Науково-методологічні та технічні засади забезпечення точності вимірювань витрати газу

,

де Тер - середньорічна температура повітря в регіоні; А =(Тлип-Тсіч)/2, де Тлип, Тсіч - середні температури відповідно липня і січня місяців; ф - час; щ, е - параметри закону Тр.

У технічній літературі [Дубина, Красовицкий Б.А., 1983] подається формула для визначення температури ґрунту, що записується у вигляді:

де

бn - коефіцієнт теплопередачі з поверхні ґрунту в атмосферу; л - коефіцієнт теплопровідності ґрунту; б - коефіцієнт температуропровідності; Ге - геотермічний градієнт; у - ордината, направлена до центру землі; п - номер місяця в році; фт - кількість годин в одному місяці року.

На основі даних гідрометеоцентру середньорічних та середньомісячних температур для кожного регіону України, довідкових даних фізичних коефіцієнтів, що входять у формулу (5), проведено розрахунки природного температурного поля в ґрунті на глибині 0,8 м, де розміщуються осі газопроводів низького та середнього тиску. У подальшому дослідження теплових режимів газопроводів проводились з використанням формули Шухова:

де Тг - температура газу в певній точці газопроводу; Тс - температура середовища навколо газопроводу (ґрунту - для підземних газопроводів, атмосферного повітря - для надземних газопроводів та повітря в кімнаті - для ділянки газопроводу від входу в опалювальне приміщення до лічильника); Тпоч - температура газу на початку газопроводу (підземного, надземного, кімнатного); k - коефіцієнт теплопередачі від газу до середовища навколо газопроводу; Dн - діаметр труби газопроводу; Х - відстань від початку до досліджуваної точки газопроводу; Ср - питома теплоємність газу; Gm - масова витрата газу на досліджуваній ділянці газопроводу.

На основі рівнянь (5), (6), а також будівельних норм розміщення ГРС від житлових приміщень (не менше 15 м) в роботі теоретично доведено, що в розрахунках температуру газу, що поставляється в комунально-побутову сферу підземними газопроводами в різних регіонах України, можна приймати рівною температурі ґрунту на глибині прокладення газопроводу. Аналогічно розраховані температурні режими надземних газопроводів, по яких газ подається в приміщення. Одержані дані розрахунків свідчать про те, що вже на відстані 2-2,5 м від місця виходу газопроводу із землі температура газу в надземному газопроводі практично досягає температури повітря навколишнього середовища. Звідси можна робити висновок, що газ в житлове приміщення входить з температурою повітря навколишнього середовища. Далі в житловому приміщенні досліджувались процеси теплообміну та теплопередачі системи, що складається з ділянки трубопроводу, прокладеного в приміщенні та лічильника газу. На основі формул, що описують процеси теплообміну в трубопроводах [Ходакович, Кривошеин Б.Л., Бикчентай Р.Н., 1971] та тонких стінках геометричних тіл (лічильників) [Уоинг Х., 1979], а також з використанням результатів експериментальних досліджень з визначення коефіцієнтів теплопередачі запропонована математична модель залежності температури газу від температури повітря навколишнього та робочого середовища в якому встановлюються лічильники газу:

де Тс - температура середовища (повітря) навколо лічильника газу; Тнс - температура повітря навколишнього середовища; qv - об'ємна витрата газу; Dн - зовнішній діаметр трубопроводу; Х - довжина цього трубопроводу; kt - коефіцієнт теплопередачі від газу в газопроводі до повітря в опалювальному примішенні; kЛ - коефіцієнт теплопередачі від газу в лічильнику до повітря навколо лічильника; F - площа поверхні теплообміну в лічильнику; с - густина газу.

Із формули (7) витікає, що у випадку встановлення лічильника надворі, температура облікованого ним газу теж буде рівна температурі навколишнього середовища.

Іншим чинником, що впливає на достовірність обліку газу, є атмосферний тиск, який залежить від висоти над рівнем моря і описується формулою:

де P0 - атмосферний тиск на висоті, прийнятій за початок відліку; М - молярна маса повітря; q - прискорення вільного падіння; R - універсальна газова стала; Тнс - температура навколишнього атмосферного повітря.

У загальному вигляді об'єм газу, зведений до стандартних умов, виражається як:

де Pa - абсолютний тиск газу, що складається з атмосферного тиску P та надлишкового Pн; V - облікований лічильником об'єм газу; То - температура газу за стандартних умов (293,15 К); Тг - температура облікованого газу; Ро - тиск газу за стандартних умов (101325 Па).

Таким чином, з урахуванням (7, 8, 9) за результатами теоретичних та експериментальних досліджень, узагальнена математична модель впливу кліматичних чинників на приведені до стандартних умов об'єми газу в побуті матиме вигляд:

Функція (10) зручна для розрахунків спожитого об'єму газу тим, що немає необхідності у вимірюванні основних інформативних параметрів газу: його тиску та температури, а дані, які необхідні для розрахунків, в основному всі довідкові (h, Pн, Tнс,qv, с, Cp) або встановлені експериментально (Dн, F, Kт, KЛ, Тс). За показами лічильника газу у звітний період (наприклад, місяць), можна обчислити відповідно до (10) облікований об'єм газу за стандартних умов.

На основі рівняння (9, 10) була розроблена програма для ПЕОМ визначення поправкових температурних та барометричних коефіцієнтів до об'ємів споживання газу, облікованого в побуті лічильниками газу конкретних типів та типорозмірів у конкретного споживача в різних регіонах України. З допомогою цієї програми, оперуючи базами даних, можна визначити об'єми газу приведені до стандартних умов та сформувати базу даних про обліковані об'єми газу.

Також за участю автора розроблений патентозахищений спосіб приведення виміряного лічильниками об'єму газу до стандартних умов за допомогою номограм.

Номограми досить зручні в користуванні і можуть використовуватись у комерційних цілях газозбутовими організаціями для визначення поправкових коефіцієнтів до показів лічильників газу, що знаходяться в експлуатації, з метою підвищення точності обліку газу.

