  Особливості використання та основні технічні характеристики установок з робочими еталонами.
      3.  Поясніть принцип дії та особливості роботи установок з робочими еталонами.
      4.  Які типи повір очних установок з використанням зразкових лічильників газу знайшли практичне застосування? Поясніть спільні та відмінні особливості.
      5.  Переваги, недоліки та особливості установок з робочими еталонами


Лекція 8

НАДІЙНІСТЬ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ВИТРАТОВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

В останні роки у зв'язку з інтенсивним впровадженням витратовимірювальної техніки (ВВТ), яка базується на нових принципах і методах вимірювання параметрів потоку газу, особливо гостро постало питання про її надійність. Як обов'язковий елемент до складу ВВТ включені також відповідні пристрої збору, передачі, обробки та представлення інформації, робота яких суттєво впливає на цей показник.

Теорія надійності вивчає загальні закономірності, які забезпечують максимальну ефективність використання ВВТ. За її допомогою встановлюються закономірності виникнення відмов, вишукуються способи підвищення надійності і визначаються оптимальні форми випробувань та прогнозування надійності. В теорії надійності розглядаються також кількісні характеристики (критерії) надійності і зв'язки між ними та економічною ефективністю. Для вирішення задач з надійності широко використовуються математичні методи теорії ймовірності, математичної статистики, теорії інформації, програмування та методи статистичного моделювання на ЕОМ.

Надійність стає одним з важливих критеріїв порівняльної оцінки різної ВВТ.

Елементи теорії надійності

Надійність — властивість ВВТ виконувати задані функції, зберігаючи при цьому експлуатаційні показники в заданих межах на протязі потрібного проміжку часу або необхідного напрацювання.

Напрацюванням називають тривалість або об'єм роботи ВВТ, який вимірюється в годинах, циклах, кубометрах або в інших одиницях.

Роботоздатністю називають стан ВВТ, при якому вона здатна виконувати задані функції з параметрами, встановленими вимогами стандартів, технічних умов та іншої нормативно-технічної документації. За кількісною ознакою роботоздатність ВВТ — це ймовірність того, що ВВТ буде перебувати в робочому стані визначений період часу.

Відмовою називають подію, яка полягає в порушенні роботоздатності.

Розрізняють відновлювану і невідновлювану ВВТ. Роботоздатність останньої при відмові не піддається або не підлягає відновленню. Прикладом невідновлюваного засобу ВВТ може слугувати трубка Піто, скляний ротаметр.

Існує багато показників надійності. Для ВВТ мірою надійності найчастіше служить середній час безвідмовної роботи Т, ймовірність безвідмовної роботи Р(t), параметр (інтенсивність) потоку відмов λ, напрацювання на відмову t і термін служби Тсл.

Середній час безвідмовної роботи відповідає математичному очікуванню часу безвідмовної роботи і на практиці визначається як

    (8.1)

де: N — число одиниць ВВТ, за якими встановлено спостереження;

N в — число одиниць ВВТ, які дали відмову протягом часу t.

Ймовірністю безвідмовної роботи називають ймовірність того, що в заданому інтервалі часу t (або в межах заданого напрацювання) не виникає відмова ВВТ.

Ймовірність безвідмовної роботи ВВТ оцінюється як:

P(t)=P(Tt),

де Т час від початку роботи до відмови;

tчас, для якого визначається ймовірність безвідмовної роботи.

Величина Т може бути більша, менша або рівна t. Як наслідок, 0≤Р(t)≤1.

Під параметром потоку відмов розуміють середню кількість відмов відновлюваної ВВТ за одиницю часу для моменту часу, що розглядається. Верхнє значення параметра (інтенсивності) потоку відмов (для невідновлюваної ВВТ) λмакс = 1/Т або, враховуючи (8.1),

 (8.2)

Таблиця 8.1 - Показники інтенсивності відмов

В таблиці 8.1 наведені типові значення інтенсивності відмов деяких компонентів електричних блоків та вузлів ВВТ.

