Науково-методологічні та технічні засади забезпечення точності вимірювань витрати газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет "Львівська політехніка"

УДК 531.733+681.122

Спеціальність 05.11.01 - Прилади та методи вимірювання

механічних величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Науково-методологічні та технічні засади забезпечення точності вимірювань витрати природного газу

ПЕТРИШИН Ігор Степанович

Львів - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Карпаш Олег Михайлович, проректор з наукової роботи Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Большаков Володимир Борисович, директор наукового центру "Витратометрія та механічні вимірювання" ННЦ "Інститут метрології", м. Харків;

доктор технічних наук, професор Коломієць Леонід Володимирович, завідувач кафедри вимірювальної техніки Одеського державного інституту вимірювальної техніки, м. Одеса;

доктор технічних наук, професор Байцар Роман Іванович, професор кафедри метрології, стандартизації та сертифікації національного університету "Львівська політехніка", м. Львів.

Захист відбудеться "16" жовтня 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд. 51, Х учбового корпусу).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" (м. Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий "11" вересня 2007 р.

Відгуки надсилати за адресою: 79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Вашкурак Ю.З.

Анотації

Петришин І.С. Науково-методологічні та технічні засади забезпечення точності вимірювань витрати газу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - Прилади і методи вимірювання механічних величин. - Національний університет "Львівська політехніка", Львів, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню важливої науково-технічної проблеми - підвищення точності та достовірності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу в процесі його обліку. На основі аналізу стану наукової, методологічної та технічної бази витратометрії газу встановлено, що основними чинниками, які обмежують точність обліку, є характерні властивості методів вимірювань (методичні похибки) та засобів вимірювальної техніки (інструментальні похибки). У дисертації досліджено вплив кліматичних та географічних чинників на точність вимірювання витрати газу в комунально-побутовій сфері, на основі якого розроблені аналітичні та графічні методи визначення поправкових коефіцієнтів з метою зведення виміряного об'єму газу до стандартних умов. Запропоновано методи та алгоритми ідентифікації законів розподілу похибок вимірювальних каналів державного еталона одиниць об'єму та об'ємної витрати газу, визначення метрологічних та градуювальних характеристик робочих еталонів. Встановлено залежності змін метрологічних характеристик різних типів лічильників газу від фізико-хімічних параметрів вимірювального середовища. Розроблено та впроваджено в метрологічну практику нову повірочну схему, вторинний еталон, еталони передавання, з допомогою яких забезпечена можливість передачі одиниці методом безпосереднього звіряння, а також проведення міжнародних звірень. Розроблено методи та запропоновано технічні засоби для реалізації побудинкового обліку, а також механічний коректор та вдосконалений лічильний газу з автоматичною корекцією виміряних об'ємів. На основі розробленої сертифікаційної моделі лічильників газу сформульовано концептуальні підходи до оцінки надійності та технічного рівня якості витратовимірювальної техніки, розроблена відповідна нормативна база. Основні результати роботи впроваджені в метрологічну практику для вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу.

Ключові слова: об'єм і об'ємна витрата, кліматичні та географічні чинники впливу, графоаналітичний метод корекції, ідентифікація законів розподілу, еталони передавання, вторинний еталон, сертифікаційна модель, метод аналізу ієрархій. газ вимірювання комунальний

Petryshyn I.S. Methodological and technical foundations for natural gas flow measurement accuracy assurance. - Manuscript.

Dissertation for a Doctor's degree in specialty 05.11.01 - devices and methods for mechanical quantities measurement - National University "Lvivska Politekhnika", Lviv, 2007.

Dissertation is devoted to the solution of important scientific and technical problem - rising of accuracy and reliability natural gas volume and flow rate measurements in its accounting. Based on analysis of scientific, methodological and technical fundamentals the following main limiting factors for gas accounting accuracy were determined: characteristic features of measuring procedures (procedural errors) and measuring devices (errors of a measuring instruments). Influence of climatic and geographical factors on gas flow measurement accuracy in domestic sector was investigated. Based on these results were developed analytical and graphical methods for determination of correction coefficient for reduction of measured natural gas volume to standard conditions. Methods and algorithms identification of error distribution laws in the measuring channels of national standard for gas volume and volume flow rate were developed as well as methods for determination of metrological and calibration characteristics of working standard were proposed. The dependencies of metrological characteristics for various gas meters on physical and chemical properties of the measured medium were determined. In order to maintain the dissemination of accurate measurements and international comparisons evaluation the new measurement chain, secondary standard, transfer standard where developed and introduced into the metrology practice. Methods and technical means for every house accounting, mechanical corrector and improved gas meter with automatic volume correction were developed. Based on the developed gas meter certification model, conceptual approaches for flow metering apparatus reliability and technical quality level were established and the relevant appropriate regulations were developed. Main dissertation results are introduced into metrological practice for natural gas volume and volume flow rate measurement.

Keywords: volume, volume flow rate, climatic and geographical influence factors, graphic-analytical correction method, distribution law identification, transfer standards, secondary standard, certification model, hierarchy analysis technique.

Петришин И.С. Научно-методологические и технические основы обеспечения точности измерения расхода газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.01 - Приборы и методы измерения механических величин. - Национальный университет "Львовская политехника", Львов, 2007.