Автором також проведено дослідження впливу стандартних умов приведення об'єму газу на достовірність його обліку в побуті. Аналіз даних метеорологічних станцій України показує, що середньорічний (з урахуванням температур повітря) атмосферний тиск у газифікованих регіонах України може змінюватись від 96,4 кПа (Косівський район Івано-Франківської області) до 101,4 кПа (Білгород-Дністровський район Одеської області). Таким чином середньорічне значення атмосферного тиску в Україні становить 98,9 кПа. Реальне значення надлишкового тиску в газопроводах, які експлуатуються в побутовій сфері, становить від 1,2 до 3,0 кПа. Отже, абсолютний тиск газу в газопроводі, який складається з атмосферного та надлишкового і є характерним для приведення об'єму до стандартних умов, становитиме від 101,1 кПа до 101,9 кПа. Отже, номінальне значення тиску газу за стандартних умов (101,325 кПа) знаходиться практично в середині діапазону робочих тисків газу в побутовій сфері і не потребує перегляду.

Аналіз середньорічних температур газу, що поступає в комунально-побутову сферу протягом року в різних регіонах України за даними газозбутових організацій та розрахованих за формулою (10) показує їх набагато більшу збіжність до температури +15оС між +20оС.

На основі аналізу, з ймовірністю 0,95 встановлено, що середньорічна температура газу, який обліковується в комунально-побутовій сфері в усіх регіонах України буде знаходитись у межах від 13,82оС до 14,2оС.

З урахуванням облікованих об'ємів газу в 2005 році (за даними офіційного сайту ДК "Газ України") автором доведено, що з прийняттям за стандартну температуру 15оС втрати газозбутових організацій в комунально-побутовій сфері зменшаться на 1,7% (298698,6 тис.м 3). Тому актуальним є питання перегляду діючих нормативних документів (ГОСТ 2939-63) на предмет зміни номінального значення температури газу за стандартних умов і гармонізації його з нормою, прийнятою в більшості країн Європи.

Четвертий розділ дисертації присвячений розробленню та вдосконаленню науково-методологічних основ підвищення точності та достовірності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу.

За участі автора розроблені та впроваджені в практику основоположні документи нормативної основи метрологічного забезпечення вимірювань, у першу чергу ДСТУ 3383:2006 "Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу". Методологічними новаціями даної схеми є збільшення числа ступенів передачі одиниць за рахунок введення поля вторинних еталонів та еталонів передавання. Як еталони передавання застосовуються набори еталонних лічильників та витратомірів об'ємної витрати газу (в т.ч. сопел критичного витоку) з стабільними (відтворюваність ±0,05%) протягом тривалого часу МХ, що виражаються середнім квадратичним відхилом їх результатів звірень з державним еталоном не більше, ніж 1,5·10-3. Технологічними новаціями повірочної схеми є застосування в якості вторинних еталонів гравіметричних, PVTt-установок та установок еквівалентного витіснення. Використання даних установок створює перехід від вимірювання об'ємної витрати до вимірювання масової витрати, що дасть можливість у майбутньому об'єднати ці одиниці в одній повірочній схемі. Сумарний середній квадратичний відхил результатів звірення вторинних еталонів з державним еталоном не перевищує від 3·10-9 до 5·10-4 м 3/с залежно від значень об'ємних витрат, які відтворюються вторинним еталоном.

Одним із принципово нових питань витратометрії газу в Україні з створенням державного еталону одиниць об'єму та об'ємної витрати газу ДЕТУ 03-01-96 є проведення його звірянь з аналогічними еталонами інших держав. З урахуванням того, що еталони реалізовані технічними засобами, які мають різні принципи роботи (дзвонові, поршневі, соплові, PVTt-установки, гравіметричні, тощо) і відтворюють одиниці як об'ємної так і масової витрати, потребує розроблення концепція методології їх звірень, вибору технічних засобів для її реалізації. За безпосередньої участі автора розроблена методологія звірень еталонів на базі витратомірів з критичним витіканням газу.

Основним технічним засобом таких звірень є компаратор, який складається з витратоміра критичного витікання газу та системи забезпечення критичного режиму потоку.

Під час проведення звіряння газ від еталона проходить через критичний витратомір 1 і поступає у вхідну камеру 2 ГСІ. Всередині неї підтримуються параметри інжектованого потоку (абсолютний тиск Рі, абсолютна температура Ті) за рахунок подачі через вхідний патрубок 6 робочого середовища (стисненого повітря) з параметрами Рр, Тр від компресора 7, режим роботи якого встановлюється блоком керування 8. У робочій камері 3 інжектора проходить змішування потоків інжектованої Gі, і робочої Gр масових витрат, які на вході дифузора 4 з параметрами Gс, Рс, Гс стисненого потоку поступають в атмосферу. Приведення інжектованого потоку Gі до параметрів Рі, Ті, які забезпечують критичний режим протікання газу у витратомірі 1 здійснюється за допомогою сопла 5.

Основним розрахунковим параметром сопла 5 є площа його критичного перерізу, яка визначається за формулою:

де , - критична швидкість і відносний тиск робочого потоку при критичній швидкості відповідно; Рр, Кр - абсолютний тиск і показник адіабати робочого потоку відповідно.

У дисертації також конкретизована модель для розрахунку параметрів, що входять у формулу (11):

де Рор, Vор - тиск гальмування і питомий об'єм робочого потоку в ізоентропно загальмованому стані відповідно; U - коефіцієнт інжекції, який характеризує відношення масових витрат інжектованого і робочого потоків.

Так як в даній роботі розглядається питання звіряння еталонів як масової так і об'ємної витрат газу, то на основі рівності масової витрати газу на виході еталона і на вході ГСІ одержана функціональна залежність, яка встановлює зв'язок між об'ємною витратою Qе еталона і масовою витратою Gі інжектованого потоку ГСІ:

,

де Z, R - коефіцієнт стискування та питома газова постійна робочого середовища еталона, яка є інжектованим потоком у ГСІ відповідно.

