СТО Газпром газораспределение 2.4-13-1-2025 «Узлы измерений расхода газа». Особенности метрологических требований к УИРГ категория Б

В статье [ 1 ]  ранее были рассмотрены требования, изложенные в СТО Газпром газораспределение 2.4-13-1-2025 применительно к средствам измерений, входящим в состав узлов измерения расхода газа, относящимся к группе категории А. Показано, что промышленные комплексы ПК-ТМ, построенные на базе электронного корректора ТМ-07, полностью соответствуют требованиям данного документа. В настоящей статье рассмотрены требования, предъявляемые к узлам измерения расхода газа, относящимся к группе категории Б, измеряемый расход газа которыми не превышает 150 м3/час с давлением до 0.005 МПа.

Для измерения объемного расхода и объема природного газа, приведенного к стандартным условиям, применяют методы измерения с использованием ПП РГ объемного расхода (объема) газа (ротационные, ультразвуковые и турбинные). Также для УИРГ категории Б допускается дополнительно применять методы измерения расхода (объема) газа, предусматривающий применение ПП РГ диафрагменного типа в соответствии с ГОСТ Р 8.995 или методик измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений и метод массового расхода для ПП РГ микротермального типа в соответствии с ГОСТ Р 8.1028. 

Постановлением Правительства РФ от 16 ноября 2020 г N 1847 «Об утверждении перечня измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений» для измеряемых расходов природного газа до 150 м3/час и давления до 0.005 МПа установлен предел допускаемой погрешности измерений не хуже  ± 4% , в то время, как документ СТО Газпром газораспределение 2.4-13-1-2025 п.6 "Требования к показателям точности для измерения расхода газа, приведенного стандартным  условиям" устанавливает  предел допускаемой погрешности измерений не хуже  ± 3%, что, естественно, удовлетворяет требованиям упомянутого Постановления Правительства РФ. Следует уточнить, что здесь и далее говорится о величине полной относительной погрешности измерений. Как определяется эта погрешность? Например, в ГОСТ Р 8.741  «Общие требования к методикам измерения» дана следующая формулировка (см. п.7.7.3) :  

Относительную погрешность измерений объема газа, приведенного к стандартным условиям, оценивают с учетом: 

- основной погрешности СИ;

 - дополнительных погрешностей СИ, при наибольших отклонениях внешних влияющих величин от нормальных значений либо максимально допускаемых значениях коэффициентов влияния; 

- дополнительной погрешности от принятия величин за условно-постоянный параметр; 

- погрешностей, приписанных уравнениям расчета плотности или коэффициента сжимаемости газа;

 - других составляющих погрешности.

Все перечисленные выше методы измерения  объемного расхода (объема) газа , приведенного к стандартным условиям (ротационные, ультразвуковые, диафрагменные  и турбинные), за исключением метода прямого измерения массового расхода микротермального типа, используют косвенный метод измерений. Определение косвенного метода измерений дается  в [ 2 ]  - см. п. 4.20:  Косвенное измерение: Измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других величин, функционально связанных с искомой величиной. Т.о. при косвенном методе измерений кроме основной погрешности СИ всегда присутствуют и дополнительные погрешности, они есть и будут всегда и отсутствуют только при прямом методе измерений.

Все упомянутые выше формулировки  взяты из официальных документов, разработанных и принятых Росстандартом РФ. Они приведены здесь с единственной целью – показать, к чему приводит принятый в СТО 2.4-13-1-2025 текст  Примечания к п.6.1:

 -  Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении объема газа, приведенного к стандартным условиям, устанавливаются для измерений в диапазоне свыше 0,1 ∙ Qмакс до Qмакс включительно.

Для измерений в диапазоне от Qмин до 0,1 ∙ Qмакс включительно, значение допускаемой относительной погрешности измерений объема газа, приведенного к стандартным условиям, принимается без учета дополнительной погрешности, вызванной отклонением температуры и/или давления измеряемой среды от стандартных условий.

