СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ И ПРОВЕРКИ СРЕДСТВ КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ЭТАЛОН ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01F25/00 

Изобретение относится к области измерений, предназначено для обеспечения точности измерений преимущественно расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния, счетчиков количества веществ и тепловой энергии, калорийности топлив и может применяться в энергетике и других отраслях промышленности.

Невозможность или сложность проведения прямых измерений ряда величин вызывает необходимость проведения косвенных измерений. При косвенных измерениях искомое значение величины находят с помощью вычислений на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в технике, например нахождение плотности однородного тела на основе прямых измерений его массы и объема, измерение электрического сопротивления резистора по току в цепи и напряжению и др.

К косвенным измерениям относятся определение расхода жидких и газообразных веществ, количества веществ, количества тепловой энергии, калорийности топлива и др.

Объединяет вышеназванные измерения то, что в их основе лежит измерение расхода вещества.

Известны правила измерения расхода газов и жидкостей методом переменного перепада давления и общие технические требования к расходомерным устройствам [1] Правила устанавливают требования к выполнению расходомерных устройств при их разработке, проектировании, монтаже и эксплуатации.

При расчете сужающего устройства расходомеров используются ряд параметров измеряемого вещества, основными из которых являются давление и температура, а также ряд физико-химических показателей измеряемого вещества, например для газа это плотность, коэффициент динамической вязкости, показатель адиабаты и др. которые зависят от состава газа, его давления и температуры. Указанные физико-химические показатели в существенно ограниченном объеме приведены в приложениях к правилам [1]
Недостатком является невозможность применения для проверки расходомеров, счетчиков количества, калориметров и других приборов в широком диапазоне работы при переменных параметрах состояния измеряемого вещества.

Известен Государственный первичный эталон и поверочная схема для средств измерений объемного расхода газа в диапазоне 1•10^-6-1•10^-2 м³/с [2] Государственный первичный эталон предназначен для воспроизведения и хранения единицы объемного расхода газа и передачи размера единицы при помощи рабочих эталонов и образцовых средств измерений рабочим средствам измерений. В указанной поверочной схеме наряду со способом градуировки и поверки рабочих средств измерения методом непосредственного сличения предусмотрен метод косвенного измерения по параметрам, который применяется для аттестации образцовых расходомерных установок.

Недостатками способа градуировки и поверки рабочих средств косвенных измерений являются несовершенство образцовых средств, сложность и многоступенчатость передачи единицы измерений и непостоянство условий измерений, а также отсутствие сопоставимости методологических характеристик приборов, в комплексе определяющих воспроизводимость измерений.

Известен способ и устройство для градуировки и поверки электромагнитных расходомеров без применения расходомерной установки путем имитирования магнитного поля в канале поверяемого расходомера, преобразование имитированного сигнала в напряжение и использование сигнала напряжения для калибровки измерительного устройства [3]
Недостатками этих способа и устройства являются ограниченность применения только для индукционных расходомеров.

Из известных способов градуировки и поверки средств косвенных измерений наиболее близким является способ определения расхода газа по измеренному перепаду давления на сужающем устройстве путем задания значений параметров состояния вещества, физико-химических показателей и расчета значений расхода по уравнению расхода [4] Поверка расходомеров переменного перепада давления сводится к проверке расчета сужающего устройства и поверке преобразователя перепада давления (дифманометра).

Недостатком этого способа градуировки и поверки является то, что в процессе измерения расхода параметры измеряемого вещества изменяются, в расчетах сужающего устройства появляются неучтенные погрешности и, таким образом, точность поверки расходомеров вышеуказанным способом оказывается недостаточно высокой.

Из известных устройств для измерения или градуировки наиболее близким является устройство автоматического и дистанционного измерения расхода вещества [5] Известное устройство содержит преобразователи давления, температуры и разности давлений, блок определения плотности и блок задания типа и условий работы диафрагмы (сужающего устройства), соединенные с информационно-вычислительной машиной, производящей расчет расхода.

Недостатком устройства является невысокая точность расчета из-за того, что при пересчете не учитывается состав вещества и взаимосвязь физико-химических показателей с параметрами состояния вещества.

Целью изобретения является осуществление поверки средств косвенных измерений, преимущественно расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния, счетчиков количества и калориметров путем создания эталона косвенных измерений, имитации заданных значений параметров состояния и принятие рассчитанного значения расхода за эталонное.