Диссертация посвящена решению важной и актуальной научно-технической проблемы - повышение точности измерения объема и объемного расхода газа при его учете. Установлено, что основными факторами, ограничивающими точность измерений расхода газа, являются характерные особенности методов измерений (методические погрешности) и средств измерений (инструментальные погрешности). При проведении теоретических исследований установлено, что факторами, влияющими на точность учёта газа в быту с помощью счётчиков есть температура воздуха окружающей среды и географическая высота положения точки измерения объема над уровнем моря. Разработаны математические модели этих влияющих факторов, предложены графоаналитические (с помощью ПЭВМ и номограмм) методы определения поправочных коэффициентов к измеренным счетчиками объемами газа. Предложены также новые технические решения (механический корректор и усовершенствованный счетчик газа с автоматической коррекцией) для приведения измеренного счетчиком объема газа к стандартным условиям, внедрение которых позволит уменьшить потери газа в комунально-бытовой сфере на 3-5%. Доказано, что при условии принятия за стандартную температуру 15°С потери газосбытовых организаций от эксплуатации в коммунально-бытовой сфере счетчиков газа без элементов компенсации уменьшатся на 1,7%. Проведены теоретические исследования по идентификации законов распределения погрешностей измерительных каналов давления и температуры государственного эталона единицы объема и объемного расхода газа, по результатам которых установлен участок нестационарного стохастического процесса изменения избыточного давления под колоколом, причиной которого была несовершенство конструкции средства стабилизации давления в эталоне. Внесены конструктивные изменения в узел компенсации выталкивающей силы колокольного мерника эталона, с использованием компенсатора выталкивающей силы на базе "спирали Архимеда", экспериментальные исследования которого подтвердили стационарность процесса изменения давления под колоколом за счет уменьшения рассеивания результатов многократных измерений и нормальность распределения погрешности измерения давления. Предложен метод определения и контроля градуировочных и метрологических характеристик рабочих эталонов на базе счетчиков газа с использованием методов дисперсионного анализа и наименьших квадратов, а также с учетом фактора аппроксимационной зависимости построенных градуировочных характеристик от их выбранного вида. Установлены зависимости изменений метрологических характеристик разных типов счётчиков газа от физико-химических параметров измеряемой среды, что дает возможность построения градуировочных характеристик счетчиков газа в реальных условиях при рабочих давлениях их эксплуатации на основании проведенной метрологической аттестации на воздухе при атмосферном давлении. Разработана метрологическая модель государственного вторичного эталона единицы объема и объемного расхода газа на базе установки эквивалентного вытеснения, а также рабочего эталона на базе резервуара повышенного давления, определены влияющие факторы на точность воспроизведения эталонами физических единиц. Разработаны и внедрены в метрологическую практику эталоны передачи и сравнения, с помощью которых обеспечена возможность передачи размера единиц объема и объемного расхода газа вторичным и рабочим эталонам методом непосредственного сличения, который является наиболее точным в метрологической практике. Принято новое техническое решение и сконструирован компаратор для сличений государственных эталонов на базе критического сопла и приспособления для инжектирования потока с целью создания критического соотношения давлений на сопле. Предложен ряд патентозащищенных технических решений, направленных на усовершенствование эталонных расходоизмерительных установок, реализация которых существенно увеличит их точность и производительность во время проведения градуировочно-поверочных операций.

Разработаны новые методы и предложены технические решения домового учета расхода газа в коммунально-бытовой сфере, внедрение которых позволяет проводить учет газа с нормированными в соответствии с нормативными документами погрешностями в диапазоне измерения объемного расхода 1:1000 и более. Сформулированные концептуальные подходы к оценке надёжности расходоизмерительной техники, на базе которых разработан алгоритм определения межповерочных интервалов счетчиков газа и их корректирование в процессе эксплуатации. На основании анализа технических и метрологических характеристик счетчиков газа, а также влиятельных факторов их эксплуатации, разработана сертификационная модель счетчиков газа, которая использована при разработке нормативных документов, а также методики оценки технического уровня качества расходоизмерительной техники методом анализа иерархий на базе обратносимметрической шкалы.

Ключевые слова: объем и объемный расход, климатические и географические факторы влияния, графоаналитический метод коррекции, идентификация законов распределения, эталоны передачи, вторичный эталон, сертификационная модель, метод анализа иерархий.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Імпортозалежність України в природному газі ставить перед її економікою проблему підвищення точності та достовірності вимірювання витрати та кількості газу, скорочення споживання та зменшення його втрат як одну із пріоритетних при розробленні стратегії енергетичної безпеки нашої держави. Вирішення цієї проблеми, якій присвячена значна кількість науково-технічних публікацій у вітчизняних та зарубіжних виданнях, вимагає, в першу чергу, системного і комплексного підходів до перегляду традиційних стереотипів, пов'язаних із застосуванням технологій, методів та засобів вимірювань витрати та кількості газу, оцінкою показників точності та достовірності вимірювань, способів оброблення результатів вимірювань.

Основними чинниками, які обмежують точність та достовірність обліку природного газу, є характерні властивості методів вимірювань (методичні похибки) та засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) (інструментальні похибки). Найважливішою ланкою науково-методологічного забезпечення точності у відтворенні, зберіганні та передачі одиниці об'єму та об'ємної витрати газу робочим засобам обліку є державна повірочна схема, яка була впроваджена в Україні в 1996 році з створенням державного еталону. Зі зростанням чисельності технічних засобів обліку, що виробляються вітчизняними виробниками та завозяться в Україну з інших держав, підвищенням їх точності повірочна схема потребує суттєвого вдосконалення. Удосконалення повірочної схеми та її впровадження в практику вимагає розроблення методологій передачі та звірень одиниць вимірювання, створення нових високоточних еталонних і технічних засобів вимірювання витрати газу, методів їх градуювання та повірки.

Ще однією з найбільш суттєвих у ваговому відношенні методичних складових сумарної похибки вимірювань об'єму природного газу є похибка від неприведення об'єму до стандартних умов в комунально-побутовій сфері. Це приводить до того, що дисбаланси між даними газозбутових організацій і показами лічильних механізмів ЗВТ обліку газу, особливо в зимову пору, можуть складати 5-8% від усього спожитого газу в комунально-побутовій сфері.

