СЛИЧЕНИЕ РАСХОДОМЕРНЫХ СТЕНДОВ

А. Е. Каханков, А. В. Чигинев, ОАО «ТЕВИС», Тольятти

Тема межлабораторных сличений расходомерных стендов приобретает все большую актуальность как в связи с ростом количества узлов учета тепловой энергии, так и в связи с увеличением собственно количества стендов. В нашей организации создана лаборатория теплотехнических измерений, в которой в том числе эксплуатируются два расходомерных стенда, существенно различающихся по ряду технических характеристик. Поэтому вопрос совпадения или не совпадения их показаний очень важен для нас. Более подробно о причинах, почему мы занялись сличениями, и о критериях, которые используем при этом для «служебного пользования», будет сказано ниже, а сейчас опишем условия проведения и результаты последнего эксперимента.

Как уже отмечалось ранее [3, 4, 5] процесс сличений весьма трудоемок — и в части выполнения экспериментов, и в части обработки полученных результатов. Одним из самых спорных вопросов при разработке программы испытаний оказался выбор физической величины как результата измерений для дальнейшей обработки. Рассматривались варианты объема, массы и расхода. В итоге принято решение остановиться на объемном расходе. И хотя в этом случае приходится вносить определенные допущения и ограничения, выбор объемного расхода позволяет проводить сличения для стендов с любыми методами проведения измерений. Кроме того, было понятно, что в качестве меры сравнения (МС) следует использовать расходомер класса точности как минимум не хуже класса точности сличаемых средств поверки (ССП), со стабильной характеристикой. К сожалению, использовать МС с высоким классом точности в этот раз не удалось. Поэтому в качестве меры были выбраны два расходомера ПРЭМ Ду=50мм. Один из них был предварительно собран с прямыми участками 12Ду «до» и 8Ду «после», и в таком виде без разборки проходил все испытания. В качестве ССП участвовали три проливных стенда:

  • №1 — расходомерный стенд STEP-МТ-50/70-70, ОАО ТЕВИС, метод измерения — массовый, δ = 0,15%;
  • №2 — расходомерный стенд STEP-150/220-70, ОАО ТЕВИС, метод измерения — объемный, δ = 0,33%;
  • №3 — расходомерный стенд STEP-50/70-70, ЗАО «Лидер», метод измерения — массовый, δ = 0,15%;

Сличения были круговыми и выполнялись в следующей последовательности: ССП №1, ССП №2, ССП №3, ССП №1. Завершение испытаний на стенде №1 выполнялось с целью контроля долговременной стабильности характеристик МС.

Испытания обеих МС производились синхронно, пролив велся в точках 20%; 26%; 34%; 46% и 60% от максимального паспортного расхода МС. Последовательность проливки была установлена в следующем порядке: 24,5; 33,1; 41,0; 19,0; 14,5; 24,5 м3/ч. В каждой точке заданного расхода выполнялась серия из девяти измерений. Здесь имеет смысл остановиться на этапе обработки результатов, который на наш взгляд обязательно должен предшествовать «официальной» предварительной обработке по [1] или [2].

  1. Как было показано в [5], разброс величин расхода, реализуемых ССП в каждой серии измерений не должен превышать удвоенную основную паспортную погрешность стенда:

    (1)        (Gсспimax – Gсспimin)/Gсспiср <= 2δссп;

    где Gсспimax, Gсспimin — соответственно максимальное и минимальное значение расходов по показаниям ССП в i-й серии, Gсспiср — среднее значение расхода по показаниям ССП в i-й серии. Нарушение этого условия приводит к завышенной оценке СКО. Результаты измерений, которые не удовлетворяют условию (1), исключались из дальнейшей обработки. Если в серии оставалось больше семи значений, дополнительно исключались наибольшее и/или наименьшее значение Xij. Таким образом, для дальнейшей обработки оставалось семь значений в каждой серии.
  2. Величиной X, используемой для оценки результатов испытаний, принималось относительное отклонение значения объемного расхода, определенного по показаниям МС, от значения расхода по показаниям ССП:

    (2)        Xij = (Gмсij – Gсспij)/ Gсспij;

    где Gмсij — расход, по показаниям меры сличения, Gсспij — расход по показаниям ССП в j-м измерении i-й серии.
  3. Дублирование величины расхода в первой и последней (шестой) серии измерений на каждом ССП производилось для оценки кратковременной стабильности МС. Характеристика МС считалась стабильной, если выполнялось неравенство:

    (3)        |Xср1 - Xср6| <= 0,5δмс + δссп;

    где Xср1 и Xср6 — средние значения относительных отклонений объемного расхода в первой и шестой сериях, а δмс и δссп — основные относительные погрешности МС и ССП соответственно.