Державний еталон та більшість вторинних еталонів являють собою складні динамічні системи, які не підлягають демонтажу та перевезенню. Тому, з метою забезпечення можливості передачі розміру одиниць об'єму та об'ємної витрати газу методом безпосереднього звірення вторинним та робочим еталонам, а також проведення їх взаємних звірень, автором запропоновано ввести в повірочну схему поле еталонів передавання та розроблено методологію передачі одиниць та звірень з їх застосуванням. У роботі сформульовані основні технічні вимоги до еталонів передавання, найбільш суттєвою з яких є вимога щодо стабільності та відтворюваності градуювальної характеристики на протязі міжповірочного інтервалу (не гірше ±0,05%).

Методологія звіряння повірочних установок із Державним первинним еталоном ДЕТУ 03-01-96 за допомогою еталонів передавання здійснюється наступним чином. Еталон передавання монтується на повірочній установці (робочому еталоні) на місце, де встановлюється робочий ЗВТ. Далі визначається його градуювальна характеристика виду згідно алгоритму, який наведений вище (розділ 1). Наступним кроком є розрахунок рівня еквівалентності повірочної установки (робочого еталона), що звіряється до Державного первинного еталона за формулою:

де діуст., діДЕТУ - похибки еталона передавання за і-того значення об'ємної витрати, визначені на установці (еталоні), що звіряється та Державному еталоні відповідно; - довірчі межі похибки еталона передавання під час його градуювання на повірочній установці (робочому еталоні), що звіряється та Державному еталоні, відповідно.

Значення рівня еквівалентності не повинно перевищувати одиниці () за всіх значень об'ємної витрати. У випадку, якщо хоча б за одного значення об'ємної витрати , то повірочна установка (робочий еталон) визнається непридатною до експлуатації.

На основі запропонованої методології в 2006-2007 роках проведено звіряння всіх стаціонарних повірочних установок, які експлуатуються в Україні, що дало можливість підвищити рівень забезпечення точності та достовірності вимірювань у галузі витратометрії природного газу.

П'ятий розділ дисертації присвячений розробленню та вдосконаленню еталонних і технічних засобів для вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу. Так, насамперед, сформульовані нові підходи до вдосконалення дзвонових повірочних установок. Розроблена методика і пристрій для діагностування форми дзвона, за допомогою якого можна контролювати ступінь можливої деформації дзвона в процесі його експлуатації безконтактним способом. Розроблені патентозахищені способи вдосконалення дзвонових установок, спрямовані на підвищення їх продуктивності і ефективності під час проведення градуювально-повірочних робіт. Одним із напрямків розширення функціональних можливостей дзвонових установок за одночасного підвищення точності відліку об'ємів газу є поділ дзвона на декілька рівновисоких відокремлених ємностей, кількість та місткість яких відповідає контрольним об'ємам, необхідним для пропускання через лічильник під час його градуювання чи повірки. Водночас, конструкція дзвонової установки передбачає наявність паралельних випробувальних ліній згідно з кількістю ємностей дзвона, а випробування ЗВТ здійснюється одночасно в усіх лініях. Інший спосіб вдосконалення дзвонових установок передбачає такий оптимальний поділ дзвона, за якого об'єм мінімальної ємності визначається кількістю перетинок n і з використанням алгоритму досконалого циклічного співвідношення, одночасно забезпечується утворення всіх інших об'ємів, кратних об'єму найменшої. При цьому досягається можливість відтворення дзвоновою установкою об'ємів газу, які визначаються об'ємом найменшої ємності помноженого на будь-яке з натуральних чисел ряду, максимальне значення N якого визначається за формулою: N =n2 - n + 1 (де n - кількість перетинок). Наприклад, за наявності 4-х перетинок, які поділяють дзвін у співвідношенні 1:3:2:7 одержуємо натуральний ряд із 13 чисел. Якщо мінімальний об'єм ємності прийняти рівним 50 дм 3, то згідно з алгоритмом досконалого циклічного співвідношення можна одержати значення контрольних об'ємів кратних 50 дм 3 у діапазоні до 600 дм 3.

Суттєве зростання кількості побутових лічильників газу зумовлює розроблення простих за конструкцією, надійних в експлуатації мобільних повірочних установок. Цим вимогам задовольняють установки на базі резервуара високого тиску, вхідний трубопровід якого під'єднаний до джерела стисненого газу, а вихідний - до випробувальної ділянки зі стабілізатором тиску та досліджуваним приладом. Опосередковане (шляхом вимірювання тиску і температури) контролювання витікання газу з резервуара протягом певного проміжку часу через випробувальну ділянку забезпечує формування контрольного об'єму газу, який використовується як еталонний для визначення МХ лічильників і витратомірів газу. Враховуючи ці міркування, за участі автора запропонований спосіб градуювання та перевірки витратомірів і лічильників газу, який реалізований в установці, що застосовується в метрологічній практиці ВАТ "Івано-Франківськгаз" та інших газозбутових організаціях. Алгоритм розрахунку витрати газу на досліджуваному лічильнику описується виразом:

де V0 - об'єм резервуара; ф - час витікання газу через лічильник; P1, T1, Z1, P2, T2, Z2, P3, T3, Z3 - абсолютний тиск, температура та коефіцієнт стисливості газу на початку та вкінці витікання газу та на досліджуваному лічильнику відповідно.

На основі даного алгоритму розроблена метрологічна модель установки, яка реалізована у відповідній методиці її метрологічної атестації. У роботі наводяться результати дослідження впливових чинників на точність відтворення установкою контрольних об'ємів газу. Встановлено, що найбільш важливим джерелом похибки є вимірювання температури газу в резервуарі високого тиску, особливо після заповнення його стисненим газом. Процеси заповнення резервуара стисненим газом призводять до нагрівання газу в резервуарі з значними температурними градієнтами (0,30С), що зумовлює похибку вимірювання температури в резервуарі 0,12%. Іншим суттєвим джерелом похибки є визначення мірного об'єму та його зміни за рахунок вологості та механічних домішок у процесі експлуатації. Так, за 6 місяців експлуатації похибка, зумовлена осадом і корозією на стінках резервуара досягла значення 0,13%. Сумарна похибка відтворення контрольних об'ємів газу установкою не перевищує 0,4%, що дає можливість її використання в якості робочого еталона для повірки витратомірів та лічильників газу. За участі автора також запропоноване технічне рішення, направлене на підвищення МХ даної установки, а також ряд інших технічних рішень, направлених на підвищення точності вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу. Одним із таких рішень є вдосконалення лічильника газу з температурною компенсацією шляхом урахування і компенсації впливу абсолютного тиску на виміряний об'єм за рахунок регулювання подачі газу у вимірювальні камери. Це вирішується додатковим введенням у лічильник компенсатора тиску, виконаного у вигляді рухомого регульованого клапана, встановленого на виході вимірювального механізму в отворі трубки, що з'єднує вимірювальний механізм із вихідним штуцером лічильника. Регульований клапан має можливість взаємодії потоку газу у вимірювальній камері та газу, що знаходиться під корпусом лічильника, перерозподіляючи частину потоку газу у вимірювальну камеру, яка обліковується відліковим пристроєм, або частину безпосередньо на вихід лічильника до споживача залежно від витрати газу qv, що протікає через отвір у трубці, за формулою:

