УДК 681.121

Дводзвонова установка
відтворення та вимірювання об’єму газу
для повірки лічильників газу

05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Івано-Франківському Національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Пістун Євген Павлович,

проректор Національного університету “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук

Колпак Богдан Дмитрович,

заступник директора ДНДІ “Система”

Державного комітету України по стандартизації,

метрології та сертифікації, м. Львів

кандидат технічних наук

Вощинський Віктор Станіславович,

директор КП “СКБ засобів автоматизації”,

м. Івано-Франківськ

Провідна установа:

Харківський Державний науково-дослідний

інститут метрології (ХДНДІМ)

Державного комітету України по стандартизації,

метрології та сертифікації

Захист відбудеться 16 травня 2002 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті “Львівська політехніка”
79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 51 Х учбового корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул.Професорська,1)

Автореферат розісланий 15 квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Вашкурак Ю. З.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Незважаючи на те, що Україна може забезпечити свою потребу в природному газі за рахунок власного видобутку лише на 18…20%, та що ціни на газ безперервно зростають, рівень споживання енергоресурсів на душу населення в Україні, в т. ч. природного газу, перевищує середньосвітовий в 1,5…2 рази. Одна з причин такого стану – це відсутність обліку витрачання газу, або низька точність вимірювання. Ці обставини загострюють проблему економії та раціонального витрачання газу, що, відповідно, ставить задачу підвищення точності при вимірюванні його кількості. Це, в свою чергу, поставило наукову задачу адекватного підвищення точності установок для відтворення і вимірювання об’єму і об’ємної витрати газу, за допомогою яких калібруються і повіряються засоби вимірювання кількості (об’єму) та витрати газу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Ди-сертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри Інформаційно-вимірювальної техніки (ІВТ) Івано-Франківського національного тех-нічного університету нафти і газу (ІФНТУНГ). Деякі питання дисертаційної роботи розроблялись здобувачем при виконанні науково-дослідної роботи за тематикою Інституту нафтогазових технологій ІФНТУНГ, що проводилась Галузевою науково-дослідною лабораторією ГНДЛ-5 за участю автора дисертації в 1995…2001 роках. Це, зокрема, госпдоговірні та держ-бюджетні теми ГМ-2/93 – “Державний спеціальний еталон одиниці об’ємної витрати газу” (№ держ. реєстрації: 0193 ; автор – відповідальний викона-вець); ГМ-2/97 – “Розробка елементів теорії та принципів побудови засобів вимірювання для точного обліку витрачання природного газу” (№ держ. реєстрації: 095 ; автор – виконавець розділу); Д-28 – “Розробка наукових основ інфо-рмаційно-вимірювальних систем вищої точності для обліку витрачання природного газу” (№ держ. реєстрації: 0196 ; автор – відповідальний виконавець); Д-6/4Ф – “Наукові основи розробки нових інформаційно-вимірювальних систем для обліку витрати газу” (№ держреєстрації: 0198 ; автор – відповідальний виконавець); ГД /98 – “Розробка та дослідження зразкової витратовимірювальної установки дзвонового типу” (№ держреєстрації: 0198 ; автор – керівник теми).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка дводзвонової установки відтворення та вимірювання об’єму газу підвищеної точності та швидкодії для випробувань та повірки лічильників газу (ЛГ) повітрям та природним газом, а також її метрологічна атестація (МА).

Дана мета реалізується вирішенням наступних задач:

? проаналізувати рівень розвитку та сучасний стан дзвонових випробувальних установок (ДВУ) і визначити шляхи і методи їх подальшого удосконалення з метою підвищення точності;

? провести дослідження впливу фізико-хімічних характеристик робочого середо-вища ЛГ на їх роботу та метрологічні характеристики;

? провести теоретичні дослідження газогідродинамічних перехідних процесів в ДВУ з метою обґрунтування можливості підвищення їх точності, а також чутливості і швидкодії, зокрема дослідити вплив зміни фізико-хімічних характеристик робочого середовища ДВУ, поведінки і властивостей замкової рідини їх гідровитіснювача, а також пульсацій тиску, що створюються ЛГ, на їх роботу та метрологічні характеристики;

? розробити конструкцію, структурну та функціональну схеми, математичні моделі і програмне забезпечення ДВУ підвищеної точності та швидкодії, необхідні для її виготовлення та застосування;

? виготовити ДВУ підвищеної точності та швидкодії, дослідити її метрологічні характеристики, розробити методику метрологічних досліджень і провести її МА та впровадити в промисловість.

Об’єктом дослідження є відтворення та вимірювання кількості і витрати газу при повірці ЛГ.

Предметом дослідження є дзвонові установки відтворення та вимірювання об’єму газу для повірки ЛГ, їх моделі, похибки та підвищення точності.

