ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ СЛИЧЕНИЯ РАСХОДОМЕРНЫХ СТЕНДОВ
ПО РЕКОМЕНДАЦИИ МИ 2236-92
А. Е. Каханков, А. В. Чигинев, ОАО «ТЕВИС», Тольятти
В процессе сличения средств поверки весьма существенной составляющей является методика обработки полученных результатов. Выбор методики, соглашения и допущения принятые для ее реализации в значительной степени определяют саму программу проведения межлабораторных сличений. При выполнении работ по сличению нескольких расходомерных стендов, мы использовали для обработки результатов РЕКОМЕНДАЦИЮ МИ 2236-92 [1].
В экспериментах участвовали три сличаемых средства поверки (ССП):
- №1 — расходомерный стенд с массовым методом измерения, δ = 0,15%,
- №2 — расходомерный стенд с объемным методом измерения, δ = 0,25%,
- №3 — расходомерный стенд с массовым методом измерения, δ = 0,15%.
В качестве контрольного средства (КС) использовался механический крыльчатый счетчик воды, Ду25, диапазоном расходов 0,07-7 м3/ч, основная погрешность 2-5%.
Вид сличений — круговой, первый и последний эксперименты были проведены на ССП №1, т.е. выполнялись здесь дважды. Испытания производились на пяти значениях расхода, соответствующих 50%, 34%, 23%, 15% и 10% Qmax для используемого КС. Испытание контрольного средства для каждого значения расхода в каждой лаборатории состояло из серии, включающей 9 измерений. При обработке результатов выполнялся контроль погрешности измерений при поверке.
Опишем сразу же те отклонения от МИ и допущения, которые были сделаны до проведения межлабораторных сличений:
- В МИ 2236-92 речь идет о сличении средств поверки одинакового уровня точности. В нашем случае ССП №2 отличается в худшую сторону от ССП №1 и №3. Мы считаем, что в подобных ситуациях, если класс точности КС на порядок отличается от класса точности ССП, то различием в уровне точности средств поверки можно пренебречь.
- В п.1.6 [1] определен критерий, в соответствии с которым при сличениях выполняется либо контроль погрешности средств поверки, либо контроль погрешности измерений при поверке. Этим критерием служит отношение случайных погрешностей КС и ССП. Определить случайную составляющую погрешности всех средств измерений, участвующих в сличениях, из технической документации на них не представляется возможным. Основная погрешность измерительного прибора, приведенная в документации без указания знака, содержит как систематическую, так и случайную составляющие, которые нельзя четко разграничить. И, если для средства поверки можно предположить, что в его погрешности превалирует (по крайней мере, должна) случайная составляющая, то для контрольного средства ни подобное предположение, ни противоположное ему без специальных испытаний с уверенностью сделать нельзя. Поэтому на основании сравнения паспортных данных о погрешностях КС и ССП был сделан вывод о возможности выполнения в нашем случае именно контроля погрешности при измерениях. В продолжение этого вопроса можно сказать, что соблюдение критериев, изложенных в п.1.6 [1], представляет собой весьма существенную проблему: для выполнения контроля погрешности средств поверки необходимо использовать контрольное средство — расходомер со случайной погрешностью не более 0,05% (!).
- Вид сличений (п.2.5 [1]) — круговой, был выбран нами в данном случае на основании опыта предыдущих попыток выполнения сличений с разными типами КС. В МИ 2236-92 выбор вида сличений основывается на стабильности характеристик контрольного средства в течение времени, необходимого для выполнения сличений. Именно для оценки стабильности КС сличения были начаты и окончены на одном и том же ССП. Как предлагается оценивать стабильность характеристик КС, будет описано ниже при анализе результатов выполненных измерений.
- «Число выполняемых измерений и условия их выполнения должны соответствовать методике поверки» — это п.3.3 [1]. Согласимся с соответствием условий выполнения измерений (п.2.3 МИ), в частности, соблюдением того факта, что КС, в соответствии с его методикой поверки, может поверяться на ССП, и поясним свой выбор значений расхода и количества измерений. Большее, чем предусмотрено методикой поверки, количество измерений в каждой точке (в нашем случае по 9) обеспечивает заведомо лучшую оценку статистических результатов. А сравнительно небольшой диапазон расходов для КС от 10% до 50% максимального позволяет сохранить (опять же на основании многочисленных предыдущих опытов) необходимую стабильность характеристик выбранного контрольного средства. Мы предлагаем при сличении расходомерных стендов выполнять в каждой серии не менее 7 измерений и использовать только тот диапазон расходов, в котором заведомо обеспечивается необходимая стабильность характеристик КС во время сличений. При составлении и реализации программы сличений обязательно должна быть предусмотрена и реализована возможность оценки фактической стабильности характеристик КС.
