Метрологические характеристики расходомеров

Метрологические характеристики расходомеров

В лекциях о термопреобразователях и датчиках давления тему метрологии мы почти не затрагивали. Возможно, это не совсем справедливо по отношению к данным средствам измерений, но у нас был на то свой резон. Дело в том, что измерения температуры и давления всем нам понятны и привычны: с ними мы сталкиваемся в быту ежедневно. И видимо поэтому претензии к точности таких измерений — в том числе и в узлах учета тепловой энергии — у нас возникают крайне редко. А вот измерения расхода — это совсем другое дело. Расход, если можно так сказать, неосязаем — поэтому мы часто подозреваем, что измеряем его неправильно. А значит, разбираясь с расходомерами, от метрологии уже никуда не денешься.

Несколько определений. Метрология — это наука об измерениях физических величин. Измерение — это сравнение физической величины с ее единицей или, другими словами, нахождение значения данной величины. Для измерений используются специальные технические средства, называемые средствами измерений. Характеристики средства измерений, влияющие на результаты (точность) измерений, называются метрологическими характеристиками. И метрологические характеристики любого средства измерений нормированы, т.е. «вписаны» в определенные рамки. Для того, чтобы подтвердить соответствие метрологических характеристик каждого конкретного средства измерений регламентированным значениям, средство измерений при выпуске из производства, а также в процессе эксплуатации подвергается метрологической поверке.

«Главная» метрологическая характеристика любого средства измерений — это его погрешность. Погрешностью средства измерений мы называем разность между показаниями данного средства и истинным значением измеряемой физической величины. Но здесь есть одна «философская» тонкость. Истинные значения нам неизвестны в принципе — иначе измерения не нужны были бы вовсе. Поэтому мы определяем погрешность во время поверки, сравнивая показания поверяемого средства измерений с неким эталоном (или с показаниями эталонного средства измерений) — и считаем, что в ходе эксплуатации наше средство измеряет с погрешностью не хуже той, которая была продемонстрирована в метрологической лаборатории. Но это — тоже условность, и связана она с тем, что «погрешности бывают разные».

Если мы заглянем, например, в паспорт  комплекта термопреобразователей  сопротивления, то найдем там такие  метрологические характеристики этого  средства измерений:

• диапазон измеряемой разности температур — от 0 до 180°С;
• погрешность измерения разности температур — ±(0,10+0,002Dt).

Отсюда ясно, что если разность температур, которую мы измеряем, составляет, например, 100°С, то при измерениях при  помощи данного комплекта термопреобразователей мы, возможно, ошибемся в ту или другую сторону, но не более чем на 0,3°С. Все просто и понятно. А теперь открываем паспорт какого-либо расходомера и читаем что-то вроде вот этого:

• предел допускаемой основной относительной погрешности при преобразовании расхода в выходной электрический сигнал — ±1,0%.

Понятно, что «относительная погрешность» — это та, которая нормируется не в литрах (кубометрах), а в процентах. Т.е. при измерениях расхода 1 м³/час данный расходомер «имеет право» ошибаться на 0,01 м³/час, при измерениях расхода 100 м³/час — уже на 1 м³/час. А вот что такое «основная погрешность»? И если есть «основная», то должны быть и некие «дополнительные»?

Да, они есть. Например, температурная  погрешность, которая зависит от температуры измеряемой жидкости. Подавляющее большинство отечественных производителей в своей документации о дополнительных погрешностях ничего не пишут. Вероятно, тем самым они намекают на то, что любые дополнительные погрешности пренебрежимо малы по сравнению с основной. Но в руководствах по эксплуатации некоторых приборов можно найти, например, такие сведения:

• пределы дополнительной погрешности от влияния температуры измеряемой среды — 0,05% на каждые 10°С.

Много это или мало? На 100°С — уже 0,5%, т.е. половина основной погрешности...

Но к чему мы начали весь этот разговор? К тому, что, говоря о погрешности, нужно ясно понимать, что это такое, и о какой именно погрешности  идет речь. Производитель, указывая в  документации только предел основной относительной погрешности, как бы «минимизирует свои риски». Ведь раз нормирована только эта погрешность (эта составляющая погрешности), то и при поверке — на стенде — будет контролироваться только она, по ней расходомер будет получать допуск в эксплуатацию. А в этой самой эксплуатации — в подвале — будут проявляться и другие, дополнительные погрешности, и они могут быть значительными, но мы о них ничего не знаем и не можем их контролировать. Т.е. расходомер должен ошибаться, например, не более чем на 1%, но может ошибаться и на 1,5%, и еще на сколько-нибудь, и это может быть объяснено, но не может повлечь за собою никаких санкций. Парадокс? Возможно.