Методи дослідження. Для дослідження впливу зміни характеристик робочого середовища ЛГ та ДВУ на характер їх роботи та метрологічні властивості використані основні положення теорії термодинаміки газів та газових станів, рівняння кінетичної енергії системи – рівняння Лагранжа ІІ-го роду, закон балансу енергії змінного об’єму газу. Для розв’язку отриманих математичних моделей використано числові методи розв'язку диференційних рівнянь Рунге-Кутта. При розробці математичної моделі вимірювального процесу ДВУ використано методи компонентного аналізу систем. Розроблений спосіб калібрування дзвонового мірника (ДМ) ґрунтується на методиці одержання апроксимаційних залежностей для визначення площ перетинів і калібрування контрольного об’єму дзвону за методом кубічних сплайнів. При розробці методики проведення МА вимірювальних каналів ДВУ застосовано методи теорії вимірювань та метрології.

Наукова новизна одержаних результатів:

? Обґрунтовано нові принципи побудови ДВУ підвищеної точності, які базують-ся на використанні в якості робочого середовища установок натурального робо-чого середовища ЛГ – природного газу. Реалізація такого підходу дозволила створи-ти оригінальну дво-дзвонову установку відтворення та вимірювання об’єму газу для випробувань та повірки ЛГ повітрям та природним газом, в якій досягається підвищена в порівнянні з існуючими ДВУ точність, чутливість і швидкодія.

? Вперше на основі рівнянь Лагранжа другого роду, рівняння балансу енергії змінного об’єму газу, рівняння стану газу в диференціальній формі та рівняння витра--ти розроблено математичну модель вимірювального процесу в ДВУ, яка крім термо-газодинамічних процесів, що протікають в установці, враховує вплив на вимі-рю--вальний процес коливань дзвону, рівня рідини гідрозамка у витіснювачі та пуль-са-цій, що створюються самим ЛГ в процесі повірки, а також дає можливість дослі-ди--ти вплив на цей процес зміни фізико-хімічних характеристик робочого середови-ща з метою підвищення точності, чутливості і швидкодії ДВУ в процесі проектування.

? Розроблено математичні залежності для визначення дійсного значення об’єму контрольної дози (КД) газу, які, на відміну від існуючих, враховують зміну рівня замкової рідини при зануренні дзвону ДВУ у гідрозамок її витіснювача і дозволяють суттєво підвищити точність установки. Одержано вирази для аналітичного оцінювання похибки, обумовленої статичною зміною рівня рідини гідрозамка, що дозволили її виокремити та виключити в розроблених раніше ДВУ.

? Розроблено метрологічну модель ДВУ та схему накопичення компонент її по-хибки, яка на відміну від існуючих, враховує додаткову похибку, обумовлену від-мінностями фізико-хімічних властивостей повітря і природного газу. Це дозволило розробити точні методи метрологічних досліджень та провести МА створеної ДВУ.

? Введено і реалізовано новий геометрично-розрахунковий спосіб калібрування дзвонового мірника з використанням методу кубічних сплайнів, а також нову мето-дику оцінювання похибки мірника і новий метод автоматизованого вибору заданого об'єму КД газу на нелінійній шкалі мірника ДВУ, які ґрунтуються на цьому способі. Це дозволило підвищити точність установки, а також її чутливість і швидкодію.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

? На підставі розроблених принципів і моделей обґрунтовано нову конструкцію комп’ютеризованих випробувальних установок для лічильників газу, підвищеної чутливості, точності і швидкодії – дводзвонових з автома-тизо-ваним вибором заданого об’єму КД газу на нелінійній шкалі ДМ, оснащених витіснювачем нової конструкції з масляним заповненням та можливістю використання в якості робочого середовища природного газу або повітря.

? Розроблено нову конструкцію витіснювача дзвонового мірника, впровадження якої дало змогу знизити тривалість перехідних процесів в ДВУ більш як на 25%.

? Розроблено конструкцію, виготовлено, налагоджено і впроваджено у вироб-ництво в Управлінні газового господарства (УГГ) м. Бендер (Молдова) дводзвонову маловитратну комп’ютеризовану випробувальну установку ОКМА-0,3 підвищеної точності для калібрування, повірки і метрологічних досліджень роторних та мембранних лічильників газу. В цій установці введено нову конструкцію витіснювачів, заповнених малов’язкою низьковипаровуваною оливою, а також забезпечено можливість роботи як на середовищі-заміннику – повітрі, так і на натуральному робочому середовищі – природному газі.

? Розроблено удосконалену методику МА створеної ДВУ, що враховує неви-явлені раніше складові похибки; за результатами метрологічної атестації установку атестовано з максимальною приведеною похибкою відтворення і вимірювання одиниці об’єму газу ±0,12%. Впровадження установки дозволило досягти середньо-річного економічного ефекту 18 тис. доларів США.

? Результати роботи використано при розробці, створенні, МА та впровадженні двох ДВУ високої точності – Державного спеціального Еталона одиниць об’єму і об’єм-ної витрати газу на базі установки РКДУ-0,28 при випробувальному центрі ВАТ “Промприлад” та потужної за витратою універсальної ДВУ в АТ “Кримтеплокомуненерго” .