де ДV- різниця між об'ємом газу, виміряним лічильником і об'ємом газу за стандартних умов; t - час протікання об'єму ДV через отвір у трубці; м - коефіцієнт витрати отвору (визначається експериментально); s - площа отвору; Ра, Рб, Рн - абсолютний, барометричний, надлишковий тиск відповідно; с - густина газу. Введення в лічильник компенсатора тиску підвищує достовірність обліку спожитого газу залежно від змін абсолютного тиску.

Іншим технічним рішенням є розроблення механічного коректора об'єму газу для компенсації впливу атмосферного тиску і температури повітря навколишнього середовища на облікований об'єм газу в побутовій сфері. Механічна корекція здійснюється шляхом регулювання подачі газу зі вхідного газопроводу в лічильник з урахуванням змін температури та тиску газу (відбиранням або додаванням частини об'єму газу з (або до) потоку) таким чином, щоб відліковий пристрій лічильника газу відображав об'єм, який рівний об'єму газу за стандартних умов, при цьому кількість газу, яка поступає на газоспоживальне обладнання, залишається незмінною. Розроблена математична модель механічного коректора та запропонована схема повірочної установки, яка є технічною основою їх метрологічного забезпечення.

Суттєвою проблемою обліку газу в комунально-побутовій сфері, в будинках де споживання газу здійснюється лише газовими плитами, є побудинковий облік. За такого обліку діапазон вимірювання об'ємних витрат може знаходитись у межах 1:1000 і менше, що не реалізується жодним типом і типорозміром лічильників, які сьогодні виготовляються заводами-виробниками. Автором запропоновані нові технічні рішення, направлені на вдосконалення способів та технологій побудинкового обліку, а також технічні засоби для їх реалізації. За сигналом коректора, відповідно із закладеною в нього програмою роботи, автоматично здійснюється перемикання розгалужень і підключення для обліку відповідних лічильників, сумарне значення показів яких є величиною виміряного об'єму газу.

Інший спосіб та методологія обліку газу в різних галузях народного господарства, де споживання газу може коливатись у діапазонах вимірювання, що є значно ширшими від тих, якими характеризуються серійно виготовлені технічні засоби, реалізується системою що включає лічильник газу, обчислювач об'єму газу з каналами для вимірювання тиску та температури газу, редуктором на вході та регулятором тиску на виході лічильника.

Введення в систему регулятора тиску, задіяного у зворотний зв'язок з лічильником, дає змогу за керуючим сигналом обчислювача змінювати тиск газу на вході лічильника залежно від поточного споживання і обчислювати витрату в межах діапазону вимірювань лічильника. Необхідний вхідний тиск газу для вимірювань розраховують за формулою:

де Рвх - тиск газу на вході лічильника (кг/см 2) для забезпечення витрати споживачу Qспож (м 3/год); Рвих - надлишковий тиск у магістралі до регулятора тиску (кг/см 2); Рбар - атмосферний тиск (кг/см 2); Qліч - витрата газу через лічильник (м 3/год).

Шостий розділ дисертації присвячений розробленню та впровадженню в практику нормативних засад забезпечення якості, надійності та точності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу. З цією метою проведена уніфікація технічних та метрологічних характеристик лічильників газу, на базі якої автором запропонована сертифікаційна модель ВВТ як сукупність характеристик, які відображають її властивості у вигляді реакцій на різноманітні впливи і які експериментально оцінюються під час випробувань.

Дана модель узагальнена для різноманітних типів і моделей лічильників та витратомірів газу і може бути типовою для розроблення нормативних документів (державних стандартів, технічних умов, технічних регламентів тощо), а також для розроблення програм державних випробувань з метою сертифікації лічильника (сертифікат затвердження типу та сертифікат відповідності ЗВТ затвердженому типу).

У роботі також сформульовані концептуальні підходи до оцінки якості та надійності технічних засобів вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу.

Якщо класифікувати відмови в експлуатації витратовимірювальної техніки (ВВТ) об'єму та об'ємної витрати газу за фізичною суттю (механічна - порушення працездатності механічних елементів; електрична - порушення працездатності електричних блоків та ліній зв'язку; метрологічна - вихід якої-небудь МХ за межі встановленого допуску), то в загальному випадку математичну модель імовірності безвідмовної роботи P(t) ВВТ можна представити як:

де множники правої частини рівняння - імовірності безвідмовної роботи механічного, електричного та метрологічного блоків.

Представлення моделі у формі (17) доцільне з точки зору визначення процедури випробувань, які за аналогією можна поділити на механічні, електричні та метрологічні. Залежно від кількості і структури елементів у блоках, рівняння (17) можна записати як:

де л - інтенсивність відмов в одиницю часу; t - час напрацювання на відмову; - нормована функція Лапласа, (де - квантиль нормального розподілу), М - математичне сподівання, в якості якого приймається міжповірочний інтервал; у - середнє квадратичне відхилення міжповірочного інтервалу, оцінка якого вираховується експериментальним шляхом. У рівнянні (18) прийнято для електричних блоків експоненціальний закон розподілу часу безвідмовної роботи, змішане з'єднання елементів механічного блока і нормальний розподіл часу напрацювання на відмову метрологічного блока. У даному розділі автором також приводиться алгоритм визначення міжповірочних інтервалів та їх коригування в процесі експлуатації ВВТ, на основі якого розроблений відповідний нормативний документ з метрології.

