Современные технологии измерений

Счетчик СМТ – Смарт: вопросы и ответы.

После размещения на сайте ООО «Техномер» серии статей с описанием особенностей микротермального принципа измерения природного газа с приведением объема к стандартным условиям, а также процедуры проектирования и испытаний счетчика газового СМТ – Смарт, разработанного на основе данного метода, появились обращения в наш  адрес,  в которых содержались вопросы, касающиеся как самого метода измерения, в том числе связанные с метрологией  измерений,  так и технической документации на счетчик. На большинство вопросов ответы давались по телефону, либо по электронной почте. При этом ряд вопросов в той или иной редакции повторялись достаточно часто, в связи с чем было принято решение ответы на них также разместить на сайте. Ниже приведены вопросы и ответы на них.  

  1. Почему Ваш счетчик называется микротермальным,- правильнее было бы называть его парциальным счетчиком.

Классик расходометрии П.П Кремлевский в справочнике «Расходомеры и счетчики количества»  4 изд., 1989 г стр. 511 дает следующее определение: «Парциальными называются расходомеры, основанные на измерении лишь небольшой доли расхода, обычно ответвляемой от основного потока  измеряемого вещества». Из данного определения ясно, что понятие «парциальный» имеет косвенное отношения к способу измерения, но указывает на вариант конструктивного исполнения средства измерения. На наш взгляд способ измерения – наиболее значимый признак, без которого нельзя понять принцип работы прибора. Например непонятно, что представляет из себя парциальный расходомер, предназначенный для измерения расхода электропроводящих жидкостей, если не указано главного: в данном расходомере реализован электромагнитный принцип измерения. В нашем случае название «микротермальный» указывает именно на способ измерения – калориметрический, измеряющий массовый расход газа, а то, что это измерение происходит в байпасном канале – это конструктивная особенность данного прибора; для теплового способа измерения данное исполнение  не является принципиально обязательным – в упомянутом выше справочнике приведены примеры  конструкции тепловых  расходомеров, измеряющих  массовый  расход непосредственно в основном потоке измеряемого вещества. Таким образом,  в названии счетчика СМТ-Смарт  указана основная отличительная  черта: способ измерения - микротермальный,  а его конструктивная особенность – измерение в байпасном канале - отражена в Технических условиях, и Руководстве по эксплуатации счетчика.

Следует  признать, что в выборе названия средств измерений в настоящее время не существует какого-либо устоявшегося официального подхода. Например, название известного газового счетчика СГ-16МТ – счетчик газовый для диапазона давлений 1,6 МПа вообще не содержит каких-либо конструктивных признаков, а о том, что данный счетчик турбинный – можно лишь  догадываться. И примеров подобных названий средств измерений существует множество.

  1. Формулировка в Описании типа средства измерений: «Счетчики газа микротермальные СМТ-Смарт предназначены для измерения объема, приведенного к стандартным условиям … » означает, что на вход счетчика должен поступать газ, предварительно приведенный к стандартным условиям .

В разделе «Назначение средств измерений» Описания типа средства измерения счетчика СМТ-Смарт сказано: «Счетчики газа микротермальные СМТ-Смарт предназначены для измерений объема, приведенного к стандартным условиям (температура плюс 20 °С, давление 101,3 кПа), неагрессивного неоднородного по химическому составу природного газа по ГОСТ 5542–2014». Таким образом объем, приведенный к стандартным условиям, является измеряемым выходным параметром для данного счетчика. Это соответствует требованиям п.6.3.1 ГОСТ Р 8.915-2016 «Государственная система обеспечения единства измерений. Счетчики газа объемные диафрагменные. Общие технические требования, методы испытаний и поверки»: «Счетчик газа должен автоматически приводить измеренное количество прошедшего через него газа к температуре 20°С. Устройство (датчик) коррекции должно располагаться внутри корпуса счетчика в потоке газа».

Однако это не означает, что счетчик предназначен  для измерения потока газа, изначально приведенного к стандартным условиям - температура плюс 20 °С, давление 101,3 кПа. Иначе, как можно объяснить, что кроме основной относительной погрешности при измерении объема газа, приведенного к стандартным условиям – см.  п. 3 табл.2 « Метрологические характеристики » появляется дополнение в этом же пункте: «Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности, вызванной отклонением температуры измеряемой среды от границы диапазона от плюс 15 °С до плюс 25 °С на каждые 10 °С, %, не более ± 0,4 ». И далее, в п.2 табл.3 этого же документа : «Температура измеряемой среды, °С  от -25 до +55 ».  Но разве может быть газ одновременно и приведенный к стандартным условиям (температура плюс 20 °С, давление 101,3 кПа) и имеющий в то же самое время  температуру -25 градусов Цельсия?