? Результати роботи використано при розробці, створенні і введенні у нав-чальний процес на кафедрі ІВТ ІФНТУНГ маловитратної ДВУ, на базі якої постав-лені і виконуються лабораторні роботи з дисциплін “ІВТ для обліку витрати газу” та “Метрологічне забезпечення систем”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертації отримані автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі досягнуті у спів-авторстві з науковим керівником, працівниками за місцем роботи та співробітни-ками УГГ м. Бендер. 8 праць написано без співавторів. В роботах, написаних у співавторстві, автору належить: в [1] – експериментальні дослідження розроб-леного лічильника-витратоміра газу та обробка їх результатів, в [2] – розробка та відлагодження програмного забезпечення для реалізації способу, в [3] – аналіз мето-дів та приладів для обліку витрати газу, в [6] – експериментальні дослідження мало-витратних лічильників та обробка їх результатів, в [6] – принципова схема ДВУ та спосіб підключення ПЕОМ для збору інформації, в [7] – алгоритм функціонування програмного забезпечення ДВУ, в [9] – аналіз похибок ДВУ, в [12] – структура інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) ДВУ, будова і робота скануючого пристрою, програмне забезпечення та аналіз вимірювальних сигналів, в [17] – експериментальні дослідження впливу зміни рівня замкової рідини на точність ДВУ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповіда-лися та обговорювалися на таких міжнародних науково-технічних та науково-прак-тич-них конференціях: “IV Konferencja Gospoderki remontowej energetyki” (Biеlsko-Biala –Польша, 1994); “Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара” (м. С.-Петербург, 1996); “Управління енерговикористанням” та “Системи транспортування, контролю якості та обліку енергоносіїв” (м. Львів, 1997 та 1998); “Проблеми забезпечення обліку газу в Україні” (м. Івано-Франківськ, 1999, 2001); а також на щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ІФНТУНГ в період з 1995 по 2001 р.р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 17-ти друкованих наукових працях, із яких 8 – у фахових виданнях, в т. ч. 2 деклараційних патенти України на винахід, отриманих автором одноособово.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу,
чотирьох розділів і висновків, викладених на 157 сторінках, 34 рисунків,
3 таб-лиць, списку використаної літератури із 96 найменувань і додатків.

Основний зміст дисертаційної роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, приведено основні положення, які подаються автором до захисту.

В першому розділі проаналізовано рівень розвитку та сучасний стан ДВУ різних типів, зокрема порційно-статичних, неперервно-циклічних та дискретно-динамічних ДВУ, з метою визначення шляхів і методів їх подальшого удосконален-ня для підвищен-ня їх точності. Аналіз показав, що ліміт можливостей подальшого підвищення точності ДВУ до даного часу в значній мірі вже використано, і вказаної вище мети можна досягти тільки докорінною перебудовою їх структури і конструк-ції, а також виявленням і усуне-н-ням фак-торів, що породжували приховані складові сумарної похибки, які раніше дос-лід--ни-ками ще не були виявлені. Крім того, аналіз показав, що в міжнародній практиці при по-будові ДВУ в якості робочого середовища застосовується не лише середовище-за-мі-нник – повітря, але натуральне робоче середовище лічильників – природний газ. Виходячи з проведеного аналізу сформульовано та обґрунтовано напрям і задачі досліджень.

В другому розділі проведено теоретичні та експериментальні дослідження ЛГ при їх роботі на повітрі та природному газі, дослідження газогідродинамічних і перехідних процесів в ДВУ та розроблено принципи побудови на їх базі установки підвищеної точності для випробувань ЛГ.

Дослідження відмінностей, що виникають при роботі побутових ЛГ вітчизня-ного ви-робництва на повітрі та газі було проведено за допомогою уточненої математичної моделі таких приладів. Для лічильника типу РЛ-6 записано рівняння необліковуваних перетоків газу в щілинних зазорах вимірювального механізму приладу та викликаної ними похибки лічильника:

– при роботі на повітрі

, дм3/хв; (1)
; (2)

– при роботі на природному газі

, дм3/хв; (3)

, (4)

де n – кількість обертів роторів ЛГ за хвилину; ?Р – втрата тиску, що ство-рюється відліковим меха-нізмом ЛГ; ?Р?– скла-дова втрати тиску з враху-ванням швидкісного пе-ре-паду, що створюється при значних швидкостях обер-тання рото-рів; q та д – від-повідно не-облі-ко-вувані пере-токи газу в щілинних зазорах вимірю-валь-ного ме-ха-нізму при-ладу та ви-кли-кані ними по-хибки лічиль-ника. Індекс “пов” у вказа-них змінних від--повідає ре-зуль-та-там для повітря, індекс “газ” – для газу.

Побудовано аналітичні криві (рис. ) залежностей похибки та втрати тиску на лічильнику типу РЛ-6 при роботі на повітрі та природ-ному газі. Згідно з результа-та-ми моделювання, втрата тиску при роботі на повітрі є більшою, ніж при роботі на природному газі, причому ця різниця на малих витратах є незначною, а на макси-мальних досягає 35%; похибка приладу при роботі на газі зростає за абсолютним значенням внаслідок збільшення необліковуваних перетоків, що призводить до заниження показів приладу в середньому на 0,8% і зміщенням кривої його похибок в сторону менших значень (див. рис. 1).

Проведений аналіз характеристик ЛГ та витратомірів газу (ВГ) закордонного виробництва також вказав на суттєву різницю в їх роботі на повітрі та природному газі: результати вимірювань на повітрі та газі відрізняються на величину від 0,2% до 0,8% при загальній похибці приладу до (1,0...2,0)%

Отримані результати вказують на необхідність калібрування ЛГ безпосередньо на природному газі, а отже, забезпечення можливості роботи на ньому і ДВУ.