Друга частина розділу присвячена розробленню нормативних засад підвищення технічного рівня якості ВВТ. Із використанням сертифікаційної моделі автором розроблено метод оцінки технічного рівня якості ВВТ з застосуванням методу аналізу ієрархій. Суть методу полягає у зведенні різноманітних одиничних показників якості до єдиної шкали, декомпозицію проблеми оцінки технічного рівня в трирівневу ієрархію з подальшим попарним порівнянням елементів нижчого рівня ієрархії у відношенні до елементів наступного рівня і т.д. до вершини ієрархії (рис..).

Рис. Декомпозиція проблеми оцінки технічного рівня в ієрархію.

Найбільш ефективною шкалою відносної важливості показників для оцінки технічного рівня ВВТ виявилась зворотньо-симетрична шкала [Сааті Т.К., Кернс К.П., 1991].

Згідно з цією шкалою відносна важливість aij показника i у відношенні до показника j може бути виражена натуральним числом від 1 до 9 або зворотнім числом (тобто в порядку зменшення від 1 до 1/9). Таким чином матрицю А попарних порівнянь групових показників для рівня 2 (рис.) та масив матриць Bk попарних порівнянь зразків ВВТ стосовно кожного групового показника k=1,2....N (для рівня 3), можна записати як:

де N - кількість групових показників, aij - відносна важливість показника i по відношенню до показника j, - результат попарного порівняння першого та n зразка ВВТ відповідно до k-го показника (k = 1, 2... N); M - кількість зразків ВВТ, що порівнюються (об'єктів аналізу).

Елементами даних матриць є числа від 1 до 9 та від 1 до 1/9, причому матриці є квадратичними (мають рівне число рядків і стовбців).

Далі для кожної матриці вираховуються нормовані власні вектори, які визначають локальні пріоритети, що характеризують відносний вплив множини показників на елемент вищого рівня ієрархії. Формула для визначення компонент нормованих власних векторів локальних пріоритетів буде мати вигляд:

де Xij = aij для k=0; L=N; i,j=1, 2...N (для матриці попарних порівнянь одиничних показників); Xij = bij для k=0; L=M; i,j=1, 2...M (для матриці попарних порівнянь зразків ВВТ). Індекс k як натуральне число використовується для позначення номера показника, до якого відноситься величина з цим індексом. Якщо мова йде про порівняння самих показників, то індекс k = 0.

Заключним етапом методу аналізу ієрархій є визначення глобальних (визначальних) пріоритетів для кожного з М зразків ВВТ за формулою:

де , - компоненти нормованих власних векторів локальних пріоритетів, визначених за формулою (20).

Знайдені за формулою (21) глобальні пріоритети для кожного зі зразків ВВТ ранжуються і одержаний порядок є ранжуванням оцінок технічного рівня зразків ВВТ, що порівнюються. Запропонований підхід до оцінки технічного рівня якості ВВТ методом аналізу ієрархій на базі зворотньо-симетричної шкали може бути впроваджений у закупівлі ВВТ на тендерних конкурсах, а також під час планування одиничних показників якості для створення нових видів та типів приладів.

З метою підвищення надійності ВВТ в експлуатації, також у роботі концептуально сформульовано підходи до впровадження сучасних технологій менеджменту якості в процесі розроблення та виробництва ВВТ. Найбільш перспективним для реалізації цієї мети є FMEA-аналіз (Failure Mode and Effects Analysis), з допомогою якого аналізуються можливості виникнення дефектів та їх вплив на споживача із застосуванням при цьому дієвих заходів щодо їх попередження на стадії проектування та виготовлення ВВТ. Для виявлення потенційних причин дефектів за участі автора розроблена узагальнена графічна модель причинно-наслідкової діаграми Ісікави для ВВТ, що експлуатується, яка може бути використана на практиці розробниками та виробниками цієї техніки.

Висновки

В дисертаційній роботі на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень стану технічних засобів та методів вимірювання механічних параметрів газоподібного середовища розроблено та впроваджено в практику методи, способи, технології, технічні засоби та нормативні документи, направлені на підвищення точності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу. Таким чином, вирішено науково-технічну проблему, що має надзвичайно важливе значення для забезпечення енергетичної безпеки України. При цьому отримані такі основні наукові та практичні результати:

1. На основі аналізу стану та тенденцій розвитку вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу встановлено, що основними чинниками, які обмежують точність вимірювання, є недосконалість методів відтворення та передачі одиниць вимірювання, визначення та контролю в експлуатації метрологічних характеристик засобів вимірювання, способів приведення виміряного об'єму до стандартних умов, технологій обліку газу, а також похибки технічних засобів вимірювання. Зменшення методичних та інструментальних похибок є оптимізаційним завданням підвищення точності вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу.

2. У результаті досліджень фізичних процесів удосконалено, порівняно із зарубіжними аналогами, математичну та метрологічну моделі створюваного державного вторинного еталона одиниць об'єму та об'ємної витрати газу на базі установки еквівалентного витіснення рідини в частині визначення чинника дії виштовхувальної сили під час зважування мастила та густини навколишнього повітря, а також введеного в експлуатацію робочого еталона на базі резервуара високого тиску в частині визначення температурних градієнтів, визначено впливові чинники на точність відтворення еталонами фізичних одиниць, які враховані у розробленні методик їх метрологічної атестації.