Поставленная цель достигается тем, что в способе градуировки и поверки средств косвенных измерений путем задания значений параметров состояния, определения физико-химических показателей вещества и расчета значений расхода по уравнению расхода заданные значения имитируют с помощью имитаторов входных переменных в статических и динамических режимах, а рассчитанные значения принимают в качестве эталонного значения.

Поставленная цель решается также рядом признаков, характеризующих частные случаи способа.

Физико-химические показатели определяют по таблицам стандартных справочных данных Государственной службы стандартных справочных данных.

Дополнительно имитируют свойства информационно-измерительных каналов преобразователей параметров состояния вещества.

Эталонное значение сравнивают со значением, полученным с помощью физической модели.

Поставленная цель достигается также тем, что эталон для градуировки и поверки средств косвенных измерений, содержащий преобразователи давления, температуры и разности давлений, блок определения плотности и блоков задания типа и условий работы сужающего устройства, соединенные с информационно-вычислительным устройством, дополнительно содержит блок определения вязкости, блок определения показателя адиабаты, блок определения коэффициента расширения и блок задания состава вещества, а преобразователи давления, температуры и разности давлений выполнены в виде имитаторов, причем второй выход имитаторов давления соединен с первыми входами блоков определения плотности, вязкости, показателя адиабаты и коэффициента расширения, второй выход имитатора температуры соединен со вторыми входами блоков определения плотности, вязкости и показателя адиабаты, второй выход имитатора разности давлений соединен со вторым входом блока определения коэффициента расширения, выход блока задания состава соединен с третьими входами блоков определения плотности, вязкости и показателя адиабаты, второй выход блока определения типа и условий работы сужающего устройства соединен с третьим входом блока определения коэффициента расширения, к четвертому входу которого подсоединен выход блока определения показателя адиабаты, а выход вместе с входом блока определения вязкости подсоединены к информационно-вычислительному устройству.

Поставленная цель достигается также рядом признаков, характеризующих частные случаи устройства: эталон содержит модели измерительно-информационных каналов и имитаторы выполнены в виде физической модели.

На фиг. 1 приведена структурная схема эталона для осуществления способа градуировки и поверки средств косвенных измерений; на фиг. 2 схема подключения эталона и поверяемого средства измерений.

Эталон содержит информационно-вычислительное устройство 1, к которому подсоединены имитаторы входных переменных 2 перепада давлений на сужающем устройстве ΔP, давления измеряемой среды P и температуры среды t. Имитаторы давления и температуры соединены также с блоками определения плотности 3, вязкости 4, показателя адиабаты 5, имитатор давления также соединен с блоком определения коэффициента расширения 6. К третьим входам блоков определения плотности, вязкости и показателя адиабаты подсоединен блок 7 задания состава вещества. Ко второму входу блока 6 определения коэффициента расширения подсоединен имитатор разности давлений, к третьему входу подсоединен выход блока 8 задания типа и условий работы сужающего устройства 9, а к четвертому входу выход блока 5 определения показателя адиабаты. Выходы блоков 3, 4, 6 и 8 подсоединены к информационно-вычислительному устройству 1.

К выходам имитаторов могут быть подсоединены модели 9 информационно-измерительных каналов. Выходом информационно-вычислительного устройства 1 являются сигналы Q_m, представляющие величину косвенного измерения: массовый расход вещества, количество вещества, количество тепловой энергии, калорийность топлива и т.п. а также δQ_m погрешность определения этой величины.

При проведении градуировки или поверки средства косвенного измерения методом сличения (фиг. 2) сигналы имитаторов 2 и блоков 3-8 подаются одновременно на эталон 1 и градуируемое или поверяемое средство 11 косвенных измерений. При поверке производится сравнение эталонного значения Q_m и погрешности δQ_m со значением сигнала поверяемого средства измерения Qсиm

Эталон может быть реализован на основе серийно выпускаемых электрических и электронных приборов. В качестве информационно-вычислительного устройства может быть использована универсальная цифровая вычислительная машина, например, серии СМ или персональный компьютер, совместимый с IBM.

Блоки задания состава веществе 7 и типа и условий работы сужающего устройства 8 могут состоять из линейных проволочных прецизионных потенциометров типа ПЛ и стабилизированных источников питания. Блоки определения 3-6 могут быть выполнены на основе аналого-вычислительного устройства, например, типа А 343-101, выпускаемого НПО "Буревестник". Имитаторы 2 могут содержать линейные проволочные прецизионные потенциометры типа ПЛ и стабилизированные источники питания для изменения заданных значений в статических режимах в различных диапазонах измерений. Для изменения значений в динамических режимах имитаторы содержат цифровые генераторы с перестраиваемой тактовой частотой. Для изменения значений в процессе проведения измерений имитаторы содержат программные датчики времени ПДВ-2 или кулачковый электронно-механический задатчик. Связь имитаторов и блоков с электронно-вычислительной машиной осуществляется через аналого-цифровые или цифроаналоговые преобразователи (на схемах не показаны).