В итоге было установлено, что критерию разброса величин расхода (1) удовлетворили все серии измерений, кроме одной, выполненной на максимальном расходе 41,0 (м3/ч) на ССП №1 при первом испытании. После обсуждения было принято решение не исключать данную серию из обработки, так как она стала единственной, нарушающей условие (1), и придала наглядность необходимости его соблюдения.

Критерий кратковременной стабильности МС (3) выполнялся на всех расходах для каждого ССП.

Основными результатами предварительной обработки данных по [1] и [2] являются средние квадратические отклонения результатов измерений и значения систематической погрешности для каждой серии измерений. Сразу можно отметить, что во всех сериях испытаний на ССП №3 и в заключительном испытании на ССП №1 все систематические погрешности оказались значимыми. Для первых серий испытаний на ССП №1 и на ССП №2 систематические погрешности оказались значимыми для большинства значений расходов. Результаты предварительной обработки представлены в виде графиков.

Рис. 1. Систематическая погрешность для МС без прямых участков

Систематическая погрешность, полученная в каждой серии измерений, представлена относительной величиной в процентах, приведенной к среднему значению расхода, реализованному в данной серии ССП. СКО также представлено относительной величиной, приведенной к среднему значению расхода, зафиксированному в данной серии. В каждой точке графиков для систематической погрешности отображены также диапазоны Y-погрешности, соответствующие ±δ каждого ССП.

Рис. 2. СКО для МС без собранных прямых участков

Рис. 3. Систематическая погрешность для МС с прямыми участками

В первую очередь сразу же следует отметить, что меры сличения во всех экспериментах уложились в свой заявленный класс точности 1%, но стабильность их характеристик оказалась недостаточной, т.к. в этой части не были удовлетворены требования ни одной из Рекомендаций [1, 2]. Тем не менее, из полученных результатов, можно сделать некоторые выводы.

Рис. 4. СКО для МС с прямыми участками

СКО относительной величины расхода во всех экспериментах оказалось много меньше основной погрешности МС, что косвенно свидетельствует о высокой степени повторяемости результатов. Большее, по сравнению с другими стендами, СКО на ССП №1 и в первом, и в последнем испытаниях объясняется выдерживанием условия (1) буквально «на грани» и не соблюдением его в точке расхода 41 м3/ч, что уже было отмечено выше. Вывод — соблюдение этого условия обязательно при проведении сличений расходомерных стендов, а его несоблюдение даст совершенно недостоверную оценку СКО. Здесь же, кстати, кроется серьезная проблема для расходомерных стендов очень высокого класса точности, например, 0.05%. Дело в том, что выполнить на них условие (1) будет чрезвычайно сложно, а его невыполнение чревато тем, что уже на этапе предварительной обработки результатов по [1] или [2], будут получены недостоверные данные.

Следует также отметить меньшую величину СКО для МС с предварительно собранными прямыми участками, что подтверждает выводы, сделанные ранее в [4].

О систематической погрешности тоже можно сказать, что для МС с предварительно собранными прямыми участками совпадение результатов ССП №1 и ССП №2 в первом и втором испытании и для ССП №3 и ССП №1 в третьем и четвертом — намного лучше, чем для меры без дополнительных прямых участков. Это опять же подтверждает выводы, сделанные в [4].