Іншою методологічною та технічною проблемою обліку газу в комунально-побутовій сфері є побудинковий облік, за якого діапазон вимірювання об'ємних витрат може знаходитись у межах 1:1000 і ширше, але існуючі технічні засоби обліку здатні забезпечити вимірювання з регламентованою точністю та достовірністю тільки в діапазоні 1:250.

Важливою умовою підвищення точності вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу є покращення якості та надійності технічних засобів вимірювання, створення нормативної бази для їх належної експлуатації.

Таким чином, вирішення науково-прикладної проблеми підвищення точності, забезпечення єдності та достовірності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу в процесі його комерційного обліку, гармонізації з міжнародними та європейськими нормами та правилами є актуальним завданням, що має важливе народногосподарське значення для України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у Державному підприємстві "Івано-Франківський регіональний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації" та Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу. Дослідження, проведені в рамках дисертаційної роботи, пов'язані з виконанням Державної програми розвитку еталонної бази на 1993-2006 рр., затвердженої Головою Держстандарту України 28.12.1992 р. за темою НДР "Актуалізована програма створення еталонної бази України до 2006 року" (ДОН 0206U007471), а також згідно з Державною програмою розвитку еталонної бази на 2006-2010 роки, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 01 березня 2006 року № 228 за темою НДР "Державна програма розвитку еталонної бази на 2006-2010 роки" (ДРН 0106U006782). Дисертаційні дослідження також пов'язані з виконанням теми КООМЕТ (Євро-Азійського співробітництва державних метрологічних установ) № 219/SK-а/00 "Реализация сличений эталонного испытательного оборудования в диапазоне расхода газа: А) (0,06-10) м 3 · ч-1; В) (100-1000) м 3 · ч-1". Тематика дисертаційної роботи також є частиною робіт, виконаних на замовлення НАК "Нафтогаз України" в рамках забезпечення виконання Постанови Кабінету Міністрів України №42 від 17.06.1994 "Програма виробництва засобів обліку витрачання паливно-енергетичних ресурсів і приладів регулювання систем енерго-, водо-, тепло- та газопостачання на промислових підприємствах і побуту" за темами: "Дослідження впливу температурного фактора навколишнього та робочого середовища на достовірність обліку газу в комунально-побутовій сфері" (виконувалась в 2001 р.), "Розроблення таблиць та номограм для визначення температурних поправочних коефіцієнтів до показів побутових лічильників газу в експлуатації" (виконувалась в 2003-2004 рр.). Усі згадані роботи виконувались за безпосередньої участі та під науковим керівництвом автора.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є вирішення важливої науково-прикладної проблеми в галузі приладів та методів вимірювання механічних параметрів газоподібних середовищ - розроблення і впровадження науково-методологічних та технічних засад забезпечення точності вимірювань об'єму та об'ємної витрати природного газу в процесі його обліку та створення необхідної нормативної бази.

Для досягнення поставленої мети сформульовані такі завдання досліджень:

1. Проаналізувати сучасний стан науково-методичного та технічного забезпечення вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу.

2. Дослідити фізичні процеси та розробити математичні та метрологічні моделі еталонів і технічних засобів вимірювань об'єму та об'ємної витрати, а також вдосконалити методи визначення та контролю їх метрологічних характеристик.

3. Дослідити вплив на точність вимірювання витрати газу фізико-хімічних параметрів вимірювального середовища, кліматичних та географічних чинників, а також стандартних умов зведення результатів виміряних лічильниками об'ємів газу та здійснити їх математичне моделювання.

4. Розробити та впровадити в метрологічну практику нову повірочну схему для засобів вимірювальної техніки одиниць об'єму та об'ємної витрати газу.

5. Удосконалити існуючі та розробити нові способи, методи та технічні засоби вимірювання витрати газу, коректування вимірюваних лічильниками об'ємів газу, запропонувати технічні рішення для їх реалізації.

6. Розробити та впровадити гармонізовану з європейською нормативну базу для реалізації розроблених методів та засобів забезпечення точності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу.

7. Розробити методологію оцінки якості та надійності витратовимірювальної техніки на стадії її розроблення, виготовлення, експлуатації та шляхи її реалізації в Україні.

Об'єкт дослідження - засоби та технології вимірювання об'єму та об'ємної витрати природного газу.

Предмет дослідження - методологія забезпечення точності вимірювання, математичні та метрологічні моделі технічних засобів відтворення та вимірювання одиниць об'єму та об'ємної витрати газу.

Методи досліджень. Теоретичні та експериментальні дослідження впливу кліматичних і географічних чинників базуються на використанні методів теорій теплопровідності та теплообміну, газодинаміки, планування та постановки експерименту, математичної статистики; у дослідженнях та розробленнях математичних і метрологічних моделей, градуювальних характеристик засобів вимірювання застосовувались методи математичного моделювання, теорії похибок, регресійного та кореляційного аналізу, числових методів досконалого циклічного перетворення; в оцінці технічного рівня та надійності використовувались методи математичної статистики, теорії систем та аналізу ієрархії, теорії похибок і надійності.