Таким образом счетчик СМТ-Смарт производит измерение объема газа, температура которого может находиться в интервале -25 до +55 °С, при этом выходным параметром  счетчика является  объем газа, приведенный к стандартным условиям, как собственно и сказано в  п.6.3.1 упомянутого выше ГОСТа.

Далее, в документе « Счетчики газа микротермальные СМТ-Смарт. Методика поверки» МП 0725-1-2018, разработанном и утвержденном ФГУП «ВНИИР» г.Казань указаны требования к поверочному оборудованию для поверки счетчика – см.п. 2.1 «Средства поверки»: рабочий эталон объемного расхода газа 1-го разряда по ГОСТ8.618-2014 в диапазоне значений от 0,04 до 10м³/ч с  пределами относительной погрешности не более ± 0,5% (далее – эталон расхода газа.)  И далее, в п.6.3 «Определение метрологических характеристик » описывается процедура работы с данным эталоном: « Значение объема воздуха, прошедшего через эталон расхода газа, приводят к стандартным условиям (абсолютное давление 101,325 кПа, температура 293,15К ) в соответствии правилами применения  и содержания эталона расхода газа. Если эталон расхода газа измеряет объем газа при рабочих условиях, то объем воздуха, прошедший через эталон расхода газа, приведенный к стандартным условиям, рассчитывают по формуле :     

      

Т.о. эталонное средство должно приводить к стандартным условиям объем газа, прошедший через него либо автоматически, либо допускается осуществлять его пересчет к стандартным условиям в соответствии с приведенной выше процедурой.

Требования к рабочим условиям измеряемой среды при поверке изложены в п.4 «Условия поверки» :

- измеряемая среда – воздух
- температура измеряемой среды от +15 до +25°С.

Как можно видеть, ни в одном из пунктов упомянутых документов не содержится слов о том, что счетчик СМТ-Смарт осуществляет измерение объема газа, приведенного к стандартным условиям только в случае, когда на его вход  подается газ, приведенный к стандартным условиям. Наоборот, на вход и счетчика и эталонного средства поступает газ при рабочих условиях, а счетчик и эталон приводят его объем к стандартным условиям, после чего приводится расчет относительной погрешности измерений в соответствии с требованиями, изложенными в  п.6.3.1 Методики поверки счетчика СМТ-Смарт.

  1. Почему результаты измерений модуля SGM 700x  не зависят от параметров измеряемой среды – температуры и давления?

Следует уточнить -  выходным измеряемым параметром самого модуля SGM 7000x является объем газа, приведенный к стандартным условиям и его измерение не зависит от текущих параметров измеряемой среды – давления и температуры.  Объясняется это тем, что тепловые газовые расходомеры, а микротермальные (иное название - калориметрические ) и термоконвективные  расходомеры измеряют именно  массовый расход измеряемого газа в единицу времени и, при этом объем газа, приведенный к стандартным условиям, полученный из значения массового расхода не будет зависеть от текущих параметров газа. Поясним это на примере.

На рис.1 схематично изображены весы, на левой чашке которых установлен цилиндр 2 с газом, состояние которого - давление P1 и температура Т1  и  поршнем, исключающим переток газа между стенками цилиндра и поршня, а также  дополнительный груз 1 массой м1. На правой чашке находится груз 3  массой м2, который уравновешивает массу груза 1 и газа в цилиндре 2. Будем считать, что масса цилиндра и поршня равна нулю. Тогда масса газа  Мг будет равна:   

Мг = м3 – м1  ( 1 ),
а объем газа в цилиндре 2, приведенный к стандартным условиям, будет равен:

Vc =  ( м3- м1)/ ρс ( 2 ), 
где  ρс – плотность газа при стандартных условиях (температура плюс 20 °С, давление 101,3 кПа). 