3. У результаті досліджень законів розподілу похибок вимірювальних каналів тиску та температури державного еталона методом побудови гістограм розподілу, визначення за їх параметрами оцінок ентропійного коефіцієнта, ексцесу та контрексцесу з використанням графіка топографічної класифікації законів розподілу встановлено ділянку нестаціонарного стохастичного процесу зміни надлишкового тиску під дзвоном, причиною якого була недосконалість конструкції пристрою стабілізації тиску в еталоні. Внесені зміни в конструкцію пристрою стабілізації тиску під дзвоном з застосуванням компенсатора виштовхувальної сили на базі "спіралі Архімеда", експериментальні дослідження якого підтвердили стаціонарність процесу зміни тиску під дзвоном внаслідок зменшення розсіювання результатів повторних вимірювань (загальний розкид даних вимірювання тиску зменшився з 0,018 кПа до 0,013 кПа) та нормальність розподілу похибок з меншим середньоквадратичним відхиленням (0,002 кПа) ніж було задекларовано під час здачі еталона в експлуатацію (0,005 кПа). Запропоновано методологію визначення та контролю метрологічних характеристик робочих еталонів об'єму та об'ємної витрати газу на базі лічильників з використанням методу дисперсійного аналізу результатів багаторазових вимірювань з метою виключення систематичної складової похибки та побудови методом найменших квадратів дійсних градуювальних характеристик з урахуванням фактора апроксимаційної залежності їх від вибраного виду, що дало можливість суттєво зменшити похибку передачі та відтворення робочими еталонами вказаних фізичних одиниць (з ±0,3% до ±0,2%).

4. Вперше встановлено залежності змін метрологічних та експлуатаційних характеристик різних типів лічильників газу від фізико-хімічних параметрів вимірювального середовища, на базі яких запропоновано опосередкований метод визначення метрологічних характеристик та діапазонів вимірювання лічильників газу в реальних умовах за робочих тисків їх експлуатації на основі проведеної метрологічної атестації на повітрі за атмосферного тиску, що підвищує точність обліку.

5. На основі досліджень впливу кліматичних та географічних чинників вперше розроблено математична модель впливу температури повітря навколишнього середовища, в якому встановлений лічильник, та висоти розміщення населеного пункту над рівнем моря на точність обліку витрати газу в комунально-побутовій сфері, що дало можливість введення поправкових коефіцієнтів на виміряний лічильником об'єм газу без необхідності вимірювання температури газу та атмосферного тиску з метою зведення об'єму до стандартних умов. Встановлено, що за умови прийняття за стандартну температуру 15 єС, втрати газо-збутових організацій від експлуатації в комунально-побутовій сфері лічильників газу без елементів температурної компенсації зменшаться на 1,7%. Таким чином актуальним є питання перегляду діючих нормативних документів (ГОСТ 2939-63) на предмет зміни номінального значення температури газу за стандартних умов і гармонізації його з нормою, прийнятою в більшості країн Європи.

6. Розроблено та впроваджено в метрологічну практику нову повірочну схему з використанням вторинних еталонів та еталонів передавання, а також методологію передачі розміру одиниць об'єму та об'ємної витрати газу від державного еталона до вторинних та робочих еталонів методом прямих вимірювань та методом безпосереднього звірення, який є найбільш точним у метрологічній практиці і дасть змогу виявити систематичні складові похибки еталонів, а також забезпечить проведення міжнародних звірень державного еталона. Виготовлено та впроваджено патентозахищений компаратор для таких звірянь на базі критичного сопла та пристрою для інжектування потоку.

7. Розроблено аналітичні (за допомогою ПЕОМ) та графічні (за допомогою номограм) методи визначення поправкових коефіцієнтів, а також запропоновано нові технічні рішення (механічний коректор та вдосконалений лічильник газу з автоматичною корекцією) для зведення виміряного лічильником об'єму газу до стандартних умов, впровадження яких дасть можливість зменшити втрати природного газу в комунально-побутовій сфері на 3-5%. Запропоновано ряд патентозахищених технічних рішень, направлених на вдосконалення еталонних витратовимірювальних установок, реалізація яких суттєво підвищить їх точність та продуктивність під час проведення градуювально-повірочних операцій.

8. Розроблено нові методи та запропоновано технічні засоби для побудинкового обліку витрати природного газу в комунально-побутовому секторі, впровадження яких дозволить здійснювати облік природного газу з нормованими, згідно з нормативними документами похибками (1% і 2%) у діапазоні вимірювання об'ємних витрат 1:1000 і ширше, що не забезпечується у даний час існуючими засобами вимірювальної техніки.

9. Сформульовано концептуальні підходи до оцінки надійності витратовимірювальної техніки, на основі яких розроблено алгоритм визначення міжповірочних інтервалів лічильників газу та їх коригування в процесі експлуатації, що ліг в основу розробленого відповідного нормативного документу з метрології. Запропоновано впровадження статистичних методів контролю якості (діаграма Паретто, причинно-наслідкова діаграма Ісікави) в процесі проектування та виробництва витратовимірювальної техніки як ефективного інструменту виявлення дефектів та відмов, які зумовлюють найбільший ризик споживача, та вироблення коригувальних заходів, направлених на запобігання дефектів або зменшення негативних наслідків для користувачів витратовимірювальною технікою.

10. На основі аналізу технічних та метрологічних характеристик лічильників газу та впливових чинників на умови їх експлуатації створено сертифікаційну модель лічильника газу, яка характеризується групуванням показників за ознаками безпеки, конструктивними, експлуатаційними, ресурсними та метрологічними ознаками і закладена в основу розроблених нормативних документів зі стандартизації технічних вимог до лічильників газу, а також методики оцінки технічного рівня якості витратовимірювальної техніки на базі методу аналізу ієрархій із застосуванням зворотньосиметричної шкали, що суттєво підвищує точність експертних оцінок показників якості та їх погодженість.

Перелік основних опублікованих праць за темою дисертації

1. Вимірювання тиску. Навчальний посібник / Петришин І.С., Сафронов Б.М. - Івано-Франківськ: Факел, 2004.-269 с.

2. Вимірювання витрати та кількості газу. Довідник /Андріїшин М.М., Карпаш О.М., Каневський С.О., Марчук Я.С., Петришин І.С., Руднік А.А., Середюк О.Є., Чеховський С.А./. - Івано-Франківськ: ПП "Сімик", 2004. - 160с.

3. ДСТУ 3383:2006 Метрологія. Державна повірочна схема для засобів вимірювання об'єму та об'ємної витрати газу. Розробники: Петришин І.С., Кузь М.В., Безгачнюк Я.В. 2006 р.

4. ДСТУ 3867-99. Лічильники газу турбінні. Загальні технічні умови. Розробники: В.Лах, Л. Хохлова, О. Гаєвська, І. Петришин, А. Бестелесний. 1999 р.