Способ градуировки и поверки средств косвенных измерений осуществляется следующим образом.

Входные переменные перепад давлений на сужающем устройстве, давление и температуру устанавливают с помощью имитаторов 2 в виде унифицированного тока или напряжения, которые через аналого-цифровые преобразователи (на схеме не показаны) поступают на входы информационно-вычислительного устройства 1.

В статических режимах входные переменные последовательно устанавливают в ряд значений в диапазоне работы средства косвенного измерения, во время проведения измерения каждое значение сохраняется постоянным. В динамических режимах заданные значения изменяются во времени с помощью программных датчиков времени ПДВ-2 или кулачковых задатчиков. Вместо последних в динамических режимах могут быть подключены цифровые генераторы с перестраиваемой частотой, которые могут осуществлять подачу гармонического синусоидального воздействия для снятия частотных характеристик исследуемого средства косвенного измерения, либо скачков единичной высоты для снятия переходной характеристики, либо кратковременного импульсного импульса с заданной продолжительностью для снятия импульсной или весовой характеристики.

Сигналы, соответствующие заданной температуре, поступают также на блоки, определяющие плотность 3, вязкость 4 и показатель адиабаты 5. Сигналы, соответствующие заданному давлению, поступают также в блоки 3-5 и блок 6, определяющие коэффициент расширения. Сигнал, соответствующий заданному перепаду давлений, поступает на блок 6, на который также поступает сигнал с блока 8 задания типа и условий работы сужающего устройства. На блоки определения плотности 3, вязкости и показателя адиабаты поступают также сигналы с блока 7 задания свойства вещества.

В блоке определения плотности ρ по сигналам о составе вещества и банку данных, заложенных в соответствии с таблицами физико-химических показателей, имеющимся в правилах [1] определяется плотность сухого газа в нормальных условиях, которая затем пересчитывается в плотность при рабочих условиях. В случае работы с влажными газами через блок состава 7 на блок 3 подается сигнал, соответствующий влажности газа.

В блоках определения вязкости 4 и показателя адиабаты 5 по банкам данных, заложенным в соответствии с таблицами физико-химических показателей, имеющимся в правилах [1] и с учетом параметров состояния температуры и давления определяются вязкость h и показатель адиабаты k в рабочих условиях.

В блоке определения коэффициента расширения газа в зависимости от вида сужающего устройства (диафрагма или сопло), отношения DP/P, относительной площади сужающего устройства β и сигнала, поступающего с блока 5 определения показателя адиабаты, определяется коэффициент расширения газа e.

Сигнал с блока вязкости, поступающий в информационно- вычислительное устройство 1, используется вместе с сигналом от блока задания типа и условий работы сужающего устройства для расчета коэффициента расхода a.

Окончательно по сигналам, определяющим коэффициент расхода a, коэффициент расширения e, плотность r и перепад давления DP на сужающем устройстве по давлению (расхода) производится расчет значений расхода:

Рассчитанное значение расхода Q_m, произведенное информационно-вычислительным устройством 1, принимается за эталонное. По предварительным оценкам, погрешность измерений, обеспечиваемая данным эталоном, в зависимости от режимов поверки составляет 0,25 1,0% Указанная точность позволяет включить эталон в общесоюзную поверочную схему [2] в качестве специального эталона для поверки средств косвенных измерений, в частности расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния, счетчиков количества веществ и тепловой энергии, калорийности топлив и т.п.

Одновременно с расчетом расхода по заложенным в банк данных погрешностям определения физико-химических свойств измеряемого вещества и соответствующим уравнениям расчета погрешности производится расчет погрешности измерения δQ_m.

Сигнал расхода и его погрешность, полученные в эталоне, сравниваются со значением сигнала поверяемого средства измерения Qсиm

Объем данных физико-химических показателей, закладываемых в соответствии с таблицами правил [1] весьма ограничен. В то же время Всероссийский научно-исследовательский центр стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ (ВНИЦ СМВ) на государственном уровне собирает, анализирует и создает наиболее точные модели веществ и материалов, обеспечивающие воспроизводство физических, термодинамических и др. свойств, в том числе плотности, вязкости, показателя адиабаты, фактора сжимаемости и т.д. любых веществ и материалов (в том числе и природного газа) в широком диапазоне изменения давления, температуры и состава.