Из данных формулировок следует, величина полного значения погрешности измерений объема газа, приведенного к стандартным условиям не должна превышать значения  ±3% только для диапазона Qmax- 0,1Qmax , в то время, как для  остального диапазона 0,1Qmax - Qmin  эта величина не нормируется вообще и , фактически, может быть любой. Это вполне допускается текстом Примечания , однако такое  СИ не соответствует требованиям Постановления Правительства РФ N1847  в части величины полного значения относительной погрешности измерений.  Кроме того,  не может быть расчета полного значения относительной погрешности без учета входящих дополнительных погрешностей , т.к. не существует такого метрологического понятия, как полное значение относительной погрешности без учета входящих дополнительных погрешностей , по крайней мере в  [ 2 ] такое определение отсутствует . 

Получается, что если ранее в Описании типа СИ – счетчика газа, был указан диапазон измерения 1:160 и полная относительная погрешность измерения не хуже   ±4% во всем диапазоне измерений, то теперь этот же счетчик   будет иметь диапазон измерения не более 1: 10 , где величина полной относительной погрешности не будет превышать ± 3%. А как быть с остальным диапазоном измеряемых расходов?  Предложение внести в Описание типа СИ  отдельные величины полного значения относительной погрешности  для первого поддиапазона ± 3%  и  ±4%  для второго, чтобы сохранить исходно большой диапазон измеряемых расходов  не встретит понимания у метрологов на этапе сертификации такого счетчика, т.к. расчет полного значения погрешности измерений должен производиться   при наибольших отклонениях внешних влияющих величин от нормальных значений либо максимально допускаемых значениях коэффициентов влияния (см.  ГОСТ Р 8.741). 

Как ни парадоксально, формально самым лучшим образом этим новым требованиям будут соответствовать счетчики, в описании типа СИ которых есть нормированная величина основной относительной погрешности и отсутствует какое-либо упоминание о дополнительных погрешностях хотя, как показано выше, их отсутствие невозможно исходя из определения  косвенного метода измерений. А раз нет дополнительных погрешностей, то полное значение относительной погрешности измерений всегда будет равно основной относительной погрешности, по каким формулам ни считай. Но обеспечивает ли такое  соответствие требованиям СТО повышение точности измерений? Конечно же нет, отказ от учета дополнительных погрешностей точность измерений никак не улучшит, скорее наоборот. 

Остановимся на процедуре определения полного значения относительной погрешности. Существует два метода – метод прямого измерения и метод вычисления полного значения относительной погрешности. Метод прямого измерения применяется достаточно редко, т.к. для этого требуется достаточно сложное и редко встречающееся оборудование, поэтому обычно используется вычисление полного значения относительно погрешности с учетом всех дополнительных погрешностей, как и сказано в п.7.7.3 ГОСТ Р8.741. При этом вычисление производится либо в виде суммы всех погрешностей, либо в виде корня квадратного из суммы квадратов этих погрешностей так, как это приведено в п. 7.7.5.2  с учетом требований пп.7.7.1. 7.7.2 . При этом результаты  вычислений будут различными, причем во втором случае полученное значение всегда будет меньше, чем в первом. Действительно, пусть имеются погрешности –  δ1 и  δ2 .Тогда для первого случая: 

Δ =   δ1 +  δ2 ;

а для второго:                

Δ =   √ δ21 +  δ22  = √ ( δ1 + δ2 )2 - 2 δ1δ2 .

Очевидно, что  результат вычисления по второму варианту всегда будет меньше, чем по первому варианту.

Причина несовпадения результатов расчетов достаточно очевидна – во втором случае учитывается случайный характер погрешности  , при которой  распределение  составляющих погрешности подчиняется нормальному закону Гаусса. Аналогичное разъяснение изложено в документе  [ 3]. Как в таком случае должен осуществляться расчет полного значения погрешности?