Коли говориться, що інтенсивність відмов рівна 1/100000 за годину, то це не означає, що якщо спостерігати за 100000 елементів протягом години, один з них обов'язково відмовить. Інтенсивність відмов — це середнє значення, отримане при тестуванні великої кількості відмов. Таким чином, через обмеженість вибірки отриманої при тестуванні серії елементів інтенсивність відмов — це тільки оцінка ймовірного значення інтенсивності відмов. Для отримання прогнозованої інтенсивності відмов оцінювальне значення інтенсивності відмов, як правило, домножують на деякий коефіцієнт. Величина цього коефіцієнта залежить від потрібного довірчого рівня. Наприклад, якщо говорять, що довірчий рівень рівний 60%, це означає, що, в крайньому випадку, в 60% розглядуваних випадків фактична інтенсивність відмов не буде перевищувати прогнозовану інтенсивність відмов.

На рис. 8.1 схематично зображено, як змінюється інтенсивність відмов для ВВТ або її елемента з плином часу. Тут можна виділити три характерні зони:

  •  період ранніх відмов через дефекти матеріалу і заводського браку;
  •  період нормальної роботоздатності, коли інтенсивність відмов практично постійна, і відмови є чисто випадковою подією;
  1.  період відмов через процес старіння, коли інтенсивність відмов зростає через зношування компонентів.

Досить часто при оцінці надійності ВВТ користуються таким одиничним показником, як довговічність, яка характеризує здатність ВВТ зберігати роботоздатність до настання граничного стану (третя зона інтенсивності відмов на рис. 8.1). Вона визначається за напрацюванням технічним ресурсом або за календарним часом терміном служби Тсл.

Для того щоб, знаючи середній час безвідмовної роботи Т, встановити ймовірність безвідмовної роботи Р(t) за певний довільно заданий час t, необхідно прийняти певний закон розподілу часу безвідмовної роботи. Як правило, приймають або нормальний (лінійний) (крива 1), або експоненціальний (крива 2) закон розподілу (рис. 8.2).

Середній час безвідмовної роботи за нормального закону розподілу буде відповідати ймовірності безвідмовної роботи Р(t)=0,5. При часі ймовірність Р(t)=0. Для будь-якого часу t в інтервалі від 0 до 2T ймовірність:

При експоненціальному законі розподілу для часу t ймовірність:

У цьому випадку середньому часові Т відповідає ймовірність Р(t)=0,368. При t=0,2Т ймовірність безвідмовної роботи Р(t)=0,819. Ймовірність Р(t)=0 відповідає часу t=оо.

Для ВВТ ймовірність безвідмовної роботи вважають, як правило, близькою до експоненціального закону розподілу.

До сукупності властивостей ВВТ, які характеризують надійність, включається також поняття ремонтопридатності ВВТ, тобто пристосованості до відновлення її справності шляхом попередження, виявлення та усунення несправностей і відмов. Поняття "ремонтопридатність" належить до операцій обслуговування, а не до проведення ремонту і характеризується затратами праці, засобів і часу на вказані роботи з відновлення справності.

Надійність ВВТ може бути суттєво збільшена за рахунок застосування різноманітних варіантів резервування. Надійність ВВТ не можна розглядати окремо від економічних показників. Очевидно, що підвищення надійності може виявитися недоцільним, якщо воно буде пов'язане з надмірно великими додатковими витратами.

Надійність ВВТ часто вступає в протиріччя з вимогами точності вимірювання. Зазвичай менш точна, проста за конструкцією ВВТ виявляється більш надійною, ніж досконаліша.

Оцінка показників надійності витратовимірювальної техніки

Як правило, надійність оцінюється експериментально в процесі таких видів випробувань, як спеціальні випробування на надійність, державні випробування, якими завершується цикл проектування та розробки ВВТ, і періодичними випробуваннями при її серійному виробництві. Таким чином, надійність систематично контролюється впродовж усього циклу постановки ВВТ на виробництво, в тому числі і на ранніх стадіях — підготовці технічного завдання і технічної пропозиції. При організації розробки обов'язково формується програма забезпечення надійності, яка передбачає безперервний контроль за станом розроблюваної техніки, встановлює форми контролю, періодичність аналізу надійності, види її розрахунків, випробувань, форми збору інформації в процесі дослідної експлуатації ВВТ тощо.