Что интересно: в наших «Правилах  учета тепловой энергии и теплоносителя» требования к метрологическим характеристикам  расходомеров (водосчетчиков) сформулированы так (п.5.2.4.):

«Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2%...».

Данная формулировка порождает  вопросы. Во-первых, о какой погрешности  идет речь — «основной» или «вообще»? Если в документах моего водосчетчика написано: «основная относительная — 2%», то пригоден ли он для учета «по Правилам»? Ведь если основная — уже 2%, и есть какие-либо дополнительные, то «в сумме» получим больше... Во-вторых, в Правилах говорится о погрешности измерений «массы (объема)». Но подавляющее большинство типов применяемых в теплоучете расходомеров массу не измеряют — это функция тепловычислителя. Мы можем предположить, что погрешность «расчета» вычислителем массы по показаниям «объемных» расходомеров (в таком расчете будут участвовать еще и показания термопреобразователей, и датчиков давления, если они есть) пренебрежимо мала, и можно считать погрешность измерений массы теплосчетчиком равной погрешности измерений объема водосчетчиком (расходомером). Но это, в общем-то, не совсем строгое и не вполне законное предположение.

Также некорректно отождествлять  погрешность измерений расхода  и объема, поскольку расход и объем — это разные физические величины. Все гораздо более понятно, когда речь идет о единых теплосчетчиках: для них нормированы погрешности «каналов измерения» объемов и масс. Но когда мы берем отдельный расходомер, в паспорте которого — «предел допускаемой основной относительной погрешности преобразования объема в выходной электрический сигнал», то понять, соответствует ли он требованиям Правил учета, непросто. Также непросто сравнить его с каким-либо другим расходомером, для которого производитель указал, например, «предел допускаемой относительной погрешности измерений расхода». Разные формулировки, но разный ли в них смысл? Формально — да.

Следующий нюанс: любой расходомер метрологически работоспособен только в каком-то определенном диапазоне  измеряемых расходов. Т.е. не может измерять (или может, но с погрешностями, при которых измерения уже не имеют практического смысла) слишком маленькие и слишком большие расходы. Величины нижнего и верхнего пределов диапазона, а также соотношение между ними (так называемый динамический диапазон) зависят от диаметра расходомера (Ду, условный проход) и от его типа. Так, например, качественный электромагнитный расходомер способен измерить меньший расход, чем качественный же вихревой того же Ду; электромагнитный расходомер Ду20 способен измерить меньший расход, чем электромагнитный расходомер той же марки Ду200 — и т.д., и т.п. Для иллюстрации приводим таблицу, в которой указаны диапазоны неких вихревого, ультразвукового и электромагнитного преобразователей расхода, в которых «относительная погрешность преобразования расхода и объема в выходные сигналы» (вероятно, основная), не выходит за рамки ±1%.

При этом производитель для тех  же расходомеров в рекламе может  указывать большие динамические диапазоны: например, 1:100 для ультразвукового и т.д. Это не обман: просто «широкий» диапазон делится на поддиапазоны: «внизу» (например, от 0,7 до 1,4 м³/час для Ду50) погрешность не превышает 3%, «вверху» (от 1,4 до 70 м³/час)1:100 не превышает 1%, что и отражено в нашей таблице. А, например, для нашего вихревого «рекламный» диапазон составит 1:32, но в его нижней части (например, от 1,0 до 2,0 м³/час для Ду50) погрешность нормирована на уровне 1,5%. Таким образом, сравнивать эти «1:32» с «1:100» ультразвукового расходомера напрямую нельзя; корректно сравнивать только те диапазоны, в которых для данных расходомеров нормирована одинаковая погрешность.

Кстати, частично процитированный  нами выше п.5.2.4 Правил учета более  полно выглядит так:

«Водосчетчики должны обеспечивать измерение массы (объема) теплоносителя с относительной погрешностью не более 2% в диапазоне расхода воды и конденсата от 4 до 100%».

