В связи с возрастающей необходимостью измерения быстроменяющихся расходов жидкостей, увеличением скорости протекания важнейших технологических процессов в различных отраслях промышленности и широким применением расходомеров в системах автоматического управления возникают требования к увеличению их быстродействия и точности [1]. Эти показатели средств измерений являются определяющими и при оценке состояния измерений в лабораториях [2, 3]. От точности показаний расходомеров зависит правильное определение значения измеряемой величины в процессе измерений, что должно подтверждаться их калибровкой.
Основной целью калибровки средств измерений является передача единицы величины, воспроизводимой и хранимой эталоном, менее точному средству измерений [4]. При калибровке определяют индивидуальные метрологические характеристики средств измерений различными методами измерений [5]. Результатом калибровки является выражение метрологической характеристики средств измерений в форме калибровочной характеристики с указанием соответствующей неопределённости [6]. Рекомендуется осуществлять ежегодную калибровку измерительного оборудования организации в компетентных специализированных организациях. При этом возрастает значение качества применяемых для калибровки измерительного оборудования и методик калибровки.
Целью исследования является выявление возможности использования неопределенностей результатов калибровки расходомеров для выбора средств измерений, обеспечивающих более точные результаты калибровки данных приборов, а также требуемую метрологическую прослеживаемость измерений.
Материалы и методы исследования
Из всех типов наиболее распространены и удобны в обращении вихревые расходомеры, они калибруются на заводе, отличаются простотой монтажа, требуют небольших затрат на техническое обслуживание [7]. Нами выполнены измерения и расчёты неопределённости результатов измерений при калибровке счётчика воды СВК-15 (крыльчатый счетчик тахометрического типа – внесен в Федеральный информационный фонд обеспечения единства измерения под номером 16078-05).
Было проведено две серии измерений расхода воды калибруемым счетчиком СВК-15 в одинаковых условиях с использованием одинаковых вспомогательных средств измерений. В одной серии измерений применяли поверочную установку УПСЖ-50/В, в другой – поверочную установку – ВПУ-Энерго ТС.
Установка поверочная типа УПСЖ-50/В предназначена для поверки/калибровки расходомеров-счетчиков жидкости класса точности 0,5 и ниже в диапазоне расходов от 0,02 до 50 м3/ч. Установка ВПУ-Энерго ТС может применяться для поверки, калибровки и определения погрешностей теплосчетчиков, преобразователей расхода-объема (массы), расходомеров и счетчиков жидкости различного типа с диапазоном воспроизводимых расходов от 0,01 до 4000 м3/ч и пределами допускаемой относительной погрешности установки при применении расходомеров-счетчиков объемных при измерении объемного расхода и объема, которые не должны превышать ±0,2 %.
Средства измерений, которые применялись в процессе калибровки счётчика воды СВК-15, в том числе вспомогательные средства измерений (термогигрометр; барометр; термометр лабораторный электронный), влияющие на точность и достоверность результатов, имели метрологические характеристики, подтвержденные свидетельствами о поверке или сертификатами калибровки. Условия калибровки: температура окружающего воздуха – 21,9 °С; барометрическое давление – 101,2 кПа; относительная влажность воздуха – 45 %; температура воды в счётчике – 22,0 °С.
Калибровка счётчика воды СВК-15 проводилась методом прямого измерения калибруемым измерительным прибором величины, воспроизводимой эталонной материальной мерой – соответствующей установкой поверочной расходомерной. Измерения объёмного расхода и объёма поверочной среды выполняли на проливной установке по трём точкам в применяемом диапазоне измерений расходомера. Число измерений в каждой точке составило не менее 10.
При оценке неопределенности измерения во время калибровки прибора, должны быть приняты во внимание все компоненты неопределенности, которые имеют существенное отношение к ситуации: эталоны и стандартные образцы; методы измерения; вспомогательное оборудование; окружающая среда; оператор и другие требования. Неопределённость измерений группируют в две категории А и В, в соответствии с методами их оценки. Суть оценки неопределённости по типу А заключается в том, что неопределённость оценивается путём проведения анализа данных, полученных при многократных измерениях величины. При оценке неопределённости по типу В происходит анализ данных, в том числе полученных из свидетельств о поверке или сертификатов о калибровке [5].