5. Петришин І.С. Стан та проблеми забезпечення обліку газу в Україні// Методи та прилади контролю якості.-1999.-№3.-С. 49-51.

6. Петришин І.С. Стан метрологічного забезпечення обліку газу в Україні // Методи та прилади контролю якості.-2001.-№ 7.- С 86-88

7. Петришин І.С. Алгоритм дослідження та контролю метрологічних характеристик робочих еталонів об'єму газу// Методи та прилади контролю якості.-2001.-№7.-С.97-99.

8. Петришин І.С. Дослідження впливу стандартних умов приведення об'єму газу на достовірність його обліку// Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу.-№1 (15).-2007.-С. 172-175.

9. Петришин І.С. Методологічні питання підвищення точності обліку витрати та кількості природного газу// Методи та прилади контролю якості.- №4.- 1999.- С. 86-88.

10. Петришин І.С. Методологічні аспекти вдосконалення державної повірочної схеми// Український метрологічний журнал.-№1.-2007.-С. 42-43

11. Петришин І.С. Алгоритм визначення міжповірочних інтервалів витратовимірювальної техніки// Нафтова і газова промисловість.-2004.-№5.-С.51-52.

12. Петришин І.С. Сертифікаційна модель лічильників газу// Методи та прилади контролю якості.-2000.-№6.-С.54-57.

13. Петришин І.С. Оцінка показників надійності витратовимірювальної техніки// Стандартизація, сертифікація, якість.-2003.-№2.-С.37-40.

14. Петришин І.С. Інформаційно-вимірювальна система побудинкового обліку газу// Стандартизація, сертифікація, якість.-2003.-№6.-С.42-44.

15. Петришин І.С. Оцінка технічного рівня якості витратовимірювальної техніки методом аналізу ієрархій на базі зворотньосиметричної шкали// Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ.-2007.-№1 .-С. 145-149

16. Петришин І.С., Кузь М.В. Вплив атмосферного тиску на достовірність обліку газу в побуті // Нафтова і газова промисловість.- 2004.- №4.-С. 54-55.

17. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. До питання ідентифікації закону розподілу похибок еталонів// Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу.-1(7).-2004.-С.59-62.

18. Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І. Вплив температурного фактора навколишнього та робочого середовища на достовірність обліку газу в комунально-побутовій сфері // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ.- 2002.-№1.-С. 22-26.

19. Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І. Експериментальні дослідження процесів теплообміну робочого та навколишнього середовищ при обліку газу в побуті // Розвідка та розробка нафтових та газових родовищ.- 2002.-№2.-С. 39-41.

20. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Особливості повірки лічильників газу при робочих умовах// Український метрологічний журнал.-2006.-№2.-С.46-48.

21. Петришин І.С., Кузь М.В. Визначення поправочного барометричного коефіцієнта до показів побутових лічильників газу графічним методом// Прилади та методи контролю якості. - 2005. - №13.-С. 59-61.

22. Середюк О.Є., Петришин І.С., Середюк Д.О., Дмитрусь М.М. Пристрій для діагностування форми дзвона витратовимірювальних установок// Наукові вісті Інституту менеджменту та економіки "Галицька академія".- 2006.-№1(9).-С.49-53.

23. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В., Середюк Д.О. Впровадження еталонів передавання в повірочну практику засобів вимірювальної техніки об'єму та об'ємної витрати газу// Український метрологічний журнал.-2006.-С.55-59

24. Лах В.І., Петришин І.С., Бестелесний А.Г. Стандартизація технічних вимог та методів випробувань побутових лічильників газу// Стандартизація, сертифікація, якість.-1998.-№2.-С.28-30.

25. Карпаш О.М., Петришин І.С., Петришин Н.І. Шляхи впровадження сучасних технологій менеджменту якості при розробленні та виробництві витратовимірювальної техніки// Методи та прилади контролю якості.-№16.-2006.-С.65-69.

26. Петришин І.С., Петришин Н.І. Узагальнена причинно-наслідкова діаграма Ісікави для визначення потенційних дефектів газової витратовимірювальної техніки// Стандартизація, сертифікація, якість.-№3.-2006.-С.52-55.

27. Петришин І.С., Гончарук М.І., Бестелесний А.Г., Прудніков Б.І. Доцільність впровадження лічильників в трубопроводах низького та середнього тиску з метою зменшення втрат природного газу при його обліку// Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ.-2002.-№4(5).-С.105-109

28. Петришин І.С., Середюк О.Є. Використання дзвонових витратовимірювальних установок для метрологічної атестації критичних сопел// Методи та прилади контролю якості.-1999.-№3.-С.76-77.

29. Бродин І.С., Петришин І.С., Бестелесний А.Г. Державний спеціальний еталон та державна повірочна схема для засобів вимірювань об'єму та об'ємної витрати газу// Вимірювальна техніка та метрологія.-1999.-№55.-С.137-140.

30. Крижанівський Є.І., Карпаш О.М., Петришин І.С., Зінчак Я.М. Стан та перспективи розвитку сертифікації в нафтогазовій галузі України// Розвідка та розробка нафтових родовищ.-2001.-№1.-С.86-88

31. Петришин І.С., Середюк О.Є. Технічне забезпечення звіряння еталону об'єму та витрати газу// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.-2001.-№1.-С.49-51

32. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Вибір типу та типорозміру витратомірів і лічильників газу// Нафтова і газова промисловість. - 2004.-№3.-С. 44-45.

33. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Математична та метрологічна модель вторинного еталону одиниці об'єму та об'ємної витрати газу// Український метрологічний журнал. - №2. - 2007. - С.40-42

34. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Дослідження метрологічних характеристик лічильників газу в реальних умовах експлуатації та їх вплив на точність обліку природного газу// Всеукраїнський науково-технічний журнал "Нафтогазова енергетика".-2006.-№1.-С.110-113.

35. Петришин І.С., Кузь М.В. Номограми для визначення поправочного температурного коефіцієнта до показів побутових лічильників газу та методика їх побудови// Матеріали третьої міжнародної науково-технічної конференції "Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2002)": Наукові праці конференції у 2-х томах. - Т.2. - Харків, 2002. - С. 118-120.