«От 4 до 100%» — это динамический диапазон 1:25, т.е. значение расхода на нижней границе составляет 4% или одну двадцать пятую часть от значения на верхней границе. По приведенной нами выше таблице видно, что ультразвуковой и электромагнитный расходомеры укладываются в эти рамки «с большим запасом»: у них погрешность не превышает 1% в диапазонах 1:50 и 1:100 соответственно. Вихревой также уложился: хотя в таблице видим диапазон всего 1:16, но из пояснений под таблицей знаем, что у данного прибора погрешность не превышает 1,5% в динамическом диапазоне 1:32.

Итак, из всего вышесказанного должно стать понятно, что, оценивать или  сравнивать метрологические характеристики различных расходомеров можно только тогда, когда они, образно говоря, «приведены к общему знаменателю». Т.е. когда речь идет об одних и тех же составляющих погрешности и о диапазонах, в которых погрешности рассматриваемых приборов одинаковы.

Очень часто в разговорах применительно  к расходомерам используют понятие  «класс точности». Например, говорят: «наш расходомер имеет класс точности 1%». Однако согласно общепринятому определению (см. «РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения») «класс точности — это обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность». Поэтому расходомер, у которого предел основной относительной погрешности — 1%, нельзя назвать расходомером «класса точности 1%», ведь в эту «цифру» не входят ни дополнительные погрешности, ни «другие характеристики, влияющие на точность».

«Диаметры» расходомеров

Рассуждая выше о диапазонах измерений, мы упомянули такую характеристику расходомеров, как их «диаметр». Собственно, говорить «диаметр расходомера» не совсем корректно, ведь «в общем и целом» расходомер представляет собою не цилиндр и не шар. У него есть некие габаритные размеры, из которых с т.з. монтажа наиболее важным является длина. А диаметр в общем случае есть у проточной части. Но мы обычно говорим не о каком-то реальном диаметре, а о таком параметре, как условный проход. Его обозначают как Ду (у нас) или DN, как принято на Западе. Часто пишут «Ду — столько-то миллиметров», но это тоже неграмотно. Ведь по определению «Ду (DN) — это параметр, принимаемый для трубопроводных систем в качестве характеристики присоединяемых частей. Параметр Ду не имеет единицы измерения и приблизительно равен внутреннему диаметру присоединяемого трубопровода, выраженному в мм, округленному до ближайшей величины из стандартного ряда». Таким образом, труба Ду100 может иметь внутренний диаметр и 95, и 105 мм — с расходомерами же все еще сложнее.

Дело в том, что проточные  части различных преобразователей имеют различные конфигурации. Например, у некоторых расходомеров вы можете увидеть конусообразное сужение «на входе» и такое же конусообразное расширение «на выходе». А есть приборы (в частности, электромагнитные), у которых проточная часть вообще имеет прямоугольное сечение. Поэтому «расходомер Ду100» — это в общем случае расходомер, который имеет фланцы Ду100 для присоединения к трубопроводу, но «проход» для воды внутри него совсем необязательно имеет диаметр около 100 мм (и уж точно не 100,00 мм ровно).

Также очень редко расходомер какого-либо Ду монтируется в трубу того же самого Ду. Дело в том, что расходы (скорости) теплоносителя в системах теплоснабжения, как правило, невелики. А преобразователи расхода, как мы уже упоминали выше, не могут измерять слишком маленькие расходы. И если, например, расход в трубе Ду100 не превышает, скажем, 5 м³/час, то для обеспечения корректных измерений мы должны будем эту трубу «заузить». На сколько? — зависит от того, какой именно расходомер мы планируем применить. Вернитесь к нашей таблице с диапазонами: в случае с электромагнитным расходомером это может быть Ду80 или 50, в случае с ультразвуковым — Ду50 или 32... впрочем, чрезмерное уменьшение диаметра может плохо повлиять на гидравлику системы, особенно если не настраивать ее дополнительно.

Для изменения диаметра трубопровода в месте установки расходомера и возврата на прежний диаметр после этого места используются конические переходы (конфузоры — сужения и диффузоры — расширения). При этом сразу после перехода расходомер не ставится: для «успокоения», формирования равномерного потока необходимо, чтобы и до, и после преобразователя были прямолинейные участки, Ду которых соответствует Ду расходомера. Протяженность этих участков указана в документации на расходомер каждого конкретного типа, однако общее правило таково: чем они длиннее, тем лучше.