Порядок оценивания метрологических характеристик и вычисления неопределённости измерений при калибровке путем составления бюджета неопределённости изложен в [6]:
– составление модельного уравнения измерений, которое выражает зависимость между выходной величиной и входными величинами;
– оценивание входных величин и их неопределённостей;
– оценивание выходных величин и их неопределённостей;
– составление бюджета неопределённости;
– представление результатов калибровки.
Значения входных величин находят путём их измерения с однократными (единичными) или многократными (повторными) наблюдениями или берут из внешних источников.
Таблица 1
Бюджет неопределенности
|
Входная величина |
Значение (оценка) входной величины |
Стандартные неопределенности входных величин |
Тип оценки |
Коэффициенты чувствительности, сj |
Вклады неопределенностей |
|
Vc |
Vc |
uA(Vc)1) |
А |
сvc |
сvc · uA(Vc) |
|
Δc |
uB(Δc)3) |
В |
cΔc |
cΔc · uB(Δc) |
|
|
Vs |
Vs |
uA(Vs)2) |
A |
cVs |
cVsA · uA(Vs) |
|
uB(Vs)4) |
А |
cVs |
cVsB · uB(Vs) |
||
|
θ∑05) |
uВ(θ∑0)6) |
В |
cθ∑0 |
cθ∑0 · uВ (θ∑0) |
|
|
Выходная величина |
Оценка результата измерения |
Стандартная суммарная неопределенность |
Коэффициент охвата, k |
Расширенная неопределенность U, % |
|
|
Δ |
Vc – Vs |
u(Δ) |
2 |
k·u(Δ) |
|
|
Исходные данные калибровки |
|||||
|
Vc, м3 |
Vs, м3 |
D7), м3 |
δs8),% |
θ∑0, % |
|
|
Условные обозначения: 1), 2) – соответственно стандартная неопределенность, вносимая калибруемым расходомером при измерении объема и эталонной установкой при задании объема; 3) – дискретность отсчета расходомера (закон распределения плотности вероятности считается равномерным), м3; 4) – погрешность эталонной установки (из свидетельства о калибровке установки), %; 5) – граница суммарной не исключенной систематической погрешности установки (из свидетельства о поверке установки), %; 6) – суммарная не исключенная систематическая погрешность установки, %; 7) – номинальный диаметр счетчика, м3; 8) – относительная погрешность эталонной установки, %; |
|||||
Различают следующие выходные величины:
− калибровочный коэффициент измерительного прибора и его расширенная неопределённость с указанием коэффициента охвата;
− калибровочная функция и расширенная неопределённость в каждой точке диапазона измерений или параметры калибровочной функции и соответствующие им неопределённости;
− метрологические характеристики средств измерений; отклонение показаний измерительного прибора от номинальной метрологической характеристики;
− и др. характеристики [8].
Для расчета неопределенности результатов измерений счетчиком воды, составляли модельное уравнение
Δ = (Vc + Δс ) – Vs ,
где Vc – объем воды, измеренный калибруемым счетчиком, м3;
Δс – поправка на погрешность дискретности отсчета калибруемого счетчика;
Vs – объем воды, воспроизводимый эталонной установкой, м3.
Бюджет неопределённости по форме, представленной в табл. 1, составляют в соответствии с [6]. Входные величины рассматриваются как некоррелированные.
Результаты исследования и их обсуждение
При каждом i-м измерении на i-м расходе регистрировали:
− время измерения;
− объёмный расход, воспроизведённый эталоном;
− объёмный расход по показаниям расходомера на начало измерения;
− объёмный расход по показаниям расходомера на конец измерения.
Метрологические характеристики в виде относительной погрешности счетчика воды определили на трёх расходах: наименьшем (Qнаим), 1,1 от переходного (1,1·Qп) и номинальном (Qном). В каждой точке расхода воды измерения калибруемым счетчиком провели в соответствии с данными табл. 2.
Исходные данные для расчета основной относительной погрешности и неопределенности калибруемого счётчика представлены в табл. 3.
Рассчитали относительную погрешность измерений при каждом расходе воды на калибруемом счетчике:
δQнаим = 2,55 %; δ1,1·Qп = 2,24 %; δQном = 1,06 %
Расчёт бюджета неопределённости при калибровке счетчика воды СВК-15 с применением поверочной установки УПСЖ-50/В для точки Qном представлен в табл. 4.
