Geum.ru

Содержание общие вопросы метрологического обеспечения измерительных систем 9 Брюханов В. А. 9

Вид материалаДоклад

Содержание


Оценка нелинейностиградуировочных характеристик расходомеров
Вельт И.Д.
Подобный материал:
1   ...   17   18   19   20   21   22   23   24   ...   34

Оценка нелинейности
градуировочных характеристик расходомеров


При эксплуатации теплосчётчиков в узлах учёта тепловой энергии неизбежно возникает вопрос о фактическом метрологическом состоянии каналов измерений расхода и массы теплоносителя, функционирующих в составе того или иного теплосчётчика. Однозначный ответ на этот вопрос можно получить, предъявив теплосчётчик на внеочередную поверку – например, по окончанию отопительного сезона. Однако проводить внеочередные поверки (например, ежегодно) у нас сегодня не принято, поэтому вопрос о метрологическом состоянии приборов учёта при нынешних многолетних МПИ остаётся, как правило, открытым, и только в отдельных случаях, когда результаты измерений свидетельствуют о явной неисправности, прибор может быть демонтирован и отправлен на “досрочную” поверку.

Вместе с тем существует эффективный и малозатратный способ аналитической оценки качества измерений, выполняемых расходомером (счётчиком) воды, устанавливаемым в открытых системах теплопотребления в тупиковых трубопроводах горячего водоснабжения (ГВС). Для того, чтобы выполнить такую оценку, необходимо организовать измерения с применением трёхканального теплосчётчика по схеме измерений, приведенной на рис. 1.



Рис. 1. Схема измерений с применением трёхканального теплосчётчика
в открытой системе теплопотребления

В соответствии с этой схемой в узле учёта должны быть организованы измерения часовых масс теплоносителя в подающем трубопроводе (М1), в обратном трубопроводе (М2) и в трубопроводе ГВС (Мгвс). Исходными данными для проведения анализа качества измерений, выполняемых расходомером Мгвс, служат часовые архивы измеренных масс М1, М2 и Мгвс.

Покажем на примере конкретного узла учёта, оснащённого трёхканальным теплосчётчиком, последовательность действий по оценке фактического состояния расходомера Мгвс.

На рис. 2 приведены графики изменений во времени часовых масс М1, М2, их разности dM = М1 – М2, а также часовых масс Мгвс, измеренных за 710 часов непрерывной работы узла учёта, установленного в детском дошкольном учреждении.



Рис. 2. Изменение во времени часовых масс М1, М2,
их разности dM и часовых масс Мгвс

Из рис. 2 следует, что на данном объекте подача воды в систему ГВС осуществляется только из подающего трубопровода, в связи с чем увеличение разности масс dM и массы Мгвс происходит только за счёт приращений массы М1. Это важное обстоятельство и позволяет рассчитать нелинейность градуировочной характеристики (ГХ) расходомера Мгвс по отношению к ГХ расходомера М1 в начальной части диапазона измерений расходомера Мгвс. Иными словами, такой метод сравнения разности масс dM = М1 – М2 и Мгвс позволяет определить искривление ГХ расходомера Мгвс при измерении пониженных расходов, оценить возникающие при этом погрешности измерения массы Мгвс, сравнить полученный результат с установленными допусками и принять решение о необходимости внеочередной поверки расходомера Мгвс.

Для решения поставленной задачи вначале построим точечную диаграмму, связывающую попарные значения Мгвс и dM, предварительно исключив из рассмотрения все часовые интервалы, на которых выполнялось условие Мгвс<10 кг за час. Эта диаграмма приведена на рис. 3.



Рис. 3. Статистическая взаимосвязь
часовых масс Мгвс и разности масс dM = М1 – М2

Очевидно, что при идеальной точности измерений часовых масс М1, М2 и Мгвс, а также при отсутствии утечки (подпитки) за узлом учёта, должно выполняться технологическое условие Мгвс=1,000·dM+0,000, т.е. масса, измеренная в трубопроводе ГВС, должна быть в точности равна разности масс dM=M1–M2.