Експериментальна оцінка надійності ВВТ загалом є досить тривалою в часі та з використанням значних матеріальних ресурсів. Складність отримання адекватної оцінки надійності ВВТ полягає в тому, що ця властивість здебільшого стосується майбутнього її існування, коли умови експлуатації досить різнофакторні і малопередбачувані. Іншими словами, характеристики надійності кожної конкретної одиниці ВВТ носять прогнозований характер, тому при оцінці показників надійності в сукупності з розрахунковими методами досить широко застосовується експериментальна поелементна оцінка. Методика проведення таких випробувань залежить від конкретної схеми ВВТ, її конструктивних особливостей, умов і специфіки експлуатації.

Вимоги до показників надійності ВВТ формуються в технічному завданні і, як правило, найчастіше регламентується ймовірність безвідмовної роботи Р(t) з заданою довірчою ймовірністю протягом встановленого інтервалу часу напрацювання на відмову 1. Необхідною апріорною інформацією є схема ВВТ, особливо принципові схеми електронних блоків, механічні вузли та деталі, їх з'єднання тощо, а також специфікація стандартних елементів. Для стандартних елементів повинні приводитись їхні індивідуальні показники надійності у вигляді ймовірності безвідмовної роботи. Бажано також мати дані про закон розподілу напрацювання на відмову окремих вузлів та блоків, а також ВВТ загалом за результатами випробувань аналогів. Таким чином, модель формування показників надійності ВВТ повинна включати такі процедури:

  1.  встановлення структурної блок-схеми ВВТ;
  2.  розподіл вимог до надійності між блоками ВВТ;
  3.  проведення теоретичних розрахунків надійності окремих блоків і ВВТ загалом;
  4.  прийняття гіпотези про закони розподілу напрацювання на відмову для окремих блоків;
  5.  визначення характеру і рівняння зв'язку між показниками надійності окремих блоків ВВТ;

Як правило, відмови для ВВТ класифікуються за їх фізичною суттю і виділяють:

  1.  механічну відмову, зумовлену порушенням роботоздатності механічних елементів ВВТ;
  2.  електричну відмову, що проявляється в порушенні роботоздатності електричних ланок, елементів електричних блоків і ліній зв'язку;
  3.  метрологічну відмову, зумовлену виходом якої-небудь метрологічної характеристики за межі встановленого допуску.

Механічна відмова зовнішньо проявляється в порушенні герметичності або міцності чутливих елементів, або перетворювачів, в заклинюванні рухомих елементів (наприклад, турбінки в турбінних лічильниках, роторів в об'ємних лічильниках) тощо. Причиною механічної відмови може бути вплив параметрів стану газу (температури, тиску), наявність механічних та агресивних домішок, механічні впливові фактори, такі як гідравлічні та механічні удари, механічні вібрації, лінійні прискорення тощо.

Найбільш ймовірні причини електричних відмов — механічні впливові фактори на електричні блоки і лінії зв'язку, температурні, теплові і кліматичні дії (вологість, хімічний склад навколишнього середовища тощо).

Метрологічна відмова є скритою відмовою, яка не може бути виявлена при експлуатації ВВТ. Вона виявляється під час проведення випробувань, наприклад, перевірці чи метрологічній атестації ВВТ. Причинами метрологічної відмови, як правило, є тимчасові зміни властивостей ВВТ і умов експлуатації, що вплинули на похибку, варіацію, нестабільність нуля ВВТ тощо.

Майже вся ВВТ вкладається в схему з послідовними (в розумінні надійності) з'єднанням конструктивних блоків, яка характеризується тим, що відмова одного із блоків призводить до відмови всієї системи. Таким чином, ВВТ з точки зору надійності можна розглядати, як систему з послідовним з'єднанням трьох умовних блоків: механічного, електричного і метрологічного.