Аналогичный расчёт бюджетов неопределённости для точки 1,1·Qп позволил определить расширенную неопределенность, равную 0,000088 м3/ч, для точки Qнаим – расширенную неопределенность, равную 0,000067 м3/ч. Результаты калибровки счётчика воды СВК-15 представлены в табл. 5.
Показания счетчика на начало калибровки составили 431,26 м3, показания счетчика на конец калибровки – 431,39 м3.
В соответствии с описанием типа калибруемого прибора предел допускаемой погрешности счётчика в диапазоне расхода (Qнаим) и в диапазоне расхода (1,1·Qп) составляет ±5,0 %, в номинальном диапазоне расхода (Qном) – ±2,0 %.
Сравнение расширенной неопределенности счётчика воды с одной четвёртой части максимально допустимой погрешности показывает, что 0,33 < ±0,5; 0,42 < ±1,2; 0,65 < ±1,2.
Следовательно, расширенная неопределенность при определении действительного объема, проходящего через счетчик воды, не превышает одной четвёртой соответствующей максимально допускаемой погрешности счётчика, что удовлетворяет требования пункта 7.1.1 [9].
Таблица 2
Значения минимального времени измерений в каждой точке расхода
|
Номинальный диаметр счетчика |
Значение минимального времени измерения |
||
|
На номинальном расходе, с, не менее |
На расходе 1,1 от переходного, с, не менее |
На наименьшем расходе, с, не менее |
|
|
от DN 10 до DN 50 |
120 |
360 |
720 |
Таблица 3
Исходные результаты измерения расхода воды
|
Расход воды, при котором проводят калибровку, Q |
Объем воды, измеренный счетчиком, м3 |
|||||
|
Vс |
Vс |
Vs |
Vs |
|||
|
Qнаим = 0,03 |
0,0103 |
0,0104 |
0,0103 |
0,01005 |
0,01003 |
0,01004 |
|
0,0104 |
0,0103 |
0,01005 |
0,01003 |
|||
|
0,0103 |
0,0104 |
0,01003 |
0,01003 |
|||
|
0,0103 |
0,0102 |
0,01003 |
0,01004 |
|||
|
0,0102 |
0,0102 |
0,01004 |
0,01004 |
|||
|
1,1·Qп = 0,12 |
0,0206 |
0,0206 |
0,0205 |
0,02005 |
0,02006 |
0,02005 |
|
0,0206 |
0,0203 |
0,02005 |
0,02005 |
|||
|
0,0206 |
0,0205 |
0,02005 |
0,02006 |
|||
|
0,0206 |
0,0203 |
0,02005 |
0,02006 |
|||
|
0,0205 |
0,0205 |
0,02005 |
0,02006 |
|||
|
Qном = 1,5 |
0,1009 |
0,1012 |
0,1011 |
0,10005 |
0,10003 |
0,10004 |
|
0,1009 |
0,1012 |
0,10005 |
0,10003 |
|||
|
0,1009 |
0,1013 |
0,10005 |
0,10004 |
|||
|
0,1009 |
0,1013 |
0,10003 |
0,10004 |
|||
|
0,1012 |
0,1013 |
0,10003 |
0,10004 |
|||
Таблица 4
Бюджет неопределённости для точки Qном
|
Входная величина |
Значение (оценка) входной величины |
Стандартные неопределенности входных величин |
Тип оценки |
Коэффициенты чувствительности, сj |
Вклады неопределенностей |
|||||
|
Vc |
0,1011 |
1,1×10-8 |
А |
1 |
1,1×10-8 |
|||||
|
Δc |
0 |
2,89×10-5 |
В |
1 |
2,89×10-5 |
|||||
|
Vs |
0,10004 |
2,79×10-6 |
А |
-1 |
-2,79×10-6 |
|||||
|
1,67×10-4 |
В |
-1 |
-1,67×10-4 |
|||||||
|
Выходная величина |
Оценка результата измерения |
Стандартная суммарная неопределенность, u(Δ) |
Коэффициент охвата k |
Расширенная неопределенность U*, м3/ч |
||||||
|
Δ |
0,00106 |
0,000169505145 |
2 |
0,00033 |
||||||
|
Исходные данные калибровки для D = 0,0001 м3, δ = 0,5 % |
||||||||||
|
Vc |
Vs |
Vc |
Vs |
Vc |
Vs |
|||||
|
0,1009 |
0,10005 |
0,1009 |
0,10003 |
0,1013 |
0,10004 |
|||||
|
0,1009 |
0,10005 |
0,1012 |
0,10003 |
0,1013 |
0,10004 |
|||||
|
0,1009 |
0,10005 |
0,1012 |
0,10003 |
0,1013 |
0,10004 |
|||||
|
0,1009 |
0,10003 |
|||||||||
|
*Указанная расширенная неопределенность измерения установлена как стандартная неопределенность измерения, умноженная на коэффициент охвата k = 2, который соответствует вероятности P = 0,95. |