Однако в данном случае из-за безусловного наличия систематических погрешностей во всех трёх каналах измерений расхода статистическое уравнение Мгвс=f(dM) имеет вид:

Мгвс=1,053·dM+0,002, т за час (1)

Из уравнения (1) следует, что у данного теплосчётчика среднее расхождение ГХ расходомеров Мгвс и М1 составило 5,3% (приращения показаний расходомера М1 отстают от показаний расходомера Мгвс в среднем на 5,3%), что в несколько раз превышает метрологический допуск на разность наклонов ГХ расходомеров с допускаемой погрешностью 1%4.

Теперь удалим из исследуемого архива все часовые интервалы, на которых выполнялось условие Мгвс<50 кг за час, и вновь построим точечную зависимость Мгвс=f(dM).

Из рис. 4 видно, что уравнение средней тенденции функции Мгвс=f(dM) несколько изменилось: наклон этой зависимости стал равен 1,044 (вместо 1,053 в первом случае), и постоянная составляющая в зависимости Мгвс=f(dM) вместо 2 кг/ч приняла значение 5 кг/ч.



Рис. 4. Статистическая взаимосвязь часовых масс Мгвс
и разности масс dM=М1–М2 (без учёта Мгвс<50 кг за час)

Если теперь удалить из зависимости Мгвс=f(dM) все часовые массы Мгвс<100 кг, то наклон функции Мгвс=f(dM) снова уменьшится и станет равным 1,039, и по мере дальнейшего удаления часовых масс Мгвс мы всякий раз будем наблюдать некоторое уменьшение наклона зависимости Мгвс=f(dM).

Однако в дальнейшем, по мере возрастания числа исключаемых из рассмотрения часовых масс Мгвс, изменение наклона замедляется и в конце концов практически прекращается, что свидетельствует о прекращении влияния нелинейности начальной части ГХ расходомера Мгвс на среднее положение зависимости Мгвс=f(dM).

На рис. 5 показано, каким образом изменялся наклон средней зависимости Мгвс=f(dM) по мере исключения часовых масс Мгвс, соответствующих диапазонам значений 10–50 кг, 50–100 кг, 100–150 кг и т.д.

Из рис. 5 видно, что по мере удаления всё больших и больших значений Мгвс скорость изменения наклона N уменьшалась, и при исключении из графика Мгвс=f(dM) значений Мгвс350 кг за час уменьшение наклона N практически прекратилось.

Это означает, что при массах Мгвс350 кг за час ГХ расходомера Мгвс соответствует своему линейному участку, а при массах Мгвс<350 кг за час ГХ расходомера имела заметную отрицательную нелинейность.



Рис. 5. Изменение наклона функции Мгвс=f(dM)
при росте значений Мгвс, исключённых из рассмотрения

Таким образом, при исключении из зависимости Мгвс=f(dM) часовых масс Мгвс, отвечающих условию Мгвс<350 кг, мы получили уравнение линейной части ГХ этого расходомера по отношению к линейной ГХ расходомера М1:

Мгвслин = 1,018·dM + 0,015, т за час (2)

Теперь по уравнению (2) мы можем рассчитать требуемые (действительные) средние значения часовых масс Мгвстр, которые были бы измерены в том случае, если бы в начальной части диапазона измерений не было отрицательного искривления ГХ расходомера Мгвс.

Сравнительное изменение измеренных часовых масс Мгвс и требуемых часовых масс Мгвстр (полученных по уравнению (2)) при изменении dM показано на рис. 6.



Рис. 6. Изменение измеренных масс Мгвс и их
требуемых значений Мгвстр при изменении dM

Из рис. 6 видно, что фактически измеренные часовые массы Мгвс из-за искривления ГХ расходомера в начальной части диапазона измерений несколько меньше тех требуемых значений Мгвстр, которые следовало бы измерить в том случае, если бы ГХ расходомера оставалась линейной во всём диапазоне измерений. Это обстоятельство приводит к тому, что учёт теплоносителя, потребляемого системой ГВС, осуществляется с некоторым занижением.

Фактическую относительную погрешность измеренных часовых масс Мгвс рассчитаем по выражению

Мгвс=[(Мгвс-Мгвстр)/Мгвстр]·100% (3)

и построим график изменения Мгвс в зависимости от измеренных часовых масс Мгвс. Эта зависимость приведена на рис. 7.