Для дослідження відмінностей, що виникають в роботі ДВУ на повітрі та на газі, на основі відомих математичних моделей шляхом уточнення ряду коефіцієнтів цих моделей отримано кінцеве рівняння коливного руху дзвону в процесі відтворення установкою КД газу:–

при роботі на повітрі ; (5)–

при роботі на природному газі . (6)

Проведені за отриманими аналітичними моделями дослідження показали, що на газі перехідні процеси під дзвоном, які неминуче мають місце у вимірювальному циклі ДВУ і виникають внаслідок коливання дзвону при зміні напрямку його руху, відбуваються з дещо меншою частотою і тривають довше, ніж на повітрі. Це можна пояснити більшою пружністю газової подушки, обумовленою більшою, ніж у повітря, стискуваністю природного газу. Оскільки перехідні процеси мусять бути виключені з вимірювального циклу ДВУ, то виникає задача їх зменшення або скорочення їх тривалості при роботі установки на газі.

Проведено дослідження впливу на вимірювальний процес ДВУ зміни рівня замкової рідини їх витіснювача. Отримано математичні залежності для опису зміни ?Н рівня цієї рідини при зануренні дзвону у гідрозамок витіснювача ДВУ та рівняння для визначення дійсного значення об’єму VД КД, збільшеного внаслідок вказаної зміни рівня, або додаткової похибки, обумовленої такою зміною рівня:

; (7)

; (8)

, (9)

де Н – глибина занурення дзвону в рідину гідрозамка; D та d – зовнішній та внут-рішній діаметри дзвону відповідно; Dвит та dвит – внутрішній діаметр стінки витіс-нювача та зовнішній діаметр його внутрішнього циліндра (або вхідного трубопроводу) відповідно; – площа гідрозамка витіснювача;
Sдз – площа внутрішнього перетину дзвону; V – значення об’єму КД без врахування зміни рівня рідини; ?V – додатковий об’єм, отриманий внаслідок підвищення рівня рідини у витіснювачі.

Слід зазначити, що вищезнайдений об’єм ?V чисельно рівний абсолютній похибці відтворення КД, що зумовлена такою зміною рівня і раніше не враховувалась (для ДМ установки ОКМА-0,3 дана похибка сягала 1,0Проведені дослідження показали, що суттєвого зменшення похибки, викликаної зміною рівня рідини у витіснювачі, можна досягти збільшенням площі Sгз , що можна забезпечити конструктивним шляхом. Разом з цим, застосування в якості замкової рідини мало-в’язкої оливи замість звичайної води повинно привести до зменшення періоду заникань коливних процесів в установці. Крім того, така заміна зменшує вплив на вимірювальний процес ДВУ масообмінних явищ, що мають місце під дзвоном ДМ. В зв’язку з цим нами запропоновано удосконалену конструкцію гідровитіснювача ДМ установки (рис. 2). Відмінність такої конструкції в порівнянні з класичною для дзвонових установок полягає в тому, що гідровитіснювач 1, що в нього занурюється дзвін 2 установки, не містить внутрішнього пустотілого циліндра 4, а натомість пов-ністю заповнений рідиною – малов’язкою низьковипаровуваною оливою. Суттєвого зниження впливу випаровування рідини витіснювача можна добитись, забезпечив-ши роботу ДВУ в замкненому циклі, коли повірка приладів проводиться однією і тією ж порцією замкненого в установці газу, насиченого парами рідини гідрозамка.

З метою додаткового підвищення точності ДВУ та дослідження її роботи на повітрі і на газі, нами на основі рівнянь Лагранжа другого роду, рівняння балансу енергії змінного об’єму газу, рівняння стану газу в диференціальній формі, рівняння витрати, а також рівнянь тиску і температури газу під дзвоном і після ЛГ розроблено нову удосконалену математичну модель вимірювального процесу ДВУ, яку представлено такою системою диференціальних рівнянь:

Тут ae і ar, ve і vr та ye і yr – відповідно прискорення, швидкість та лінійна координата поступальної та коливної складової руху дзвону; ye – максимальне значення коор-динати ye дзвону, що відповідає його крайньому верхньому положенню; А1, А2, А3, ... А8; B1, B2, B3, ... B9 та Н – постійні для вибраної конструкції ДМ, рідини гідровитіс-ню-вача і досліджуваного на установці приладу (ДП) коефіцієнти; Р та Р1 – відповід-но тиск під дзвоном та після ДП; Т, Т1 та Тс – температура газу під дзвоном і після ДП та стінки дзвону відповідно; k = сp / сv – показник адіабати; сp і сv – тепло-ємності газу при постійних тиску і температурі; м і б0 – відповідно динамічна в?яз-кість і кое-фі-цієнт теплопередачі газу; R = сp – сv – газова постійна; Qm – масова ви-трату газу у вихідному трубопроводі; спр – коефіцієнт пружності еквівалентної газо-вій подушці пружини; Sтр – площа внутрішнього перетину вихідного трубопроводу ДВУ.

