Оценка точности средств измерений.

Введение

Расход и количество потоков жидких и газообразных сред; измеряют практически во всех областях человеческой деятельности. Расход измеряют прежде всего при технологических операциях, количество при технологических процессах, связанных с заполнением каких-либо устройств (химических реакторов, топливных баков летательных аппаратов и т.д.), а также при товарном учете различных веществ и энергоносителей.
Расход – количество вещества, протекающее через сечение канала в единицу времени.
В зависимости ох того, в каких единицах измеряют количество вещества, различают объемный расход и массовый расход.
Объемный расход – Единицей объемного расхода в Международной системе единиц СИ является м3/с. Часто использование этой единицы оказывается неудобным, поэтому широко используются внесистемные единицы: м3/ч, л/мин и т.д.
Массовый расход – Единица массового расхода в системе СИ кг/с. Внесистемные единицы кг/мин, т/ч.

где ρ – плотность измеряемой среды в рабочих условиях.
При измерении объемного расхода необходимо указывать рабочие параметры давление и температуру, гак как они оказывают сильное влияние на плотность. Поэтому для газов и паров вводится понятие объемного расхода, приведенного же стандартным условиям, Qc (абсолютное давление Рс =103,325 кПа, температура tc = 20 °С), который соответствует такому же массовому расходу, что и объемный расход при рабочих условиях.
Фактически объемный расход, приведенный к стандартным условиям, это массовый расход с каким-то коэффициентом пропорциональности, определяемым при стандартных условиях.

где ρсплотность измеряемой среды в стандартных условиях.
Расходомер – прибор, служащий для измерения расхода.
Счетчик количества (счетчик) измерительный прибор, предназначенный для измерения суммарного количества вещества, протекающего через сечение канала за определенный промежуток времени.
Расходомер со счетчиком – измерительный прибор для измерения расхода и количества.
Преобразователь расхода – измерительный преобразователь, непосредственно воспринимающий воздействие потока измеряемой среды и преобразующий расход в величину, удобную для измерения.
Преобразователь расхода часто бывает одинаковым у расходомеров и счетчиков, различие в той части приборов, которая воспринимает сигнал от преобразователя расхода. Например, турбинный преобразователь расхода используется как в расходомерах, так и в счетчиках. В одном случае прибор регистрирует частоту импульсов, в другом – количество импульсов. Поэтому часто используется обобщенное понятие расходоизмерительное устройство, включающее в себя расходомер, счетчик и преобразователь расхода.
Название расходоизмерительного устройства определяется физическим явлением, на котором основана работа преобразователя расхода, например, расходомер переменного перепада давления, ультразвуковой расходомер.
Приведенные определения расходомера и счетчика отражают измеряемую прибором величину (расход или количество). Однако часто в названии расходоизмерительного устройства учитывается то, с какой величиной (расходом или количеством) связан выходной сигнал преобразователя расхода. Например: расходомер переменного перепада давления – выходной сигнал преобразователя расхода (перепад давления) определяется расходом; электромагнитный расходомер – электромагнитный сигнал преобразователя расхода (ЭДС) пропорционален расходу; счетчик жидкости с овальными шестернями – выходной сигнал преобразователя расхода (число оборотов шестерни) пропорционален объему жидкости
1. Требования к расходоизмерительным устройствам