||||||||||
Таблица 5
Результаты калибровки счётчика воды СВК-15 с применением поверочной установки УПСЖ-50/В
|
№ |
Расход воды, при котором проводилась калибровка, м3/ч |
Коэффициент охвата k (при Р = 0,95) |
Результат измерений калибруемого расхода воды, Xср±U, м3/ч |
|
Qном |
1,5 |
2 |
0,01011±0,00033 |
|
1,1·Qп |
0,12 |
2 |
0,0205±0,000088 |
|
Qнаим |
0,03 |
2 |
0,0103±0,000067 |
Соответственно, калибровка счётчика воды СВК-15 с применением поверочной установки УПСЖ-50/В показала, что калибруемый прибор будет обеспечивать требуемую точность измерений при последующей его эксплуатации и в условиях прослеживаемости результатов испытаний.
Далее провели измерения и расчёт неопределённости результатов измерений при калибровке счетчика воды СВК-15 с применением поверочной установки ВПУ-Энерго ТС.
Результаты вычисления стандартной неопределённости по типу А приняли условно такими же, как и для установки УПСЖ-50/В. Вычисления стандартной неопределённости входных величин по типу В (нормальное распределение) и выходных величин выполнили в форме бюджета неопределенности, представленного в табл. 1. Результаты калибровки счётчика воды представлены в табл. 6.
По результатам табл. 6 видно, что счётчик воды СВК-15 также прошел калибровку с применением поверочной установки ВПУ-Энерго ТС с положительным результатом. Использование счётчика воды с установленной неопределенностью результатов измерений в лабораторном и производственном контроле обеспечивает достоверность полученных данных [10].
Таблица 6
Результаты калибровки счётчика воды СВК-15 с применением поверочной установки ВПУ-Энерго ТС
|
№ |
Расход воды, при котором проводилась калибровка, м3/ч |
Коэффициент охвата k (при Р = 0,95) |
Результат измерений калибруемого расхода воды, Xср±U, м3/ч |
|
Qном |
1,5 |
2 |
0,01011±0,00014 |
|
1,1·Qп |
0,12 |
2 |
0,0205±0,000064 |
|
Qнаим |
0,03 |
2 |
0,0103±0,000059 |
Проанализировав результаты калибровки счётчика воды СВК-15, представленные в табл. 5 и 6, можно сказать, что расширенная неопределённость результатов измерений, полученная при калибровке счётчика СВК-15 на установке ВПУ-Энерго ТС меньшая, чем расширенная неопределённость результатов измерений, рассчитанная при калибровке этого же счётчика воды на установке УПСЖ-50/В. Сравнение полученных результатов неопределенностей позволило сделать вывод, что с применением установки ВПУ-Энерго ТС получены более точные результаты калибровки приборов в заданных точках расхода, чем с применением поверочной установки УПСЖ-50/В.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что установка ВПУ-Энерго ТС позволяет получать более точные результаты калибровки приборов в заданных точках расхода, чем поверочная установка УПСЖ-50/В, из чего следует, что по результатам калибровки можно выбирать предпочтительные калибровочные средства измерений, обеспечивающие с наибольшей точностью определение метрологических характеристик калибруемых средств измерений, которые являются важными при оценке прослеживаемости результатов измерений.
Библиографическая ссылка
Федорович Н.Н., Студеникина О.Д. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВЫБОРА СРЕДСТВ КАЛИБРОВКИ СЧЕТЧИКА РАСХОДА ЖИДКОСТЕЙ ПУТЕМ ОЦЕНКИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2022. – № 1. – С. 96-101;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=39016 (дата обращения: 21.11.2024).