Відмінність запропонованої моделі від існуючих полягає в тому, що вона крім термогазодинамічних процесів, що протікають в ДВУ, враховує ще і вплив на вимірювальний процес коливного руху дзвону, коливань рівня та кінетичну енергію маси рідини гідрозамка у витіснювачі, а також пульсацій, що створюються самим ДП в процесі повірки.

Розроблена математична модель дала змогу вперше аналітично дослідити вплив на вимірювальний процес ДВУ зміни фізико-хімічних характеристик робочого середовища. Отримано залежності перехідних процесів під дзвоном при роботі на повітрі та природному газі (рис. 3). Частота і амплітуда коливань системи на газі є вищою за частоту і амплітуду коливань на повітрі, а коефіцієнт заникання коливного процесу є меншим, тобто рівнодіюча сил опору рухові дзвону на газі має менше значення, ніж на повітрі. Такі відмінності можна пояснити вищими, ніж у повітря, пружними властивостями газу, його меншою в’язкістю та густиною. Період завершення коливних процесів на газі для модельованої установки становить ~ 5,5 с, що є на 1 с більше, ніж на повітрі. Коливання тиску на газі мають більшу частоту і ам-плітуду, ніж на повітрі і загалом повторюють коливання дзвону ДВУ. Період завер--шення перехідних процесів зміни тиску під дзвоном на газі становить ~ ,5 с, а тиску після ДП ~ 7 с, в той час, коли на повітрі ці значення менші в середньому
на 20% (4 с та 5,5 с відповідно).

Дослідження, проведені за допомогою розробленої моделі і згодом підтвер-джені в процесі впровадження розробленої ДВУ, показали, що застосування гідро–витіснювача запропонованої конструкції, заповненого малов’язкою низько-випаровуваною оливою, дає змогу суттєво скоротити тривалість перехідних процесів. Частота та амплітуда коливних процесів у випадку використання запропо-нованого витіснювача удосконаленої конструкції різко зменшуються в порівнянні з витіснювачем класичної конструкції (див. рис. 3) – період заникання коливань дзвону на газі зменшується більше, ніж на 25%. Таку зміну характеру перехідних процесів слід пояснювати значним збільшенням маси, що приймає участь в коливному процесі, а також підвищенням динамічної в’язкості рідини витіснювача.

Проведені дослідження дозволили сформулювати основні принципи побудови сучасної ДВУ підвищеної точності для випробувань ЛГ: забезпечення можливості роботи на натуральному робочому середовищі ЛГ – природному газі, а також на середовищі-заміннику – повітрі; забезпечення замкненого робочого циклу для зниження впливу масообмінних процесів в ДМ; застосування гідровитіснювача без внутрішнього пустотілого циліндра, заповненого малов’язкою низьковипарову-ваною оливою; забезпечення автоматизованого збору і обробки інформації про значення об’єму та витрати, що відтворюються установкою і фіксуються ДП.

Третій розділ присвячено розробці на основі сформульованих у 2-му розділі принципів побудови сучасної ДВУ підвищеної точності структури, ІВС та функціональної схеми такої установки та її створенню.

Розроблено структуру дводзвонової ДВУ, в якій забезпечується підвищена точність, чутливість та швидкодія (рис. 4). Установка дає можливість проводити дослідження, калібрування і повірку ЛГ й ВГ побутового призначення повітрям та природним газом. Це дозволяє усунути похибку, викликану відмінністю фізико-хімічних характеристик природного газу і повітря, що мала місце в існуючих ДВУ, в яких в якості робочого використовувалось середовище-замінник (повітря). Для усунення похибки, викликаної неусталеними масообмінними процесами під дзвона-ми ДВУ, підвищення її швидкодії та безпечних умов її експлуатації, в установці пе-редбачено можливість роботи в замкненому циклі, коли КД газу, будучи витісненою першим ДМ, надходить до ДП, після чого подається у другий ДМ, готуючи тим самим ДВУ до наступного повірочного циклу. Розроблена структура забезпечує можливість роботи установки в неперервно-циклічному режимі.

Розроблено також структурну схему ІВС такої ДВУ з використанням персонального комп’ютера (ПК) для збору, накопичення, обробки, представлення і архівування вимірювальної інформації та керування роботою ДВУ в автоматичному режимі (рис. 5). Розроблено відповідне програмне забезпечення ІВС.

Для підвищення точності вимірювання КД, відтворюваної ДВУ, введено високоточну оптичну цифрову систему індикації положення дзвону установки. При калібруванні ДМ з визначенням мікрооб’ємів дзвону по всій його висоті така система дозволяє реалізувати принцип автоматизованого вибору об’єму КД на нелі-нійній шкалі ДМ, внаслідок чого значення об’єму КД вибирається в залежності від необхідної витрати. Це дає можливість підвищити чутли-вість ДВУ, а також її швидко-дію за рахунок проведення кількох вимірювальних експе-риментів по відтворенню і ви-мірюванню КД газу в межах одного циклу опускання дзво-ну при калібруванні чи повірці ДП в діапазоні малих витрат.