Указанные модели утверждаются на уровне государственных стандартов Государственной службы стандартных справочных данных (ГСССД) и обязательны к применению во всех отраслях народного хозяйства.

Таким образом, определение при данном способе градуировки и поверки средств косвенных измерений физико-химических показателей веществ на основе таблиц стандартных справочных данных ГСССД позволяет резко расширить возможности использования эталона для градуировки и поверки средств измерения веществ, данные на которые отсутствуют в таблицах правил [1]
Имитируемые сигналы могут поступать в информационно-вычислительные устройства непосредственно либо через модели информационно-измерительных каналов. Модели информационно- измерительных каналов представляют собой устройства, отображающие свойства соответствующих преобразователей перепада давления и температуры в статических и динамических режимах во всех диапазонах измерений. Использование моделей информационно-измерительных каналов позволяет приблизить характеристики средств косвенных измерений, получаемых с помощью эталона, к характеристикам реального поверяемого средства измерения.

Еще более близкое приближение характеристик получается в случае, когда заданные значения имитируются с помощью физической модели расхода. Физическая модель расхода представляет собой источники перепада давления, температуры и давления и средства их изменения в заданном диапазоне.

Для поверки расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния с помощью программных датчиков времени заданные значения давления и температуры изменяют в заранее установленных функциях времени, получая на выходе эталона и поверяемого средства измерения соответствующие сигналы и оценки расхода и его погрешности.

Расчет количества вещества (или энергии) производится в счетном устройстве эталона и поверяемого прибора (на схеме не показаны) путем интегрирования значений расхода за определенный промежуток времени.

Создание эталона для градуировки и поверки средств косвенных измерений и его использование позволяет организовать поверку расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния, счетчиков количества, калориметров и других аналогичных приборов.

Использование: изобретение относится к метрологии, точнее к способам и устройствам обеспечения точности измерений. Сущность изобретения: поверка средств косвенных измерений осуществляется с помощью эталона косвенных измерений путем имитации заданных значений параметров состояния с помощью имитаторов входных переменных в статических и динамических режимах и принятия рассчитанного значения в качестве эталонного значения. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ градуировки и поверки средств косвенных измерений, преимущественно расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния, счетчиков количества и калориметров путем задания значений параметров состояния, определения физико-химических показателей вещества и расчета значений расхода по уравнению расхода, отличающийся тем, что заданные значения параметров состояния имитируют с помощью имитаторов входных переменных в статических и динамических режимах, а рассчитанные значения принимают в качестве эталонного значения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что физико-химические показатели веществ определяют на основе таблиц стандартных справочных данных Государственной службы стандартных справочных данных. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительно имитируют свойства информационно-измерительных каналов преобразователей параметров состояния вещества. 4. Способ по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что заданные значения имитируют с помощью физической модели расхода. 5. Эталон для градуировки и поверки средств косвенных измерений, преимущественно расходомеров с автоматической коррекцией параметров состояния, счетчиков количества и калориметров, содержащий преобразователи давления, температуры и разности давлений, блок определения плотности и блок задания типа и условий работы сужающего устройства, соединенные с информационно-вычислительным устройством, отличающийся тем, что содержит блок определения вязкости, блок определения показателя адиабаты, блок определения коэффициента расширения и блок задания состава вещества, а преобразователи давления, температуры и разности давлений выполнены в виде имитаторов, причем второй выход имитатора давления соединен с первыми входами блоков определения плотности, вязкости, показателя адиабаты и коэффициента расширения, второй выход имитатора температуры соединен с вторыми входами блоков определения плотности, вязкости и показателя адиабаты, второй выход имитатора разности давлений соединен с вторым входом блока определения коэффициента расширения, выход блока задания состава вещества соединен с третьими входами блоков определения плотности, вязкости и показателя адиабаты, второй выход блока определения типа и условий работы сужающего устройства соединен с третьим входом блока определения коэффициента расширения, к четвертому входу которого подсоединен выход блока определения показателя адиабаты, а выход вместе с выходом блока определения вязкости подсоединены к информационно-вычислительному устройству. 6. Эталон по п.5, отличающийся тем, что содержит модели информационно-измерительных каналов, причем модели подключены к выходам имитаторов. 7. Эталон по п.5 или 6, отличающийся тем, что имитаторы выполнены в виде физической модели.