Методологічну основу дисертаційної роботи складає комплексний підхід до аналізу та вдосконалення методичних, інструментальних і метрологічних аспектів вимірювання витрати природного газу на базі методів статистичної теорії оцінювання та перевірки гіпотез.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних теоретичних та експериментальних досліджень:

- вперше встановлено залежності змін метрологічних та експлуатаційних характеристик різних типів лічильників газу від фізико-хімічних параметрів вимірювального середовища та запропоновано опосередкований метод їх визначення в реальних умовах експлуатації лічильників газу на основі проведеної метрологічної атестації на повітрі за атмосферного тиску, що підвищує точність обліку;

- вперше одержано математичні залежності впливу кліматичних та географічних чинників на точність вимірювання об'єму газу в комунально-побутовій сфері, що дало можливість з допомогою графоаналітичних методів, ввести поправкові коефіцієнти на виміряний лічильником об'єм газу без необхідності вимірювання температури газу та атмосферного тиску, з метою приведення об'єму до стандартних умов;

- вперше обґрунтовано та встановлено необхідність перегляду стандартних температурних умов приведення об'єму газу в процесі його обліку та гармонізацією їх з нормою, прийнятою в більшості країн Європи (15°С), що дає можливість зменшити втрати газозбутових організацій в комунально-побутовій сфері і підвищити точність обліку;

- вдосконалено, порівняно з зарубіжними аналогами, математичну та метрологічну моделі вторинного еталону одиниці об'єму та об'ємної витрати газу на базі установки з еквівалентним витісненням у частині визначення чинника дії виштовхувальної сили під час зважування мастила та густини навколишнього повітря, що підвищує точність еталону;

- вдосконалено методологію визначення і контролю метрологічних і градуювальних характеристик робочих еталонів з використанням методів дисперсійного аналізу та найменших квадратів і перевірки правильності вибраної апроксимаційної залежності, що підвищує точність відтворення та передачі одиниці об'єму та об'ємної витрати робочим ЗВТ;

- розроблено нову структурну модель повірочної схеми для засобів вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу з введенням в неї поля вторинних еталонів та еталонів передавання; розроблено методологію передавання відповідних одиниць методом прямих вимірювань і методом безпосереднього звірення, який є найбільш точним у метрологічній практиці і дає змогу виявити систематичні складові похибки еталонів;

- створено сертифікаційну модель витратовимірювальної техніки, яка характеризується групуванням показників за ознаками безпеки, конструктивними, експлуатаційними, ресурсними та метрологічними ознаками і є основою для розроблення технічного регламенту й оцінки технічного рівня якості методом аналізу ієрархій оцінок показників якості, що підвищило точність експертних оцінок показників якості.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено та впроваджено в практику нову державну повірочну схему для засобів вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу (ДСТУ 3383:2007);

2. Розроблено та впроваджено в метрологічну практику вторинний еталон (ДП "Івано-Франківськстандартметрологія"), робочі еталони на базі резервуара високого тиску (ВАТ "Івано-Франківськгаз") та еталони передавання одиниць об'єму та об'ємної витрати газу (ДП "Івано-Франківськстандартметрологія");

3. Запропоновано патентозахищене технічне рішення, на основі якого сконструйовано та впроваджено в практику компаратор для проведення звірянь державних еталонів дзвонового типу на базі критичного сопла та пристрою для інжектування потоку.

4. Розроблено ряд патентозахищених технологій і способів підвищення точності вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу (способи та системи побудинкового обліку, ПКГ-номограми, способи градуювання та повірки лічильників газу), технічних засобів для їх реалізації (механічний коректор, компаратор для звірянь еталонів), більшість з яких впроваджено в метрологічну практику;

5. Розроблено та впроваджено в метрологічну практику низку нормативних документів, а саме: ДСТУ 3867_99 "Лічильники газу турбінні. Загальні технічні умови", МВУ 017-03-2004 "Методика коригування показів побутових лічильників газу", МВУ 016/03-03 "Об'єм природного газу за стандартних умов. Типова методика виконання вимірювань з використанням лічильника газу, манометра та термометра", РМУ 01-07-2004 "Метрологія. Міжповірочні інтервали побутових лічильників газу в процесі експлуатації. Методика коригування", МДУ 010/03-2001 "Метрологія. Вузли автоматизованого обліку об'єму природного газу на базі лічильника газу з вимірювальними комплексами (коректорами об'єму газу). Програма і методика державної метрологічної атестації".

6. Відповідно до Директиви 2004/22/ЕС Європарламенту на вимірювальні прилади розроблено проект технічного регламенту: "Технічний регламент з підтвердження відповідності лічильників газу та пристроїв перетворення об'єму";

7. Одержані в роботі наукові результати і підготовлені за участі автора навчальний посібник "Вимірювання тиску" та довідник "Вимірювання витрати та кількості газу" успішно використовуються в навчальному процесі кафедри інформаційно-вимірювальної техніки ІФНТУНГ, зокрема, в курсі "Метрологія і технологічні вимірювання в нафтовій і газовій промисловості", а також інженерно-технічними працівниками метрологічних служб організацій та підприємств України.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати роботи одержані автором самостійно. Сформульовано методологічні основи підвищення точності та забезпечення достовірності вимірювання витрати газу; запропоновано спосіб та технологію побудинкового обліку газу, доцільність перегляду стандартних температурних умов приведення об'єму газу, розроблення та впровадження нової повірочної схеми для засобів вимірювальної техніки об'єму та об'ємної витрати; розроблено методи й алгоритми дослідження та контролю метрологічних характеристик робочих еталонів одиниць об'єму, визначення міжповірочних інтервалів та інших показників надійності витратовимірювальної техніки, запропоновано сертифікаційну модель лічильників газу, застосування методу аналізу ієрархій для оцінки технічного рівня витратовимірювальної техніки.