Случайные величины, взятые в совокупности, подчиняются определённым законам, которые рассматривает теория вероятностей. Обработка результатов измерений при этом основывается на вероятностном подходе  и ряде постулатов математической статистики, которые хорошо оправдывают себя на практике. Чтобы охарактеризовать случайную величину надо указать, какие значения она может принимать. Кроме этого необходимо указать, как часто, т. е. с какой вероятностью случайная величина может принимать те или иные значения – т. е. задать распределение случайной величины. В случае распределения Гаусса результаты измерений х симметрично рассеяны относительно X как в сторону больших, так и мeньших значений х. Причём с ростом величины отклонения |X − x| вероятность отклонения быстро уменьшается. Среднее арифметическое серии n измерений                                                            

В теории вероятностей показано, что x¯ является наилучшей оценкой истинного значения параметра X. Поэтому рекомендуется проводить серии n измерений и вычислять x¯. Случайный разброс среднего значения x¯ относительно истинного значения X физического параметра принято характеризовать величиной                                                         

Однако случайная погрешность измерений определяется не только величиной s, но  зависит также от вероятности p, с которой истинное значение X должно попадать в интервал

x¯ − ∆Xсл ≤ X ≤ x¯ + ∆Xсл.

Для этого по таблицам математической статистики определяют так называемые коэффициенты Стьюдента tp,n, зависящие от выбранного уровня вероятности P и числа измерений n. Случайная погрешность измерений определяется произведением: 

∆Xсл = s · tp,n.

Результат обработки измерений записывают в виде: X = ¯x ± ∆Xсл с вероятностью p.

Как правило, при проведении эксперимента появляются и систематические и случайные погрешности измерений. Возникает задача суммирования этих погрешностей для получения итоговой оценки. Однако учёт систематических и случайных погрешностей различен в принципе. Действительно, если мы имеем дело с систематическими погрешностями, то истинное значение измеряемого параметра обязательно лежит в интервале x¯ − ∆Xсист ≤ X ≤ x¯ + ∆Xсист. Если же речь идёт только о случайных погрешностях, то неравенство x¯ − ∆Xсл ≤ X ≤ x¯ + ∆Xсл выполняется с вероятностью p < 1, которую мы сами задаём.  Для уменьшения ∆Xсист можно увеличить число измерений n. Можно и наоборот, увеличить ∆Xсл за счёт увеличения доверительной вероятности p. Однако не стоит уменьшать доверительную вероятность p, чтобы за счёт этого уменьшить ∆Xсл, т.к. надёжность оценки станет низкой. В крайнем случае, суммарную погрешность ∆x можно рассчитать по формуле (учитывая, что систематическая и случайная погрешности не зависят друг от друга): 

∆x = √ p(∆xсл)2 + (∆xсист)2 

Тогда результат запишется в виде X = ¯x ± ∆x. Вероятность выполнения неравенства x¯ − ∆x ≤ X ≤ x¯ + ∆x в этом случае будет не меньше той, что выбрана при расчёте ∆Xсист.

Таким образом, возвращаясь к процедуре расчета полного значения относительно погрешности в виде суммы всех погрешностей можно сказать, что в этом случае не учитывается вероятностный ( случайный) характер погрешностей, что предполагает равновероятный характер их возникновения. Этим и объясняется и отличие в результатах вычисления по двум разным способам и то, что простая сумма погрешностей всегда больше корня квадратного из суммы квадратов этих погрешностей полученных с учетом их вероятностного характера распределения по кривой Гаусса. 

Литература 

1. Промышленный комплекс учета газа ПК-ТМ: соответствие новому СТО Газпром газораспределение 2.4-13-1-2025
2. РМГ29-2013 ГСОЕИ «Метрология. Основные термины и определения».
3. МИ 2083-90 «ГСОЕИ Измерения косвенные. Определение результатов измерений и оценивание их погрешностей».