Результаты проливок КС были обработаны в соответствии с требованиями [1]: по п.3.5 — предварительная обработка, и по п.4.3 — обработка результатов в случае контроля погрешности измерений при поверке. При этом также приходилось делать некоторые допущения.
Современные расходомерные стенды, как правило, автоматически формируют протоколы испытаний, в которых у разных стендов могут фиксироваться разные измеренные величины. В нашем случае в протоколах ССП №1 и ССП №3 зафиксирован расход, а в протоколе ССП №2 — объем. Для обработки в качестве измеряемой физической величины был выбран расход, значение которого для ССП №2 в каждом измерении было вычислено «вручную» из измеренных и запротоколированных значений объема и времени. Так как для обработки при сличениях могут использоваться только однородные физические величины, некоторые из них при необходимости могут быть вычислены после проведения измерений из данных, зафиксированных в протоколах. В этом случае должна быть обеспечена необходимая точность дополнительных вычислений.
При первичной обработке для определения систематической погрешности используется номинальное «значение физической величины, соответствующей числовой отметке контрольной многозначной меры» (п.3.5.2 [1]), что представляет для расходомерного стенда некоторую проблему. Это связано с тем, что в процессе стабилизации расхода, предшествующем любому из измерений, он может установиться на величине, отличной от заданной до ±0,3% (так, по крайней мере, было в наших экспериментах). В качестве этого номинального значения для расходомерного стенда мы использовали и предлагаем использовать среднее для каждой серии измерений значение расхода, зафиксированное ССП. Основным аргументом в пользу этого варианта является значительно меньшее среднее квадратическое отклонение (СКО) для расходов, реализованных ССП, по сравнению с расходами, измеренными КС.
Рис. 1
Основными результатами первичной обработки данных при сличениях являются значения систематической погрешности и средние квадратические отклонения для каждой серии измерений. Эти результаты приведены в виде графиков.
Систематическая погрешность, полученная в каждой серии измерений, представлена относительной величиной, приведенной к среднему значению расхода, зафиксированному в данной серии средством поверки, т.е. к величине, используемой нами в качестве номинального значения многозначной меры.
СКО также представлено относительной величиной, приведенной к среднему значению расхода, зафиксированному КС. Не анализируя глубоко полученные результаты, отметим лишь заметную даже невооруженным глазом тенденцию по обоим представленным параметрам.
Все полученные значения систематической погрешности являются значимыми (согласно критерию в п.3.5.2 [1]), для разных ССП они существенно отличаются на малых расходах и сближаются при его увеличении. Предположения о том, из-за чего это могло произойти, будут сделаны ниже.
Рис. 1
Полученные СКО на порядок меньше систематических погрешностей, в целом они также имеет тенденцию к уменьшению при увеличении расхода. Но для дальнейшей обработки результатов необходимо оценить стабильность характеристики контрольного средства, так как при ее отсутствии собственно сличения вряд ли имеют смысл. Критерием стабильности КС, необходимым для выполнения круговых сличений, в п.2.5.1 [1] определено не превышение нестабильности контрольного средства тридцати процентов от его погрешности за время сличений.
Примем за нестабильность КС разницу полученных в первом и четвертом экспериментах на одном и том же ССП №1 систематических погрешностей для соответствующих друг другу серий измерений. Вычислим 30% паспортной погрешности КС: 0,3 × 2% = 0,6%. В итоге можно сказать, что в нашем случае контрольное средство имело стабильную характеристику при сличениях для значений расхода 3,5 и 2,4 м3/ч, а в остальных случаях было нестабильным. Считаем предложенную оценку нестабильности КС вполне приемлемой, и предлагаем использовать ее в дальнейшем. Систематические погрешности и их разница, полученные на ССП №1 в первом и последнем экспериментах, приведены в таблице.
| Расход, м3/ч | Систематическая погрешность, % | Нестабильность КС, % | |
| №1 | №1 финал | ||
| 0,70 | 3,0241 | -3,7984 | 6,8225 |
| 1,05 | 2,6990 | -0,6557 | 3,3546 |
| 1,60 | 1,1535 | -0,3944 | 1,5479 |
| 2,40 | 0,8222 | 0,4686 | 0,3536 |
| 3,50 | 0,3151 | 0,2783 | 0,0369 |
Итак, дальнейшая математическая обработка полученных данных с целью сличения стендов имеет смысл только для значений расхода 3,5 и 2,4 м3/ч.