У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: обґрунтування алгоритму ідентифікації законів розподілу похибок еталона [17]; постановка задач, обґрунтування і розроблення методів дослідження впливу кліматичних і географічних чинників на достовірність обліку [16, 18, 21, 42, 46]; ідея та принципи використання номограм для приведення облікованого об'єму газу до стандартних умов [19, 35, 60]; ідея та методологія введення поля еталонів передавання та вторинних еталонів [23]; обґрунтування фізичних процесів під час розроблення математичних моделей та принципів побудови метрологічних моделей технічної основи метрологічного забезпечення вимірювань витрати [20, 29, 33, 34, 36, 44, 45]; обґрунтування методологічних підходів до питання точності обліку газу [27, 32, 39,48]; ідеї та обґрунтування нових технічних рішень, способів і технологій вимірювань витрати газу, вдосконалення технічних засобів метрологічного забезпечення вимірювань [22, 28, 31, 37, 38, 40, 41, 47, 49-59]; принципи застосування статистичних методів контролю якості та надійності витратовимірювальної техніки [25, 26]; обґрунтування оптимальної номенклатури технічних і метрологічних вимог, їх значень [24, 43].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на:

- Всеукраїнській науково-технічній конференції "Проблеми забезпечення обліку газу в Україні", м. Івано-Франківськ, жовтень 1998 р., квітень 2001р.; ІІ-ій міжнародній нафтогазовій конференції "Україна: енергетичний вузол Європи" в рамках Енергофорума "Україна - 2002", м. Київ, 22-23 травня 2002 р.; ІІІ-ій міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2002)", м. Харків, 8-10 жовтня 2002 р.; науково-технічній конференції "Приладобудування 2002: підсумки і перспективи", м. Київ, 2002 р.; ІІІ-ій науково-технічній конференції "Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання", м. Івано-Франківськ, 3-6 грудня 2002 р.; ІІІ-ій науково-технічній конференції "Приладобудування: стан і перспективи", м. Київ, 2004 р.; Х-ій науково-технічній конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах", м. Хмельницький, 28-31 травня 2003 р; VІІІ-ій міжнародній науково-технічній конференції "Нафта і газ України - 2004", м. Судак, 29 вересня - 01 жовтня 2004 р.; ІV-ій міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2004)", м. Харків, 12-14 жовтня 2004 р.; ІV-ій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Вимірювання витрати та кількості газу і нафтопродуктів", м. Івано-Франківськ, 17-20 травня 2005 р.; IV-ій науково-технічній конференції "Приладобудування 2006: стан і перспективи", м. Київ, 2006 р.; V-ій міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2006)", м. Харків, 10-12 жовтня 2006 р.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 60 наукових працях, із них 11 одноосібних, у тому числі в одному посібнику, в одному довіднику, у двох державних стандартах України, в 30 статтях у наукових журналах, у 14 наукових працях у збірниках матеріалів конференцій, в 12 патентах на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Робота складається зі вступу, шести розділів, висновків та додатків. Матеріали викладено на 380 сторінках; робота містить 43 таблиці, 103 рисунки, список публікацій з 192 найменувань та 15 додатків на 55 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та основні завдання досліджень, показано зв'язок дисертації з науковими програмами та планами, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. Визначено особистий внесок здобувача та наведено інформацію про впровадження результатів роботи.

У першому розділі проведено аналіз стану наукового, методологічного, технічного і нормативного забезпечення вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу з метою достовірного його обліку. У роботах багатьох вчених у галузі витратометрії (Бродін І.С., Пістун Є.П., Чеховський Є.А., Середюк О.Є., Большаков В.Б. (Україна), Кремльовський П.П., Данилов М.А., Ківіліс С.С., Бірюков Б.В., Плотников В.М., Подрешетников В.А., Павловський А.Н., Тупіченков А.А. (Росія), М. Ван Дер Беек (Нідерланди), Г. Маттінглі, А. Джонсон (США), Й. Допке (Польща), М. Такамото (Японія), Р. Крамер (Німеччина), та ін.) аналізуються методи та способи обліку газу, технічні засоби обліку, їх точність та достовірність. В Україні, на відміну від інших європейських країн, до недавнього часу найбільш поширеним методом вимірювання витрати газових потоків був метод із застосуванням стандартних пристроїв звуження потоку (метод змінного перепаду тиску). Аналіз похибок показує, що властива даному методу вимірювань методична складова похибки (похибки коефіцієнта витрати звужувального пристрою, коефіцієнтів корекції на шорсткість трубопроводу і притуплення країв отвору звужувального пристрою, коефіцієнтів розширення та стиснення, вимірювання діаметра трубопроводу та ін.) у 2-3 рази може перевищувати інструментальну складову, тобто похибки використаних ЗВТ (діафрагми, вимірювальних перетворювачів тиску та температури, обчислювача (коректора) кількості газу). Але якщо метод змінного перепаду тиску є, фактично, безальтернативним для вимірювання витрат на магістральних газопроводах, то вимірювання об'єму газу на газопроводах середнього та малого діаметрів з використанням лічильників є більш перспективним, у першу чергу за рахунок розширеного діапазону вимірювання витрат, що може складати 100:1 і більше. Як і у випадку застосування методу змінного перепаду тиску, тут також необхідно застосовувати коректори виміряного значення об'єму з метою приведення його до стандартних умов. Але похибки вимірювання об'ємів газу в комунально-побутовій сфері лічильниками можуть бути суттєвими, так як лічильники вимірюють об'єм газу в трубопроводі в реальних умовах і в конструкції переважної більшості лічильників відсутні механізми корекції з тиску та температури газу (тільки окремі типи імпортних лічильників обладнанні елементами температурної компенсації, а компенсація з тиску взагалі не передбачена). Так як реальний надлишковий тиск газу комунально-побутовому секторі в основному становить 2-3 кПа, то абсолютний тиск газу, який приймається для розрахунку під час приведення об'ємів до стандартних умов, буде характеризуватись в основному атмосферним тиском. У зв'язку з наявністю в Україні високогірних населених пунктів, де атмосферний тиск може становити 92-94 кПа, який значно нижчий від тиску за стандартних умов (101,325 кПа), споживачі газу можуть нести значні збитки під час обліку газу тільки за показами лічильного механізму лічильника газу. Таким чином, на основі аналізу стану науково-методологічної основи забезпечення обліку газу сформульовано завдання досліджень впливу кліматичних та географічних чинників на його точність.