Рис. 7. Изменение погрешности измерений часовых масс Мгвс и суммы
среднечасовых погрешностей на нелинейном участке ГХ расходомера

Рис. 7 показывает, что из-за потери чувствительности канала измерения расхода Мгвс в начальной части диапазона измерений масса Мгвс измерялась с отрицательной погрешностью, многократно превышающей допускаемые значения.

Например, при допускаемой погрешности измерений массы, равной 1-2% (такая точность измерений Мгвс указана в паспорте на данный теплосчётчик)5, фактическая погрешность измерения Мгвс по мере уменьшения объёмов потребления воды изменялась по гиперболическому закону и достигала –15% (при Мгвс100 кг), а при Мгвс50 кг погрешность измерения часовых масс Мгвс достигала уровня –(10–40)%. Ещё меньшие часовые массы Мгвс в данном случае были измерены с фактической отрицательной погрешностью в десятки и сотни процентов, что свидетельствует о крайне неблагополучном метрологическом состоянии расходомера Мгвс.

Сумма среднечасовых погрешностей измерений массы Мгвс также представляет из себя кривую, близкую к гиперболе: при Мгвс, превышающих 350 кг за час, сумма погрешностей колеблется около нуля6 – это означает, что на этом участке ГХ расходомера нелинейность его градуировки отсутствует. Однако по мере уменьшения часовых масс Мгвс кривая суммы погрешностей отклоняется в отрицательную область со всё возрастающей скоростью, достигая своего максимального значения –29100% при Мгвс=10 кг за час.

В заключение в качестве примера приведём зависимости, указанные на рис. 7, но для случая, когда в трубопроводе ГВС расход и масса теплоносителя измеряется исправным расходомером, имеющим должную чувствительность в начальной части диапазона измерений.

Из рис. 8 видно, что в случае достаточно точных измерений “завала” ГХ расходомера Мгвс в области пониженных расходов не происходит, поэтому погрешности измерений часовых масс Мгвс расположены строго симметрично относительно оси “Х” (ось Мгвс), знак этих погрешностей равновероятен, при этом дисперсия значений Мгвс определяется только ценой импульса расходомера Мгвс (в данном случае цена импульса равна 10 л/имп.).

Из рис. 8 также следует, что сумма погрешностей измерений часовых масс Мгвс в среднем близка к нулю и не имеет тенденции к интенсивному уходу в отрицательную область при уменьшении измеренных часовых масс Мгвс.

Следовательно, при сложившихся на данном объекте режимах потребления горячей воды любые расходы теплоносителя в трубопроводе ГВС измеряются с достаточной точностью, в связи с чем метрологическое состояние расходомера и счётчика массы Мгвс можно считать вполне удовлетворительным, и качество измерений, выполняемых данным расходомером, не должно вызывать сомнений ни у потребителя, ни у поставщика тепловой энергии.



Рис. 8. Изменение погрешности измерений часовых масс Мгвс
и суммы среднечасовых погрешностей при хорошем качестве измерений.

Итак, путём несложной обработки статистических данных, накопленных трёхканальным теплосчётчиком в часовых архивах, можно получить достаточно ясное представление о точности измерений, выполняемых расходомером, установленным в трубопроводе ГВС. И результаты оценки погрешности измерений Мгвс, подобные приведенным на рис. 7, должны быть веским аргументом в пользу необходимости проведения досрочного метрологического обслуживания расходомера Мгвс, поскольку при теплоснабжении по однотрубной схеме указанный расходомер в межотопительный период будет единственным средством коммерческого учёта теплопотребления. Следовательно, подобные оценки качества измерений расходомером Мгвс целесообразно проводить в течение отопительного сезона с тем, чтобы по его окончанию “коммерческий” расходомер Мгвс был приведён в гарантированно исправное состояние.

Автор

Лупей Александр Григорьевич – зам. гл. метролога ОАО “Ленэнерго”

Россия, 191186, Санкт-Петербург, Марсово поле, 1.

Тел. (812) 318-39-99, факс. (812) 318-34-79.

E-mail: sml@upr.energo.ru

Вельт И.Д.