Изменим начальные условия, для чего установим груз 1 непосредственно на поршень в цилиндре 2. Поршень переместится вниз до нового равновесного состояния; при этом параметры газа в цилиндре изменятся с P1,Т1 на P2,Т2. – см. рис.2 

                              

Положение равновесия  чашек весов в этом случае не нарушится, т.к. масса газа в цилиндре при этом останется прежней  и, следовательно, несмотря на то, что давление, температура и текущий объем газа в цилиндре изменились, значение объема газа, приведенного  к стандартным условиям, рассчитанное  в соответствиии с ( 1 ),( 2 ) останется  прежним.

Важным следствием из рассмотренного примера  является то, что массовый микротермальный расходомер будет правильно рассчитывать объем, приведенный к стандартным условиям и в случае, когда параметры газа на входе расходомера будут  изменяться непрерывно  - схема установки приведена на рис.3. 

На весах 3  установлен цилиндр 1 с газом, начальные параметры которого – давление Р1 и температура Т1. Естественно, начальное давление Р1 газа в цилиндре должно быть выше атмосферного. На выходном из цилиндра 1 трубопроводе  установлены вентиль 2  и далее – массовый расходомер 4. При закрытом вентиле 2 индикатор весов фиксирует суммарную массу м1 всех элементов конструкции, включая массу газа в цилиндре 1; т.к.расхода газа в данном случае нет – вентиль 2 закрыт,  расходомер 4 фиксирует нулевой массовый расход и, соответственно, нулевой объемный расход, приведенный к стандартным условиям. При открытом вентиле 2 газ из цилиндра 1 через расходомер 4  выходит в атмосферу; при этом  давление в цилиндре уменьшается, будет меняться и температура газа в цилиндре. Расходомер 4 непрерывно измеряет мгновенные значения массового расхода газа при текущих меняющихся параметрах состояния газа и рассчитывает  объемный расход Vс, приведенный к стандартным условиям в соответствии с (2):

Используемое при расчетах значение ρс - плотность воздуха при стандартных условиях, в виде константы записано в память микроконтроллера измерительного модуля SGM700x. При измерении расхода природного газа микроконтроллер модуля, используя в алгоритме динамической компенсации текущие тепло-физические  параметры измеряемой среды, осуществляет корректировку константного значения ρс, что обеспечивает получение идентичных выходных характеристик модуля при измерении как потока воздуха, так и природного газа. Алгоритм динамической компенсации «зашит» непосредственно во встроенное программное обеспечение микроконтроллера модуля SGM700x, в результате чего выходной сигнал модуля представляет собой  расход газа, приведенный к стандартным условиям, не зависящий от типа среды - воздух или природный газ,

  1. Почему в комплекте технической документации на счетчик СМТ-Смарт нет Методики измерений, зарегистрированной в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений 

Требования к методикам  измерений регламентированы Федеральным законом N 102 от 26.06.2008 г. «Об обеспечении единства измерений»,  п.1 статья  5 :

«Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования  обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений, с применением средств измерений утвержденного типа, прошедших поверку ».

Далее,  в  п.2 статьи 5 Федерального закона уточняются особенности аттестации методик измерений применительно к процедуре прямых измерений: «Методики (методы) измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. Подтверждение соответствия этих методик (методов) измерений обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений».

Таким  образом, применительно к процедуре прямых измерений не должен разрабатываться  и, соответственно,  проходить процедуру  аттестации  отдельный документ - Методика измерений,-  описание методов измерений  вносятся непосредственно в эксплуатационную документацию на данное средство измерения.

Что следует считать  прямыми измерениями?  Определение дается  в п.19 статьи 2 Федерального закона:  «Прямое измерение - измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства измерений». Отсюда косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение величины определяется  пересчетом результатов прямых измерений величин, связанных с искомой величиной известной нам зависимостью.

Исходя из  данного  выше определения  механический диафрагменный счетчик газа, измеряющий объем газа при рабочих условиях измеряемой среды  – это прибор прямого измерения, т.к. измеренное значение  ( объем газа) получается непосредственно от данного средства измерения, без привлечения каких-либо дополнительных измерительных устройств и, в полном соответствии с п.2 статьи 5 ФЗ N102, для данного прибора не может быть аттестован отдельный самостоятельный документ – Методика измерений. С другой стороны, в том  же счетчике, но укомплектованном  электронным устройством, осуществляющим на основе прямых измерений температуры и давления газа  приведение объема к стандартным условиям,  реализуется  косвенный способ измерения и для такого прибора разработка и аттестация Методики измерения  является обязательной процедурой.  Заметим, что тот же диафрагменный счетчик  со встроенным  механическим температурным корректором  также является прибором прямого измерения, т.к. для получения результатов измерения – объема газа, приведенного к температуре  20 °С не используются результаты  каких-либо дополнительных прямых измерений; механический температурный корректор является  элементом конструкции счетчика и не имеет отношения к средствам измерения , имеющим  заявленную величину относительной погрешности измерений.