Іншим вагомим чинником підвищення точності обліку газу є зменшення методичних і інструментальних похибок у процесі відтворення, зберігання та передачі одиниці вимірювання об'єму та об'ємної витрати від державного еталона до технічних засобів вимірювання. В Україні з 1996 року, зі створенням за участю автора і введенням в дію державного еталону одиниці об'єму та об'ємної витрати газу ДЕТУ 03-01-96, впроваджено в дію ДСТУ 3383-96 "Метрологія. Державна повірочна схема для засобів об'єму та об'ємної витрати газу". Стрімке зростання в останні роки парку робочих ЗВТ за рахунок як ввезення їх із-за меж держави, так і власного виробництва, розмаїття їх типів і типорозмірів призвело до суттєвого зростання кількості робочих еталонів, що, у свою чергу, збільшило навантаження на державний еталон. Зростаючі вимоги до точності вимірювань витрати та кількості газу, перетворення цих параметрів із технологічних у комерційні, змусили приладобудівні підприємства суттєво підвищити точність робочих ЗВТ, що ними випускались. У зв'язку з цим виникла необхідність підвищення точності робочих еталонів. Таким чином, з точки зору метрологічної ієрархії, постало очевидним питання розроблення нової державної повірочної схеми. Реалізація спільного проекту трьох країн - України, Білорусії та Молдови зі створення Східно-Європейського Регіонального метрологічного центру в м. Боярка з використанням вихідних еталонів одиниць об'єму та об'ємної витрати газу, які відтворюють дані одиниці з похибкою <0,1% і реалізованих технічними засобами, які мають різні принципи роботи (дзвоновою, поршневою та сопловою установками), різні робочі середовища (природний газ та повітря), в різних умовах їх фізичного стану (тисків від 0,01 МПа до 7,5 МПа) потребує розроблення наукової концепції проведення звірянь даних еталонів з державним еталоном. Вона повинна передбачати вибір технічних засобів для практичної реалізації звірянь, розроблення теоретичної бази для розрахунку похибок та їх взаємозв'язку для різних середовищ (повітря, природний газ), їх стану (особливо з тиску), проведення повірок та калібрування ЗВТ на природному газі або перерахунок метрологічних характеристик, одержаних на одному робочому середовищі і одержання їх на іншому робочому середовищі. Враховуючи, що використання природного газу як робочого середовища в метрологічній практиці не передбачено жодним нормативним документом, наукові дослідження в частині теорії розрахунку похибок під час калібрування та повірки в різних робочих середовищах робочих еталонів та ЗВТ є завданням дисертаційної роботи.

Підвищення точності вимірювання об'єму й об'ємної витрати та достовірності обліку неможливе без належного функціонування нормативної бази, у т.ч. методик виконання вимірювань, повірки та калібрування, стандартизації технічних вимог до ЗВТ, а також ефективного менеджменту якості та надійності ЗВТ в умовах їх виробництва й експлуатації.

Таким чином, на основі аналізу стану вимірювання витрати та кількості газу визначено основні напрямки вирішення проблеми забезпечення точності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу в процесі його обліку й обґрунтовано напрям досліджень.

У другому розділі викладено результати теоретичних досліджень математичних та метрологічних моделей технічних засобів відтворення, зберігання та передачі одиниць об'єму й об'ємної витрати газу робочим ЗВТ. Питання достовірної оцінки метрологічних характеристик еталонів, які характеризуються невиключеною систематичною похибкою (НСП) і випадковою складовою, у багатьох випадках залежить від коректної ідентифікації закону розподілу похибок і визначення довірчого інтервалу, в якому із заданою ймовірністю Р знаходиться похибка або її складові. У дисертаційній роботі наведені результати досліджень вимірювальних каналів температури та надлишкового тиску державного еталона об'єму й об'ємної витрати газу з об'ємом вибірки n=500 (в програмі та методиці метрологічної атестації державного еталона об'єм вибірки під час оцінки МХ вимірювальних каналів становив 40).

Ідентифікацію закону розподілу здійснено на основі запропонованого з участю автора методу, який полягає в побудові гістограми розподілу і визначенні за її параметрами оцінок центру розподілу, середньоквадратичного відхилення, асиметрії, ексцесу, контрексцесу та ентропійного коефіцієнта. Порівнюючи значення ентропійного коефіцієнта, ексцесу та контрексцесу з їх значенням для різних видів розподілу, і враховуючи оцінку асиметрії розподілу визначаємо його вид з використанням графіка топографічної класифікації розподілів. Далі проводиться підбір аналітичної моделі з урахуванням попередньо визначених показників розподілу. У результаті побудови гістограми розподілу виміряних значень надлишкового тиску в державному еталоні встановлено ділянку нестаціонарного стохастичного процесу зміни надлишкового тиску під дзвоном, причиною якого була недосконалість конструкції пристрою стабілізації тиску в еталоні, реалізованого на принципі механічної компенсації ваги дзвона за допомогою вантажів.

У результаті внесених змін у конструкцію пристрою стабілізації тиску під дзвоном із застосуванням компенсатора виштовхувальної сили на базі "спіралі Архімеда" та проведених експериментальних досліджень, встановлено стаціонарність процесу зміни тиску під дзвоном внаслідок зменшення розсіювання результатів повторних вимірювань (загальний розкид даних вимірювань тиску зменшився з 0,018 кПа до 0,013 кПа) та нормальність закону розподілу похибок з меншим середньоквадратичним відхиленням (0,002 кПа), ніж було задекларовано під час здачі еталона в експлуатацію (0,005 кПа)

Аналітична функція даного розподілу описується рівнянням

,

де х - виміряне значення тиску; у - оцінка середньоквадратичного відхилення.