З використанням запро-понованих нововведень розро-блено удосконалену функці-ональну схему (рис. ) сучас-ної високоточної двохдзво-нової установки для випро-бувань ЛГ повітрям та при-родним газом. Установку спо-руджено в УГГ м. Бендери. Установка ОКМУ_,3 дає можливість калібрування та повірки ЛГ і ВГ, в першу чергу роторних ЛГ побутового при-значення, на витрати від 0,4 до  м3/год. На установку, побудовану за такою функці-ональною схемою, отримано деклараційний патент України на винахід.

Четвертий розділ присвячено розробці методики МА створеної ДВУ, опису і аналізу результатів їх проведення та промислового впровадження установки.

Розроблено метрологічну модель ДВУ, побудованої за удосконаленою функці-ональною схемою, а також схему накопичення компонент її сумарної похибки (рис. ), що дало можливість виокремити та оцінити вплив на точність установки окремих складових її похибки в режимі відтворення і вимірювання одиниці об’єму газу, а також розробити точні методи її метрологічних досліджень і МА.

Розроблено два різновиди розрахунково-геометричного способу калібрування ДМ під час МА ДВУ. Перший полягає у багаторазовому вимірюванні внутрішнього діаметра дзвону та його вертикального переміщення (висоти), другий – у вимірю-ванні периметра зовнішньої стінки та вертикального переміщення (висоти) дзвону, з подальшою інтерполяцією результатів вимірювання цих геометричних розмірів за методом кубічних сплайнів для визначення об’єму піддзвонового простору ДМ.

Використання першого способу дає можливість з високою точністю і дискрет-ністю провести калібрування усього контрольного об’єму ДМ за рахунок визна-чення об’єму піддзвонового простору ДМ як об’єму геометричної фігури довільної, близької до циліндричної, форми та виключення випадкових складових похибки калібрування внаслідок використання інтерполяції отриманих результатів. Такий спосіб особливо варто застосовувати для калібрування ДМ, виготовлених з недоста-тньо високою точністю, а також мірників, деформованих чи бувших у тривалій екс-плуатації. Використання другого способу не вимагає демонтажу ДМ і може бути рекомендоване для проведення поточних повірок ДМ в процесі експлуатації ДВУ.

На запропоновані способи отримано деклараційний патент України на винахід.

Під час МА установки ОКМУ-0,3 були проведені порівняльні дослідження її роботи на повітрі та природному газі. Дослідження дали змогу експериментально перевірити та встановити адекватність розробленої математичної моделі (10) –
див. рис. . Зроблено висновок про доцільність її практичного застосування для моделювання перехідних процесів в ДВУ.

У розділі також описуються і аналізуються результати проведених автором порівняльних досліджень роботи побутових ЛГ вітчизняного та закордонного виробництва на повітрі та природному газі. Наводяться експериментальні криві похибок роторних ЛГ типу G-6 вітчизняних виробників. Ці криві своєю формою на-ближаються до отриманих у другому розділі за допомогою розробленої моделі (див. рис. 1, а). Дослідження підтвердили відмінності в роботі приладів на повітрі та на газі. Експериментальні характеристичні криві в діапазоні від мінімального до номі-нального значення витрати на газі пролягають нижче за криві на повітрі, причому покази приладів на газі є нижчими за покази на повітрі в середньому на ,8%.
В результаті проведених досліджень роботи мембранних лічильників виробництва фірм GAZELAN і ELSTER (Німеччина) встановлено, що між показами цих приладів на газі і повітрі також існує суттєва розбіжність. Найбільша різниця показів для всіх досліджуваних ЛГ мембранного типу має місце на найменшій витраті – покази ЛГ на газі більші за покази на повітрі на величину до 2%. Зі збільшенням витрати ця розбіжність зменшується i має найменше значення на номінальній витраті.

Отримані результати ще раз підтверджують правильність прийнятого рішення про доцільність калібрування та повірки ЛГ натуральним робочим середовищем цих приладів – природним газом – з метою усунення відповідної систематичної складової похибки.

На базі проведених метрологічних досліджень, розроблених метрологічної мо-делі ДВУ, схеми накопичення компонент їх сумарної похибки та запропонованих різновидів розрахунково-геометричного способу калібрування ДМ, а також описа-них у 2-му розділі теоретичних досліджень, розроблено методику МА ДВУ. В даному розділі, зокрема, подано методику калібрування ДМ в процесі МА двома різновидами розрахунково-геометричного способу; методику проведення МА вимі-рювальних каналів ДВУ; методику визначення нестабільності роботи ДВУ по відтворенню витрати та методику обробки результатів МА ДВУ.  

За розробленою методикою проведено МА двохдзвонової установки ОКМА-0,3 підвищеної точності для випробувань ЛГ та ВГ природним газом та повітрям. За результатами МА установку атестовано з максимальною приведеною похибкою відтворення і вимірювання одиниці об’єму газу ±0,12% Установку ОКМА-0,3 впроваджено у виробництво в УГГ м. Бендери (Молдова).

У додатках наведено таблицю значень перепаду тиску, перетоків та похибки цього приладу при його роботі на повітрі та природному газі, отриманих за допомогою наведеної у 2-му розділі моделі перетоків газу у вимірювальному механізмі ЛГ типу РЛ-6; текст та результати роботи програми розв’язку розробленої математичної моделі вимірювального процесу ДВУ для MathCAD 2000 Pro; блок-схему алгоритму функціонування програмного забезпечення ІВС ДВУ; копії декла-раційних патентів України, отриманих автором на описані в дисертації винаходи; копії документів, що підтверджують МА та впровадження побудованих за участю автора ДВУ та відгуку Івано-Франківського ДЦСМС про виконану за участю автора науково-дослідну роботу за темою Д-28 – “Розробка наукових основ ІВС вищої точності для обліку витрачання природного газу”.