В соответствии с приведенным выше определением счетчик СМТ-Смарт является прибором, осуществляющим прямое измерение, т.к. искомая измеряемая величина – объем газа, приведенный к стандартным условиям, получается непосредственно от данного средства измерения, без привлечения результатов  других прямых измерений, в связи с чем для данного счетчика не требуется разработка и аттестация Методики измерения.  Это  нашло свое подтверждение в письме зам. Директора по научной работе ФГУП ВНИИР (исх. N 1889/02 от 06.06.2018г. ) В.А.Фафурина на имя  Начальника Управления по внедрению и эксплуатации АСКУГ и метрологии ООО  «Газпром межрегионгаз» Д.Ю.Кутового [ 1 ].

Со стороны аккредитованных организаций, занимающихся  сертификацией средств измерений,  отказ в аттестации  Методики измерений на приборы прямого измерения –  стандартная процедура. Например,  подобный письменный отказ в аттестации  выдан  ФГУП ВНИИМС  ( г. Москва ) на  Методику измерений счетчика газа  серии Гранд – соответствующая информация об этом размещена  на сайте производителя  счетчика  [ 2 ].

Причина, по которой  для метода прямого  измерения  не требуется  аттестация  отдельной Методики измерения  заключается в следующем. В тексте документа  ГОСТ Р 8.563-2009 «Методики (методы) измерений » - см. п.5.2.1 использовано понятие «неопределенность измерений»;  содержание  данного понятия раскрывает  ГОСТ Р 54500.3.1 « Неопределенность измерения. Руководство по выражению неопределенности измерения», в котором описывается процедура расчета относительной расширенной неопределенности измерения при выбранном коэффициенте охвата.  

Рассмотрим процедуру подобного  расчета на примере диафрагменного счетчика с электронным устройством  осуществляющим, на основе измерения давления и температуры газа, приведение объема газа к стандартным условиям. В этом случае результатами прямых измерений будут измеренный объем газа при рабочих условиях, температура и абсолютное давление газа. Для каждого из перечисленных  результатов измерений,  исходя из заявленных  пределов  допускаемой относительной погрешности  измерений  δi,  рассчитывается соответствующая  относительная  стандартная неопределенность измерений ui ;  далее производится расчет относительной суммарной стандартной неопределен-ности  измерений  объема газа, приведенного к стандартным условиям ,%:

и, наконец, с учетом выбранного коэффициента охвата  ( например, 2 ) вычисляется значение относительной расширенной неопределенности измерений объема газа, приведенного к стандартным условиям, % :

Из приведенной процедуры расчета  становится понятным, что для средства измерения, построенного на  принципе прямого измерения, где искомое  значение измеряемой величины не содержит результатов  других прямых измерений,  вычисление относительной расширенной неопределенности измерений теряет всякий смысл, т.к. суммарная стандартная неопределенность измерений  всегда будет состоять из одной - единственной относительной стандартной неопределенности измерения, относящейся к к искомому значению измеряемой величины. Значение относительной стандартной неопределенности измерения, в свою очередь, однозначно определяется продекларированным пределом  допускаемой относительной погрешности измерений искомой величины. Таким образом,  для метода прямого измерения  значение относительной расширенной неопределенности измерений  всегда  равно  пределу допускаемой относительной погрешности измерения  искомой величины.  Подтверждение  заявленного предела допускаемой относительной погрешности измерения искомой величины на основании методик  (методов) измерений, внесенных в эксплуатационную документацию средства измерения  и является обязательным метрологическим требованием  к измерениям в процессе утверждения типа данного средства измерения.                                    

Литература.

  1. Письмо ФГУП ВНИИР г.Казань относительно счетчика СМТ – Смарт ( исх.N 1889/02 от 06.06.2018 г.).
  2. Письмо ФГУП ВНИИМС г.Москва относительно счетчика Гранд ( исх.N 208/10-173 от 20.06.2013 г.)