Кожний блок має свою власну надійність, незалежну від надійності інших блоків. Тому надійність всієї системи, яка складається з трьох блоків, визначається як добуток надійностей, оскільки ймовірність того, що всі три події настануть одночасно, рівна добутку ймовірностей окремих подій

Тому загалом ймовірність безвідмовної роботи Р(t) ВВТ оцінюється як:

   (8.5)

де множники правої частини рівняння — відповідно ймовірності безвідмовної роботи механічного, електричного і метрологічного блоків.

Представлення моделі у формі (8.5) доцільне з точки зору визначення процедури випробувань, які за аналогією можуть бути умовно поділені на механічні, електричні і метрологічні. Кожне з цих випробувань характеризується об'єктом, умовами, інтенсивністю і характером зовнішніх впливів. Розподіл вимог до надійності між блоками вимагає попереднього розрахунку параметрів надійності механічного і електричного блоків. Для складних електричних блоків, які мають велику кількість електро- і радіоелементів та з'єднань (паяння, штекери, роз'єднувачі тощо), приймають модель пуассонівського процесу з постійною інтенсивністю відмов λ.

 (8.6)

де t —час напрацювання на відмову.

Тоді імовірність безвідмовної роботи, виражена через інтенсивність відмов, має такий вигляд:

  (8.7)

Величину λ підраховують за табульованими значеннями λj j=1..m елементів, що входять до складу блоку. При послідовному з'єднанні елементів

Для механічного блоку модель (8.6) не досить обгрунтована через відносно мале число елементів, які є потенційним джерелом відмови. Тут перевагу надають розрахунку Р(t) за ймовірністю безвідмовної роботи елементів, які повинні бути наперед визначені на основі результатів спеціальних випробувань. Тоді залежно від структури моделі блоку (послідовне або змішане з'єднання елементів) значення Р(t)мaх оцінюєтья як

(при послідовному з'єднанні елементів і припущенні, що відмови незалежні одна від одної)

(при змішаному з'єднанні елементів),

де: Р — ймовірність,

Е1..., Еп — подія, яка полягає в тому, що даний блок працює безвідмовно.

Оцінка імовірності безвідмовної роботи Р(t)мaх метрологічного блоку розраховується на основі міжповірочного інтервалу. При цьому передбачається нормальний розподіл часу напрацювання на відмову, еквівалентом якого є міжповірочний інтервал на номінальному режимі роботи. Ймовірність безвідмовної роботи оцінюється як:

де: Ф(t)— функція нормального розподілу;

нормована функція Лапласа;

  квантиль нормального розподілу;

М — математичне сподівання, в якості якого приймається міжповірочний інтервал;

δ — середнє квадратичне відхилення міжповірочного інтервалу, оцінка якого вираховується експериментальним шляхом.

Міжповірочний інтервал визначається на ранніх стадіях проектування в процесі випробувань на надійність, які у зв'язку з їх трудоємністю і довготривалістю доцільно формуати в окремий вид випробувань. Вони можуть бути проведені в процесі міжвідомчих і державних випробувань, а також при періодичних випробуваннях, якщо виникає пересторога, що зміна технологічного процесу виготовлення ВВТ вплинула на її довговічність.

Оскільки випробування на надійність ВВТ відіграють головну роль в оцінці міжповірочного інтервалу і мають дослідний характер, то допускається проведення прискорених випробувань в більш жорсткому режимі, ніж звичайних.

Для визначення міжповірочного інтервалу на основі статистичних даних за результатами повірки ВВТ в експлуатації використовують два методи розрахунку: за показником інтенсивності відмов X або за показником часу напрацювання на відмову.

В першому випадку

де Р(t)доп допустима ймовірність безвідмовної роботи, яку для ВВТ рекомендується приймати від 0,95 до 0,99.