Как уже было сказано выше, систематические погрешности для каждого значения расхода на всех стендах оказались значимыми.
При проверке воспроизводимости результатов измерений, полученных на разных стендах, оказалось, что для уровня значимости q = 0,05 различие в результатах измерений несущественно для всех значений расхода, а при уровне значимости q = 0,01 различие в результатах измерений становится существенным, что свидетельствует о значительной систематической погрешности одного или нескольких сличаемых стендов.
Разброс случайных погрешностей оказался несущественным для всех значений расходов при уровнях значимости q = 0,05 и q = 0,01.
Вернемся назад к вопросу о выборе задачи сличения (п.1.6 [1]). Ввиду невозможности определения случайной составляющей погрешности КС и ССП, участвующих в сличениях, мы, взяв за критерий паспортные погрешности используемых СИ, приняли решение о выполнении контроля погрешности измерений при поверке. После того как экспериментальные данные были обработаны, оценкой случайных составляющих погрешностей как КС, так и ССП могут служить СКО результатов измерений. Оценим случайную погрешность КС с помощью полученных в результате обработки значений СКО (для q = 0,01 δКСслуч=3 × СКО), а за величину случайной погрешности ССП примем паспортную величину погрешности. При этом оказывается, что критерий п.1.6.2 [1] соблюдается у нас лишь в половине случаев измерений на расходах 2,4 и 3,5 м3/ч. Если из документации на приборы или иным способом невозможно достоверно определить случайную составляющую погрешностей КС и ССП, то для выбора задачи, решаемой при сличениях, предлагаем оценивать случайную составляющую погрешности КС с использованием СКО, вычисленного в соответствии с п.3.5.1 [1]. В качестве случайной составляющей погрешности расходомерного стенда при этом принимается его паспортная погрешность. Определение задачи, которая может быть решена при сличениях, следует производить только после предварительной обработки полученных результатов.
Наши предположения, почему в результате экспериментов получились такие большие различия в систематических погрешностях, заключаются в следующем. ССП №1 и ССП №2 находятся в одной лаборатории. КС между экспериментами не транспортировался, а измерения на обоих стендах производились одним оператором. Поэтому различия на малых расходах здесь могут быть объяснены либо не исключенной систематической погрешностью одного из стендов, либо различиями в установке КС на измерительных участках, например несоосностью. Последнее предположение на наш взгляд более вероятно, так как неправильная установка счетчика оказывает большее влияние именно на малых расходах. Лаборатория, где находится ССП №3, удалена, поэтому отличия систематических погрешностей третьего и четвертого экспериментов могут быть объяснены небольшим повреждением механизма КС при его транспортировке на ССП №3 и обратно, что опять же оказало наибольшее влияние на показания при малых расходах. Здесь также нельзя исключить вероятность неправильной установки расходомера на измерительный участок. Для исключения влияния факторов неправильной установки КС на измерительных участках разных стендов и определения лабораторий, где подобные случаи имеют место, предлагаем при сличениях использовать два КС одной марки и Ду, лучше из одной партии, проливаемых синхронно. При этом один из расходомеров участвует в экспериментах с предварительно собранными и не разбираемыми в процессе сличения прямыми участками большой длины, не менее 10 Ду, независимо от регламентированных прямых участков в технической документации. Второй расходомер устанавливается на измерительный участок с помощью штатных для каждой лаборатории устройств и приспособлений.
Выводы:
- Обработку результатов сличения расходомерных стендов можно выполнить по РЕКОМЕНДАЦИИ МИ 2236-92. При этом на этапе разработки программы сличений обязательно необходимо предусмотреть ряд мер, как организационных, так и методических, позволяющих из полученных результатов измерений точно определить критерии, описанные в методике: стабильность характеристик КС, задачу, которая будет решаться при сличениях и другие.
- Множество допущений и предположений, которые приходится делать при обработке полученных результатов, говорит о том, что для сличения расходомерных стендов должна быть разработана специальная методика, учитывающая особенности как сличаемых средств и измеряемых величин, так и самого процесса измерения.
ЛИТЕРАТУРА
- РЕКОМЕНДАЦИЯ МИ 2236-92, Средства поверки одинакового уровня точности. Правила выполнения контроля методом межлабораторных сличений. НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева», С-Пб., 1992