И в заключение несколько слов о том, какие цели мы преследуем, выполняя работы по сличениям. Несмотря на замечания, высказанные процессе обсуждения данной темы на форумах тематических сайтов, о том, что наш интерес в этом вопросе является чисто академическим, мы считаем его самым что ни есть практическим. Наша организация — ОАО ТЕВИС, является основным поставщиком услуг по тепло-, водоснабжению и водоотведению в Автозаводском районе Тольятти, с населением примерно 430 тыс. человек, что сравнимо с небольшим областным центром. Допускаемая Правилами учета погрешность измерения в денежном выражении выливается для нас в следующее (по тарифам и объемам реализации 2007 года): (4% тепловой энергии + 2% ГВС и ХПВ) ~ 90 млн. руб. в год, что составляет 40% годового фонда заработной платы всех работников нашего общества. Вряд ли кого-то устроит, если бухгалтерия будет начислять ему заработную плату с погрешностью ±40%. А именно это может произойти, если мы — крупная энергоснабжающая организация — не будем уделять серьезного внимания точности коммерческих измерений и у наших потребителей, и у наших поставщиков. Только цель обеспечения точности измерений в наших лабораториях, как один из многих шагов к достижению необходимой точности измерений энергоресурсов на объектах Автозаводского района Тольятти, где мы работаем, является главной практической целью этой нашей работы. Именно поэтому мы стараемся постоянно контролировать сходимость показаний расходомерных стендов в нашей лаборатории, а при любом удобном случае и согласии другой организации привлекаем и ее к этой работе.

Несколько слов об используемом нами критерии «сошлись» или нет стенды. Если говорить о точности измерений в применении к описанной выше цели, то сегодня мы считаем полученный в сличениях результат удовлетворительным, если разница систематических погрешностей меры сличения, полученная на сличаемых средствах поверки, много меньше основной паспортной погрешности расходомера наиболее массово применяемого нашими потребителями для коммерческого учета:

(4)        |δССПi - δССПk| << δтип.расх.,

где δССПi и δССПk — средние погрешности меры сличения, зафиксированные при испытаниях на i-м и k-м ССП соответственно.

Далее, если принять, что погрешность расходомеров, которые обеспечивают приемлемую точность измерения тепловой энергии и теплоносителя в открытой системе теплоснабжения, составляет 1%, а «много меньше» — это не более 30%, то (4) можно переписать в следующем виде:

(5)        |δССПi - δССПj| < 0,3%.

Если применить критерий (5) к результатам, полученным в описанном выше эксперименте, то получим итог, представленный в виде графиков на Рис. 5 и Рис. 6.

Рис. 5. Соблюдение критерия (5) для МС без участков

Рис. 6. Соблюдение критерия (5) для МС с участками

На рисунке 5 приведены результаты критерия (5), примененные к разнице между первым и вторым испытаниями и к разнице между третьим и четвертым испытаниями для МС без предварительно собранных прямых участков. На рисунке 6 — то же самое, только для меры с предварительно собранными прямыми участками. Шкала по оси ординат на обоих рисунках выбрана одинаковой, чтобы можно было визуально оценить разницу. По предложенному нами критерию стенды «совпали» для МС с участками в 80% случаев, а для МС без участков — всего в 30%. Вывод все тот же — МС при проведении сличений расходомерных стендов должна быть собрана с прямыми участками большой длины.

Выводы:

  • Работа по сличению расходомерных стендов представляет несомненный практический интерес для энергоснабжающих организаций, основные доходы которых непосредственно измеряются коммерческими приборами учета.
  • Сделанные ранее в [3, 4, 5] выводы о технических и методологических особенностях сличения расходомерных стендов подтверждаются проводимыми вновь экспериментами.
  • Для сличения расходомерных стендов должна использоваться стабильная мера класса точности не хуже самих стендов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. РЕКОМЕНДАЦИЯ МИ 2236-92, Средства поверки одинакового уровня точности. Правила выполнения контроля методом межлабораторных сличений. НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», С-Пб., 1992
  2. РЕКОМЕНДАЦИЯ Р 50.2.050-2005, Средства поверки одинакового уровня точности. Проверка качества поверочных и калибровочных работ посредством межлабораторных сличений. Алгоритмы обработки результатов
  3. Каханков А.Е., Чигинев А.В. Обработка результатов сличения расходомерных стендов по РЕКОМЕНДАЦИИ МИ 2236-92. Материалы 23-й конференции «Коммерческий учет энергоносителей», СПб, 2006
  4. Каханков А.Е., Чигинев А.В. И еще раз о прямых участках. Материалы 24-й конференции «Коммерческий учет энергоносителей», СПб, 2006
  5. Чигинев А.В. Сличения: пробы, ошибки и новые вопросы. Материалы 25-й конференции «Коммерческий учет энергоносителей», СПб, 2007
Яндекс цитирования