У другому випадку за наявності даних про значення показника часу напрацювання на відмову t розрахунок міжповірочного інтервалу проводять за формулою

На практиці для визначення міжповірочних інтервалів ВВТ збираються та обробляються статистичні дані щодо основних показників надійності в конкретних умовах експлуатації однорідних груп ВВТ (наприклад, коректори або лічильники турбінні) впродовж міжповірочного інтервалу, що був визначений апріорі. Однорідні групи ВВТ формують із не менш як 30 штук на основі спільності таких факторів: типу, призначення, заводу-виробника, року випуску, класу точності, умов експлуатації (температура, вологість, наявність механічних домішок в газі, вібрація тощо), інтенсивності експлуатації, допустимої ймовірності безвідмовної роботи Р(t)доп тощо. На основі статистичних даних проводиться оцінка показників надійності за таким алгоритмом.

Значення ймовірності безвідмовної роботи визначають за формулою

де: N — число одиниць однорідної групи ВВТ, за якими встановлено спостереження;

Nв — число одиниць ВВТ, які дали відмову на протязі міжповірочного інтервалу М;

Nп — число роботоздатних одиниць ВВТ до кінця міжповірочного інтервалуМ.

Оскільки безвідмовна робота і відмова — взаємно протилежні події, то оцінку ймовірності відмови Q(t) визначають за формулою:

Інтенсивність відмов визначають за формулою:

Час напрацювання на відмову t визначають за формулою

де ti — напрацювання на відмову і-ї ВВТ з числа N. за якими встановлено спостереження.

Напрацювання на відмову кожної ВВТ ti визначають із відношення сумарного часу напрацювання ВВТ до кількості скритих відмов, тобто:

де: τ — напрацювання, тобто час справної роботи між (і—1) та і-ю відмовами (приймають, що скрита відмова відбулась в середині міжповірочного інтервалу);

N"в — кількість скритих відмов для даної ВВТ. На основі знайденого на практиці статистичного значення ймовірності безвідмовної роботи Р(t) можна провести з довірчою ймовірністю 0,80 оцінку раніше визначеного міжповірочного інтервалу М

При виконанні цього співвідношення міжповірочний інтервал М залишають до чергової повірки незмінним. Якщо співвідношення не виконується, то черговий міжповірочний інтервал Мl коригують у відповідності з рівнянням

де С — коефіцієнт коригування, який визначається за формулою

де— допустима ймовірність відмови.

Так, наприклад, при відношенні (тобто при і за умови допустимої ймовірності безвідмовної роботи коефіцієнт коригування С=0,485. Якщо апріорно міжповірочний інтервал був призначений 2 роки, то відкоригований міжповірочний інтервал становитиме 1 рік.

Контрольні питання

  1.  Основні показники надійності ВВТ.
  2.  Поняття інтенсивності відмов ВВТ та їх класифікація.
  3.  Як здійснюється оцінка показників надійності ВВТ загалом?
  4.   Поясніть основні етапи моделі формування показників надійності ВВТ.
  5.   В чому полягає суть розрахунку міжповірочного інтервалу з точки зору теорії надійності?


Перелік використаної літератури

1. Закон України «Про метрологію та метрологічну діяльність» від 11.02.1988 № 113(98-ВР (у редакції Закону України від 15.06.2004 № 1765-IV).

2. ДСТУ 3383: 2007. Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювання обєму та обємної витрати газу. – На заміну ДСТУ 3383-96; Чинний з 01.07.07. – К.: Держспоживстандарт України, 2007. -9 с.

3. ДСТУ 3383-96. Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювань обєму та обємної витрати газу.

4. Метрологічне забезпечення вимірювань і контролю: Навчальний посібник / Є.Т.Володарський, В.В.Кухарчук, В.В.Поджаренко, Г.Б.Сердюк. – Вінниця: Велес, 2001. – 280 с.

5. Гордюхин А.И. Измерение расхода и количества газа и его учет / А.И. Гордюхин, Ю.А.  Гордюхин Л.:Недра, 1987  213 с.

6. Бирюков Б.В. Испытательные расходомерные установки / Б.В. Бирюков, М.А. Данилов, С.С.  Кивилис  М.: Энергия, 1976. 144с.