Також була побудована гістограма розподілу виміряних значень температури під дзвоном, за параметрами якої ідентифіковано закон розподілу похибок та підібрана його аналітична модель. Як видно- даний розподіл відноситься до класу експоненційних ущільнених розподілів, аналітична функція якого описується рівнянням

.

Отже, запропонований метод ідентифікації законів розподілу похибок еталонів дає можливість підвищити точність оцінювання похибок еталонів статистичними методами, а також виявити технічні недоліки складових елементів еталонів, усунення яких дає змогу підвищити точність еталонів у цілому.

Зростання парку робочих еталонів створює перевантаження державного первинного еталона, тому є нагальна потреба у створенні вторинних еталонів, що передбачено новою редакцією ДСТУ 3383 та "Державною програмою розвитку еталонної бази на 2006-2010 роки", затвердженою постановою Кабінету Міністрів України № 228 від 01 березня 2006 р. На основі міжнародного досвіду в галузі еталонних засобів витратометрії, під науковим керівництвом автора, в Україні здійснюється реалізація вторинного еталона в діапазоні малих витрат від 0,016 до 4 м 3/год (тобто нижче межі діапазону вимірювань державного еталона ДЕТУ 03-01-96) на базі установки еквівалентного витіснення рідини

Незважаючи на те, що принцип дії еталона є досить простий в реалізації, на практиці слід враховувати впливові чинники: дії виштовхувальної сили під час зважування; температурних градієнтів у повітряній та мастильній секціях еталона; різниці барометричних тисків на досліджуваній ділянці та ємності. З метою аналізу впливу вказаних чинників на метрологічні характеристики розроблена математична модель еталона. Вона ґрунтується на балансі мас повітря на дослідній ділянці еталона та ємності й об'ємів повітря в ємності VD і мастила Vm, що витісняється, виражених через масу мастила у зважувальній ємності m і густини мастила та повітря (сm і сн.п відповідно).

На основі розробленої математичної моделі одержано рівняння вимірювань еталона:

де Рє, Тє - відповідно тиск та температура повітря в ємності;

РD, ТD - відповідно тиск та температура повітря в дослідній ділянці.

На основі одержаного рівняння вимірювань проведено метрологічний аналіз вторинного еталона. Складові, що визначаються шляхом вимірювання, мають невизначеність, що складається із невизначеності робочих еталонів, за допомогою яких проводилась метрологічна атестація вимірювальних каналів вторинного еталона та з невизначеності, зумовленої відтворюваністю результатів вимірювання вимірювальними каналами.

Під час атестації каналів тиску враховується різниця висот розміщення ємності з мастилом і дослідної ділянки, а під час визначення густини навколишнього повітря враховується його вологість. Густина мастила також визначається з урахуванням її коефіцієнта теплового розширення. Формули для визначень відповідних величин наводяться в роботі.

Сумарна невизначеність вимірюваної величини визначається на основі внесків вхідних величин у сумарну невизначеність за формулами:

Проведений аналіз показує, що найбільш вагомими джерелами сумарної невизначеності є невизначеність вимірювання температури повітря в ємності і в дослідній ділянці та невизначеність вимірювання густини мастила. На основі вказаного алгоритму розроблена методика метрологічної атестації вторинного еталона одиниці об'єму та об'ємної витрати газу.

Однією з важливих робіт у забезпеченні достовірності вимірювань витрати природного газу є вдосконалення методів передачі розмірів одиниць об'єму й об'ємної витрати газу від державного та вихідних еталонів до робочих еталонів (РЕ), тобто індивідуально відградуйованих та атестованих робочих лічильників газу турбінного, роторного та барабанного типів. Автором проведено дослідження стабільності та відтворюваності метрологічних характеристик (МХ) РЕ на протязі міжповірочного інтервалу, на основі якого запропоновано додатково в ході метрологічної атестації (МА) визначати фактор апроксимаційної залежності, суть якого полягає в наступному. Дійсна функція перетворення fi(x) даного РЕ в момент вимірювання t може відрізнятись від індивідуальної градуювальної характеристики (ГХ) f2(x) внаслідок неточності її встановлення під час градуювання, проведеного попередньо в момент часу t0, а також нестабільності за проміжок часу t-t0. Неточність встановлення ГХ під час МА РЕ є результатом відмінності між видом дійсної функції перетворення та її прийнятою апроксимацією. Вплив цього чинника може бути зведений до мінімуму вибором відповідного виду функції f2(x). Найбільш бажаною для РЕ об'єму газу є лінійна функція перетворення y=a+bx, де a - вільний член функціональної залежності, b - коефіцієнт перетворення. Для досягнення цієї мети автором запропоновано наступний метод досліджень та контролю МХ РЕ:

а) сукупність результатів багаторазових вимірювань у кожній точці діапазону розділяють на декілька серій, які проводять у різні інтервали часу. З використанням методу дисперсійного аналізу обчислюють дві оцінки дисперсії випадкової величини x: у середині кожної серії і міжсерійну . На основі розподілу

залежно від його величини з довірчою ймовірністю Р=95% з допомогою таблиць знаходять межі значень, для яких підтверджується гіпотеза, що всі одиничні вимірювання належать одній генеральній сукупності і, таким чином, позбавлені систематичної складової похибки;

б) на основі одержаних експериментальних даних (Xi, Yij), i = 1...m, де Xi - відомі величини, що поступають на вхід РЕ; Yij - результати багаторазових вимірювань у точці Yi на виході РЕ; m - число точок діапазону, в якому виконувались вимірювання; j = 1...ni, де n - число вимірювань в і-й точці, методом найменших квадратів будують ГХ з лінійною функцією перетворення у вигляді:

де - середнє значення величин Хі.