Основні результати ТА ВИСНОВКИ

В роботі розв’язано наукову задачу розроблення принципів і методів підвищення точності установок для відтворення і вимірювання об’єму і об’ємної витрати газу, за допомогою яких калібруються і повіряються засоби вимірювання кількості (об’єму) та витрати газу, а також підвищення їх чутливості й швидкодії, і при цьому отримано такі основні результати:

? Проаналізовано рівень розвитку та сучасний стан дзвонових випробувальних установок різних типів і визначено шляхи й методи їх подальшого удосконалення з метою підвищення точності.

? Проведені за допомогою уточненої математичної моделі побутового лічильника газу типу РЛ-6 дослідження показали, що використання повітря замість природного газу при калібруванні чи повірці цих приладів без введення відповідних поправок призводить до завищення їх показів в середньому на 0,8% із зміщенням кривої їх похибок в сторону більших значень в порівнянні з роботою на газі. Аналіз характеристик лічильників та витратомірів газу закордонного виробництва також вказав на суттєву різницю в їх роботі на повітрі та природному газі: результати вимірювань відрізняються на величину від 0,2% до 0,8%.

? Вперше на основі рівнянь Лагранжа другого роду, рівняння балансу енергії змінного об’єму газу, рівняння стану газу в диференціальній формі та рівняння витрати розроблено математичну модель вимірювального процесу дзвонових установок, яка крім термогазодинамічних процесів, що протікають в них, враховує вплив на цей процес коливань дзвону, рівня рідини гідрозамка у витіснювачі та пульсацій, що створюються самим досліджуваним приладом в процесі повірки. За допомогою моделі досліджено вплив зміни фізико-хімічних характеристик робочого середовища на вимірювальний процес дзвонових установок, встановлено, що тривалість перехідних процесів в таких установках при роботі на газі збільшується в порівнянні з повітрям в середньому на 20%

? Розроблені математичні залежності для визначення дійсного значення об’єму контрольної дози газу, які, на відміну від існуючих, враховують зміну рівня замкової рідини при зануренні дзвону установки у гідрозамок її витіснювача, що дозволило підвищити точність вимірювання установкою контрольної дози газу на 0,1% Одержано також вирази для аналітичного оцінювання похибки, обумовленої статичною зміною рівня рідини гідрозамка, які дозволяють її виокремити та виключити в розроблених раніше установках.

? Розроблено нову конструкцію витіснювача дзвонового мірника, впровадження якої дало змогу знизити більш як на 25% тривалість перехідних процесів у дзвонових випробувальних установках.

? На підставі розроблених принципів і моделей обґрунтовано нову конструкцію комп’ютеризованих випробувальних установок для лічильників газу, підвищеної чутливості, точності і швидкодії – дводзвонових з автоматизованим вибором заданого об’єму контрольної дози газу на нелінійній шкалі мірника, оснащених витіснювачем нової конструкції з масляним заповненням та можливістю використання в якості робочого середовища природного газу або повітря. Розроблено структурну та функціональну схему такої установки та її програмне забезпечення. На установку, побудовану за розробленою схемою, автором отримано деклараційний патент України на винахід.

? Розроблено конструкцію, виготовлено, налагоджено і впроваджено дводзвонову маловитратну комп’ютеризовану випробувальну установку ОКМА-0,3 підвищеної точності для калібрування, повірки і метрологічних досліджень роторних та мембранних лічильників газу на витратах від 0,1 до  м3/год. В цій установці введено нову конструкцію витіснювачів, заповнених малов’язкою низьковипарову-ваною оливою, а також забезпечено можливість роботи як на середовищі-заміннику – повітрі, так і на натуральному робочому середовищі – природному газі.

? Розроблена метрологічна модель дзвонових випробувальних установок, яка на відміну від існуючих, враховує додаткову похибку, обумовлену відмінностями фізико-хімічних властивостей повітря і природного газу, дала змогу уточнити струк-туру похибки дзвонових установок і побудувати схему накопичення компонент сумарної похибки установки ОКМА-0,3 в режимі відтворення і вимірювання нею одиниці об’єму газу.

? Введено і реалізовано новий геометрично-розрахунковий спосіб калібрування дзвонового мірника з використанням методу кубічних сплайнів, а також нову мето-дику оцінювання похибки мірника і новий метод автоматизованого вибору заданого об'єму контрольної дози газу на нелінійній шкалі мірника, які ґрунтуються на цьому способі. Це дозволило підвищити точність установки, її чутливість і швидкодію, а також розробити удосконалену методику метрологічних досліджень установки та провести її Державну метрологічну атестацію.

? В ході метрологічних досліджень установки ОКМА-0,3 проведено перевірку адекватності розроблених математичних моделей, а також експериментальні дослідження роботи установки та вітчизняних і закордонних лічильників газу на повітрі і природному газі. Дослідження підтвердили адекватність наведених у роботі моделей, ефективність конструктивних рішень і достовірність зроблених висновків.