7. Цейтлин В.Г. Расходоизмерительная техника / Цейтлин В.Г.  М.: Изд.стандартов, 1977.  240с.

8. Вимірювання витрати та кількості газу: Довідник / М.П.Андріїшин, С.О.Канєвський, О.М.Карпаш, Я.С.Марчук, І.С.Петришин, А.А.Руднік, О.Є.Середюк, С.А.Чеховський  – Івано-Франківськ: ПП «Сімик». – 2004.– 160с.

9. Захаров И.П. Теория неопределенности в измерениях: Учебное пособие / И.П. Захаров, В.Д. Кукуш  – Харьков: Консум, 2002. – 256 с.

100


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22298. Организация санитарно-противоэпидемических мероприятий в чрезвычайных ситуациях 181 KB
  Ознакомить студентов с организационной структурой и задачами санитарно-эпидемиологической службы, основами организации и порядком проведения противоэпидемических мероприятий в чрезвычайных ситуациях мирного и военного времени
22299. ОРГАНИЗАЦИЯ ОКАЗАНИЯ КВАЛИФИЦИРОВАННОЙ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ПОМОЩИ НАСЕЛЕНИЮ В ВОЕННОЕ ВРЕМЯ 160.5 KB
  Изучить организацию лечебно-эвакуационного обеспечения населения в очагах массовых санитарных потерь при применении противником ОМП. Рассмотреть организацию оказания квалифицированной и специализированной медицинской помощи пострадавшим. Изучить организацию работы второго этапа медицинской эвакуации
22300. Медицинское снабжение формирований и учреждений, предназначенных для медико-санитарного обеспечения населения в ЧС 240 KB
  Изучить организацию медицинского снабжения формирований и учреждений СМК, ГОЗ в мирное время и в режиме работы в ЧС. Рассмотреть вопросы классификации медицинского имущества, его нормирования и защиты от воздействия поражающих факторов ЧС.
22301. Работа с элементами списка 1.26 MB
  Затем новый элемент списка заполняется информацией: NOV^ := DAT;. Для поиска места подключения нового элемента надо просмотреть все элементы списка от его начала до элемента имеющего NZ = KEY или до конца списка. Продвижение вдоль списка от его начала к его концу осуществляется с помощью двух указателей: CUR и PR.
22302. ОРГАНИЗАЦИЯ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ И ПРОТИВОЭПИДЕМИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ СРЕДИ НАСЕЛЕНИЯ В ВОЕННОЕ ВРЕМЯ 238 KB
  Изучить организацию проведения санитарно-гигиенических и противоэпидемических мероприятий в очагах боевых действий и ЧС мирного времени, методику оценки санитарно-эпидемиологического состояния территории. Методику расчета возможных санитарных потерь. Изучить организацию проведения санитарной экспертизы продовольствия и воды.
22303. Медицинская служба Вооруженных Сил Российской Федерации в чрезвычайных ситуациях мирного времени 196 KB
  Ознакомить с задачами военной медицины в Единой государственной системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций в мирное время. Изучить задачи, предназначение, организационную структуру и порядок использования медицинских формирований Министерства обороны РФ при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций мирного времени.
22305. Данные и основные операторы 725.5 KB
  Хороший выбор структур данных позволяет разрабатывать на языке Паскаль простые и эффективные алгоритмы. Достоинства Паскаля: он ориентирован на структурное программирование имеет развитые средства контроля и достаточно прост в изучении; язык имеет хороший состав типов и структур данных; трансляторы с Паскаля есть во всех распространенных ПК; конкретные реализации языка дают возможность использовать все аппаратные средства ПК; на основе языка Паскаль разработана Delphi одна из современных систем визуального программирования....
22306. Организация лечебно-эвакуационного обеспечения населения при ЧС 269.5 KB
  Опыт ликвидации медико-санитарных последствий ЧС позволяет выделить общие факторы обстановки, которые, как правило, имеют место при всех ЧС, сопровождающихся значительными потерями населения, и влияют на организацию лечебно-эвакуационного обеспечения. К ним можно отнести следующие...