Оцінки коефіцієнтів ГХ з урахуванням рівної кратності спостережень на всіх точках діапазону (ni = n) будуть мати такий вигляд:

де - результат вимірювання в точці yi.

в) оцінюють середньоквадратичні відхилення і межі похибок для параметрів ГХ та перевіряють правильність апроксимаційної залежності (або оцінюють ступінь відхилення дійсної залежності від вибраного виду (в даному випадку лінійної)), а також узгодженість експериментальних даних з побудованою ГХ. Для перевірки узгодженості ГХ розглядають відхилення Ді=yi-y, де yi - результати вимірювань; y - розрахункові значення, одержані згідно з побудованою ГХ. Якщо вид ГХ вибраний правильно, то відхилення Д 1, Д 2 ... Дm повинні мати випадковий характер і утворити вибірку з нульовим середнім. Якщо узгодженість незадовільна, то уточнюють ГХ тобто знаходять ту ділянку діапазону вимірювань, де ГХ має ближчий до лінійної вигляд;

г) під час повірки РЕ після визначення нової ГХ і оцінки її похибки порівнюють нову ГХ з раніше прийнятою за результатами МА. Якщо значення ГХ за міжповірочний інтервал не перевищує встановлених меж, то в подальшому використовують нову ГХ. Якщо ж зміна ГХ стала недопустимо значною, то РЕ бракується.

Даний метод ліг в основу розроблених за участю автора методик МА та повірки РЕ, які успішно використовуються в метрологічній практиці територіальних органів Держспоживстандарту України.

Відомо, що градуювання і повірка лічильників газу в умовах, відмінних від робочих, викликає додаткову похибку в процесі обліку витрат газу. Характер залежності МХ лічильників газу від фізико-хімічних параметрів вимірюваного середовища різний для різних типів лічильників, що викликано різним принципом дії. У дисертаційній роботі показано, що для тахометричних (швидкісних) лічильників газу (турбінних, ультразвукових, вихрових) найбільш впливовим фактором на зміну МХ є число Рейнольдса - Re, яке є критерієм подібності потоку, тому можна стверджувати, що за однакових чисел Re, однаковими будуть і похибки вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу. Число Re, у свою чергу, визначається рядом параметрів, серед яких найбільш суттєвим є густина вимірювального середовища (повітря за атмосферного тиску чи природного газу за робочих тисків для наших умов досліджень). У результаті проведених досліджень для визначення МХ тахометричних лічильників газу в процесі експлуатації їх в реальних умовах запропонований наступний метод. Діапазон витрат досліджуваного лічильника, за яких проводитиметься безпосередньо градуювання, переводиться до відповідних значень числа Re за формулою

,

де qv - об'ємна витрата вимірюваного середовища; D - діаметр умовного проходу лічильника газу; с - густина вимірюваного середовища; м - динамічна в'язкість вимірюваного середовища. Мінімальна допустима витрата тахометричного лічильника для умов, відмінних від умов градуювання визначається співвідношенням:

,

де Ратм - атмосферний тиск, Рроб - тиск газу в робочих умовах.

Далі проводиться безпосередньо градуювання за різних тисків робочого середовища. Результуюча градуювальна характеристика визначається шляхом інтерполяції функції

Таким чином криві одержані під час градуювання на високих тисках, є продовженням градуювальної кривої, одержаної за результатами досліджень лічильника на повітрі за тиску, близького до атмосферного. Градуювальні характеристики об'ємних лічильників газу (мембранних та роторних) визначаються наявністю перетоків газу через щілинні зазори. Як і для тахометричних лічильників газу діапазон вимірювання витрати об'ємних лічильників для умов, відмінних від умов градуювання, буде різним і визначатиметься зі співвідношення:

для нижньої межі вимірювання витрат: ;

для верхньої межі вимірюваних витрат: .

Тому для побудови градуювальної характеристики роторного та мембранного лічильника газу для умов, відмінних від умов градуювання розраховуються нижня і верхня межі вимірювальних витрат. До точки 0,2qmax градуювальні характеристики за різних умов не відрізняються. Проміжні точки градуювальної характеристики від 0,2qmax до qmax визначаються шляхом інтерполяції.

За безпосередньої участі автора проведено серію досліджень характеру зміни МХ на базі діючої калібрувальної установки, що функціонує на ГРС ВАТ "Івано-Франківськгаз". За результатами досліджень, встановлено, що похибки в основному діапазоні вимірювань роторних та турбінних лічильників у процесі роботи на природному газі зменшуються зі зростанням тиску вимірюваного середовища (до 0,2 - 0,3 % за тиску 0,6 МПа).

У третьому розділі викладено результати теоретичних та експериментальних досліджень дії впливових чинників навколишнього середовища на точність вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу в комунально-побутовій сфері. Метою досліджень є розроблення математичних моделей зміни температури та тиску газу на виході з лічильника (що є характерною точкою вимірювання вказаних параметрів під час приведення об'єму облікованого газу до стандартних умов) залежно від умов навколишнього середовища. Відправною точкою, з якої розпочато дослідження, є газорозподільні станції (ГРС), на яких дані параметри стану газу вимірюються. Після ГРС під час транспортування газу до комунально-побутового сектора підземним газопроводом, його температура змінюється за рахунок теплообміну з навколишнім середовищем, тобто температурним полем, яке створюється в ґрунті навколо газопроводу. На основі функції температури повітря в будь-якому регіоні України, яка описується рівнянням