? За результатами Державної метрологічної атестації установку ОКМА-0,3 впроваджено в Управлінні газового господарства м. Бендер (Молдова) з максимальною приведеною похибкою відтворення і вимірювання одиниці об’єму газу ±0,12%. Впровадження установки дозволило досягти середньорічного економічного ефекту 18 тис. доларів США.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. J. Brodyn, I. Brodyn. Badania systemуw pomiarowych strumieni gazуw w urz№dzenienergetychnych // Zeszyty Naukowe Wyїszej Szkoіy Inїynierskiej w Opolu: Pracy IV Miкdzenar. Kof. GRE '94. – Bielsko-Biala, Opole. POLSKA. 1994. №199. – S. 307-310.

2. Бpодин З. М., Бродин Ю. І. Гpадуювання дзвонового мipника газу експеpи-ментально-pозpахунковим методом за допомогою ПЕОМ // Тези HТК професоp-сько-викладацького складу IФДТУHГ, ч. 3. — Iв-Фpанкiвськ, IФДТУHГ. — 1996.

3. Бpодин І. С., Бродин Ю. І. Облiк малих витpат газу в умовах енеpгетичної кpизи в Укpаїнi. // Тези HТК пpофесоpсько-викладацького складу IФДТУHГ, ч. 3. — Iв-Фpанкiвськ, IФДТУHГ. — 1996.

4. Бpодин И. С., Игнатенко Д. В., Бродин Ю. И. Метрологические исследования малорасходных счетчиков при их испытании воздухом и природным газом // Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара: труды Меж-дународной н.-т. конф. — Санкт-Петербург: МЦЭHТ. — 1996. – С. 212-217.

5. Бродин Ю. И. Компьютеризированнная система для градуировки шкалы колокольнного газового мерника // Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара — труды Меж-дународной н.-т. конф. — Санкт-Петербург: МЦЭHТ. — 1996. — С. 212-217.

6. Бродин І. С., Бродин Ю. І. Розробка концепцiї комп'ютеризованої IВС дзвонової витратовимiрювальної установки // Тези НТК професорсько-викладацького складу IФДТУHГ, част. II. — Iв.- Франкiвськ, IФДТУНГ. — 1997. — С. 192.

7. Бродин З. М., Бродин Ю. І. Розробка алгоритму функціонування програмного забезпечення IВС дзвонової витратовимiрювальної установки. — Тези НТК професорсько-викладацького складу IФДТУHГ, част. II. — Iв.- Франкiвськ, IФДТУНГ. — 1997. — С. 191.

8. Бродин Ю. І. Градуювання та метрологічні дослідження дзвонових витратовимірювальних установок // Працi 1-ї Мiжнародної НПК “Системи транспортування, контролю якості та обліку енергоносіїв” — ДУ ”Львiвська полiтехнiка”. — 1998. — С. 155-167.

9. Бpодин I. С., Сеpедюк О. Є., Бродин Ю. І. Пiдвищення точностi зразкових витратовимiрювальних установок. // Доповіді 2-ї Мiжнародної НПК “Управлiння енерговикористанням” — ДУ ”Львiвська полiтехнiка”. — 1997. — С. 112.

10. Бродин Ю. І. Математична модель вимірювального процесу установок дзвоно-вого типу для точного відтворення і вимірювання витрати і об’єму газу // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. — № (том 6). — 1997. — С. 174-187.

11. Бродин Ю. І. Оцінка точності дзвонових витратовимірювальних установок // Український метрологічний журнал. — Випуск 3, 1998. — С. -51.

12. Бродин Ю. І. Похибки відтворення і вимірювання об’єму та витрати газу дзвонових витратовимірювальних установок // Український метрологічний журнал. — Випуск 1, 1999. — С. 50-52.

13. Бродин Ю. І., Бродин З. М. Нові інформаційні технології у витратовимірюваль-них установках // Методи та прилади контролю якості. — № , 1999. — С. 92-95.

14. Бродин Ю. І. Розширення границь вимiрювання витратовимiрювальних установок за допомогою робочих еталонiв // Методи та прилади контролю якості. — № 3, 1999 — С. 96-98.

15. Пат. 33448А Україна, МКИ G01F /00. Спосіб точного оцінювання об’єму дзвону еталона витрати газу / Бродин Ю. І. — № 99021041; Заявл. 23.02.1999; Опубл. 15.02.2001, бюл. №1.

16. Пат. 33463А Україна, МКИ G01F /00Бродин Ю. І. Дзвонова витрато-вимірювальна установка для калібрування і повірки витратомірів та лічильників газу / Бродин Ю. І. — № 99021060; Заявл. 23.02.1999; Опубл. 15.02.2001, бюл. №1.

17. Пістун Є. П., Бродин Ю.І. Дослідження впливу зміни рівня замкової рідини в дзвонових установках задання об’єму газу на їх точність // Методи та прилади контролю якості. — № 7, 2001. — С. 125-127.

Анотація

Бродин Ю. І. Дводзвонова установка відтворення та вимірювання об’єму газу для повірки лічильників газу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01