В зависимости от условий и особенное гей эксплуатации к расходоизмерительным устройствам предъявляются самые различные требования. Часть из них предъявляется практически ко всем расходоизмерительным устройствам. К таким требованиям относятся следующие.
Точность измерения. Обычно это требование формируется как требование высокой точности.
В технологических процессах повышение точности позволяет обеспечить большую эффективность их выполнения, за счет этого улучшать качество продукции и экономить материальные ресурсы. В некоторых случаях при выполнении технологических процессов прежде всего необходима сходимость результатов измерений. При товарном учете веществ точность измерения количества должна быть согласована по пути продвижения продукта от производителя до конкретною потребителя. При этом особенно важна воспроизводимость результатов измерений на различных участках этого пути путем обеспечения сходи мости и воспроизводимости результатов измерений является повышение точности.
Требования ас точности расходоизмерительных устройств отражены в нормативных документах.
Общегосударственные поверочные схемы средств измерения расхода предусматривают использование рабочих средств с относительной погрешностью измерения, но более 5%.
Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя устанавливаются максимальные значения погрешности: счетчиков воды неболее 2% в диапазоне расхода от 4% до 100% от максимального, счетчиков паране более 3% в диапазоне расхода от 10% до 100%.
Повышение точности, как правило, достигается путем применения более современных и дорогих устройств. При этом удорожается и метрологическое обслуживанне этих устройств. Поэтому затраты па повышение точности должны быть экономически обоснованы.
В целом происходил постепенное повышение точности измерений расхода и количества, что определяется усложнением технологических процессов, ужесточением предъявляемых к ним требований и удорожанием природных ресурсов.
Надежность. Именно надежность часто является определяющим фактором при выборе того или иного типа прибора. Основным показателем надежности является время, в течение которого с заданной вероятностью сохраняются работоспособность и соответствие нормируемых метрологических характеристик допускаемым значениям. Надежность зависит от конструкции, условий эксплуатации и определяет значение межповерочного интервала.
Большое влияние на надежность расходоизмерительных устройств оказывает чистота измеряемой среды. В преобразователях расхода с подвижными элементами наличие примесей приводит к повышенному износу пар трения, в преобразователях без подвижных элементов происходит изменение геометрических параметров за счет износа и загрязнения. Для обеспечения надежной работы необходимо устанавливать устройства для очистки измеряемой среды.
Производственные условия применения средств измерений характеризуются наличием внешних электрических и магнитных полей. Поэтому важным фактором, определяющим надежность, является электромагнитная совместимость, особенно для современных микропроцессорных средств измерений.
У средств измерений, используемых при коммерческом учете, необходимо также обеспечить защиту от несанкционированного вмешательства.
Простота контроля метрологических характеристик. Наиболее существенно это требование для устройств, предназначенных для измерения больших расходов. Эталонные расходомерные установки для поверки и калибровки при больших расходах являются громоздкими, сложными и дорогими, что приводит к большим затратам на проведение поверки и калибровки.
Ряд расходоизмерительных устройств может поверяться и калиброваться бсспроливным методом (без использования эталонных расходомерных установок). Возможность проведения поверки и калибровки беспроливным методом часто является определяющим фактором при выборе того или иного типа прибора.

2. Нормируемые метрологические характеристики расходомеров

Нормирование метрологических характеристик расходоизмерительных устройств осуществляется в соответствии с принципами, изложенными в ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Конкретные метрологические характеристики, нормируемые для конкретных типов расходоизмерительных устройств, устанавливаются в соответствующих нормативных документах: государственных стандартах, методиках институтов (МИ), руководящих документах (РД) и технических условиях

. (ТУ).
Комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерений согласно ГОСТ 8.009-84 включает в себя следующие группы характеристик:
- характеристики, предназначенные для определения результатов измерения (без введения поправок);
- характеристики погрешности;
- характеристики чувствительности к влияющим величинам;
- динамические характеристики;
- характеристики, отражающие взаимодействие с объектом изменения;
- неинформативные параметры выходного сигнала.
К характеристикам, предназначенным для определения результатов измерения, относятся:
- номинальная статическая характеристика преобразования (НСХ);
диапазон измерения;
- информативный параметр выходного сигнала.


3. Поверка и калибровка расходоизмерительных устройств

3.1. Поверочные схемы

Поверочные схемы определяют порядок, средства меьтоды передачи единицы измерения от эталона рабочим средствам измерений.
Государственные поверочные схемы для средств измерений расхода приведены в государственных стандартах:
- ГОСТ 8.142–7 5 для средств измерениймассового расхода жидкости;
- ГОСТ 8.1 45–75 для средств измеренийобъемного расхода жидкости;
- ГОСТ 8.143–75 для средств измерений объемного расхода газа;
- ГОСТ 8.369–79 для средств измерений массового расхода газа;
- ГОСТ 8.373–79 для средств измерений объемного расхода нефтепродуктов;
- ГОСТ 8.374–80 для средств измерений объемного расхода воды.
В состав государственных поверочных схем средств измерений расхода входят эталоны, рабочие эталоны и рабочие средства измерений.
Во главе схемы находится государственный первичный или специальный эталон, предназначенный для хранения и воспроизведения единицы расхода жидкости или газа и передачи единицы расхода нижестоящим в поверочной схеме средствам измерений. Государственный эталон - это расходомерная установка о косвенным методом измерения расхода по наивысшей в стране точностью.