36. Середюк О.Є., Петришин І.С. Метрологічна модель повірочної установки на базі резервуара високого тиску// Третя Всеукраїнська науково-технічна конференція "Вимірювання витрати та кількості газу і нафтопродуктів".-2003.-С.112-114.

37. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В., Кузь М.В., Бестелесний А.Г., Прудніков Б.І. Експрес-контроль та технічна діагностика промислових лічильників газу в експлуатації// Третя науково-технічна конференція і виставка "Сучасні прилади, матеріали і технології для неруйнівного контролю і технічної діагностики промислового обладнання".-2002-С.94-97

38. Середюк О.Є., Чеховський С.А., Петришин І.С. Нові технічні рішення в еталонній витратометрії природного газу як шлях його економії при транспортуванні до споживачів// Нафта і газ України. Матеріали 8-ої Міжнародної науково-практичної конференції "Нафта і газ України-2004".-Т.2.- Судак, 2004.-С.171-172.

39. Петришин І.С., Бестелесний А.Г. Аналіз основних причин витрат при обліку природного газу// Матеріали 6-ої Міжнародної науково-практичної конференції "Нафта і газ України - 2000".-Том 3. - Івано-Франківськ.- 2000.- С 247-248.

40. Середюк О.Є., Петришин І.С. Нові концепції проектування еталонних дзвонових витратовимірювальних установок// Науково-технічна конференція "Приладобудування 2002: підсумки і перспективи".-Київ.-2002.-С.96

41. Петришин І.С., Середюк О.Є. Мобільна повірочна установка на базі критичних сопел для приладів обліку газу в мережах низького тиску// Наукова конференція "Метрологія та вимірювальна техніка" (Метрологія-2002).-Т.2.-Харків.-2002.-С.111-113

42. Петришин І.С., Кузь М.В. Моделювання впливу кліматичних факторів на достовірність обліку газу в побуті // Матеріали третьої науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи": Збірка наукових праць. - Київ, 2004. - С. 243.

43. Петришин І.С., Середюк Д.О. Аналіз комплексного показника якості турбінних лічильників газу// Матеріали третьої науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи": Збірка наукових праць. - Київ, 2004. - С.242

44. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Метрологічний аналіз повірочної установки на базі резервуара високого тиску// Матеріали третьої науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ: стан і перспективи": Збірка наукових праць. - Київ, 2004. - С.249-250

45. Петришин І.С., Середюк Д.О., Безгачнюк Я.В. Дослідження характеристик робочих еталонів об'єму газу роторного типу// Матеріали четвертої науково-технічної конференції "ПРИЛАДОБУДУВАННЯ 2006: стан і перспективи": Збірка наукових праць. - Київ.-2006.-С.292-293.

46. Петришин І.С., Кузь М.В. Математичне моделювання функції впливу атмосферного тиску на виміряний об'єм газу побутовими лічильниками// Матеріали десятої науково-технічної конференції "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах": Збірник матеріалів конференції, випуск № 10 (2003).-Хмельницький, 2004.-С. 33

47. Петришин І.С., Кузь М.В. Механічні пристрої корекції об'єму газу// Всеукраїнська науково-технічна конференція "Вимірювання витрати та кількості газу": Матеріали конференції.-Івано-Франківськ.-2005.-С. 23

48. Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Особливості повірки лічильників газу при робочих умовах. // Всеукраїнська науково-технічна конференція "Вимірювання витрати та кількості газу": Матеріали конференції.-Івано-Франківськ.-2005.-С.22

49. Патент 30411. Україна, МПКG F 25/00. Пристрій для градуювання критичних витратомірів газу. / Середюк О.Є., Петришин І.С. Опубл. 17.02.2003; Бюл. № 2.

50. Патент 54463. Україна G01F25/00. Спосіб градуювання та перевірки витратомірів і лічильників газу. / Козак В.О., Прудніков Б.І., Середюк О.Є., Петришин І.С., Федоришин Я.С. Опубл. 17.03.2003; Бюл. №3.

51. Патент 78795. Україна G01F5/00. Спосіб градуювання та перевірки лічильників газу. / Петришин І.С., Безгачнюк Я.В. Опубл. 25.04.2007; Бюл. №5.

52. Патент 76805, Україна, G01F3/00. Лічильник газу. / Петришин І.С., Кузь М.В. Опубл. 15.09.2006; Бюл. №9.

53. Патент 75801, Україна, G01F3/00. Коректор об'єму газу. / Петришин І.С., Кузь М.В. Опубл. 15.05.2006; Бюл. №5.

54. Патент 53539, Україна, G01F3/00. Інформаційно-вимірювальна система обліку витрат газу. / Петришин І.С., Бестелесний А.Г. Опубл. 15.01.2003; Бюл. №1.

55. Патент 52066, Україна, G01F25/00. Спосіб обліку витрат газу. / Петришин І.С., Бестелесний А.Г., Гончарук М.М. Опубл. 16.02.2002.

56. Патент 52261, Україна, G01F3/00. Система обліку витрат газу. / Петришин І.С., Бестелесний А.Г. Опубл. 16.12.2002.

57. Деклараційний патент 54316А, Україна, G01 F25/00. Перевірочна установка. / Петришин І.С., Середюк О.Є. Опубл. 17.02.03; Бюл. №2.

58. Патент 51391, Україна, G01 F25/00. Газовимірювальний пристрій для градуювання та вивіряння витратомірів і лічильників газу. / Петришин І.С., Середюк О.Є. Опубл. 15.01.2007; Бюл. №1.

59. Патент 49425, Україна, G01 F25/00. Газовимірювальний пристрій для градуювання та перевірки витратомірів і лічильників газу. / Петришин І.С., Середюк О.Є. Опубл. 15.04.2005; Бюл. №4.

60. Патент 70683, Україна, G01 F 1/100. Спосіб приведення об'єму газу до стандартних умов. /Петришин І.С., Кузь М.В., Гончарук М.І., Панасюк В.Л. Опубл. 15.02.2006; Бюл. №2.

Размещено на Allbest.ru