Вторичные эталоны служат длят передачи единицы расхода от государственного эталона рабочим эталонам и рабочим средствам измерений высокой точности. Вторичные эталоны – это наборы высокоточных расходомеров или расходомерные установки высокой точности.
Рабочие эталоны расхода представляют собой расходомерные установки или наборы эталонных расходомеров и предназначены для поверки, калибровки и градуировки рабочих средств измерений.
В состав поверочных схем помимо рабочих эталонов расхода входят рабочие эталоны, заимствованные из других поверочных схем. К рабочим эталонам, заимствованных из других поверочных схем, относятся эталонные жидкостные мерники, эталонные гири и весы, эталонные электронно-счетные частотомеры и др. Эти эталонные средства служат для аттестации рабочих эталонов расхода методом косвенных измерений.
Рабочие средства измерений — это расходомеры жидкости и газа. Общее требование к рабочим средствам измерений расхода, предъявляемое во всех поверочных схемах – относительная погрешность измерения расхода не должна превышать 5 %.
Соотношение погрешности используемых при поверке рабочих эталонов и поверяемых рабочих средств измерения не должно превышать 1:3.
Государственные первичные эталоны объемного и массового расхода жидкости представляют собой высокоточные статические расходомеры и установки.
В практике поверки и калибровки средств измерения расхода газа чаще применяются средства и методы, принадлежащие к поверочной схеме массового расхода. Это вызвано большой сложностью рабочих эталонов объемного расхода газа требуемой точности.
Поверочная схема для средств измерения (счетчиков) объема жидкости (ГОСТ 8.510-84) отличается по структуре от поверочных схем измерения расхода. Во главе схемы находится установка высшей точности для воспроизведения единицы объема счетчиками жидкости. Она представляет собой набор эталонных средств измерения: эталонных мерников, эталонных гирь. Поверочная схема имеет несколько ветвей передачи единицы объема от установки высшей точности рабочим эталонам и рабочим средствам измерений определенных категорий веществ. Установлены конкретные значения пределов допускаемых погрешностей для определенных типов счетчиков.
Соотношение погрешности рабочих эталонов и рабочих средств измерения также, как и в поверочных схемах для средств измерений расхода, не должно превышать 1:3. Исключение составляет поверка высокоточных счётчиков нефти, нефтепродуктов, газового конденсата и сжиженного газа с пределом допускаемого значения погрешности 0,15 и 0,25 %. При таких точностях рабочих средств измерения реализация соотношения 1:3 затруднена из-за сложности и высокой стоимости эталонных трубопоршневых установок высокой точности, которые применяются в требуемом диапазоне расходов.

3.2. Поверка проливным методом

Основным методом поверки при калибровки является проливной метод с использованием эталонных расходомерных установок. Такой метод пригоден для всех типов расходоизмерительных устройств.
Средства поверки. Основным средством поверки является поверочная проливная установка. Требования к ее точности определяются соответствующей поверочной схемой. При поверке расходомеров и большинства типов счетчиков погрешность поверочной установки не должна превышать 1/3 допускаемой погрешности поверяемого устройства. При этом погрешность поверяемого устройства определяется без учета погрешности поверочной установки.
При поверке и калибровке высокоточных устройств с допускаемой п погрешностью менее 0,3 соотношение погрешностей должно быть больше 1:3. В этих, случаях при определении погрешности рабочих средств измерения необходимо учитывать погрешность поверочной установки.
В средства поверки входят также гидравлический пресс, эталонные манометры, термометры, барометры, гигрометры и т.д. Перечень средств поверки конкретных типов расходоизмерительных устройств и требования к ним приводятся в соответствующих нормативных документах (государственных стандартах или методических указаниях).
Поверочная среда. Естественно, что лучше проводить поверку и калибровку в рабочей среде. Однако из-за особенностей рабочих сред, это не всегда возможно или целесообразно по экономическим соображениям. Поэтому н качестве поверочных сред используются наиболее доступные жидкости и газы. Обычно при поверке жидкостных расходоизмерительных устройств нормальной и низкой точности используется вода, газовых воздух. Поверка высокоточных установок проводится как на рабочих средах, так и средах-заменителях, близких по своим свойствам к рабочим средам. В качестве жидкостей-заменителей используются керосин, различные масла и т.д. Если особенности рабочей жидкости и характер потока при эксплуатации оказывают значительное влияние на результат измерения и не могут быть полностью реализованы в поверочной установке, поверка должна проводиться непосредственно на месте эксплуатации.
Требования по условиям поверки приводятся в соответствующей нормативной документации. Нормируются значение температуры поверочной среды и ее изменение в процессе поверки, значения температуры, влажности и давления окружающего воздуха.

4. Определение метрологических характеристик расходомеров

Основную погрешность определяют сравнением результатов измерения эталонной расходомерной установкой и поверяемым устройством не менее чем при трех расходах, два из которых близки к нижнему и верхнему пределам измерения.
При линейной зависимости выходного сигнала от расхода значение третьего расхода соответствует середине диапазона измерения. При поверке расходомеров высокой точности и нелинейной зависимости выходного сигнала от расхода число расходов может быть больше трех